CN113297717A - 考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法 - Google Patents

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钟小春
李永运
姚建文
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陈洁
李猛
袁奕昕
李选兵
倪小东
何纯豪
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Abstract

本发明涉及一种考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，首先，查清顶管穿越范围地层的分布、各地层基本物理力学性质、上覆土厚度等，计算顶管的顶推力；其次，采用Mindlin解答通过积分求解顶管顶进过程中的顶推力和扭矩在桩基上引起的空间三个方向的附加应力；再次，根据弹性地基梁理论，计算附加应力作用下的桩基的附加变形和附加内力；最后，评价顶管顶进对桩基的影响。优点：本发明提供了一种快速实用的临近桩基时顶管顶进影响的评价方法。采用Mindlin解答计算顶管顶进在临近桩基上的附加应力，避免复杂的有限元方法进行三维计算分析，节省大量的计算时间；采用弹性地基梁解答不需要复杂计算即可获得临近桩基的附加变形和内力。

Description

考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法
技术领域
本发明是考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，属于地下工程施工技术领域。
背景技术
现代城市地下工程建设周边环境越来越复杂，遇到了大量的高架桥梁桩基、高层建筑桩基、地铁隧道、几十种之多的各种地下管线等等，将不可避免会遇到临近已有建(构)筑物基础或桩基的问题，如何快速有效评价顶管顶进时的影响成为了一个重要的技术问题。目前工程中对于如何评价顶管顶进的这种影响，大多采用有限元等数值分析方法，不仅耗时，且一般工程单位并不掌握这种复杂的技术手段。实际工程中，大多根据相应的类似工程经验采取较为保守的加固措施。当某顶管穿越工程出现一些问题时(大多数情况下，施工经验不足导致对风险把握不准造成的)，此时容易放大该问题而采用更大范围更严的加固措施，而没有从顶管对地层及临近桩基的影响机理出发探讨顶管顶进时的影响，故造成较大的资源浪费。
发明内容
本发明提出的是考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，旨在解决临近既有桩基顶管顶进时快速、简便的影响分析评价方法。利用已有Mindlin解答和弹性地基梁解答分别快速确定顶管机顶进过程中在临近桩基上的附加应力，以及由此产生的附件变形和内力，并与现有的相关规范进行比较，确定其影响程度。避免采用复杂的有限元三维分析方法，该方法是一种简单、实用、便于推广的分析方法。
本发明的技术解决方案：一种考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响评价方法，包括如下步骤：
步骤一、查清顶管顶进范围地层的分布、各地层基本物理力学性质、上覆土厚度、地下水位和顶管机尺寸和相关参数等，采用相关规范或公开文献中的计算公式计算顶管的顶推力和刀盘扭矩。
步骤二、采用Mindlin解答，通过编制该解答的数值积分小程序，求解顶管顶进过程中的顶推力引起桩基在空间三个方向的附加应力；
Mindlin解答如下
Figure BDA0002985121640000021
Figure BDA0002985121640000022
Figure BDA0002985121640000023
式中P——半无限地基中某一点作用的水平集中力。
在顶管开挖面面积上对以上3个方向应力进行积分求解即可获得顶管顶推力引起的临近桩基上各点附加应力。
步骤三、采用Kelvin解答，通过编制该解答的数值积分小程序，求解顶管顶进过程中的刀盘扭矩引起桩基在空间三个方向的附加应力。并将以上两部分计算的附加应力进行叠加。
Kelvin解答如下：
Figure BDA0002985121640000024
Figure BDA0002985121640000031
Figure BDA0002985121640000032
式中P——无限地基中某一点作用的集中力。
在矩形顶管开挖面上，以对角线为界划分为4个区，以水平剪应力的形式分别作用于各区。在各个区面积上对以上3个方向应力进行积分求解即可获得刀盘扭矩引起的临近桩基上各点附加应力。
步骤四、根据弹性地基梁理论，计算附加应力作用下的桩基的附加变形和附加内力(弯矩和剪力)；
Figure BDA0002985121640000033
式中
Figure BDA0002985121640000034
Figure BDA0002985121640000035
Figure BDA0002985121640000036
Figure BDA0002985121640000037
以上方程中四个代求参数y0,θ0,M0,Q0桩端约束条件给出后求解方程组求得。然后即可获得桩身任意一点的附加内力M和Q。
步骤五、根据相关规范和文献，评价顶管顶进对桩基的影响程度。所述相关规范为《地基基础设计规范》、《桩基工程设计规范》。
(1)本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的一种考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响评价方法，是一种能够同时考虑顶管的顶推力和刀盘扭矩的影响分析方法；
(2)将分析评价过程分成了两步采用常规办公软件即可完成的计算方法，不需要借助三维复杂的有限元等数值分析方法，是一种计算简单、快速且实用的分析方法。
(3)由于较容易得到广泛推广应用，使得工程管理人员、工程设计和工程施工的技术人员能够科学合理快速评估顶管顶进的影响，而不完全依赖工程经验(当工程地质条件不完全相同时，并不能直接套用相关工程经验)。因此，本发明一定能够成为顶管工程相关单位接受和推广的计算分析方法。
附图说明
附图1是顶管机侧穿桥墩桩基示意图。
附图2是顶管顶进过程中X向桩基上的附加应力示意图。
附图3是顶管顶进过程中Y向桩基上的附加应力示意图。
附图4是顶管顶进过程中X向桩基上的附加位移示意图。
附图5是顶管顶进过程中Y向桩基上的附加位移示意图。
具体实施方式
如附图1所示，一种顶管顶进对临近桩基影响评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、查清顶管掘进范围地层的分布、各地层基本物理力学性质、上覆土厚度、地下水位和顶管机尺寸和相关参数等，采用相关规范或公开文献中的计算公式计算顶管的顶推力；
步骤二、采用Mindlin解答，通过编制数值积分小程序，求解顶管顶进过程中的顶推力和扭矩引起桩基空间上的三个方向的附加应力；
步骤三、根据弹性地基梁理论，计算附加应力作用下的桩基的附加变形和附加内力(弯矩和剪力)；
步骤四、根据相关规范和文献，评价顶管顶进对桩基的影响程度。
所述步骤二中，需要编制小的积分程序将在开挖面上的顶推水平向分布力(顶推力引起的)和剪切方向的分布力(扭矩引起的)，转换为能使用水平集中作用下的Mindlin解答的。
所述步骤三中，所述的弹性地基梁理论解答为初参数解答，能够快速求解出各种分布荷载、集中荷载、集中力偶作用下的桩基的附加变形和附加内力。
步骤四中，所述的根据相关规范主要为《地基基础设计规范》、《桩基工程设计规范》。
实施例1
某地铁站出入口采用矩形顶管技术开挖，顶管机平面尺寸7.09m×4.10m。顶管顶进的地层主要粉土、黏土两种地层，其上覆土厚度为4.0m，地下水位位于地面以下1.0m，顶管中心压力估算为80kPa。顶管隧道侧穿高架桥梁桩基，最小距离2.0m。高架桥梁桩基长约25m，C30混凝土。
计算过程主要分为两步：
1)根据Mindlin解答，计算顶管顶进过程中在桩基上产生的附加应力，如图2和图3所示；
2)根据弹性地基梁理论，计算桩基上的附加变形，如图4和图5所示；
3)根据相关规范判断顶管顶进过程中对顶管的影响。

