CN111563287A - 一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，包括如下步骤：将曲线顶管划分为若干区段；运用数值分析软件建立位移控制有限单元数值模型；通过对各模型起始环向截面施加一个管节宽度的位移，得到各区段不同顶进位置的顶推力和平均机头端阻力，用各位置的顶推力与平均机头端阻力之差得到各顶进位置的侧阻力；沿顶进方向，将各模型计算得到的顶进力与侧阻力进行适当叠加，就可以得到沿顶进方向，顶推力随顶进长度的拟合含数和拟合曲线，该拟合函数可以作为相同顶管参数和施工条件的竖向曲线顶管顶进力计算的通式。本发明可以避免复杂的算法和较少的计算量较容易地估计大截面、大刚度竖向曲线顶管中间区段的顶推力。

Description

一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法

技术领域

本发明涉及城市地下隧道工程技术领域，尤其涉及分段位移控制法的大截面、大刚度矩形截面竖向曲线顶进力预估方法。

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推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。在一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管节继续顶进，依次类推，将管道埋设在两坑之间。在顶管施工中顶进的坡度对模型的建立要求较高，在国内外做该领域的研究较少，与直线型顶管不同，在坡角发生变化时，曲线顶管机头顶进方向会发生变化，经过转折处的后续所有管节的顶进方向都会发生改变。因此，要在整体模型中实现这个过程，需要建立复杂的算法，有时候变得得不偿失。为了避免建立算法，本研究提出了分段位移控制有限单元模型。

顶推力的估算是顶管施工和设计中的一个重要难题，竖向曲线顶管顶进力的估算较直线顶管更加复杂，普通的理论经验公式是基于理论力学范畴得出的，没有考虑顶管、顶管周边土体本身变形对顶管接触属性的影响，基于位移控制有限单元模型能够从连续介质力学的角度考虑施工过程以上影响因素，估算精度更高，计算量也在可以接受的范围内。竖向曲线顶管只能采用分段有有限单元位移控制法进行计算，因为在坡度转折处，顶进方向会发生改变，为了实现顶进力数值估算，以顶管坡度转折处为界，将整个顶管工程划分为若干个模型进行计算，模型与模型之间通过结点应力边界联系，每个模型，按照一般直线顶管进行顶进力的估算，最后采用叠加原理对顶进力实现对顶进力的估算，可以获得较高的估算精度。

公告号CN110197014A的发明公开一种基于位移控制的大尺寸矩形顶管顶推力估算方法，包括如下步骤：步骤1、运用数值分析分析软件Abaqus建立土层-矩形顶管的数值分析模型；步骤2、根据建立的数值分析模型，对矩形顶管施加给定顶距及注浆压力方案；步骤3、根据不同的顶距和注浆压力方案，得到不同的顶推力，绘制不同注浆压力方案下顶推力随顶距变化的拟合曲线；步骤4、重复步骤2、步骤3得到不同拟合曲线，并将其与经验公式、实测数据对比，得到最佳拟合曲线和顶推力拟合函数，估算出顶推力，该拟合函数可以作为相同设计参数和施工条件的顶管顶推力计算通式。能较容易地估计顶推力，而不是用耗时的试错法来估计顶推力，能较好地适应各种管道与土体接触条件。

但是该技术方案主要是基于直线顶管的顶推力估算，没有解决竖向曲线顶管的顶进力估算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，包括如下步骤：

步骤1、根据竖向曲线顶管的坡率将曲线顶管划分为若干区段；

步骤2、运用数值分析软件分别对曲线顶管不同区段的顶管顶进过程建立位移控制有限单元数值模型；

步骤3、针对每个模型，通过对各模型起始环向截面施加一个管节宽度的位移，得到各区段不同顶进位置的顶推力和平均机头端阻力，用各位置的顶推力与平均机头端阻力之差得到各顶进位置的侧阻力；

步骤4、沿顶进方向，将各模型计算得到的顶进力与侧阻力进行适当叠加，就可以得到沿顶进方向，顶推力随顶进长度的拟合含数和拟合曲线，该拟合函数可以作为相同顶管参数和施工条件的竖向曲线顶管顶进力计算的通式。

所述步骤1中区段划分的具体方法如下：

根据曲线顶管的坡度划分若干区段，每个区段的顶管为直线顶管；除最后一个区段外，其他区段的模型长度均比实际工程的顶管长度长4-5m；除最后一个区段外，其他区段的最后一顶的顶进位置为实际顶管最后一个管节位置，顶进结束时，顶管末端刚好到达曲线顶管的转折处；起始模型顶管转折处对应的模型截面各结点的应力以一一对应的方式施加到下一个模型顶管起始边界上，作为下一个模型的应力边界条件。

