CN108446484A - 一种垫片应变力不可恢复的顶管允许应变计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垫片应变力不可恢复的顶管允许应变计算方法，属于隧道管道工程技术领域，包括获取顶管应力计算参数；根据顶管应力计算参数，基于应变力不可恢复的垫片允许应变计算公式，计算垫片允许应变；根据顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变，计算顶管允许应变。本发明在计算顶管允许应变时，将顶管管节间垫片的力学性质考虑进去，通过垫片的允许应变计算顶管的允许应变，提高了顶管允许应变计算的精确性。

Description

一种垫片应变力不可恢复的顶管允许应变计算方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种垫片应变力不可恢复的顶管允许应变计算方法。

背景技术

顶管施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土体的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进，以此类推，将管道埋设在两坑之间。

顶力是整个顶管工程的最关键的参数，随着顶管机的不断开挖，管片全部需要依靠顶力将其顶入土中。顶力在管节间传递最终传至顶管机，进而去平衡开挖掌子面。但是在实际工程中，顶力过大会使管片产生受压破坏，也会使顶管机机头前方地面隆起，甚至对千斤顶数量和吨位选择、后座墙设计、中继间布置等各个工艺环节产生影响，并增加不必要的成本。

现阶段，相关技术人员将各节顶管作为一个整体，通过顶管管节间顶力传递机制来计算极限偏心受压时顶管允许应变量，并根据顶管允许应变量来调整顶力的大小。其计算原理是认为顶管顶进过程是顶力传递的动态过程，顶力传递是通过管与管之间的轴向相互作用传递的。由于现有方法在计算顶管允许应变力时忽略了管节间垫片的作用，导致顶管允许应变力计算不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垫片应变力不可恢复的顶管允许应变计算方法，以提高顶管允许应变力计算的准确性。

为实现以上目的，本发明采用种垫片应变力不可恢复的顶管允许应变计算方法，包括如下步骤：

获取顶管应力计算参数，该应力计算参数包括尺寸参数、顶管端部偏转的角度、顶管端部张开的高度、顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及管道轴向等效压缩弹性模量；

根据所述顶管应力计算参数，基于应变力不可恢复的垫片允许应变计算公式，计算垫片允许应变；

根据所述顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变，计算顶管允许应变，并得到顶管应力—垫片应变关系曲线。

优选地，所述的垫片允许应变计算公式具体为：

式中，(δ/c₀)_max表示顶管达到最大偏心应力σ_max时垫片对应的最大应变，R为顶管外半径，L为顶管长度，n为顶管端部张开的高度，E为管道轴向等效压缩弹性模量，θ为顶管端部偏转的角度，σ₀表示顶管端部初始应力，σ₁表示安全系数且为常数，δ表示垫片压缩量，c₀表示垫片初始高度。

优选地，所述的根据所述顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变量，计算顶管允许应变，具体包括：

根据所述顶管端部初始应力、安全系数以及垫片允许应变量，基于顶管允许应力计算公式计算顶管允许应变，公式如下：

优选地，在压缩前顶管张开的角度θ₂不为零时，还包括：

在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管压缩后偏移角的变化情况，得到顶管允许应变。

优选地，所述在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管一端压缩后偏移角的变化情况，得到顶管允许应变，具体包括：

在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管一端压缩后偏移角的变化情况，计算顶管端部偏转的角度θ；

根据顶管端部偏转的角度θ，计算顶管允许应变。

优选地，所述在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管一端压缩后偏移角的变化情况，计算顶管端部偏转的角度θ，具体包括：

在顶管一端压缩后，顶管偏移角度不变时，压缩部分所引起的偏移角度为零并有θ₁＝θ₂＝θ；

在顶管一端压缩后，顶管偏移角度增大时，压缩部分产生偏移所引起的偏移角度为(θ-θ₂)且θ＞θ₂；

在顶管一端压缩后，顶管偏移角度变小时，压缩部分产生偏移所引起的偏移角度为(θ-θ₂)且θ＜θ₂。

优选地，在所述顶管一端压缩后，顶管偏移角度不变时，顶管允许应力的计算公式为：

优选地，在所述顶管一端压缩后，顶管偏移角度增大时，顶管允许应力的计算公式为：

式中：e为顶管压缩量，

优选地，在所述顶管一端压缩后，顶管偏移角度变小时，顶管允许应力的计算公式为：

式中：e为顶管压缩量，

优选地，在所述根据所述顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变，计算顶管允许应变之后，还包括：

