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        頂管施工中土體劈裂產(chǎn)生的機(jī)理分析

        2018-10-15 10:46:12
        水利建設(shè)與管理 2018年9期
        關(guān)鍵詞:施工

        (1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處,江蘇 淮安 223100;2.江蘇洪澤經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì),江蘇 淮安 223100)

        由自然因素或人為因素引起的土體劈裂現(xiàn)象早已被了解到,并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。由水壓力的升高導(dǎo)致土體中產(chǎn)生裂縫即水力劈裂現(xiàn)象,也已通過(guò)改善地層的滲透性[1],較早地被應(yīng)用于石油開(kāi)采、地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)等行業(yè)以提高產(chǎn)量。同時(shí),土石壩的滲漏和破壞與其心墻所采用防滲體的水力劈裂現(xiàn)象也密切相關(guān)[2]。隨著注漿技術(shù)的發(fā)展,土體劈裂被應(yīng)用到地基處理領(lǐng)域[3-4],劈裂注漿工法就是用較高的注漿壓力將漿液劈入土層中,從而加固致密土層[5]。本文依據(jù)頂管試驗(yàn)中觀測(cè)到的土體劈裂現(xiàn)象,分析和討論頂管施工中土體劈裂產(chǎn)生的機(jī)理和注漿條件對(duì)它的影響,并給出現(xiàn)場(chǎng)頂管施工以及頂管穿越淺覆土施工的建議。

        1 地表冒漿現(xiàn)象

        通過(guò)頂管試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在頂管頂進(jìn)過(guò)程中,若漿液流量控制不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致管壁周圍土體壓力過(guò)大,當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),頂管周圍土體會(huì)產(chǎn)生劈裂。注漿壓力越大,注漿量越多時(shí),裂縫也會(huì)變大,甚至發(fā)展至地表,使?jié){液延裂縫流出地表,產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象,如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)過(guò)程中的冒漿現(xiàn)象

        地表冒漿現(xiàn)象說(shuō)明了試驗(yàn)中頂管頂進(jìn)時(shí)注漿引起的土體劈裂的存在,也顯示了土體劈裂對(duì)頂管施工的危害。注漿時(shí)產(chǎn)生的土體劈裂、甚至地表冒漿,不但浪費(fèi)材料,破壞周圍環(huán)境,還減弱了泥漿護(hù)套的潤(rùn)滑效果,影響頂管施工。水下淺覆土頂管施工時(shí),如果裂縫發(fā)展至河底,就會(huì)導(dǎo)致大量河水灌入,使頂管受浮力作用,甚至導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。

        2 劈裂的機(jī)理分析

        現(xiàn)場(chǎng)頂管施工中,掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖半徑略大于頂管管節(jié)外徑,多挖土體(很小)將由掘進(jìn)機(jī)管尾注漿填充,并需要在頂進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常補(bǔ)漿。實(shí)際上所需的注漿量(體積)遠(yuǎn)大于多開(kāi)挖土體的體積,這個(gè)體積差異將造成土體的劈裂現(xiàn)象。頂管模型試驗(yàn)中,忽略了多開(kāi)挖土體的影響,更容易出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。

        2.1 簡(jiǎn)化的劈裂模型

        頂管注漿過(guò)程中,觸變泥漿在注漿壓力pin和高程差的合力p0的作用下,對(duì)頂管管壁周圍土體產(chǎn)生擠壓作用pu,當(dāng)pu達(dá)到周圍土體劈裂壓力pf時(shí),產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象,土體出現(xiàn)裂縫,泥漿沿裂縫發(fā)展,并使pu降低。注漿引起的土體劈裂對(duì)周圍土體破壞較小,并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性流動(dòng),所以分析時(shí)仍將土體作為彈性體。

        分析頂管注漿引起的土體劈裂時(shí),對(duì)理論模型作如下假設(shè):

        a.頂管頂進(jìn)時(shí)掘進(jìn)機(jī)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)同時(shí)包括剪切、擠壓、卸荷等影響,變化較為復(fù)雜,分析時(shí)忽略這些影響,只考慮注漿引起的土體應(yīng)力。

        b.頂管管壁土體是均勻的連續(xù)的彈性體,土體飽和,小變形。

        c.觸變泥漿在土中不存在滲透流動(dòng),當(dāng)土體發(fā)生劈裂時(shí),泥漿沿劈裂裂縫流動(dòng),但不改變土體應(yīng)力場(chǎng),且劈裂土體與泥漿混合后可以承載更大的應(yīng)力。

        按上述假設(shè),頂管注漿對(duì)土體應(yīng)力影響如圖2所示。

        圖2 頂管注漿劈裂示意圖

        頂管頂進(jìn)時(shí),平均速度約為20mm/min,速度較小,且頂管管壁不直接與土體接觸,故可以忽略剪切力的影響,土體應(yīng)力主要為σθ、σr。土體彈性模量為E,泊松比μ,上覆土層厚度h。

        頂管注漿影響簡(jiǎn)化為彈性半無(wú)限平面圓孔擴(kuò)張問(wèn)題,應(yīng)力場(chǎng)大于pf區(qū)域內(nèi)土體產(chǎn)生劈裂并存在觸變泥漿。

        2.2 模型的解析解

        彈性半無(wú)限平面圓孔擴(kuò)張問(wèn)題的解析解由Verruijt(1998)[6]給出,推導(dǎo)時(shí)用復(fù)變函數(shù)法,即用復(fù)數(shù)z表示平面上的一點(diǎn),各處應(yīng)力可由z平面上的解析函數(shù)表示[7]。

