圆形工作井顶力下土体的反力分布

圆形工作井顶力下土体的反力分布

对于路堑的工作井，可以采用钢渣、沉井和地下连续墙作为防护结构。smw技术首先应用于基础防护工程，近年来，通过特殊的多轴深度计将土壤切割，从钻头顶部将水泥砂浆注入土壤，并通过搅拌将水泥砂浆与现场土混合均匀。在施工的平宽之间采用重复式连接。在水泥砂浆混合不硬之前，将其插入h形或钢酸盐桩，作为增强阻力的材料，直到水泥硬化，形成水土砂墙。在完成护土结构的保护功能后，该钢复用作新材料。由工程实践可知,在相同的顶推力作用下,不同的土体反力分布形态认识会产生不同的设计与分析结果,具体表现在土体稳定性判断的差异与结构设计可靠性的差异.错误的认识会造成工程造价的提高或者设计可靠性的不足.目前对于沉井工作井的土体反力作了较多研究,但对于SMW工法工作井土体反力计算的研究非常缺乏.本文分析了SMW工法圆形工作井的受力机理,提出在顶力作用下承载半圆后背环向和竖向土体反力呈拟正态分布,求得工作井后背土体所能承受的最大土体反力计算公式.1顶推力反力作用SMW工法圆形工作井墙体由H型钢和水泥土共同组成,后座墙后部墙体截面形式采用半位“满堂”布置,其他部位基本采用半位“1隔1”布置,如图1所示.由于型钢是在水泥土未结硬前插入的,在水泥土结硬后便将型钢较为牢固地箍住,型钢与水泥土结合成一体共同发挥作用.模拟试验研究表明,作用在SMW工法围护结构的侧土压力大小介于主动土压力和静止土压力之间,并且随开挖深度的增加而减小.因有圈梁的作用,工作井在施工完后由侧土压力引起的应力水平并不是很高.在顶进阶段,顶推力反力首先作用在后靠背上,然后传递给后座墙,再传到后座井壁上.与沉井相比,加筋水泥土墙体具有明显的柔性,在受到顶推力反力作用后,墙体会产生较大的变形.在竖直方向,荷载绝大部分由型钢承担,这使得水泥土受力很小,一般不会被压坏,保证了挡墙在加筋方向的密封完整性,取得良好的挡土止水效果;在水平方向,型钢与型钢之间是不连续的,尽管型钢翼缘对墙体水平向的变形能起到一定的控制作用,但对于型钢间的水泥土水平向应力影响较小,所以沿墙体走向是否破坏,主要取决于水泥土的强度.通常在圈梁、后靠背、底板或围檩与H型钢的共同作用下,水泥土水平向应力通常较低,其本身又具有一定的强度,因此墙体走向的完整性较容易保证.在管道顶进过程中,竖向型钢承担了绝大部分的荷载,其中后座墙后面的型钢直接受力,但荷载并不是全部由这部分型钢承担,它会通过圈梁、底板、围檩和水泥土将荷载传递给其他部位的型钢,使整个结构内的型钢都承担一定的荷载.如果有牢固连接的围檩等水平构件,型钢的刚度越大,传递给围檩的荷载越多,从而传递给远处的型钢的荷载也更多.由于型钢竖向弯曲较小,使得相邻型钢间水泥土的环向力下降,降低了墙体环向破坏的可能性.2在上进阶段，对后土壤反应的计算在计算土体反力时墙体通常要考虑两种情况:一是假设中间围檩及底板与墙体牢固连接;二是假设该连接不牢固,顶进时不考虑它们的作用.2.1竖向土体反力现行的SMW工法设计有两种计算方法:一是视水泥土和受拉材料为复合体,从而提高受拉材料的抗弯刚度;二是只考虑受拉材料的抗弯刚度,水泥土仅作为防水材料.王健等人研究了单元截面组合刚度的确定方法,认为“半位”组合梁的受力特征可分为准弹性共同作用阶段和塑性共同作用阶段,当墙体最大变位率为Δm/lH≥1%(Δm为墙体最大水平变位,lH为型钢在水泥土搅拌桩中的总长度)时,可认为型钢单独工作.