所述步骤3中各顶进位置的侧阻力具体计算方法如下：

S1、通过对各模型起始环向截面施加给定位移，得到每个区段不同顶进位置的顶推力和机头端阻力，并且，以区段为单位，分别计算得到每个区段的平均机头端阻力；

S2、用每个区段最后一个顶进位置对应的有限元分析模型计算得到的顶进力与该区段各顶进位置有限单元分析模型计算得到的平均机头端阻力之差作为该区段顶管平均侧阻力的代表值；

S3、沿顶进方向，起始区段各顶进位置对应的有限单元分析模型计算得到的顶推力作为该区段的各顶进位置的顶推力的代表值，同时计算得到该区段对应的平均侧阻力代表值；

S4、沿顶进方向，第二区段各顶进位置对应的有限单元分析模型计算得到的顶进力与起始区段平均侧阻力代表值之和为第二个区段各顶进位置顶推力的代表值，第二个区段对应的有限单元分析模型计算得到的最后一个顶进位置的平均侧阻力与起始区段的平均侧阻力之和作为第二个区段平均侧阻力的代表值；

S5、以此类推，得到下一个区段对应的各顶进位置顶进力代表值和下一个区段的平均侧阻力代表值；

S6、最后一个区段对应的各顶位置有限单元分析模型计算得到的顶进力与倒数第二个区段的平均侧阻力之和作为最后一个区段各顶进位置的顶进力的代表值，最后一个区段各顶进位置对应的有限元分析模型不需要再计算平均机头端阻力。

所述步骤4中得到顶推力随顶进长度的拟合含数和拟合曲线的具体方法如下：

通过数值分析模型后处理得到顶管在给定顶距、起始管节截面各个结点沿顶进方向的应力分量，根据结点总数加权平均，用平均管截面应力乘以顶管截面积即得到给定顶距的顶推力；

然后，将每个区段各顶进位置有限单元位移控制分析模型得到的顶进力与上一个区段的平均侧阻力代表值进行叠加得到本区段的各顶进位置顶进力的代表值，最后得到竖向曲线顶管顶进力随顶进长度的拟合函数和拟合曲线。

本发明的有益效果是：

本发明可以避免复杂的算法和较少的计算量较容易地估计大截面、大刚度竖向曲线顶管中间区段的顶推力，同时，在进项曲线顶管设计时，可以确定不同曲率的曲线顶管的顶推力的估算，为曲线顶管曲率设计提供理论依据。

附图说明

附图1为本方法实施顶管案例区域坡度划分剖面图；

附图2为本方法实施顶管案例起始断面尺寸与埋深示意图；

附图3为本方法实施顶管案例区段1模型尺寸与网格划分(2°)示意图；

附图4为本方法实施顶管案例区段1模型尺寸与顶进位置设置剖面分布(1-1剖面)示意图；

附图5为本方法实施顶管案例区段2模型尺寸与网格划分(1°)示意图；

附图6为本方法实施顶管案例区段2模型尺寸与顶进位置剖面设置(1-1剖面)示意图；

附图7为本方法实施顶管案例区段3模型尺寸与网格划分(0°)示意图；

附图8为本方法实施顶管案例区段3模型尺寸与顶进位置剖面设置(1-1剖面)示意图；

附图9为本方法实施顶管案例区段1数值模型A-A剖面单元结点分布示意图；

附图10为本方法实施顶管案例区段2数值模型B-B剖面单元结点分布示意图；

附图11为本方法实施顶管案例管-土全接触示意图；

附图12为本方法实施顶管案例管-土两侧与底边接触示意图；

附图13为本方法实施顶管案例管-土底边接触示意图；

附图14为注浆压力分布(顶进前)示意图；

附图15为注浆压力分布(顶进后)示意图；

附图16为本方法实施顶管案例区段1模型尺寸位移荷载施加位置与参考面分布示意图；

附图17为本方法实施顶管案例区段2模型尺寸位移荷载施加位置与参考面分布示意图；

附图18为本方法实施顶管案例区段3模型尺寸位移荷载施加位置与参考面分布示意图；

附图19为本方法实施顶管案例数值模型顶管管节单元编号示意图；

附图20为本方法实施顶管案例区段1数值模型顶进位置：7.5m—9.0m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图21为本方法实施顶管案例区段1数值模型顶进位置：15m—16.5m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图22为本方法实施顶管案例区段1数值模型顶进位置：18m—19.5m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图23为本方法实施顶管案例区段1数值模型顶进位置：25.5m—27.5m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图24为本方法实施顶管案例区段1数值模型顶进位置：34.5m—36m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图25为本方法实施顶管案例区段3数值模型顶进位置：7m—8.5m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图26为本方法实施顶管案例区段3数值模型顶进位置：16m—17.5m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图27为本方法实施顶管案例区段3数值模型顶进位置：25m—26.5m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图28为本方法实施顶管案例区段3数值模型顶进位置：34m—35.5m对应的起始管节单元结点纵向应力分布云图；

