细长薄壁顶管顶进力分布特征-以拱北隧道为例

摘要：基于理论力学刚体平衡得到的顶管顶推力计算公式忽略了顶进过程中顶管自身变形对顶进力的影响,不适用于细长薄壁顶管顶进力的估算。细长薄壁钢管截面刚度小,顶管变形影响管-土接触范围的法向应力分布,进而影响顶管的侧摩阻力和顶进力。通过建立细长薄壁顶管顶进力估算的位移控制有限单元分析模型,得到考虑顶管形变、接触范围、接触面侧摩擦系数、接触面法向应力的顶进力拟合公式。并且得到不同条件下的顶进力与顶进距离的函数关系。基于位移控制有限单元分析模型的顶管顶进力估算精度高,在细长薄壁顶管顶进力估算过程中更有优势。     

深埋曲线钢顶管接触压力现场监测试验分析

为了研究深埋条件下曲线钢顶管接触压力分布和变化规律,以拱北隧道曲线顶管管幕工程为背景,通过对曲线顶管施工现场监测的接触压力进行分析.结果表明:顶进力随顶进距离的增加基本呈线性增长,且中粗砂地层单位面积摩阻力大于砂质黏性土地层;接触压力顶进时发生波动并增大,顶进停止后逐渐趋于平稳,在浮力和顶进力侧向分力作用下,管道顶部和底部的接触压力数值较为接近,且顶部接触压力略大于底部压力,水平位置管道弯曲内侧接触压力小于弯曲外侧;附加接触压力随着掘进面与监测断面距离减小而增加,机头穿过监测断面后,已顶管道水平位置附加接触压力减小,而顶部接触压力由于土拱效应反而持续增长.     

曲线顶管底幕法古沉船整体打捞缩尺模型试验

为了保护沉船的完整性,缩短打捞周期并降低打捞成本,本文提出了一种采用矩形曲线顶管形成底部托盘的新型水下沉船整体打捞方法。基于极限平衡法,推导了单根矩形顶管沿竖曲线推进的顶推力理论计算公式。依托“长江口二号”古沉船打捞项目,开展了缩尺模型试验,分析了底幕不同位置顶管推进顶推力的变化规律,并对一些施工因素对地层扰动及顶推力的影响进行了探讨。结果表明：矩形顶管沿竖曲线推进,顶推力随推进角度的增大呈现先增大后减小的趋势,顶推力峰值发生在推进角度为120°-180°之间；刀盘旋转切削及泥浆的冲刷作用有助于降低对地层的扰动,减小推进阻力；由于端板的约束作用,靠近端板处顶管顶推力大于其他位置的顶管顶推力；顶管在入土和出土时刻会对周围环境产生一定的扰动,因此在确定顶管弧形梁的半径时,需要充分考虑其对沉船扰动的影响；基底吸附力约占总起吊力的31%。本项研究为隧道施工技术在沉船打捞领域的创新性交叉应用,研究成果可为“长江口二号”沉船打捞及类似打捞工程的实施提供重要的理论依据和技术指导。     

富水软弱地层矩形混凝土顶管施工地表沉降研究

随着城市隧道建设环境的日益复杂,很多矩形隧道不再具备明挖条件,而采用顶管施工,合理预测矩形顶管施工引起的地表沉降是工程成败的决定性因素之一.依托苏州地铁5号线某车站矩形顶管工程,建立基于随机介质理论的地层损失模型和基于弹性力学Mindlin解的计算模型,得到矩形顶管施工引起地表沉降的计算公式.选取K34断面,对比了现场实测数据与理论计算的结果.研究结果表明:建立的矩形顶管地表沉降预测模型能较准确地预测矩形顶管引起的地表沉降,其预测值和现场实测数据的误差仅为10.6％;地层损失引起的地表沉降是总地表沉降的主要组成部分,侧摩阻力与正面顶推力占比较小;理论预测曲线的沉降槽宽度与实际沉降槽宽度较为接近,约为2～3倍隧道埋深.     