本文研究的是极限状态,此时墙体变形较大,因此在计算土体反力时可以只考虑型钢的抗弯刚度.竖向土体反力计算模型如图2所示,图中h1为后座墙顶端至地面距离,h2为后座墙高度,h3为后座墙底部至型钢底面距离.荷载的绝大部分由型钢承担,因此竖向土体反力的分布范围由型钢控制.当加载范围(取后座墙高度)相对于型钢总长度来说较小时,竖向土体反力曲线呈“V”字形;当加载范围较大时,“V”字底部将逐渐向“U”字底部转化.因此假定竖向土体反力呈拟正态分布,则顶力中心线所在竖向平面的土体反力计算公式为F(z)=Fmaxe(z−h)22i2.(1)F(z)=Fmaxe(z-h)22i2.(1)式中:z为离地面的深度(m);F(z)为距地面z处竖向土体反力值(kPa);h为竖向土体反力峰值所处深度(m),当考虑围檩和底板时,h等于后座墙中间位置至地面距离;当不考虑围檩和底板时,h等于顶力中心线至地面距离;Fmax为距地面h处竖向最大土体反力值(不超过被动土压力,kPa);i为土体反力曲线拐点离土体反力峰值的距离(m),可取为0.70h2～0.80h2.2.2环向土体v的设置及位置环向土体反力只考虑承载半圆,后座墙后部墙体由于采用半位“满堂”布置,其承载力要高于其他采用半位“1隔1”布置的墙体.在顶推力反力作用下,后座墙后部墙体直接受力,将承受绝大部分荷载,其他部位受力较小,如图3所示.环向土体反力分布范围与围檩(与型钢牢固连接)的设置及位置有关,当加载范围附近有围檩时,型钢可以通过围檩在环向对土体产生作用,从而减小加载范围内的土压力,土体反力分布至承载半圆范围内.当加载范围附近无围檩(或有围檩但与型钢弱连接)时,土体反力主要分布于加载宽度范围内,超出此范围则土体反力迅速衰减至零.环向土体反力分布呈“U”与“V”形之间的一种形态,基本上可假定呈拟正态分布,其计算公式为F(α)=Fmaxe−α22j2=F(z)e−α22j2.(2)F(α)=Fmaxe-α22j2=F(z)e-α22j2.(2)式中:F(α)为α角度处环向土体反力(kPa);α为偏离后座顶力中心线的角度,起始位置为后座顶力中心线处,以顺时针为正.对于承载半圆环,α的范围为[-π/2,π/2];Fmax为z深度处最大土体反力(kPa);j为土体反力曲线拐点离顶力轴线的角度,约为后座墙与圆形工作井交接处的中心角度.2.3基本粒子zdz,a,z,z,体外黏聚力及kpa在顶推力反力作用下,承载的半圆环后背土体产生环向和竖向的土体反力.实际分析中表明另一侧半圆内侧井底亦有土体反力分布,但其值较小可忽略,则总的最大允许土体反力为Ftotal=2∫H0F(z)dz∫π/20F(α)cosαdα=2A(γhKp+2cKp−−−√)2∫H0e−(z−h)2i2dz‚(3)A=∫π/20cosαe−α22j2dα.(4)Ftotal=2∫0ΗF(z)dz∫0π/2F(α)cosαdα=2A(γhΚp+2cΚp)2∫0Ηe-(z-h)2i2dz‚(3)A=∫0π/2cosαe-α22j2dα.(4)式中:H为型钢插入深度(m),γ为土体重度(kN/m3),Kp为被动土压力系数,Kp=tan2(45°+φ/2),φ为土体内摩擦角(°),c为土体的黏聚力(kPa).2.4smw工法的允许顶力值的确定工作井所能承受的最大顶推力由墙体本身的强度和墙后土体的强度这两方面决定.