顶管工程中圆形沉井土体反力计算方法的研究

顶管工程中圆形沉井土体反力计算方法的研究

徐钰

中国建筑第五工程局有限公司浙江温州325025

摘要：随着现代社会的飞速发展，我国道路施工中地下部分的井、管、线等的施工方法也不断在提高。在现阶段，顶管工程和盾构工程得到了充分的发展和应用，随着工艺和设备的发展进步，对于沉井施工过程中的土体反作用力的计算要求越来越高。由于沉井的尺寸和深度要求在不断的变化，因此在沉井施工的过程当中，需要对周围土体产生的变化影响做出研究和分析。在本文当中，首先对顶管工程当中的圆形沉井下沉时和周边土体的相互作用进行了概述；其次对于圆形沉井下沉时受力特性的数值做出了实际分析；最后在实际情况的基础上进行了特性的现场测试并进行分析。

关键词：顶管工程；圆形沉井；土体；计算

在我国修筑地下建筑和深基础的过程当中，沉井是一个相当重要的结构模式。需要利用地表建造的一个底部开口的钢筋混凝土结构的井筒状的物质，经过自身的重力以及外界的荷载力，来保持垂直状态的下沉。在这个过程当中，施工所利用到的占地面积相对较小，在成本费用方面也相对低廉，并且其整体的力学性能和稳定性都有一定保证，可以承受较大的水平荷载力，因此被广泛的应用在了各种地下空间的开发工程当中，并且作为主体工程来进行施工，在盾构工程以及顶管工程当中被用作工作井。

一、顶管工程当中的圆形沉井下沉和周边土体的相互作用

目前，沉井在施工工程中，土体反力一般根据经验以及相对应的公式进行计算，由于沉井施工当中的不确定因素较多，故在施工的过程中风险也会相应增加，这无疑给沉井施工增加了很大的难度。在实际的应用当中，沉井经常被用作顶管和盾构工程的工作井。在传统的方法当中，顶管或盾构的单次顶进距离短、管径小、埋深浅，管壁摩阻力相对较小，因此在沉井当中提供的顶进反力呈现出相对较小的状态，而在沉井本身的施工当中，自身所具备的整体性和刚度都是相当高的。随着顶管和其他工程的不断发展，单次顶进的距离、顶管管径、埋设深度越来越大，在具体的施工过程当中需沉井提供的顶进反力越来越大，从而造成了沉井不断向大尺寸、大深度方向发展的现象，因此沉井和周边的土体当中所产生的相互影响就会变得越来越复杂，集中体现在两个方面，分别是下沉过程中沉井和周围土体的相互影响以及在大顶力作用下，沉井对其后背土体受力变形特性的影响。

二、圆形沉井下沉受力特性的数值分析

在本文当中，需要对沉井下的施工数值做出实际的分值，在本文当中采用了有限差分方法的三维快速拉格朗日方法来进行了模拟沉井的施工。在本工程当中，需要利用二分之一的模型来进行分析，如图1所示。其中在模型当中的水平方向需要对沉井直径的五倍进行取值，需要对其中的沉井的侧摩阻力进行分析，因此在竖直方向只取了70m，因此，模型的尺寸为280m×80m×70m。在该模型当中，需要采用两种单元来进行分析，分别是实体单元和壳体单元。其中的实体单元为模拟土体，单元数量约为12万，壳体单元模拟两个沉井和沉井之间的隔墙，壳体单元总数约为1500。

图1土体模型

在模型建立的过程中，需要对实体单元进行模拟以及对其模拟沉井和隔墙的壳体单元来进行分析。边界条件为土体当中的表面自由现象，其中需要向四周来进行水平方向的约束添加，在底部位置对水平和对称面的位置都是在进行分析和观察。

在进行参数的计算过程当中，首先需要利用弹性模量来进行参数分析，从而观察其弹性模量、体积模量和泊松比的大小对沉井侧摩阻力的影响。观测结果显示弹性模量、体积模量和泊松比的大小对沉井侧摩阻力几乎没有影响。沉井在进入不同弹性模量土层时会略有变化，如图2所示。

在对其计算的过程当中，可以发现侧摩擦阻力的变化和正应力的变化保持一致。为同一系数。因此，导致沉井侧摩擦阻力产生变化的主要原因为，井在下沉过程中作用在沉井周围的土体水平应力的变化。进而测绘沉井周围离地面深8m、22m、40m处土体水平应力随沉井下沉位移变化图。分析得，在沉井到达三个测点位置时，土体水平应力均会发生突变，而后随着沉井的下沉基本上呈逐渐增大的趋势，并且在下沉的部分进行对比之后可以发现后下沉沉井周围土体的水平应力总是比同一水平上先下沉沉井周围土体水平应力大，即作用在沉井表面的正应力增加了，先后下沉沉井的摩擦系数不变，那么正应力的增加必然会导致其侧摩阻力的增加。

图2土层硬度对沉井侧摩阻力和正应力的影响

三、特性的现场测试分析

对现场进行特性测试分析的时候，需要对沉井的摩阻力、水土压力等外部荷载的变化和分布来进行分析，其测试结果可以对沉井的施工状况起到监督的作用，从而对沉井的施工安全提供一定保证。

在对检测点做出布置的时候，需要对井壁的摩擦力做出分析和测试，在本文当中，设置4个测试点，每间隔90度设置一个。并且还要对井壁土做出相对应的压力测试，其中的沉井埋深约为36m，按天然重度20kN/㎡、侧压力系数K0=0.8计算，得到最大侧向土压力约为576kPa。因此选择侧向土压力盒的基本量程为0.6MPa。

经过测试和计算可以分析得出，在进行具体施工的过程当中，其圆形沉井的刚度在整体方面相对较大，因此如果一旦圆形沉井发生变化位移，所表现出来主要为整体位移或倾斜。经过计算可以分析得出断面在10000kN和14000kN以及断面在14000kN作用下的土体位移，在这个过程中，后背土体的位移曲线图显示，其顶力作用下的后背土体位移的抛物线形状并无明显变化，基本保持整体向后位移，与实测结果较为一致。实测过程中，由于测试深度限制，认为地面以下28m的位置土体位移为0，如果在测试的过程当中存在加固区域的情况，其数值的模拟结果要在顶力的作用下，进行位置的变化以及数据的修正。在具体的实测过程当中，还要对土体受力变形特性做出具体的分析和掌握，在圆形沉井的工作当中，其刚度呈现出的变化是相对较大的，因此在圆形沉井的作用力分布研究的时候，需要保持在顶力作用的情况下，对其所引起的垂直向的不均匀现象做出分析，经过测试可以呈现为近似直线的分布方式。而非柔性工作井顶管后座处的土反力最大，井的两端为最少的梯形竖向土反力分布。但是在这个过程当中，如果未到达刃脚踏面之前，深度越深，在顶力作用下土压力变化值越大，在勒脚处土压力变化值达到最大。

结语：综上所述，随着现代社会的不断发展，在很多的地下空间工程当中应用到了沉井技术，因此需要在施工的过程当中，在结合实际情况的基础上，对现场的实际数据信息做出有效的分析，对于圆形沉井在下降的过程中所产生的摩擦力以及不同情况之间所产生的相互影响进行分析，从而实现对沉井土体应力的相对计算。通过计算，可以为后续的工程提供基础的数据信息，为之后的顶管工程的施工提供科学实验依据，促进沉井施工工艺工法的不断发展。

参考文献：

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