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        地下水對(duì)頂管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的影響分析

        2022-03-12 04:15:14苑藜王志進(jìn)沙浣鈴
        特種結(jié)構(gòu) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:管頂小幅頂管

        苑藜 王志進(jìn) 沙浣鈴

        合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司 230041

        引言

        近年來(lái),隨著城市化進(jìn)程的高速推進(jìn),地面建、構(gòu)筑物鱗次櫛比,地下管線及構(gòu)筑物錯(cuò)綜復(fù)雜,城市道路及隧道交通繁忙。采用傳統(tǒng)的開槽法在老城區(qū)敷設(shè)新的市政給水、排水地下管線已經(jīng)難以實(shí)施。為減少工程建設(shè)對(duì)道路交通和市民正常生活的干擾,降低工程建設(shè)對(duì)城市環(huán)境衛(wèi)生的影響,并避免重復(fù)建設(shè),采用非開挖頂管技術(shù)已成為老城區(qū)市政給水、排水工程建設(shè)的最佳選擇。

        現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]明確規(guī)定,頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮地下水的影響。目前,國(guó)內(nèi)一些參考文獻(xiàn)在頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)地下水的影響,一般采用如下兩種不同的簡(jiǎn)化:(1)不考慮地下水影響,頂管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)地下水位高程均取至管底及以下[2];(2)考慮地下水影響,但當(dāng)?shù)叵滤桓叱涛挥诠茼敽凸艿乐行闹g時(shí),其管道自重、管道側(cè)向土壓力以及管腔土荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式不夠全面[3]。

        實(shí)際工程中,當(dāng)采用機(jī)械頂管工藝穿越一般土層時(shí),管道周邊始終存在地下水。此時(shí),設(shè)計(jì)人員在驗(yàn)算頂管“施工期間”工況時(shí),如果將地下水位取至管底及其以下,這與實(shí)際情況不符;與此同時(shí),頂管使用期間,一般也存在地下水,頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也不應(yīng)忽略其影響。除此之外,作

        用在頂管上且受地下水影響的荷載有:管道自重、管頂豎向土壓力、管腔土荷載、管道側(cè)向土壓力、管道外水壓力。目前,國(guó)內(nèi)暫無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)全面介紹不同地下水高程時(shí),作用在頂管上相關(guān)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算式。

        1 不同地下水位高程時(shí)頂管荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式

        依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1],表1~表5給出不同地下水位高程時(shí)管道自重、管頂豎向土壓力、管腔土荷載、管道側(cè)向土壓力、管道外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算式。

        表5 不同地下水位高程時(shí)管外水壓標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式[1]Tab.5 Calculation formula of standard value of external water pressure of pipe under different altitude of groundwater

        續(xù)表

        表3 不同地下水位高程時(shí)管頂土豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式[1]Tab.3 Calculation formula of standard value of vertical soil pressure on the pipe top under different altitude of groundwater

        表4 不同地下水位高程時(shí)管道側(cè)向土壓力計(jì)算式[1]Tab.4 Calculation formula of the lateral soil pressure of the pipe under different altitude of groundwater

        續(xù)表

        2 作用在頂管上的荷載相關(guān)系數(shù)及組合工況

        依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1,4,5],作用在頂管上的荷載作用種類、分項(xiàng)系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)數(shù)值見表6。管道結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

        表6 作用在頂管上的荷載分項(xiàng)系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)值[1,4,5]Tab.6 Partial coefficient and quasi-permanent coefficient of load acting on pipe jacking

        3 地下水位高程對(duì)頂管內(nèi)力計(jì)算的影響分析

        工程案例:某頂管工程(圖1),管道內(nèi)徑為3500mm鋼筋混凝土管,壁厚320mm,管頂覆土14m,管道工作內(nèi)壓標(biāo)準(zhǔn)值0.15MPa(設(shè)計(jì)內(nèi)壓標(biāo)準(zhǔn)值0.225MPa)。土質(zhì)條件:內(nèi)摩擦角φ=12°,黏聚力C=20kN/m2,重力密度17.5kN/m3,土層均質(zhì)且厚度為30m。作用在頂管上部的荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

        圖1 頂管工程案例示意Fig.1 Schematic diagram of pipe jacking case

        圖2 頂管荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 load calculation diagram

        3.1 對(duì)頂管A截面(管內(nèi)底)內(nèi)力計(jì)算的影響

        由圖3、4知:(1)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m(地面)~-14.0m(管頂標(biāo)高)時(shí):A截面(管底內(nèi)側(cè))彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)均逐漸增大;軸向壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)小幅增大后又小幅減小,軸向壓力設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)小幅增大(軸向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值小幅減?。?。

        圖3 地下水位高程對(duì)A截面(管底內(nèi)側(cè))彎矩設(shè)計(jì)值和準(zhǔn)永久值影響Fig.3 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section A(pipe bottom)of groundwater

        (2)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m(管頂標(biāo)高)~-16.07m(管中心標(biāo)高)時(shí):A截面彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)逐漸減小,彎矩設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅增大后又逐漸減?。惠S向壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)先小幅增大后小幅減小,軸向壓力設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅增大后小幅減?。ㄝS向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值先小幅減小后小幅增大)。

