高填方大直径钢波纹管涵变形机制与控制技术研究

目的 研究高填方大直径钢波纹管涵变形机制与控制技术,解决其结构变形过大的问题。方法 基于管道压缩变形公式,提出在管涵两侧一定范围内填筑水泥土材料的新技术;通过室内试验确定水泥土材料中最优水泥质量分数,再基于数值模拟和现场试验分析采用新技术施工的管涵结构的受力及变形特征及其上部竖向土压力分布规律,确定最优管侧填筑范围。结果 新填筑技术能充分利用水泥土的刚度限制管涵的变形,当管涵两侧2/3管径范围内采用水泥质量分数为8%水泥土回填时,管涵的最大竖向及水平变形分别减少了35.1%和55.0%,结构最大应力也由管顶处转移至管涵上部45°附近,受力更为合理。结论 新填筑技术使管涵更好地与周围土体逐步变形协调,产生荷载重分布形成土拱效应,将管顶土压力由管中心向管边缘处转移,有效减小了钢波纹管涵结构变形和应力集中。     

基于PFC2D的高填黄土减载明洞土体固结蠕变分析

高填黄土明洞由于其埋置深,覆土高,洞顶竖向土压力大,往往导致洞顶纵向开裂,产生安全隐患,而在洞顶铺设虚土时,能够有效的减小洞顶土压力,改善结构受力,具有良好的减载效果。然而,黄土随时间的推移具有明显的固结蠕变特性,这将使虚土减载的高填明洞洞顶土压力环境发生改变,虚土自身的减载效果也将受到影响。本文通过PFC2D建立虚土减载的明洞模型,对明洞洞顶土压力,不同填方深度处的竖向土压力和竖向位移,填土表面沉降及土颗粒间接触力链随黄土 (填土和虚土) 固结蠕变的演化规律进行分析,以探究黄土固结蠕变对减载明洞周围土压力及竖向位移的影响。结果表明:采用虚土减载时,由于其压实度较低,压缩性较大,能够在土体内部激发土拱效应,起到有效的减载效果;随着土体的固结蠕变,土颗粒间的接触趋于紧密,压缩性降低,土拱效应逐渐消失,减载效果被削弱;伴随土体的固结蠕变,减载明洞各层的竖向土压力及竖向位移呈现先增大、后回调、最终稳定的特征;明洞顶的接触力链由稀疏变为密集,分布趋于均匀,说明固结蠕变促进了土体内部的应力重分布,土颗粒间接触更加紧密,各土层的应力分布趋于均匀;当土体固结蠕变达到基本稳定时,填土表面的竖向沉降量将达到累积沉降量的90%以上。     

基于土-钢共同作用模型的覆土波纹钢板拱桥施工过程受力分析

通过积分计算波纹钢板截面特性,并利用刚度等效的原则将其简化为平钢板,建立了平面二维土体与结构共同作用模型,计算分析了土体参数对结构受力的影响.采用有限元分析技巧,对一座实际波纹钢板拱桥的施工过程进行了模拟,计算分析了施工过程中关键截面的变形和内力变化规律.计算和分析结果表明,波纹板截面特性的积分算法具有很高的精度,通过刚度等效方法建立的土-钢共同作用模型可以考虑土与结构相互作用.施工过程的模拟结果说明,覆土波纹钢板拱桥施工过程中变形和内力变化较大,施工中应严格分层,对称回填、压实,并应特别注意覆土回填至拱顶附近时的位移和内力变化.     

大直径盾构浅覆土下穿铁路桥涵的影响分析及施工控制

为揭示大直径盾构浅覆土下穿施工对铁路桥涵的影响,结合杭州环北地下快速路大直径泥水平衡盾构隧道工程实践,采用数值分析的方法对盾构穿越引起的运营铁路桥涵力学行为进行预测,并结合工程实测分析了盾构施工参数的变化规律、控制方法和桥涵变形的实施效果.数值分析结果表明:未进行桥涵区域的土体加固时,若直接穿越铁路桥涵施工,桥涵的最大沉降可以达到21.6 mm,且在桥涵中隔墙的顶部和底部出现应力集中,最大拉应力可达1.60 MPa;进行土体加固后,穿越铁路桥涵施工时桥涵的最大沉降为9.3 mm,部分区域的最大拉应力为1.46 MPa.工程实践中,常规情况下切口压力较静止土压力大15 kPa,为确保盾构穿越铁路桥涵结构的安全,切口压力调大至25 kPa.考虑上覆水土荷载降低约13%,盾构总推力降低约10%,转矩降低约10%,盾尾注浆量处于150%～200%之间可确保穿越铁路桥涵盾构施工安全.现场实测表明:当盾构机将要穿越桥涵时,桥涵结构产生3～4 mm的预隆起;待盾构穿越后,又产生约4 mm的沉降;盾构机通过3 d后,差异沉降降低并较快趋于稳定,最终稳定在0.01%左右.     

涵土沉降特征对涵洞外界面受力的影响

通过现场监测涵洞与周围填土的沉降、涵洞外界面受力,研究了涵土沉降特征及其对涵洞外界面受力的影响.结果表明:涵土差异沉降引起盖板涵顶中部和两侧墙顶土压力集中作用,在填土期间变化过程不同,涵顶土压力约为填土自重的1.4~3.0倍;涵土差异沉降使得涵顶对涵顶以上两侧土体竖向力的分担,涵侧竖向受力小于填土自重,涵洞侧墙受力远小于静止侧压力;受地基差异影响,涵洞沿横断面沉降不均,涵土之间发生被动土压力作用,引起涵洞两侧墙土压力和基底压力的非对称状态,以及基底压力骤然减小现象.     

