一种改进的矩形顶管上覆土压力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种改进的矩形顶管上覆土压力计算方法。它包括如下步骤，步骤一：分析矩形顶管卸荷拱发展模式；步骤二：修正B

【技术实现步骤摘要】
一种改进的矩形顶管上覆土压力计算方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程领域和地下工程领域，具体地说它是一种改进的矩形顶管上覆土压力计算方法。

技术介绍

[0002]随着城市地下空间开发逐步推进，顶管技术迎来了蓬勃发展，矩形顶管较圆形顶管具有显著的优越性，逐步成为发展主流。上覆土压力作为矩形顶管管壁受力关键环节，在顶管设计起核心作用，目前的计算理论主要有全覆土理论、普氏拱理论、太沙基理论和马斯顿理论等，我国现行规范中，《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332
‑
2002、《给水排水工程埋地矩形管管道结构设计规程》(CECS145
‑
2002)的计算公式主要基于太沙基理论，《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246
‑
2008)的计算公式主要基于马斯顿理论。然而，现行规范公式大都是针对圆形顶管，或者将圆形顶管公式直接用于矩形顶管，未能充分考虑矩形顶管的形状特征，计算结果的准确性有待提高。
[0003]因此，现亟需开发一种计算结果准确的矩形顶管上覆土压力计算方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了提供一种改进的矩形顶管上覆土压力计算方法，适用于矩形顶管的上覆土压力计算，计算结果准确。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种改进的矩形顶管上覆土压力计算方法，其特征在于：通过分析矩形顶管卸荷拱发展模式、提出矩形顶管管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度B
t
计算的改进公式，并确定不同土质情况下β与矩形顶管埋深的关系，提高矩形顶管的上覆土压力计算的准确性；
[0006]具体方法，包括如下步骤，
[0007]步骤一：分析矩形顶管卸荷拱发展模式；
[0008]矩形顶管卸荷拱发展模式包括滑裂线发展至顶管顶部、滑裂线发展超过顶管顶部和滑裂线发展未达到顶管顶部；
[0009]步骤二：修正B
t
计算公式；
[0010]根据矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况改进B
t
计算公式；
[0011]根据矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况并不能涵盖实际矩形顶管的滑裂线发展情况进一步修正上述改进B
t
计算公式；
[0012]步骤三：明确β与矩形顶管埋深的关系；
[0013]步骤四：确定改进的矩形顶管上覆土压力计算方法；
[0014]通过步骤三中的β与矩形顶管埋深的关系进一步修正步骤二中获得的改进Bt计算公式，确定改进的矩形顶管上覆土压力计算方法；
[0015]步骤五：基于步骤四中改进的矩形顶管上覆土压力计算方法，计算各模拟工况上覆土压力。
[0016]在上述技术方案中，在步骤二中，修正B
t
计算公式，具体方法为：
[0017]S21：分析基于太沙基理论的规范计算公式；
[0018]F
sv
＝C
j
γ
s
B
t
ꢀꢀꢀ
(1)
[0019][0020][0021]式(1)、(2)、(3)中，C
j
为不开槽施工土压力系数；
[0022]γ
s
为土的重力密度(kN/m3)；
[0023]B
t
为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度(m)；
[0024]为管侧土的内摩擦角，如无实验数据时可取计算；
[0025]F
sv
为矩形顶管的上覆土压力(kN/m2)；
[0026]L0为矩形管道的外围宽度(m)；
[0027]H
s
为管顶至设计地面的覆土高度(m)；
[0028]K
a
μ为管顶以上原状土的主动土压力系数和内摩擦系数的乘积，无单位，对一般土体可取0.09；
[0029]S22：结合矩形顶管几何特点和卸荷拱分布特点，考虑矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况，基于该情况改进B
t
计算公式如下：
[0030][0031]式(4)中，B
t
为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度(m)；
[0032]L0为矩形管道的外围宽度(m)，
[0033]H0为矩形管道的外围高度(m)，
[0034]为管侧土的内摩擦角，如无实验数据时可取计算；
[0035]S23：步骤S22中考虑的矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况并不能涵盖实际矩形顶管的滑裂线发展情况，仍存在滑裂线发展超过顶管顶部、或滑裂线发展未达到顶管顶部的情况，因此将B
t
计算公式进一步修正为；
[0036][0037]式(5)中，B
t
为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度(m)；
