一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法技术

本发明专利技术提供了一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法。包括：S1，建立刀具切削钢筋混凝土数值模型，所述数值模型用于获取刀具与钢筋接触瞬间极限应力状态和相应的冲击荷载；S2，通过几何分析，确定切削钢筋时刀盘上的冲击荷载；S3，建立盾构掘进动力学响应理论模型，所述理论模型用于求解冲击荷载作用下刀盘轴承位置的加速度响应理论阈值X

【技术实现步骤摘要】
一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法


[0001]本专利技术涉及隧道与地下工程
，尤其涉及基于加速度响应阈值的盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法.

技术介绍

[0002]我国地下工程的发展速度较快，各种地下结构之间相互交错，在盾构隧道施工过程中往往会遇到穿越既有桥梁桩基等构筑物的工况，随着盾构施工技术的不断提高，采用盾构直接切削钢筋混凝土桩基已经被证明是完全可行的。然而，现有的盾构切桩工程实践表明，刀具与钢筋接触瞬间产生的冲击荷载往往会诱发刀盘上大量刀具发生断裂，如何规避盾构切桩过程中的刀具断裂是工程界普遍关注的难题。在盾构刀具切削钢筋混凝土桩基过程中，推力和扭矩等掘进参数变化较小，无法反映出刀具与钢筋的相互作用，也无法依据推力和扭矩判断当前切削钢筋时的冲击荷载是否会诱发刀具断裂。
[0003]基于结构动力学原理，盾构加速度响应对刀具切削钢筋的冲击荷载极其敏感，因此，有必要提出一种基于加速度响应阈值的盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法，实现对盾构切桩过程中冲击荷载的实时评估，动态调整掘进参数，减少盾构切桩过程中的刀具断裂。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术公开了一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法。
[0005]具体方案如下：
[0006]一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法，包括如下步骤：
[0007]S1，依据实际工程中盾构切桩所用刀具和钢筋混凝土材料建立刀具切削钢筋混凝土耦合体动力学数值模型，计算不同贯入度和切削速度条件下刀具切削钢筋的应力状态和冲击荷载，得到满足单把刀具极限应力要求的冲击荷载阀值。
[0008]S2，通过几何分析，确定刀盘上同时切削钢筋的刀具的数量，最终，作用在刀盘上的冲击荷载为同时切削钢筋的刀具冲击荷载的累加。
[0009]S3，建立盾构掘进方向动力学响应理论模型，将累加后的冲击荷载作为输入荷载，通过Newmark法求解盾构掘进方向动力学响应理论模型，得到刀盘轴承位置加速度响应理论阈值X
T
。
[0010]S4，在实际工程中盾构机刀盘轴承位置安装加速度传感器，采集刀盘轴承位置在盾构掘进方向的加速度响应。
[0011]S5，通过振动分析系统，实时分析加速度传感器监测的数据，对比分析其波形响应峰值X
P
与理论阈值X
T
的大小。
[0012]S6，动态调整掘进参数，若实测波形响应峰值X
P
＜理论阈值X
T
，则保持当前速度掘进，若实测波形响应峰值X
P
＞理论阈值X
T
，则降低推进速度和刀盘转速，确保实测波形响应
峰值X
P
＜理论阈值X
T
，从而实现规避刀具断裂的目的。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述刀具切削钢筋混凝土耦合体动力学数值模型用于获取刀具与钢筋接触瞬间冲击荷载和刀具应力状态；所述盾构掘进方向动力学响应理论模型用于求解冲击荷载作用下刀盘轴承位置的加速度响应理论阀值X
T
；所述加速度传感器用于获取实际工程中盾构刀盘轴承位置的加速度响应数据；所述振动分析系统用于实时处理加速度数据，得到加速度响应波形和响应峰值X
P
；实时分析加速度峰值X
P
和理论阀值X
T
，通过降低掘进速度和刀盘转速将加速度峰值X
P
控制在论阀值X
T
以下，规避刀具断裂。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S1中，混凝土和钢筋均采用动力学本构建模，其中混凝土采用RHT(Riedel
‑
Hiermaier
‑
Thoma)本构，钢筋采用Johnson
‑
Cook本构，刀具采用弹性本构，钢筋与混凝土之间设置粘结失效接触，确保计算所得冲击荷载的准确性，
[0015]其中，用于描述混凝土动力响应行为的RHT本构模型由3个发展阶段组成，随着应力增加，材料首先经过弹性阶段到达弹性屈服面，此后材料发生塑性变形并进入线性强化阶段，材料表现出应变硬化特征，直至到达失效面。当等效应力强度超出失效应力强度后，材料开始出现累积损伤量，进入损伤软化阶段，最后到达残余强度面。
[0016]使用抗压强度、正则化屈服函数和Willam
‑
Warnke函数将其屈服面描述为：
[0017][0018]其中，是归一化屈服函数，f
c
表示单轴抗压强度，R3表示Willam
‑
Warnke函数，θ
