挤压式顶管施工力学分析

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1、第25卷第1吨期942008钷非开挖技术TrenchlessTechnologyV01．25．No．1-2Apr．，2008挤压式顶管施工力学分析李慧军张治红程磊李瑞强雷小彭(西安科技大学建工学院，陕西西安，710054)摘要：考虑挤压式顶管施工时，不可避免会对周围的环境造成影响。根据土塑性力学的基本原理，考虑土体具有不同于其他材料的剪胀特性和塑性变形，按不相适应的塑性流动法则计算无限体内柱形孔穴扩张在周围土体内产生应力场和位移场。借助源一汇影像手段和Cemiti解进行剪应力修正，推得在顶管挤入过程中周围土体内的位移场和应力场表达式．

2、基于此，研究了土层数、管径、埋深等各参数对竖向位移的影响的敏感性。最终得出顶管中心埋深h、顶管外半径Ru是影响竖向位移的最关键因素的结论。关键词：挤压式、顶管施工、应力场、位移场、敏感性挤压式顶管施工法是用主顶油缸或中继间油缸的推力把工具管挤到土里去，而被挤压的土则从工具管的排土口内挤出的一种施工方法。挤压法多用于管径小于800的小口径顶管施工中，尤其适用复土较深且土质又比较松软的粘土中，由于其很好地解决了小口径顶管施工中存在的难出土、难纠偏的问题，是最为经济和实用的一种顶管施工方法。但是，挤压式顶管的施工不可避免会使土层向外挤压，对

3、周围环境产生不利的影响，对非出土式顶管施工环境效应的研究是非常必要的。另一方面，关于挤压式顶管的环境效应理论研究相当欠缺。本文借鉴静压桩的挤土效应的研究方法，即圆孔扩张法中的圆柱形孔穴扩张模型并结合sgaascta(1987)提出的源与源及源与汇的相互作用原理，用影像的手段来求解出在顶管挤入过程中周围土体内产生位移场的理论表达式。从而对非出土挤压式顶管施工的环境效应进行理论分析。1基本假设假定土体为均匀的、正常固结的各向同性半无限体，各点承受某一初始应力P。的作用，体积力不计。顶管挤入过程中，假定顶管机到达处土体均按圆柱形孔穴扩张，在

4、圆柱形孔穴一定范围内产生塑性区，其外是弹性区。但由于圆柱形孔穴只能在无限体内扩张，而顶管挤入又在半无限体内，因此，在计算顶管挤入对周围土体产生的位移和应力时，还应暂时假定土体是无限体，而后用源一汇(源即为孔穴向外扩张)的影像手段来求解顶管挤入过程中半无限体内的位移和应力，回到半无限体的实际情况中。2模型建立的基本过程(1)先假设土体为无限体。在真实源的作用下，无限体内及地表产生应力和位移；(2)在地面以上对应源的位置，再假设有一影像汇作用，无限体内及地表亦产生应力和位移，但在源一汇作用下，在地表面上产生事实上并不存在的剪应力2FO；(

5、3)假定地面上有一与方向相反的2FO剪应力作用，即一2FO的作用，求出该剪应力对地面下各点产生的应力和位移；(4)顶管挤人时，在土体内产生各点的应力和位移为上述三个步骤的总和。综合(1)、(2)、(5)即可求得符合实际情况的地面及其土体内各点的应力和位移。3理论推导’3．1无限体中圆柱形孔穴扩张引起周围的应力和位移根据土塑性力学的基本原理。结合柱形孔扩张理论及相关研究文献(【1卜【4】)得出在无限体内圆柱作者简介：李慧军，男。在读硕士，主要从事岩土力学及其数值方法研究。第25卷第1~2期李慧军张治红程磊李瑞强雷小彭：挤压式顶管施工力学

6、分析95形孔穴扩张时，塑性区内各点的应力％、盯口和位移up(r)为：．苎业一叮叩=(1+sh‘P)峨+cctg‘P)(孚)№牛一cc唧(1)叮印5叮唧{；兰三}×{辈兰蔷}(2)uP(r)=塑薯型【A(孚)”+B(≯呻+s】(3)㈢=I=sec中㈩IⅡ．竺血型甏乒剑(5)、M．”c‘p、。7sep=罢粤氓+cc唧)(6)‘二、J弹性区内各点的应力叮。叮如和位移u(r)吒=导吒(7)O-6e=m叮。(8)u。(r)=睾u。(9)式中-'C、‘P为土的抗剪强度参数，G为主体的剪切模量，K为孔穴扩张半径，R为孔穴扩张到时弹性和塑性交界处的半

7、径，O"r和Ilr为弹性和塑性交界处的径向应力和位移，可由式①和(3)令r=K时求得，I。为修正的刚度指标。3．2用源一汇方法求顶管挤入时土体内各点的应力和位移％一⋯2音叮m+昔％一(音‰+昔％)％⋯2昔叮m+寺％一＼zK+h一％+专％)IlI(⋯．u一昔一％誊(10)U“g-E)m(鼍一卺)x‰剐。2(鲁+堕ax／1I。式中：随着r的变化叮rl、盯。1、仃小盯叭u订、u吐和R，、R2也随之变化，即计算点的应力、位移随真实源和影像源到计算点的距离变化而变化。3．3地表应力的修正从式(10)可以看出，当z=0时，由于％=盯小盯们=17叭

8、％=％、R。=R．2则地表面上具有水平剪应力下：T=G肾G(詈+詈儿：。-2‰挪(11)由于地表增加了水平剪应力T，导致地面与实际应力状况不一致；应在地表面施加一下，通过其在土体内产生的应力和位移加以修正。假定地表在：一