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        管線頂管法下穿公路橋梁安全評(píng)價(jià)與分析

        2021-02-28 11:05:16于永正
        北方交通 2021年2期
        關(guān)鍵詞:車橋頂管樁基

        于永正

        (遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 110006)

        根據(jù)《公路安全保護(hù)條例》第二十七條和二十八條的相關(guān)規(guī)定,對(duì)涉路工程項(xiàng)目需要進(jìn)行“質(zhì)量和安全技術(shù)評(píng)價(jià)”工作。以某雨水管線頂管法施工下穿公路橋梁為例,進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)評(píng)價(jià)與分析。

        1 項(xiàng)目概況

        濱海新區(qū)雨水管線東起河北路,西至津塘路泵站,雨水管主管內(nèi)徑為1.4m,總長(zhǎng)3698m,其中K1+500處需要下穿津塘公路津車橋,與橋梁的交叉角度為84°。為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全,采用頂管法施工,并在雨水管線外設(shè)置直徑2.4m的保護(hù)套管,管材采用頂進(jìn)施工法用III級(jí)鋼筋混凝土管道,鋼承口,橡膠圈連接,雨水管道采用玻璃鋼夾砂管,套筒式雙插口形式柔性接頭連接,環(huán)剛度大于等于12;鋼筋混凝土套管與玻璃鋼夾砂管的空隙采用吹砂填實(shí)。頂管始發(fā)井位于津塘公路南側(cè),基坑尺寸為6.6m×9.8m,基坑深度約12.93m,接收井位于津塘公路北側(cè),基坑尺寸為7.0m×7.3m,基坑深度約13.61m。鋼筋混凝土套管距離橋梁樁基礎(chǔ)位置的最小凈距為5.6m,套管頂面覆土厚度為8.6m。項(xiàng)目穿越位置立面圖如圖1所示。

        圖1 穿越位置立面圖

        2 地質(zhì)、水文概況

        2.1 工程地質(zhì)

        本項(xiàng)目地處華北平原,根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的勘察資料,工程場(chǎng)地位于天津?yàn)I海新區(qū)塘沽,屬海積低平原亞區(qū)(Ⅱ5),主要涉及素填土①2、黏土③1、粉土③2、粉質(zhì)粘土⑥1、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑥、淤泥質(zhì)黏土⑥2、粉土⑥3、粉質(zhì)粘土⑥11、黏土⑥21、粉質(zhì)粘土⑥22、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑥26。盾構(gòu)穿越土層以流塑⑥2淤泥質(zhì)粘土為主,局部穿越軟塑~流塑狀⑥22粉質(zhì)粘土,稍密狀⑥23粉土,流塑狀⑥25淤泥及流塑狀⑥26淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。頂管施工主要穿越⑥2淤泥質(zhì)粘土。

        2.2 水文地質(zhì)條件

        本項(xiàng)目所在區(qū)域地下水類型為第四系孔隙型潛水,主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水,以蒸發(fā)方式和向附近河流和低洼處排泄為主??碧狡陂g實(shí)測(cè)穩(wěn)定水位埋深為2.40~5.10m(相對(duì)大沽標(biāo)高為0.52~0.81m),據(jù)區(qū)域資料及勘察經(jīng)驗(yàn),潛水位年變幅為0.50~1.00m。該場(chǎng)地抗浮設(shè)計(jì)水位可按大沽標(biāo)高2.00m考慮,地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.60m。

        3 施工期間橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)與分析

        3.1 分析方法

        目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于施工和運(yùn)營(yíng)引起地層變形的預(yù)測(cè)分析方法有很多種,主要有經(jīng)驗(yàn)法、解析法、有限元法等。為保證分析結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性,更好地反應(yīng)樁基受上部結(jié)構(gòu)荷載作用后引起周圍土體變形,進(jìn)而引起地基變形這一過(guò)程,橋梁結(jié)構(gòu)安全分析主要采用MIDAS/GTS NX軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。采用有限元法分析上頂管穿越施工對(duì)既有橋梁的影響。

        3.2 計(jì)算參數(shù)

        依據(jù)地質(zhì)資料所提供土層類型進(jìn)行模擬計(jì)算,津車橋橋墩、鉆孔灌注樁、管道均視為彈性材料,具體參數(shù)取值如表1、表2所示。

        表1 靜止側(cè)壓力系數(shù)、泊松比與地基土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)

        表2 模型中結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)表

        3.3 有限元模型建立

        采用Midas GTS建立三維模型,為便于描述,首先給出計(jì)算模型中擬采用的坐標(biāo)系:沿津車橋東側(cè)為X軸正方向,反之為負(fù);沿垂直津車橋北側(cè)方向?yàn)閅軸正方向,反之為負(fù);沿豎直方向向上為Z軸正方向,反之為負(fù)。為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響,考慮施工過(guò)程中的空間效應(yīng),計(jì)算模型取其有效影響范圍,即模型沿X方向取85m,沿Y方向取60m,土層總深度60m。

        模型建模思路為首先建立各土層,以此作為初始階段;然后建立公路運(yùn)營(yíng)、開(kāi)挖基坑、套管修建、管道運(yùn)營(yíng)等,并根據(jù)施工階段激活或鈍化相應(yīng)單元及荷載,計(jì)算開(kāi)挖基坑、管道修建、管道運(yùn)營(yíng)對(duì)既有津車橋橋墩的影響,分析模型如圖2所示。