[0038]L0为矩形管道的外围宽度(m)，
[0039]H0为矩形管道的外围高度(m)，
[0040]为管侧土的内摩擦角，如无实验数据时可取计算；
[0041]β为附加修正系数，描述了滑裂线低于、齐平或高于顶管顶部的三种情况。
[0042]在上述技术方案中，在步骤三中，明确β与矩形顶管埋深的关系，具体方法为：
[0043]S31：假设β与埋深存在一定关系：
[0044]β＝f(H
s
)
ꢀꢀ
(6)
[0045]式(6)中，β为附加修正系数；
[0046]H
s
为管顶至设计地面的覆土高度(m)；
[0047]S32：通过有限元模拟，探求β与矩形顶管埋深之间的关系；
[0048]在步骤S32中，通过有限元模拟，探求β与矩形顶管埋深之间的关系，具体方法如下：
[0049]首先建立一系列有限元模型，考虑如下工况的组合：
[0050]①
矩形顶管净跨度为4m、8m、12m三种情况；
[0051]②
土质为砂土、粉土、黏土三种土质条件；
[0052]③
覆土深度为5m、10m、15m、20m四种情况；
[0053]上述组合共计36种工况，分别建立有限元模型，计算矩形顶管上覆土压力；
[0054]S33：分析36种工况的计算结果，明确β与矩形顶管埋深呈指数函数关系，即：
[0055][0056]式(7)中，a、b为待定系数，针对不同土质取不同的值；
[0057]β为附加修正系数；
[0058]H
s
为管顶至设计地面的覆土高度(m)；
[0059]再通过有限元模拟，获取β与矩形顶管埋深之间的关系，具体方法为：
[0060]首先，利用有限元模型的结果，初步分析确定式(7)的关系(其中a、b两个待定系数)，再结合差分进化算法通过优化计算确定a、b两个系数，从而得到不同土质情况下β与矩形顶管埋深的关系为：
[0061]对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改进的矩形顶管上覆土压力计算方法，其特征在于：通过分析矩形顶管卸荷拱发展模式、提出矩形顶管管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度B
t
计算的改进公式，并确定不同土质情况下β与矩形顶管埋深的关系，提高矩形顶管的上覆土压力计算的准确性；具体方法，包括如下步骤，步骤一：分析矩形顶管卸荷拱发展模式；矩形顶管卸荷拱发展模式包括滑裂线发展至顶管顶部、滑裂线发展超过顶管顶部和滑裂线发展未达到顶管顶部；步骤二：修正B
t
计算公式；根据矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况改进B
t
计算公式；根据矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况并不能涵盖实际矩形顶管的滑裂线发展情况进一步修正上述改进B
t
计算公式；步骤三：明确β与矩形顶管埋深的关系；步骤四：确定改进的矩形顶管上覆土压力计算方法；通过步骤三中的β与矩形顶管埋深的关系进一步修正步骤二中获得的改进B
t
计算公式，确定改进的矩形顶管上覆土压力计算方法；步骤五：基于步骤四中改进的矩形顶管上覆土压力计算方法，计算各模拟工况上覆土压力。2.根据权利要求1所述的改进的矩形顶管上覆土压力计算方法，其特征在于：在步骤二中，修正B
t
计算公式，具体方法为：S21：分析基于太沙基理论的规范计算公式；F
sv
＝C
j
γ
s
B
t
ꢀꢀꢀ
(1)(1)式(1)、(2)、(3)中，C
j
为不开槽施工土压力系数；γ
s
为土的重力密度，kN/m3；B
t
为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度，m；为管侧土的内摩擦角；F
sv
为矩形顶管的上覆土压力，kN/m2；L0为矩形管道的外围宽度，m；H
s
为管顶至设计地面的覆土高度，m；K
a
μ为管顶以上原状土的主动土压力系数和内摩擦系数的乘积；S22：结合矩形顶管几何特点和卸荷拱分布特点，考虑矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况，基于该情况改进B
t
计算公式如下：
式(4)中，B
t
为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度，m；L0为矩形管道的外围宽度，m；H0为矩形管道的外围高度，m；为管侧土的内摩擦角；S23：步骤S22中考虑的矩形顶管滑裂线发展至矩形顶管顶部的情况并不能涵盖实际矩形顶管的滑裂线发展情况，仍存在滑裂线发展超过顶管顶部、或滑裂线发展未达到顶管顶部的情况，因此将B
t
计算公式进一步修正为；式(5)中，B
t
为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度，m；L0为矩形管道的外围宽度，m；H0为矩形管道的外围高度，m，为管侧土的内摩擦角；β为附加修正系数，描述了滑裂线低于、齐平或高于顶管顶部的三种情况。3.根据权利要求1或2所述的改进的矩形顶管上覆土压力计算方法，其特征在于：在步骤三中，明确β与矩形顶管埋深的关系，具体方法为：S31...

【专利技术属性】
技术研发人员：李火兵，黄绪武，陈守祥，贡伟，周代表，蒋代波，曾琦，范勇，张小顺，许淦，
申请(专利权)人：中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：