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顶管技术在城市地下管道(线)铺设中的应用已经有了一百多年的历史。随着国家提出扩大基础设施建设的政策,在未来很长一段时间内顶管技术将是进行复杂地质条件、不允许开挖区域进行铺设地下管道(线)最为重要的技术方法。从过去一段时间内顶管技术施工在城市地下管道铺设的数量呈明显上升趋势。本文结合目前国内一线、二线城市开展大规模的城市管网改造顶管工程项目,对顶管工程中最为主要的设计依据、施工考虑因素--顶进力的影响因素做出具体分析,并通过FLAC3D对管道顶进过程进行三维数值模拟。
首先,本文通过对项管技术的历史和现场做出了简要的分析,并对过去的研究学者对顶管技术的试验型研究做出了总结,从中得到目前顶管技术在顶进力预测和计算存在有哪些计算方法,并对各种顶进力计算公式的适用性进行了讨论。顶进力有端面阻力和摩阻力组成,本文从影响顶进力的影响因素出发,分析了影响顶进力各种因素,并对各种影响因素进行了量化分析,通过国外学者针对顶管工程中不同地层中的试验型研究,得到单位面积摩阻力的各种计算公式。
其次,从管道与周围土体的相互作用机理出发,分析了目前给出的几种作用机理模型,从管土作用微观作用模型分析,得出不同类型土层中管土相互作用的差异,基于基础力学理论推导出顶进力中的摩阻力的在不同地层的中作用传递模式和计算公式。通过作用模拟的作用机理分析,为后期顶管顶进模型的建立和边界条件的设置提供了重要的理论基础和参考。
然后,分析FLAC程序的特点以及适用范围,确定采用FLAC3D对管道顶进过程进行模拟,选用摩尔库伦塑性模型进行建模,通过实例工程土体的直剪试验和顶管所用管道的产品性能参数选定,确定管道及土体的岩土力学参数。采用FLAC3D进行数值模拟过程需要对土体、管道及相互作用模拟、荷载施加、顶进过程等关键性模拟都给出了合理的假设和界定。
最后,结合工程实际项进过程,采用逐步顶进逐步管道替代过程对管道顶进过程进行了模拟,总共分为14个步骤对设定顶进距离进行顶进模拟。对模拟结果:管道轴向应力应变云图、管道周围土体位移云图、管周围土体沉降云图等做出了具体分析,通过管道轴向应力换算得出,管道轴向顶进力的大小与实例工程理论计算和经验计算结果进行对比分析。辨析顶管顶进力的计算过程的正确性和适用性。