静钻根植桩抗压抗拔承载性能试验研究

通过一组静钻根植桩的现场抗压抗拔静载试验,研究了抗压和抗拔状态下静钻根植桩的承载性能.对两根试桩的荷载位移曲线进行了比较分析,并采用有效应力法对试桩的极限侧摩阻力进行计算.试验结果表明:受桩周土体应力状态和桩身泊松效应影响,静钻根植抗拔桩的极限侧摩阻力小于抗压桩的极限侧摩阻力;抗拔桩侧摩阻力完全发挥时的桩顶位置值大于抗压桩侧摩阻力完全发挥时的桩顶位置值;采用有效应力法计算土层的极限侧摩阻力时,需要考虑土层的极限深度(或极限竖向有效应力),当土层深度超过极限值时,采用有效应力法计算土层的极限侧摩阻力需采用极限深度时对应的竖向有效应力值.     

桩顶竖向荷载作用下桩土响应的数值分析

为了研究桩土之间的相互作用机理,利用数值方法建立桩土计算模型,分析桩顶荷载作用下桩侧摩阻力分布、桩体轴力分布、中性点位置的变化规律以及桩周土体的位移.研究结果表明:桩侧负摩阻力沿桩身先增大后减小,并逐渐过渡到正摩阻力;随着桩顶荷载的增大,桩侧负摩阻力逐渐减小,中性点位置上移;桩体轴力沿桩身呈现先增大后减小的趋势;受到桩侧摩阻力的作用,位于地表的桩周土体沉降受到一定影响,其影响范围随桩顶荷载的增大而减小.     

软土地层大直径曲线顶管隧道受力特性

为研究软土地层中大直径曲线顶管隧道受力特征,采用现场实测方法,对软土地层大直径曲线顶管的管壁接触压力、环向和纵向钢筋应力进行测试,并与已有文献研究进行对比分析.结果表明:顶管接触压力整体分布均匀,注浆对管壁接触压力影响较大,停机后接触压力略有减小;环向应力初期以受压为主,顶进后期逐渐转为受拉,整体分布特征不明显,纵向应力以拉应力为主,其变化主要由管道轴线偏移控制;管壁注浆后减阻效果明显,顶力与管侧平均摩阻力均显著降低.对土压力分布模式展开分析,发现顶管规范公式偏于保守;土柱理论由于未考虑卸荷拱效应,所得理论值较实测值偏大;太沙基理论与马斯顿理论与实际情况吻合较好.该研究结论可为实际工程提供参考.     

超大类矩形断面复合顶管施工力学性能研究

依托上海轨道交通14号线静安寺站工程，介绍了超大类矩形断面钢-混凝土复合顶管的结构构造、加工制作与施工监测方案，重点分析应力监测数据并结合数模结果揭示了管节在顶进及后续施工中的受力性能，以此来研究大埋深软土地层中新型超大断面顶管的施工力学特性．结果表明：对于顶管中的任一管节，钢板与纵向肋板的应力在该管节顶进初期与全钢管顶推完成时出现较大波动，而中间段基本稳定在某一数值，且钢板轴向受力相比环向受力对管节纠偏更敏感；同一顶管不同管节在施工过程中的应力和位移分布一致：应力分布较为均匀，峰值应力位于顶推面拐角附近；变形趋势为竖向内凹、横向小幅外凸，峰值形变位于竖向跨中；管节峰值应力随顶管推进逐步增大，但均未超过弹性极限，峰值形变保持稳定；钢板的环向应力由水土压力控制，应力分布为上部受拉、左右受压，轴向应力由顶推力控制，其中竖直方向上的轴向应力也受管节竖向偏转和外壁环向荷载的影响；纵向肋板的轴向应力在水平方向上由顶推力控制，在竖直方向上由外壁环向荷载控制；后续施工过程中，顶管受力相对稳定．影响范围方面：注浆加固对钢板和纵向肋板的受力均有较大影响；管节环向焊接主要对钢板的环向与轴向受力有较大影响；...     