l
是洛德角，F
r
是是动态应变率增加系数，是归一化压力，P0是静水压力，是应变率，是有效塑性应变。
[0019]应变率显著影响岩石的强度。在该模型中，单轴抗压强度对应变率的依赖性由下式给出：
[0020][0021]其中，是压缩下的参考应变率，是压缩下的参考应变率，是拉伸下的参考应变率，f
t
是抗拉强度，β
c
和β
t
分别是压缩和拉伸下的材料常数。
[0022]失效面表示为：
[0023][0024]其中，为归一化强度，A1和N1为失效面参数。
[0025]当应力状态达到破坏面上材料的极限强度时，在进一步的非弹性变形或塑性应变过程中累积损伤。失效时的塑性应变如下所示：
[0026][0027]其中是失效时的塑性应变，是最小损伤残余应变，是失效截止压力，D
r
是RHT模型的损伤变量，D1和D2是损伤常数。
[0028]损伤变量定义为塑性应变ε
p
的累积：
[0029][0030]其中，用于描述钢筋动力响应行为的Johnson
‑
Cook本构表述为：
[0031][0032]式中，第一个括号是弹塑性项，表示加工硬化，A为初始屈服应力(MPa)，B为加工硬化系数，为等效塑性应变，n为应变硬化指数；第二个括号是粘性项，代表高应变率下材料流动应力的增加量，C为应变率敏感系数，为等效塑性应变率，为参考应变率。
[0033]钢筋切屑分离准则采用Johnson
‑
Cook模型自带的剪切失效准则，该准则是将单元积分点处的等效塑性应变值与此处的等效失效应变值进行比较，破坏参数D大于1时材料失效，失效法则表达为：
[0034][0035]式中，是等效塑形应变增量，是等效失效应变。
[0036]等效失效应变由下式确定：
[0037][0038]式中，p是压应力，q是Mises应力，是参考应变率，d1～d4是材料失效参数。
[0039]其中，钢筋与混凝土接触面粘结失效法则为：
[0040][0041]式中，σ
nornal
为钢筋与混凝土接触面法相应力，σ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，依据实际工程中盾构切桩所用刀具和钢筋混凝土材料建立刀具切削钢筋混凝土耦合体动力学数值模型，计算不同切削速度和贯入度条件下刀具切削钢筋的应力和切削荷载，得到单把刀具极限应力状态对应的冲击荷载；S2，通过几何分析，确定刀盘上同时切削钢筋的刀具的数量，最终，作用在刀盘上的冲击荷载为同时切削钢筋的刀具冲击荷载的累加；S3，建立盾构掘进方向动力学响应理论模型，将累加后的冲击荷载作为输入荷载，通过Newmark法求解，得到刀盘轴承位置加速度响应理论阈值X
T
；S4，在实际工程中盾构机刀盘轴承位置安装加速度传感器，采集刀盘轴承位置在盾构掘进方向的加速度响应；S5，通过振动分析系统，实时分析加速度传感器监测的数据，对比分析其波形响应峰值X
P
与理论阈值X
T
的大小；S6，动态调整掘进参数，若实测波形响应峰值X
P
＜理论阈值X
T
，则保持当前速度掘进，若实测波形响应峰值X
P
＞理论阈值X
T
，则降低推进速度和刀盘转速，确保实测波形响应峰值X
P
＜理论阈值X
T
，从而实现规避刀具断裂的目的。2.根据权利要求1所述的一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法，其特征在于，所述刀具切削钢筋混凝土耦合体动力学数值模型用于获取刀具与钢筋接触瞬间冲击荷载和刀具应力状态；所述盾构掘进方向动力学响应理论模型用于求解冲击荷载作用下刀盘轴承位置的加速度响应理论阀值X
T
；所述加速度传感器用于获取实际工程中盾构刀盘轴承位置的加速度响应数据；所述振动分析系统用于实时处理加速度数据，得到加速度响应波形和响应峰值X
P
；实时分析加速度峰值X
P
和理论阀值X
T
，通过降低掘进速度和刀盘转速将加速度峰值X
P
控制在论阀值X
T
以下，规避刀具断裂。3.根据权利要求1所述的一种盾构切削钢筋混凝土桩基刀具断裂规避方法，其特征在于，所述步骤S1中，混凝土和钢筋均采用动力学本构建模，其中混凝土采用RHT本构，钢筋采用Johnson
‑
Cook本构，刀具采用弹性本构，钢筋与混凝土之间设置粘结失效接触，确保计算所得冲击荷载的准确性，其中，用于描述混凝土动力响应行为的RHT本构模型由3个发展阶段组成，随着应力增加，材料首先经过弹性阶段到达弹性屈服面，此后材料发生塑性变形并进入线性强化阶段，材料表现出应变硬化特征，直至到达失效面；当等效应力强度超出失效应力强度后，材料开始出现累积损伤量，进入损伤软化阶段，最后到达残余强度面；使用抗压强度、正则化屈服函数和Willam
‑
Warnke函数将其屈服面描述为：其中，是归一化屈服函数，f
c
表示单轴抗压强度，R3表示Willam
‑
Warnke函数，θ
l
是洛德角，F
r
是是动态应变率增加系数，是归一化压力，P0是静水压力，是应
变率，是有效塑性应变；应变率显著影响岩石的强度；在该模型中，单轴抗压强度对应变率的依赖性由下式给出：其中，是压缩下的参...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅君，方应冉，万治安，殷德春，郭易东，李兴高，陈裕康，付军，卫昌，崔伦萌，张胜，张长顺，王勇，卢姚，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：