Claims (7)

1.考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，其特征是包括如下步骤：
(1)查清顶管顶进范围地层的分布、各地层基本物理力学性质、上覆土厚度、地下水位和顶管机尺寸参数，计算顶管的顶推力和刀盘扭矩；
(2)采用Mindlin解答，通过编制该解答的数值积分小程序，求解顶管顶进过程中的顶推力和扭矩引起桩基在空间三个方向的附加应力；
(3)采用Kelvin解答，通过编制该解答的数值积分小程序，求解顶管顶进过程中的刀盘扭矩引起桩基在空间三个方向的附加应力，并将以上两部分计算的附加应力进行叠加；
(4)根据弹性地基梁理论，计算附加应力作用下的桩基的附加变形和附加内力；
(5)根据规范和文献，评价顶管顶进对桩基的影响程度。
2.根据权利要求1所述的考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，其特征是所述步骤(2)中，编制小的积分程序将在开挖面上的顶推力引起的顶推水平向分布力和扭矩引起的剪切方向的分布力，转换为能使用水平集中作用下的Mindlin解答的。
3.根据权利要求1所述的考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，其特征是所述步骤(3)中，所述的弹性地基梁理论解答为初参数解答，能够快速求解出各种分布荷载、集中荷载、集中力偶作用下的桩基的附加变形和附加内力。
4.根据权利要求2所述的考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，其特征是所述步骤(2)中，Mindlin解答如下
Figure FDA0002985121630000011
Figure FDA0002985121630000021
Figure FDA0002985121630000022
式中P——半无限地基中某一点作用的水平集中力；
在顶管开挖面面积上对以上3个方向应力进行积分求解即可获得顶管顶推力引起的临近桩基上各点附加应力。
5.根据权利要求3所述的考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，其特征是所述步骤(3)中，Kelvin解答如下：
Figure FDA0002985121630000023
Figure FDA0002985121630000024
Figure FDA0002985121630000025
式中P——无限地基中某一点作用的集中力。
在矩形顶管开挖面上，以对角线为界划分为4个区，以水平剪应力的形式分别作用于各区。在各个区面积上对以上3个方向应力进行积分求解即可获得刀盘扭矩引起的临近桩基上各点附加应力。
6.根据权利要求1所述的考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，其特征是所述步骤(4)中，附加变形和附加内力计算如下：
Figure FDA0002985121630000031
式中
Figure FDA0002985121630000032
Figure FDA0002985121630000033
Figure FDA0002985121630000034
Figure FDA0002985121630000035
以上方程中四个代求参数y0,θ0,M0,Q0桩端约束条件给出后求解方程组求得。然后即可获得桩身任意一点的附加内力M和Q。
7.根据权利要求1所述的考虑顶进扭矩影响的矩形顶管对临近桩基影响的评价方法，其特征是所述步骤(5)中，所述相关规范为《地基基础设计规范》、《桩基工程设计规范》。
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