        圖2 整體模型

        (1)三維實(shí)體單元

        土體、橋墩、承臺(tái)、管道結(jié)構(gòu)選用三維實(shí)體單元,可分四節(jié)點(diǎn)、六節(jié)點(diǎn)和八節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,本模型選用混合網(wǎng)格單元,因?yàn)樗奈灰坪蛻?yīng)力結(jié)果與實(shí)際情況比較接近。實(shí)體單元僅有三個(gè)平移自由度,沒(méi)有旋轉(zhuǎn)自由度。

        (2)樁單元

        樁單元選用的單元類型是MIDAS-GTS中的梁?jiǎn)卧?,在三維實(shí)體模型中建立梁?jiǎn)卧獣r(shí),要考慮節(jié)點(diǎn)的共享。樁單元使用了嵌入式梁?jiǎn)卧姆绞?,該單元由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,屬于“棱柱狀三維梁?jiǎn)卧薄A簡(jiǎn)卧拿總€(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度,每個(gè)單元具有三個(gè)平移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

        (3)樁土界面單元樁土接觸單元采用MIDAS-GTS中提供的用于連接不同材料或剛度相差較大的材料的無(wú)厚度樁界面單元。

        (4)邊界條件

        土體模型邊界選用地面支承邊界,即在左右邊界約束x方向的自由度,在前后邊界約束y方向的自由度,在底面邊界約束z方向的自由度,地面不約束自由度。

        (5)荷載形式自重:程序根據(jù)建立的單元材料容重,自動(dòng)計(jì)算其體積后計(jì)算其自重,最后分配給各單元節(jié)點(diǎn)用于分析。管道運(yùn)營(yíng)荷載考慮管道內(nèi)布置雨水管線。模擬管道施工過(guò)程分析為施工階段分析,一般來(lái)說(shuō)巖土材料都是非線性材料,材料的非線性特性可從巖土的初始條件獲得。所謂初始條件是指施工前的現(xiàn)場(chǎng)條件,也叫原場(chǎng)地條件,其中原場(chǎng)地應(yīng)力最具代表性,獲得原場(chǎng)地的應(yīng)力條件后在原場(chǎng)地條件下按施工順序進(jìn)行全施工階段分析。現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工階段非常復(fù)雜也經(jīng)常發(fā)生變化,施工階段分析一般是將其簡(jiǎn)化取比較重要的施工階段進(jìn)行分析。

        3.4 施工過(guò)程分析

        利用MIDAS/GTS軟件在進(jìn)行施工過(guò)程模擬分析時(shí),大多是分步進(jìn)行的,將每個(gè)施工步模擬結(jié)果包括荷載和體系位移等不斷累加到下一個(gè)施工階段,最終體現(xiàn)在最后施工階段條件施加后產(chǎn)生的影響作用。施工步是指一個(gè)相對(duì)完整的施工階段,每一次頂進(jìn)開(kāi)挖視作一個(gè)施工步。結(jié)合頂管施工過(guò)程,模擬頂管施工單次循環(huán)頂進(jìn)2m。具體施工階段劃分:現(xiàn)狀公路施工前初始應(yīng)力場(chǎng)→公路運(yùn)營(yíng)→位移清零→分節(jié)頂進(jìn)套管→管道運(yùn)營(yíng)。

        3.5 位移計(jì)算與分析

        套管的修建及運(yùn)營(yíng)會(huì)對(duì)津車橋的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生一定影響,選取部分施工階段的位移云圖進(jìn)行分析,由圖可以看出,每一節(jié)管道施工引起的土體豎向位移變化規(guī)律具有一致性,管道下方土體產(chǎn)生向上位移即隆起,管道上方土體產(chǎn)生向下位移即沉降。土體最大隆起發(fā)生在管道正下方拱底處,最大沉降值發(fā)生在管道正上方拱頂處。

        (1)頂管施工期間總體位移分布情況如圖3所示。

        圖3 模型的總位移云圖(單位:mm)

        (2)頂管施工期間橋梁位移分布情況如圖4所示。

        圖4 橋梁的總位移云圖(單位:mm)

        (3)頂管施工期間樁基位移分布情況如圖5所示。

        圖5 樁基的總位移(單位:mm)

        (4)頂管施工期間橋梁樁基軸力變化情況如圖6、圖7、表3所示。

        圖6 橋梁樁基正常運(yùn)行期間樁軸力云圖(單位:mm)

        圖7 頂管施工完成樁軸力云圖(單位:mm)

        表3 最不利位置橋梁樁基軸力變化

        4 結(jié)論與建議

        本工程雨水管線下穿津塘公路津車橋,采用泥水平衡頂管法施工,管線與公路橋梁的交叉位置、角度、埋深等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。根據(jù)Midas GTS三維模型分析結(jié)果,橋梁樁基的豎向最大總位移為0.81mm,樁基礎(chǔ)的不均勻沉降位移值為0.5mm,軸力變化最大值為2.66kN,頂管穿越施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響較小,對(duì)上部橋面的影響基本可以忽略不計(jì),穿越施工期間橋梁結(jié)構(gòu)安全滿足相關(guān)規(guī)定的要求,管線穿越施工對(duì)公路、橋梁及其附屬設(shè)施質(zhì)量和行車安全的影響較小,方案選擇較為合理。

        通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)分析,施工期間對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在一定的影響,為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,應(yīng)對(duì)管線穿越影響范圍內(nèi)的地面沉降、橋梁位移、樁基軸力變化等均應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作,如變化值達(dá)到預(yù)警值,應(yīng)立即停止施工,并分析原因,采取有效的補(bǔ)救措施及時(shí)處理。通過(guò)采取補(bǔ)救措施,可以預(yù)防和減少施工對(duì)公路、公路附屬設(shè)施質(zhì)量和安全的影響。

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