        式中σx——x軸方向土體應(yīng)力,MPa;

        σy——y軸方向土體應(yīng)力,MPa;

        τxy——作用在垂直于x軸面上且沿著y軸方向土體剪應(yīng)力,MPa;

        Verruijt求解時(shí),首先采用保角映射,將z平面映射到ζ平面,保角映射的公式是:

        式中R0——頂管內(nèi)徑,m;

        h——上覆土層厚度,m;

        α——由頂管內(nèi)徑與深度比值定義的參數(shù),α<ζ<1;

        ω(ζ)——保角變換函數(shù)。

        其中α滿足

        那么z平面上的解析函數(shù)可映射到ζ平面上,即

        φ(z)=φ(ω(ζ))=φ(ζ)

        ψ(z)=ψ(ω(ζ))=ψ(ζ)

        Verruijt給出了兩個(gè)應(yīng)力函數(shù)的解答

        式中

        這樣,就可以得出由壓力p0引起的土體應(yīng)力變化。

        再考慮土體重力造成的初始附加應(yīng)力,對(duì)于深度為d的土體,有

        σy0=γd

        σx0=k0γd

        式中σx0——x軸方向初始土體附加應(yīng)力,MPa;

        σy0——y軸方向初始土體附加應(yīng)力,MPa;

        γ——土的平均重度,kN/m3;

        水位線以下土體需減去浮力影響,k0是靜土壓力系數(shù)。

        2.3 劈裂壓力和危險(xiǎn)面

        頂管頂進(jìn)時(shí)管壁的摩擦力,由于頂速較慢和觸變泥漿的存在,對(duì)土體劈裂的影響較小,故頂管注漿對(duì)周圍土體只有延管節(jié)徑向的壓力,不存在剪切力,所以土體主要是受拉劈裂破壞[8]。而土體一般不能承受拉力

        pu≥σt=0

        也就是說(shuō)土體最大主應(yīng)力σ1>0處將出現(xiàn)土體劈裂。

        按上述假設(shè)將土體視為彈性體,那么會(huì)導(dǎo)致地表冒漿現(xiàn)象的危險(xiǎn)面就是土體的上表面,即地表或者河底處。而實(shí)際上根據(jù)土體的成分、物理力學(xué)性質(zhì),可能存在天然的縫隙,增加冒漿出現(xiàn)的可能性,故在計(jì)算注漿壓力時(shí),需綜合考慮這些因素,設(shè)定地表(或河底)以下一定深度處作為危險(xiǎn)面,這個(gè)深度應(yīng)至少大于1m。

        3 實(shí)例分析

        通榆河北延送水工程灌河地涵工程頂管外徑 4.16m,中心高程-15.5m,觸變泥漿壓漿機(jī)高程為 4.0m。頂管現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),在灌河河床有一處淺覆土,最淺處覆土厚度僅為 4.6m,土層參數(shù)見(jiàn)下表所列。施工存在很大風(fēng)險(xiǎn),需驗(yàn)算并選擇合理的注漿方案。

        淺覆土地層參數(shù)表

        計(jì)算結(jié)果如圖3~圖6所示。

        圖3 注漿壓力 0.10MPa時(shí)頂管軸線上方土體應(yīng)力

        圖4 注漿壓力 0.15MPa時(shí)頂管軸線上方土體應(yīng)力

        圖5 注漿壓力 0.20MPa時(shí)頂管軸線上方土體應(yīng)力

        圖6 不同注漿壓力下土體劈裂區(qū)域

        圖3~圖5給出了頂管軸線上方土體在不同注漿壓力下不同深度的應(yīng)力大小,x方向是壓力,y方向以拉力為主,剪切力相對(duì)較小,這也可以說(shuō)明土體劈裂是受拉破壞。隨著注漿壓力的增加,σy也在變大,土體劈裂范圍也會(huì)變大。

        注漿壓力分別為0.10MPa、0.15MPa和0.20MPa時(shí)土體劈裂范圍如圖6所示,若取河床以下1m處為危險(xiǎn)面,可以看到,注漿壓力應(yīng)不大于0.15MPa。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        頂管中泥漿護(hù)套可以顯著地減小頂管施工中所需的頂力,使長(zhǎng)距離頂管順利施工。但泥漿護(hù)套在注漿過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)周圍地層施加一個(gè)膨脹力,膨脹力的大小與漿液的濃度、注漿量相關(guān)。漿液濃度大,則漿液流動(dòng)性越差,注入壓力增大;漿液濃度小,流動(dòng)性好,注入壓力減小,但流量可能會(huì)增加。

        漿液注入產(chǎn)生的膨脹作用力有可能使周圍地層產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象。當(dāng)頂管上覆土層厚度較小時(shí),地層裂縫可能會(huì)延伸到地表,從而產(chǎn)生地面冒漿現(xiàn)象。水下淺覆土頂管施工時(shí),如果出現(xiàn)冒漿,將會(huì)對(duì)施工和環(huán)境造成不良影響,河水會(huì)通過(guò)裂縫灌入泥漿護(hù)套,不僅破壞泥漿護(hù)套的形成,還會(huì)對(duì)頂管管節(jié)施加上浮力,破壞頂管施工。因此頂管穿越淺覆土施工時(shí),建議采取如下措施:

        關(guān)閉頂管上部?jī)蓚€(gè)注漿開(kāi)關(guān),防止上部土體劈裂;增大注漿壓力,但最大壓力應(yīng)小于周圍土體的劈裂壓力,劈裂壓力可以計(jì)算,給出頂管過(guò)淺覆土施工時(shí)的最大注漿壓力,為0.15MPa。

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