        (3)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m(管中心標(biāo)高)~-18.14m(管底標(biāo)高)時(shí):A截面彎矩設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)和準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)先小幅增大然后不變;軸向壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)先小幅增大然后不變,軸向壓力設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅增大然后不變(軸向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值先小幅減小然后不變)。

        此外,由于管道內(nèi)水壓力在管道內(nèi)力計(jì)算時(shí)僅引起軸向力的改變,因此,工況二與工況三中管道所有截面處彎矩設(shè)計(jì)值(準(zhǔn)永久值)一樣。

        3.2 對(duì)頂管B截面(管頂)內(nèi)力計(jì)算的影響

        由圖5、圖6知:

        圖5 地下水高程對(duì)B截面(管頂內(nèi)側(cè))彎矩設(shè)計(jì)值和準(zhǔn)永久值影響Fig.5 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section B(pipe top)of groundwater

        圖6 地下水高程對(duì)B截面(管頂內(nèi)側(cè))軸力設(shè)計(jì)值和準(zhǔn)永久值影響Fig.6 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section B(pipe top)of groundwater

        (1)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m(地面)~-14.0m(管頂標(biāo)高)時(shí):B截面(管底內(nèi)側(cè))彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)均逐漸增大;軸向壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)逐漸減?。ㄝS向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值逐漸增大)。

        (2)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m(管頂標(biāo)高)~-16.07m(管中心標(biāo)高)時(shí):B截面彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)逐漸減小;軸向壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)逐漸減?。ㄝS向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值逐漸增大)。

        (3)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m(管中心標(biāo)高)~-18.14m(管底標(biāo)高)時(shí):B截面彎矩設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)和準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)先小幅增大然后不變;軸向壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅減小然后不變(軸向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值先小幅增大然后不變)。

        3.3 對(duì)頂管C截面(管側(cè))內(nèi)力計(jì)算的影響

        由圖7、圖8知:

        圖7 地下水高程對(duì)C截面(管外側(cè))彎矩設(shè)計(jì)值和準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)影響Fig.7 Influence on design value and quasi-permanent value of bending moment of section C(tube side)of groundwater

        圖8 地下水高程對(duì)C截面(管外側(cè))軸力設(shè)計(jì)值和準(zhǔn)永久值影響Fig.8 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section C(tube side)of groundwater

        (1)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m(地面)~-14.0m(管頂標(biāo)高)時(shí):C截面彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)均逐漸增大;軸力壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)逐漸減小,軸力壓力設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)逐漸增大(軸向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值逐漸減?。?/p>

        圖4 地下水高程對(duì)A截面(管底內(nèi)側(cè))軸力設(shè)計(jì)值和準(zhǔn)永久值影響Fig.4 Influence on design value and quasi-permanent value of axial force of section A(pipe bottom)of groundwater

        (2)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m(管頂標(biāo)高)~-16.07m(管中心標(biāo)高)時(shí):C截面彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)逐漸減小。軸力壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)逐漸減小;軸向壓力設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅增大后又小幅減小(軸向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值先小幅減小后小幅增大)。

        (3)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m(管中心標(biāo)高)~-18.14m(管底標(biāo)高)時(shí):C截面彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅增大然后不變。軸向壓力準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅增大然后不變(軸向拉力設(shè)計(jì)值的絕對(duì)值先小幅減小然后不變)。

        4 結(jié)論

        通過上文計(jì)算分析可知:隨著地下水位的降低,頂管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)的彎矩準(zhǔn)永久值和設(shè)計(jì)值具有一定規(guī)律性。

        (1)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?m(地面)~-14.0m(管頂標(biāo)高)時(shí),隨著地下水位的降低,彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)均逐漸增大,基本達(dá)到峰值;

        (2)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?14.0m(管頂標(biāo)高)~-16.07m(管中心標(biāo)高)時(shí),隨著地下水位的降低,彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)一般逐漸減?。词褂幸欢ú▌?dòng),但總體呈逐漸減小趨勢(shì));

        (3)當(dāng)?shù)叵滤桓叱虨?16.07m(管中心標(biāo)高)~-18.14m(管底標(biāo)高)時(shí),隨著地下水位的降低,彎矩準(zhǔn)永久值(絕對(duì)值)和設(shè)計(jì)值(絕對(duì)值)先小幅增大然后不變,但數(shù)值均小于峰值。

        因此,頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)?shù)叵滤桓叱倘≈凉艿准捌湟韵拢鋸澗販?zhǔn)永久值和設(shè)計(jì)值均小于不同地下水位高程計(jì)算出的峰值,但誤差率往往小于5%,這在一般工程中屬于可接受的安全允許誤差范圍之內(nèi)。但對(duì)于大型、重要、承壓型的鋼筋混凝土頂管管道,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮工程施工、試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)期間實(shí)際地下水位高程對(duì)頂管管道自重、管頂豎向土壓力、管腔土荷載、管道側(cè)向土壓力和管道外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值的影響,從而準(zhǔn)確計(jì)算管道各截面內(nèi)力值,確保管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

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