堆载和桩顶荷载组合作用下的桩土响应分析

桩侧负摩阻力是影响桩基工作性能的重要因素,而堆载和桩顶荷载对桩侧摩阻力的分布影响很大,为了研究其组合作用机理,采用拉格朗日差分法分析堆载和桩顶荷载组合作用下桩侧摩阻力分布、中性点位置变化规律以及桩体轴力分布。研究结果表明:负摩阻力主要出现在0.37~0.64倍桩长位置;当堆载小于或等于60 k Pa时,负摩阻力沿桩身向下先增大后减小并逐渐过渡到正摩阻力;当堆载大于60 k Pa时,负摩阻力沿桩身向下逐渐减小然后过渡到正摩阻力;桩体最大轴应力与堆载和桩顶荷载具有明显的二元线性相关性;中性点位置变化规律受桩顶荷载和堆载组合值的影响,根据此规律得出二元方程式,可用于快速估算中性点的位置。     

边坡加固工程中抗滑桩间距的确定

考虑抗滑桩桩间土拱效应,以桩侧与边坡土体间的摩阻力及黏着力承担滑坡推力的静力平衡条件和土拱跨中与拱脚处截面的强度条件共同控制,建立了抗滑桩间距的计算公式.该公式适当考虑了滑坡推力分布的影响.工程实例表明,该抗滑桩间距计算公式的计算结果较为合理,具有一定的工程应用价值.     

电冰箱蒸发器管道的自制

自制电冰箱蒸发器管道能降低内漏修理成本。自行设计的弯管器能有效地克服管道折伤，提高了弯管的灵活性和速度，整形用具能把圆形铜管整形成半圆形，从而使自制蒸发器的吸热能力大大提高。     

低温热管的应用性能研究

为了保证青藏铁路的安全运行,在设计施工阶段就要解决维持青藏铁路沿线冻土层的温度恒定的问题．应用热管技术中的低温热管具有高效性、经济性、环保性等特点,经过分析青藏地区的气象资料并进行相关计算,发现热管传热总温差很小,平均10℃左右,且随大气温度的变化而变化．进一步通过理论计算,发现热管传热的总热阻很大,应尽量降低热管本身的热阻和凝结段空气的传热热阻．通过理论计算和试验验证,以氨为工质的冻土热管完全可以适应小温差下的传热环境,它可以将较低的大气温度直接“拉近”到埋入土壤内部的蒸发器表面,实现高效的储冷传热．低温热管不仅可以应用于公路铁路沿线,还可以运用在冻土地区的桥梁、涵洞、输油和输气管线等市政管线,应用前景广阔．     

20Mn2车桥管推方裂缺陷研究

为了探寻20Mn2车桥管在加工过程中产生推方裂缺陷的原因,借助光学显微镜、扫描也子显微镜、氧氮分析仪等测试手段,研究了推方裂的影响因素和形成机理.结果表明裂纹均出现在冷推方后的方管角部,缺陷试样氮的质量分数达70×10^-6以上,在裂纹试样低倍组织中发现上贝氏体组织,裂纹处有钢中夹杂物存在.通过降低钢液增氮、提高淬火冷速以及减少钢中夹杂物,可以有效减少推方裂的产生.     

陶瓷内衬复合钢管的耐腐蚀性能评定

在综合国内外陶瓷内衬复合钢管性能评定试验的基础上,设计了新的陶瓷内衬复合钢管的耐腐蚀性能测试方法.通过实验发现:与普通钢管相比复合钢管具有良好的耐腐蚀性能;其内壁的金属颗粒和飞溅造成腐蚀率在实验的开始阶段逐渐减小,但随着时间的增加,趋向一个定值;复合钢管在酸中的腐蚀主要沿晶界进行.     