圆形工作井在顶推力反力作用下,墙体内剪应力水平通常较低(围檩内应力水平高),不足以引起强度破坏.最危险的是环向拉应力与墙体中水泥土的弯曲拉应力,工作井工作时不允许水泥土中的拉应力达到其抗拉强度.当顶进时如果土压力达到被动极限土压力时,土体就会破坏失稳,进而导致工作井的破坏或者工作井不能正常工作.SMW工法圆形工作井由土体反力决定的允许顶力值P为P≤Ftotal/k.(5)式中:k为安全系数,一般取1.2～1.6.3计算与分析3.1三维实体三维建模3.1.1顶进力引起的工作井为简化计算和从实用角度考虑,在建立计算模型时,作如下假设和规定:1)不考虑工作井由于施工阶段引起的应力和变形,只研究由顶进力所引起的工作井的响应;2)土体为均质线弹性体,用固定于远端的径向线性弹簧模拟,弹簧系数取为土层的水平抗力系数;3)不考虑土体与井壁的摩擦力(包括井壁底面);4)不考虑后座墙的刚度贡献,认为顶推力均布作用于与后座墙接触的井壁上;5)顶推力是瞬时施加的;6)不考虑温度的影响;7)井壁不开裂;8)挡墙厚度算至搅拌桩表面交点.3.1.2横向弹簧单元基于上述假设,对工作井实体(含井壁、围檩、底板)(图4)进行有限单元划分(图5).单元采用8节点正交各向异性体实体单元.在后座墙所在半圆井壁外表面的节点上建立远端固定的径向线性弹簧单元,在另一侧半圆井壁内侧与土接触的节点上建立远端固定的径向弹簧单元,以模拟土体;井壁底面施加竖向约束;为避免施加顶推力荷载时模型发生刚体位移,考虑到工作井有一个通过管道轴的竖直对称面,在井壁与对称面重叠的节点上施加环向约束;后座墙与井壁的接触面为加载面.由于加筋水泥土是一种组合材料,水泥土是基体,型钢是加筋体.在宏观上加筋水泥土挡墙为正交各向异性体,为研究方便,可将其简化为均质体,简化后的力学参数为型钢与水泥土的折合参数.工作井深度z的0点为地表下0.5m,井壁墙厚1m,内底深8m,水泥搅拌桩深16m,井内半径4.1m,外半径5.1m.选用尺寸为500mm×300mm×11mm×18mmH型钢,插入深度为15.5m.施工顶推力取2.8MN,作用范围为-5.5～-8.0m,即h2=2.5m.土体取砂土(φ=30°),土抗力系数取m=10MN/m4.3.2围和底板土体反力分析图6为顶力中心线所在竖向平面的竖向土体反力分布曲线,由图可见,拟正态分布曲线与有限元计算结果相当吻合,验证了假设的正确性.当不考虑围檩和底板时,竖向土体反力峰值出现在顶力中心线处(7m);当考虑围檩和底板时,竖向土体反力峰值约位于后座墙中间位置(6.5m),且要比不考虑时小,但分布范围基本一致.无论是否考虑中间围檩及底板,竖向土体反力只分布在后座墙上下边界以外约1倍多后座墙高度的范围内.如果增大顶推力,则竖向土体反力分布范围将扩展.图7(a)为有围檩时深度6.5m处的环向土体反力分布曲线,最大土体反力为81.15kPa,此时拟正态分布曲线与有限元计算得到的土体反力曲线较吻合.图7(b)为无围檩时深度7m处的环向土体反力分布曲线,最大土体反力为130.43kPa,此时拟正态分布曲线与有限元计算结果基本吻合,且总的受力面积非常接近.4顶力与smw工法墙体内力分布由顶推力反力引起的SMW工法圆形工作井后背土体反力分布具有明显的空间性,其分布与以下因素有关:土层分布及性质;墙体的竖向刚度及横向刚度;围檩的位置、数量及刚度;