判断顶管允许应变σ_max是否超过管道的轴向应力允许值σ；

若否，则顶管允许应变σ_max值不正确，并将管道的轴向应力允许值σ作为顶管允许应变；

若是，则顶管允许应变σ_max值正确。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：在实际应用中，当顶管轴线发生偏移时，顶管间接头部分应力将会重新分布，顶管管道重新取得平衡，管道受力形式将不再是轴心受压而是偏心受压，管道端部荷载也不再是均匀荷载。本发明针对顶管管节间应变力不可恢复垫片的力学性能对顶力传递的影响，在顶力传递的计算过程中，将应变力不可恢复的垫片的允许应变对顶力传递的影响考虑进去，并得到顶管所受应力-垫片应变的关系曲线，以指导顶管施工。提高了顶管允许应变计算的准确性，该方法的推广应用可改善现阶段长距离顶管顶力在顶管节间传递理论滞后于工程实践的现象，对顶管工程管节的材料选材、顶进设备选型、工作井布置以及后靠背的设计具有重要的指导意义。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种垫片应变力不可恢复的顶管应变计算方法的流程示意图；

图2是顶管偏心受压示意图；

图3是木质垫片受压变形示意图；

图4是顶管管节之间放置木质垫片时，顶管受压应力-垫片应变曲线示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种一种垫片应变力不可恢复的顶管应变计算方法，包括如下步骤S1至S3：

S1、获取顶管应力计算参数，该应力计算参数包括尺寸参数、顶管端部偏转的角度、顶管端部张开的高度、顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及管道轴向等效压缩弹性模量；

需要说明的是，该尺寸参数为顶管的长度和顶管外半径，在实际应用中，在顶管选定后，顶管的尺寸参数以及顶管的管道轴向等效压缩弹性模量即可确定。顶管端部张开的高度、顶管端部偏转的角度以及顶管端部初始应力均可被测量。

S2、根据所述顶管应力计算参数，基于应变力不可恢复的垫片允许应变计算公式，计算垫片允许应变；

需要说明的是，本实施例中所说的应变力不可恢复的垫片为木质垫片等硬化塑性材料。

S3、根据所述顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变，计算顶管允许应变。

需要说明的是，在实际应用中，顶力传递是通过管与管之间的轴向相互作用传递的，而管节间轴向相互作用是通过管节间的垫片进行传递的。本发明在顶管应力计算过程中考虑了顶管管节之间垫片的允许应变对顶力传递的影响，通过理论推导得到出了顶管应力和应变力不可恢复的垫片允许应变之间的计算关系，从而根据垫片允许应变得到顶管应力，提高了顶管顶力计算的准确性，也提高了顶管施工过程的安全可靠性。

作为进一步优选的方案，上述步骤S2中，垫片允许应变的计算公式具体为：

需要说明的是，该垫片允许应变的计算公式是通过液压垫片室内试验得出的。

其中，(δ/c₀)_max表示顶管达到最大偏心应力σ_max时垫片对应的最大应变，R为顶管外半径，L为顶管长度，n为顶管端部张开的高度，E为管道轴向等效压缩弹性模量，θ为顶管端部偏转的角度，σ₀表示顶管端部初始应力，σ₁表示安全系数且为常数，δ表示垫片压缩量，c₀表示垫片初始高度。

需要说明的是，对于同一种木质垫片c₀一定，即可求出δ_max，同时也可以通过调节c₀来调节木质垫片偏心受压能力。

需要说明的是，在实际应用中，顶管间接头发生偏转接头不一定张开，但是顶管间接头张开则接头必然发生了偏转。本实施例中假设顶管间接头偏转角度为θ，结合图2所示，在考虑顶管接头偏心受压最大应力时，木质垫片最开始阶段是全断面受压的，后由于偏心现象出现应力集中，顶管轴线发生偏移时，顶管接头会发生偏转，接头端部应力将会重分布，管道重新取得平衡，管道受力形式将不再是轴心受压而是偏心受压，管道端部荷载也不再是均匀荷载，图2中：F是顶力，L是顶管长度，θ是顶管偏转角度，e是顶管偏转接触时顶管本身的压缩量；H是偏心量，n是张开高度。由于木质垫片应变不可恢复，当一端出现受压最大应力σ_max时，另一端必然会出现不受压的状态，假设顶管某一端达到最大应力σ_max时，垫片先轴向受压然后出现偏心的结果，则有：

H＝R-n，

由上式可推导出：

由该计算公式即可求得顶管所受最大应力σ_max。

由于

则得到：

图3中，q是压力，b是垫片宽度，δ是垫片压缩量，c₀是垫片原厚度。图4表示压力q与垫片宽度b比值与垫片压缩量δ与垫片原厚度c₀比值之间的关系曲线。

-图4所示，即可得到顶管应变力-垫片允许应变的关系曲线图。

作为进一步优选的方案，本实施例假设顶管一端压缩产生的偏转角为θ₁，未压缩张开的角度为θ₂，下面针对未压缩张开的角度θ₂是否为零进行讨论：

在未压缩张开的角度θ₂为零时，顶管端部在受应力发生偏转的角度θ＝θ₁，将θ＝θ₁代入上述顶管达到最大偏心应力σ_max垫片对应的最大应变计算公式即可得到垫片允许的最大应变，进而得到顶管最大应力。