岔管流动的数值模拟

应用k-ε模型和控制体积法建立了三维紊流数学模型,根据工程需要对某抽水蓄能电站的引水岔管和尾水岔管的不同体型进行了流态、流速、压力分布的数值模拟研究,在原方案计算结果的基础上提出了修改方案并进行了对比计算,给出了不同工况的水流流态、流速分布和压力分布以及相应的水头损失系数.计算结果表明,修改方案流态有明显改善,水头损失系数明显减小.     

纳米材料在热管中的应用

在普通热管的工质(水)中分别加入ZnO,SiO2,Al2O3和TiO2纳米粉制成了4根新型热管与1根普通热管,共5根热管,均由铜管制成,长度为800 mm,外径12 mm,内径为10 mm,加入水10 mL.在相同的实验条件下研究了这5根热管的启动性能、管壁温度以及输出热量,并对其物理机理进行了探讨,得出如下结论:新型热管比普通热管启动速度快,管壁温度低,换热性能好;加入的纳米粉的尺寸越小,热管的换热性能越好;在一定范围内,纳米粉加入的量越多,热管换热性能越好,但是超过一定量后,会使热管换热性能变差.     

高性能耐热铝合金管材的制备及性能

通过多层喷射沉积方法制备了300mm／150mm×500mm(外径／内径×长)耐热铝合金管坯,并对管坯的显微结构及不同加工状态材料性能进行了检测和分析．管坯显微结构细小均匀,除Al12(Fe,V)3Si外,无其它相析出．管坯经过挤压后,密度由85．9％提高到99．8％;室温强度由210MPa提高到456MPa;高温强度由111MPa提高到181MPa．挤压管旋压后,室温强度略有降低,高温强度无差别．旋压管径425℃,3h退火后,室温强度下降约5％,高温强度差别不大．实验结果表明,多层喷射沉积耐热铝合金管坯具有良好的加工性,该技术适合于制备耐热铝合金材料．     

有压管道的非恒定摩阻模型

在有压管道水击计算中,传统准恒定摩阻模型不能准确描述快速瞬变流动过渡过程。该文介绍在快速瞬变流数值模拟中应用最为广泛的两类非恒定摩阻模型:物理理论基础模型和准恒定流经验修正模型,前者以引入历史速度权函数为特点,后者考虑非恒定流加速度对摩阻项的影响。该文比较了两类非恒定摩阻模型的优缺点、适用范围以及研究发展方向和待解决问题等,得出的结论是物理理论基础模型对于快速瞬变层流过渡过程有较好的应用性;经验修正模型则适用于高R e紊流快速瞬变过渡过程。     

弹性支承管道在脉动内流下的稳定性分析

为研究工程实际中的管道动力特性,考虑了一端固定、一端弹性支承的管道在脉动内流下的稳定性问题.依据牛顿第二定律,建立了管道的横向振动方程,并对其进行无量钢化处理.在确定了边界条件以后,用多尺度法进行了稳定性分析.推导出了该种弹性支承边界的复模态函数并得到了可解性条件,利用该条件推导了组合共振的失稳区域的解析表达式.用数值方法验证了理论分析分析的正确性.结果表明,管道系统的固有频率随液体流速的平均值的增加而下降,液体脉动幅值的增加使失稳区域扩大.     

跨断层地下管道破坏的数值模拟

应用非线性有限元分析软件ADINA对跨断层地下管道破坏进行数值模拟．考虑管土相互作用,管道 模型划分为四结点薄壳单元(shell)结构,土体和断层模型划分为三维实体单元(3-D Solid),断层作为有厚 度的特殊材料考虑,管道采用钢管,建立了管土相互作用的有限元分析模型．计算中,分析了地下管道分别 在静载和动载作用下,考虑摩擦和不考虑摩擦下的变形情况,根据模拟结果绘出了管道变形图、应力云图 及应力矢量图等．通过比较不同情况下管道的反应特征,发现跨断层地下管道破坏分析中管土摩擦不容忽 视,并得出几点结论．