附图29为本方法实施顶管案例计算得到顶进力随顶进距离拟合曲线与实测顶进力曲线对比图；

附图30为本方法实施顶管案例计算得到的不同曲率半径对应顶进力随顶进距离拟合曲线对比图；

附图31为本方法实施顶管案例的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明公开一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，包括如下步骤：

步骤1、根据竖向曲线顶管的坡率将曲线顶管划分为若干区段。

步骤2、运用数值分析软件分别对曲线顶管不同区段的顶管顶进过程建立位移控制有限单元数值模型。

步骤3、针对每个模型，通过对各模型起始环向截面施加一个管节宽度的位移，得到各区段不同顶进位置的顶推力和平均机头端阻力，用各位置的顶推力与平均机头端阻力之差得到各顶进位置的侧阻力。

步骤4、沿顶进方向，将各模型计算得到的顶进力与侧阻力进行适当叠加，就可以得到沿顶进方向，顶推力随顶进长度的拟合含数和拟合曲线，该拟合函数可以作为相同顶管参数和施工条件的竖向曲线顶管顶进力计算的通式。

所述步骤1中区段划分的具体方法如下：

根据曲线顶管的坡度划分若干区段，每个区段的顶管为直线顶管；除最后一个区段外，其他区段的模型长度均比实际工程的顶管长度长4-5m；除最后一个区段外，其他区段的最后一顶的顶进位置为实际顶管最后一个管节位置，顶进结束时，顶管末端刚好到达曲线顶管的转折处；起始模型顶管转折处对应的模型截面各结点的应力以一一对应的方式施加到下一个模型顶管起始边界上，作为下一个模型的应力边界条件。

所述步骤3中各顶进位置的侧阻力具体计算方法如下：

S1、通过对各模型起始环向截面施加给定位移，得到每个区段不同顶进位置的顶推力和机头端阻力，并且，以区段为单位，分别计算得到每个区段的平均机头端阻力；

S2、用每个区段最后一个顶进位置对应的有限元分析模型计算得到的顶进力与该区段各顶进位置有限单元分析模型计算得到的平均机头端阻力之差作为该区段顶管平均侧阻力的代表值；

S3、沿顶进方向，起始区段各顶进位置对应的有限单元分析模型计算得到的顶推力作为该区段的各顶进位置的顶推力的代表值，同时计算得到该区段对应的平均侧阻力代表值；

S4、沿顶进方向，第二区段各顶进位置对应的有限单元分析模型计算得到的顶进力与起始区段平均侧阻力代表值之和为第二个区段各顶进位置顶推力的代表值，第二个区段对应的有限单元分析模型计算得到的最后一个顶进位置的平均侧阻力与起始区段的平均侧阻力之和作为第二个区段平均侧阻力的代表值；

S5、以此类推，得到下一个区段对应的各顶进位置顶进力代表值和下一个区段的平均侧阻力代表值；

S6、最后一个区段对应的各顶位置有限单元分析模型计算得到的顶进力与倒数第二个区段的平均侧阻力之和作为最后一个区段各顶进位置的顶进力的代表值，最后一个区段各顶进位置对应的有限元分析模型不需要再计算平均机头端阻力。

所述步骤4中得到顶推力随顶进长度的拟合含数和拟合曲线的具体方法如下：

通过数值分析模型后处理得到顶管在给定顶距、起始管节截面各个结点沿顶进方向的应力分量，根据结点总数加权平均，用平均管截面应力乘以顶管截面积即得到给定顶距的顶推力；

然后，将每个区段各顶进位置有限单元位移控制分析模型得到的顶进力与上一个区段的平均侧阻力代表值进行叠加得到本区段的各顶进位置顶进力的代表值，最后得到竖向曲线顶管顶进力随顶进长度的拟合函数和拟合曲线

具体到本实施例中，如附图1～附图31所示，一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，包括如下步骤：

步骤1、根据竖向曲线顶管的坡率将曲线顶管划分为若干区段。

步骤2、运用数值分析软件ABAQUS分别对曲线顶管不同区段的顶管顶进过程建立数值模型。分别为模型1(坡角2°)模型2(坡角1°)模型3(坡角0°)，模型材料参数见表1—表4。

