复杂地层条件下钢顶管在施工中的稳定性研究

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本文综合采用理论推导、数值模拟和案例分析方法,针对大直径钢顶管施工中的稳定性问题,提出了基于一阶剪切变形板理论和弹性地基的有限条分析方法,揭示了管土相互作用影响下钢顶管的屈曲失稳机理及不同纵向加劲肋形式对钢顶管稳定性的影响规律。应用有限元法分析了环向加劲肋和正交加劲肋对钢顶管稳定性的影响规律及曲线钢顶管的稳定性,并结合工程实例提出了相应的防治措施和加固建议。主要研究结果如下:  (1)提出了基于一阶剪切变形板理论的轴压圆柱壳屈曲有限条法(FSM)分析方法,引入Pasternak弹性地基模型,基于能量法推导了考虑弹性地基作用的轴压圆柱壳屈曲有限条法(FSM)解,编写了相应有限条法(FSM)Matlab程序,将本文推导的数值解与文献中解析解进行对比,验证了结果的合理性和可靠性。  (2)建立了考虑管土相互作用效应的钢顶管轴压稳定性分析模型,阐明了管土相互作用影响下钢顶管的屈曲失稳机理,总结了轴压屈曲临界荷载在不同钢顶管几何参数和不同弹性地基参数下的变化规律,分析表明:Winkler地基中的钢顶管模型,随着地基反力系数(k)逐渐增大屈曲荷载有不同程度提升。Pasternak地基模型可以同时考虑地基的竖向压缩和剪切变形,更接近实际工程条件,可模拟更为复杂的地层工况,随着剪切模量(G)逐渐增大,屈曲荷载有不同程度提升,超大直径长钢顶管的荷载曲线最终均趋于收敛,整体屈曲很难发生。有限条法(FSM)程序仍是目前分析复杂弹性地基中不同钢顶管轴压屈曲工况的重要手段。  (3)建立了不同加劲肋形式的钢顶管稳定性分析模型,基于有限条法(FSM)总结了不同截面形式和布置形式的纵向加劲肋对钢顶管轴压稳定性的影响规律,基于有限元法(FEM)总结了环向加劲肋和正交加劲肋在不同布置形式和钢顶管几何参数条件下对钢顶管轴压稳定性的影响规律。结果表明:槽钢比 T型钢具有更好的抗弯扭性能,更适合作为钢顶管的加劲肋。建议对大直径钢顶管用环向肋间距与管径比 Is/d<2的环向肋进行加固;对施工过程或者修复已经发生屈曲变形的超大直径钢顶管采用纵向肋和环向肋组成的正交加劲肋进行加固,其中环向肋间距与管径比Is/d≤1,4根纵向肋均布于管顶、管底和两侧。通过纵向肋和环向肋的共同作用,可以显著提高钢顶管在施工过程中的轴压稳定性。将上述分析应用于实际工程,提出了合理屈曲防治措施并取得了良好的加固效果,验证了本方法的有效性。  (4)建立了曲线钢顶管稳定性分析模型,基于有限元法(FEM)揭示了不同曲率半径对钢顶管轴压稳定性的影响规律,探讨了正交加劲肋在曲线钢顶管中的影响效果。分析表明:曲线钢顶管随着曲率半径的减小,屈曲临界荷载出现明显降低。曲率半径的变化对大直径的曲线钢顶管轴压屈曲临界荷载影响较小,对超大直径的曲线钢顶管影响较大。正交加劲肋对大直径的曲线钢顶管轴压屈曲临界荷载增强较大,对超大直径曲线钢顶管效果有限。不同直径的曲线钢顶管中均发生了以局部屈曲模态为主还伴有整体屈曲模态的混合屈曲模态,和以整体屈曲为主并伴有一定程度局部屈曲的混合屈曲模态,局部屈曲和整体屈曲没有明显的界限,这种混合模态也将随着曲率半径增大逐渐消失。上述结果与实际曲线钢顶管工程中同时发生的局部屈曲和整体屈曲混合模态相吻合,可以有效评估曲线钢顶管的屈曲风险。
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