顶管沉井与周边土体相互作用分析

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顶管施工实际由两部分组成:1)工作井开挖施工;2)顶管推进过程施工。顶进的过程中,导致工作井周围土体形成摩尔库伦主动区与被动区,主动区一侧的土体卸载塌陷,被动区一侧的土体加载隆起。一方面,研究土体开裂与隆起范围对减小顶管施工对周围环境影响有积极意义;另一方面,在顶管施工过程中,研究工作井能承受多少顶进反力、土体能提供多少阻力对实际工程的指导也具有重要意义。本文通过采用理论分析、模型实验、数值模拟等方法,结合工程实际情况对小型电力顶管工程工作井以及周围土体施工力学、变形特征、旋喷桩加固特性等进行了深入的讨论。现有研究中对顶推过程中周围地层损失研究较少,对于沉井周围设有旋喷桩的情况一般采用简化方法进行计算,对旋喷桩的加固效果研究不足,少有学者将旋喷桩与工作井结合进行数值模拟运算等问题进行分析,因此针对如下具体内容进行研究:(1)通过测定不同土体与沉井壁的摩擦参数,为实际工程提供室内试验数据。测定得到结果为花岗岩残积土摩擦系数为0.501;原状土摩擦系数为0.448;淤泥质土摩擦系数为0.309;标准砂摩擦系数为0.617,并对结果进行了一定程度的原因分析。最后将所得参数用于数值计算。(2)小型模型箱模拟沉井顶进试验通过建立室内小型模型箱试验模型并进行试验,分析一定工况下的模拟情况,定性认识了解顶管顶进对周围土体的影响。当局部贯通裂缝尚未出现时,主动区与被动区地表影响范围较小。顶推达到一定距离后被动侧土体破坏面在水平方向上的形状为连续的圆弧状,地表的影响范围为椭圆,长轴方向为顶推轴线方向。若继续增大顶力,影响范围将不断扩大。最后将结果与数值模拟分析进行比对得到一定规律。(3)先结合西安某处实际工程项目,利用ABAQUS软件建立有桩的工作井顶进过程模型,并以此结果与其他模拟结果和工程进行对比,认为在基坑开挖与工作井未沉入阶段,坑底土体产生较大隆起,当井体沉入稳定后,侧向土体水平位移与坑底土体竖向隆起量减小。施加顶推力后,后背墙体与土体均产生较大受力变形,土体受到挤压作用形成牛角形状楔形体。前进侧土体向坑内位移而形成形如半个沙漏的三维空间体,后背侧表面覆土隆起形状为椭圆弧状。验证模型正确后,结合顺德某电力沉井周围采用旋喷桩的加固施工方法,建立不同顶力作用下的有桩的工作井模型,认为桩体能承担很大一部分顶进力作用,有效防止周围土体的变形,通过详细分析工作井、旋喷桩与周围土体的力学变形特性,总结基本规律。最后,将土体替换成淤泥质土,发现在软土地层中旋喷桩防止土体开裂的作用更加明显,结果可为广州淤泥质土地区顶管工程施工提供指导。
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