步骤3、通过对各模型起始环向截面施加给定位移(顶管实施案例A为1.5m)，得到个区段不同顶进位置的顶推力和平均机头端阻力。三个模型的边界条件设置如表6所示。

用各位置的顶推力与平均机头端阻力之差得到各顶进位置的侧阻力。

步骤4、沿顶进方向将顶管侧阻力进行恰当叠加，然后将叠加后的侧阻力与该区段的平均机头端阻力相加得到该区段给定位置的顶进力，并获得顶进力与顶进距离的拟合函数，该拟合函数可以作为相同顶管参数和施工条件的顶管顶进力计算的通式。

附图3-附图8为本方法实施顶管案例三组用于计算不同顶进位置顶推力的位置划分图(土体部分沿1-1剖面剖开)，根据顶管倾斜角度不同划分三组推力计算模型，每个顶推力计算模型顶进距离均为一个管节的距离，即1.5m。按从左到右，从上到下的顺序分别为：模型1：7.5m-9m(第一顶)、13.5m-15m(第二顶)、21m-22.5m(第三顶)、25.5m-27m(第四顶)、34.5m-36m(第五顶)；模型2:7.5m-9m(第一顶)、15m-16.5m(第二顶)、18m-19.5m(第三顶)、25.5m-27m(第四顶)、34.5m-36m(第五顶)；模型3:7m-8.5m(第一顶)、16m-17.5m(第二顶)、25m-26.5m(第三顶)、34m-35.5m(第四顶)。该模型可以计算每个模型不同顶进位置的顶推力，同时，还可以计算每个顶进位置的侧阻力和端阻力。模型划分与顶进位置分配见表5。

附图19为方法实施顶管案例三维数值分析模型：对矩形顶管管节截面单元和结点进行划分，并对管节截面单元进行编号，每个模型顶管顶到相应位置时，提取截面各结点沿顶管顶进方向的应力分量，按结点总数加权平均，加权平均应力与截面面积相乘得到顶管的内力，该内力作为顶管顶进到该位置的顶推力代表值。

针对矩形曲线顶管推力的计算尚无规范可依，可以经圆形顶管推力计算公式进行优化。实际工程顶推力是指在实际工程中监测得到，对比的作用为验证数值模拟方法顶推力估算的正确性，并且获得估算误差，利用数值模拟方法顶推力估算拟合曲线与实际监测数据拟合曲线不断对比，得到顶推力随顶进距离的最佳估算拟合曲线。

需要进一步说明的是：方案的调整是指根据工程经验和实际工程的监测数据作细微的调整。

所述顶推力的计算方法如下：

通过数值分析模型后处理得到矩形曲线顶管在各给定顶进位置、给定顶进距离方案下的顶进过程中某个管节截面各结点沿着顶进方向的应力分量(顶管实施案例模型1为σ_zz)，加权平均得到该截面的平均结点应力分量，然后用平均结点应力分量乘以该管节的截面积，获得矩形顶管在该顶进位置和顶进距离的内力，该内力作为顶管顶推力的代表值。计算出三个模型给定距离的顶推力数值、侧阻力数值和机头端阻力数值，根据叠加原理，模型1的最后一顶的侧阻力数值与模型2第一顶的顶推力之和可以作为整个顶管顶进到模型2第一顶位置的顶推力的代表值；模型1的最后一顶的侧阻力数值与模型2第二顶的顶推力之和可以作为整个顶管顶进到模型2第二顶位置的顶推力的代表值；依次类推，模型1的最后一顶的侧阻力数值与模型2最后一顶的顶推力之和可以作为整个顶管顶进到模型2最后一顶顶进位置的顶推力的代表值。

同理，模型1与模型2的最后一顶顶进位置侧阻力之和与模型3第一顶顶进位置顶推力之和可以作为整个顶管顶进到该位置的顶推力的代表值；模型1与模型2的最后一顶顶进位置侧阻力之和与模型3第二顶顶进位置顶推力之和可以作为整个顶管顶进到该位置的顶推力的代表值；依次类推，模型1与模型2的最后一顶顶进位置侧阻力之和与模型3最后一顶顶进位置顶推力之和可以作为整个顶管顶进到该位置的顶推力的代表值。如此，就可以获得各顶进位置在顶推力的估算值，做出顶推力随顶进距离的拟合曲线和拟合函数。

根据现场监测顶推力数值与实施案例所模拟出的顶推力数值做对比，可以得出本方法实施顶管案例计算得到顶进力随顶进距离拟合曲线与实测顶进力曲线对比图，如附图29。

所述数值分析模型中矩形顶管附近土层网格密度大于其他位置网格密度。

表1案例A的情况

表2案例管道材料参数

表3土性材料参数(采用Drucker-Prager本构模型计算模型)