波纹钢板桥涵结构计算及其敏感性分析

将波纹钢板桥涵结构简化为单位宽度的固支圆弧梁,同时考虑波纹钢板桥涵结构和土的共同作用,首次建立了该结构的计算模型,推导了该结构位移、应力的解析解.实例计算结果表明:理论计算结果和现场实测结果相当吻合.在此基础上,编制MATLAB程序,进一步分析波纹板厚、波峰高度、波长、结构半径,土体自重、侧压力系数,以及弹性模量对结构位移、应力的影响,为该结构优化设计和施工提供了理论依据.     

回填施工对钢带增强聚乙烯螺旋波纹管涵受力性能影响研究

钢带增强聚乙烯螺旋波纹管（简称钢带增强PE管）结合了高密度聚乙烯和钢的优点,获得了良好的耐腐蚀性能和较高的承载能力.为明确其施工回填过程结构受力特性及其影响因素,采用等效模量法（Equivalent Modulus Method,EMM）对管壁截面进行等效,采用有限元软件Abaqus对管体进行数值模拟,采用附加荷载法对管涵的回填施工过程进行数值模拟,并通过试验验证了有限元模型的有效性,研究了沟槽宽度、压实压力大小和回填土摩擦角对钢带增强PE管涵回填施工过程中受力性能的影响.计算结果表明：管道在回填过程中的水平相对变形值均大于竖向相对变形值,峰值挠度随沟槽宽度和压实压力的增大而增大,回填材料摩擦角对管道变形的影响不显著;管涵顶部竖向土拱率均大于1.0,说明管涵在回填施工过程中为负土拱效应;回填施工过程中最大弯矩的位置和大小随回填高度的变化而变化,最大弯矩在回填至距管底0.75～1倍管涵直径之间.     

地铁盾构近距离后行洞施工对先行洞影响的力学效应

为揭示苏州地铁4号线区间隧道盾构近距离施工双洞之间的影响,采用数值计算和现场监测相结合的手段,获得后行洞施工条件下引起的先行洞附加应力及变形变化规律。研究结果表明:后行洞近距离施工会引起先行洞管片的二次附加应力,且在三维方向均有作用;其中径向附加应力主要呈受压状态,环向附加应力主要呈受拉状态,轴向附加应力由受压状态转化为受拉状态,且附加应力随着后行洞盾构的掘进逐渐增大并趋于稳定状态;由后行洞施工引起的径向附加应力最大约为0.028 MPa,环向附加应力最大约为0.270 MPa,轴向附加应力最大为0.700 MPa;管片及地层变形受土仓压力及注浆压力的影响明显,盾构连续施工过程中先行洞管片整体变形较大,最大变形约为6 mm;地层由隆起逐渐转为沉降,最大隆起量约为1.45 mm,随着盾构的远离,地表沉降逐渐增大,最大达14 mm左右;结合相关施工经验,后行洞施工对先行洞的影响处于可接受范围内,能保障隧道施工和结构受力稳定。     

高填方大直径钢波纹管涵减荷试验

为了研究在钢波纹管涵顶铺设聚苯乙烯泡沫(EPS)板减小涵顶土压力及其调整土压力分布效果,依托四川广巴(广元—巴中)高速公路连接线项目路基工程,对其高填方大直径钢波纹管涵开展现场试验。在设计填方最高处的路堤下沿管涵纵向选取4个特征断面,其中1个为不减荷断面,另3个为涵顶平铺不同厚度EPS板的减荷断面,并对每个断面的特征点位进行应力应变测试,研究钢波纹管涵在减荷与否2种情况下的受力与变形随填土高度的变化规律和EPS板的减荷效果。研究结果表明:在未减荷断面,填土高度在约10m之前的垂直土压力大于土柱压力、约10m后小于土柱压力,最终的垂直土压力系数为0.9左右;在减荷断面,填土高度在约5m之前垂直土压力大于土柱压力、约5m之后小于土柱压力,最终的垂直土压力系数为0.46~0.47;钢波纹管涵两侧填土时,管涵变形表现为横向收敛、竖向拱起,随着填土高度的增加,其变形逐步调整,最终表现为横向挤胀、竖向收敛,且未减荷断面的竖向收敛略大于减荷断面,最终的收敛变形率均在1.0%~2.0%之间;在减荷与否2种情况下,钢波纹管涵顶垂直土压力随着填土高度的增加而增大,但增幅均逐渐减小;未减荷的钢波纹管随着填土高度的增加逐渐表现出柔性管的受力特性,而具有调节土压力的能力;在钢波纹管涵顶平铺柔性材料EPS板具有显著的减荷效果和调节土压力分布的作用;钢波纹管涵顶垂直土压力是影响其最终收敛变形的一个关键因素。     

低填方钢波纹管涵洞受力变形特性及垂直土压力计算

分析了填筑施工动态过程中钢波纹管涵洞的受力变形特性及管涵周围土压力分布规律,基于马斯顿理论,构建了一种垂直土压力的计算公式,结合试验数据和有限元计算对其进行验证.结果表明:应变随填土高度呈波动增长态势,在管侧填土高度为3.6m时,内外部测点应变出现最大值;填土完成后,内部测点存在受拉或受压状态,而外部测点以受拉为主;水平向和竖向变形随管侧填土高度的增加而增加,呈竖向椭圆形;管涵顶部的垂直土压力最大,垂直土压力系数随倾角的增大而增加.