在未压缩张开的角度θ₂不为零时，根据顶管受力后发生偏移的情况，分为3种情况：

(1)顶管受力压缩后，顶管偏移角度不变，则有θ₁＝θ₂＝θ，顶管允许应力的计算公式为：

(2)顶管受力压缩后，顶管偏移角度增大时，则压缩部分产生偏移所引起的偏移角度为(θ-θ₂)且θ＞θ₂，则：

则顶管允许应力的计算公式为：

(3)顶管受力压缩后，顶管偏移角度变小时，则压缩部分产生偏移所引起的偏移角度为(θ-θ₂)且θ＜θ₂，则：

则顶管允许应力的计算公式为：

作为进一步优选的方案，在顶管施工过程中，顶进过程要保证管道端部最大应力σ_max不能超过管道的轴向应力允许值σ。其中，管道的轴向应力允许值是由管道的轴向压缩强度以及安全系数决定的。因此，本实施例在计算顶管允许应变之后，还包括：

判断顶管允许应变σ_max是否超过管道的轴向应力允许值σ；

若否，则顶管允许应变σ_max值不正确，并将管道的轴向应力允许值σ作为顶管允许应变；

若是，则顶管允许应变σ_max值正确。

需要说明的是，本实施例提供的一种垫片应变力不可恢复的顶管允许应变计算方法，在计算顶管应变力时，将顶管管节间垫片的力学性质考虑进去，通过垫片的最大允许应变计算顶管的最大应力，提高了顶管允许应变的计算精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垫片应变力不可恢复的顶管应变计算方法，其特征在于，包括：

获取顶管应力计算参数，该顶管应力计算参数包括尺寸参数、顶管端部偏转的角度、顶管端部张开的高度、顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及管道轴向等效压缩弹性模量；

根据所述顶管应力计算参数，基于应变力不可恢复的垫片允许应变计算公式，计算垫片允许应变；

根据所述顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变，计算顶管允许应变。

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述的垫片允许应变计算公式具体为：

式中，(δ/c₀)_max表示顶管达到最大偏心应力σ_max时垫片对应的最大应变，R为顶管外半径，L为顶管长度，n为顶管端部张开的高度，E为管道轴向等效压缩弹性模量，θ为顶管端部偏转的角度，σ₀表示顶管端部初始应力，σ₁表示安全系数且为常数，δ表示垫片压缩量，c₀表示垫片初始高度。

3.如权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述的根据所述顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变量，计算顶管允许应变，具体包括：

根据所述顶管端部初始应力、安全系数以及垫片允许应变量，基于顶管允许应力计算公式计算顶管允许应变，公式如下：

4.如权利要求2所述的计算方法，其特征在于，在压缩前顶管张开的角度θ₂不为零时，还包括：

在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管压缩后偏移角的变化情况，得到顶管允许应变。

5.如权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管一端压缩后偏移角的变化情况，得到顶管允许应变，具体包括：

在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管一端压缩后偏移角的变化情况，计算顶管端部偏转的角度θ；

根据顶管端部偏转的角度θ，计算顶管允许应变。

6.如权利要求5所述的计算方法，其特征在于，所述在垫片达到最大压缩量δ_max时，根据顶管一端压缩后偏移角的变化情况，计算顶管端部偏转的角度θ，具体包括：

在顶管一端压缩后，顶管偏移角度不变时，压缩部分所引起的偏移角度为零并有θ₁＝θ₂＝θ；

在顶管一端压缩后，顶管偏移角度增大时，压缩部分产生偏移所引起的偏移角度为(θ-θ₂)且θ＞θ₂；

在顶管一端压缩后，顶管偏移角度变小时，压缩部分产生偏移所引起的偏移角度为(θ-θ₂)且θ＜θ₂。

7.如权利要求6所述的计算方法，其特征在于，在所述顶管一端压缩后，顶管偏移角度不变时，顶管允许应力的计算公式为：

8.如权利要求6所述的计算方法，其特征在于，在所述顶管一端压缩后，顶管偏移角度增大时，顶管允许应力的计算公式为：

式中：e为顶管压缩量，

9.如权利要求6所述的计算方法，其特征在于，在所述顶管一端压缩后，顶管偏移角度变小时，顶管允许应力的计算公式为：

式中：e为顶管压缩量，

10.如权利要去1-9任一项所述的计算方法，其特征在于，在所述根据所述顶管端部初始应力、顶管端部当前应力以及垫片允许应变，计算顶管允许应变之后，还包括：

判断顶管允许应变σ_max是否超过管道的轴向应力允许值σ；

若否，则顶管允许应变σ_max值不正确，并将管道的轴向应力允许值σ作为顶管允许应变；

若是，则顶管允许应变σ_max值正确。