表4小区数量分布

表5模型顶进位置设置

续表

表6模型的边界条件设置

本方法可以通过较少的计算量，估算竖向曲线顶管的顶进力，即可以避免整体位移控制有限单元法带来的复杂算法的设计，又可以在计算模型中较容易的考虑土性参数、管土接触范围、注浆压力以及顶管本身的形变对顶进力的影响，实现了顶管顶进力的估算由传统的理论力学的范畴延伸到连续介质力学的范畴，考虑问题更加全面，计算结果更加合理。同时，整个方法都是在小变形假定条件下进行的，因此，连续介质力学的叠加原理是合适的。数值分析结果表明：分段位移控制有限单元法能较好的估算竖向顶管的顶推力，估算精度比规范法提供的经验公式高。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据竖向曲线顶管的坡率将曲线顶管划分为若干区段；

步骤2、运用数值分析软件分别对曲线顶管不同区段的顶管顶进过程建立位移控制有限单元数值模型；

步骤3、针对每个模型，通过对各模型起始环向截面施加一个管节宽度的位移，得到各区段不同顶进位置的顶推力和平均机头端阻力，用各位置的顶推力与平均机头端阻力之差得到各顶进位置的侧阻力；

步骤4、沿顶进方向，将各模型计算得到的顶进力与侧阻力进行适当叠加，就可以得到沿顶进方向，顶推力随顶进长度的拟合含数和拟合曲线，该拟合函数可以作为相同顶管参数和施工条件的竖向曲线顶管顶进力计算的通式。

2.根据权利要求1所描述的一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，其特征在于：

所述步骤1中区段划分的具体方法如下：

根据曲线顶管的坡度划分若干区段，每个区段的顶管为直线顶管；除最后一个区段外，其他区段的模型长度均比实际工程的顶管长度长4-5m；除最后一个区段外，其他区段的最后一顶的顶进位置为实际顶管最后一个管节位置，顶进结束时，顶管末端刚好到达曲线顶管的转折处；起始模型顶管转折处对应的模型截面各结点的应力以一一对应的方式施加到下一个模型顶管起始边界上，作为下一个模型的应力边界条件。

3.根据权利要求1所描述的一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，其特征在于：

所述步骤3中各顶进位置的侧阻力具体计算方法如下：

S1、通过对各模型起始环向截面施加给定位移，得到每个区段不同顶进位置的顶推力和机头端阻力，并且，以区段为单位，分别计算得到每个区段的平均机头端阻力；

S2、用每个区段最后一个顶进位置对应的有限元分析模型计算得到的顶进力与该区段各顶进位置有限单元分析模型计算得到的平均机头端阻力之差作为该区段顶管平均侧阻力的代表值；

S3、沿顶进方向，起始区段各顶进位置对应的有限单元分析模型计算得到的顶推力作为该区段的各顶进位置的顶推力的代表值，同时计算得到该区段对应的平均侧阻力代表值；

S4、沿顶进方向，第二区段各顶进位置对应的有限单元分析模型计算得到的顶进力与起始区段平均侧阻力代表值之和为第二个区段各顶进位置顶推力的代表值，第二个区段对应的有限单元分析模型计算得到的最后一个顶进位置的平均侧阻力与起始区段的平均侧阻力之和作为第二个区段平均侧阻力的代表值；

S5、以此类推，得到下一个区段对应的各顶进位置顶进力代表值和下一个区段的平均侧阻力代表值；

S6、最后一个区段对应的各顶位置有限单元分析模型计算得到的顶进力与倒数第二个区段的平均侧阻力之和作为最后一个区段各顶进位置的顶进力的代表值，最后一个区段各顶进位置对应的有限元分析模型不需要再计算平均机头端阻力。

4.根据权利要求1所描述的一种基于分段位移控制法的竖向曲线顶管顶进力估算方法，其特征在于：

所述步骤4中得到顶推力随顶进长度的拟合含数和拟合曲线的具体方法如下：

通过数值分析模型后处理得到顶管在给定顶距、起始管节截面各个结点沿顶进方向的应力分量，根据结点总数加权平均，用平均管截面应力乘以顶管截面积即得到给定顶距的顶推力；

然后，将每个区段各顶进位置有限单元位移控制分析模型得到的顶进力与上一个区段的平均侧阻力代表值进行叠加得到本区段的各顶进位置顶进力的代表值，最后得到竖向曲线顶管顶进力随顶进长度的拟合函数和拟合曲线。

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