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1、SMW工法圆形工作井内力分析摘要:根据SMW工法圆形工作井结构材料组成特点及结构受力特点,并基于分载思想,提出可用于该类结构内力、变位分析的环梁分载计算理论,并据此对一个SMW工法圆形工作井实例的结构内力,进行了计算分析,得到了该类工作井结构在形成阶段与顶进阶段的内力分布特征,特别是指出了结构材料性质沿环向分区、顶冠梁加设及竖向加筋对结构内力的影响,有关结论为进一步提高对SMW工法工作井的认识奠定了基础。关键词:环梁分载;SMW工法;顶管;圆形工作井;内力1 引言顶管工作井主要有两方面的功能:一是全程的围护功能;二是提供顶进反力的功能。对于顶进阶段的工作井,由于顶进力施加于结构的局部位置,使得

2、工作井内力分布变得非常复杂,尤其是圆形工作井。这一方面的研究不多,国内少见文献。而SMW工法圆形工作井的应用,只是近些年的事情。对于该类工作井,由于在水泥土中加入了筋材(如H 型钢) ,使得工作井墙壁在竖直方向、环向显示出明显的性质差异。顶载的局部施加及材料沿环向竖向的性质差异,加大了问题的分析难度。对于SMW工法工作井的内力分析文献目前还未见到。鉴于这种情况,本文应用环梁分载计算理论,对杭州市污水系统管道顶管工程SMW 工法圆形工作井的内力分布特征进行分析。2 环梁分载计算理论分载法最早由美国垦务局于20 世纪30 年代提出1 。在美国垦务局分载法的基础上,后来陆续又出现了分载位移法、全调整

3、分载法、非线性全调整法、杆元分载法、内力平衡法、反力参数法、拱冠梁法、拱梁法等一系列分载法。这些方法均针对水平向开放式结构,除了俞洪良拱冠梁法2 和张仪萍拱梁法3 用于拱形围护结构外,其余基本上都是用于拱坝分析的。本文针对圆形维护结构提出用环梁分载计算理论进行计算。按照隔离体的原则,可将圆形围护结构视为由一系列水平面切割出来的闭合圆环组成;另一方面,也可将圆形维护结构视为由一系列正交于水平闭合环的径向面切割出来的梁组成;将作用于环隔离体上的全部荷载(包括上下水平剖切面上梁的内力) 当作环的荷载;将作用于梁隔离体上的全部荷载(包括两侧剖切面上的环内力) 当作梁的荷载。根据环与梁交点上微元的平衡条

4、件,微元的环分载与梁分载之和,等于作用于微元上的外荷载;以某梁中心处的环分载(或梁分载) 及环内力为基本未知量,通过建立拱梁交点(节点) 上的变位协调条件及结构的对称性与土体的约束条件,可以解出基本未知量,进而计算出整个结构各环梁交叉点处(节点) 的变位、环与梁内力、应力等。鉴于圆形工作井结构的特点,井外土压不易达到主动极限土压,应考虑土与结构的共同作用或相互作用,因此将土体(包括井内) 约束模拟成弹簧施加于梁上(加于环上也是一样的,只是计算复杂) ,作用于土结构体系上的荷载为静止土压。笔者针对上述环梁分载计算理论,编制了用于圆形工作井结构受力分析的的环梁分载计算分析软件CBTLMP V1.

5、0 ,该软件在检验性试验中获得通过。3 工程概况杭州市运河污染综合整治截污工程需要在石桥路路段铺设污水管,采用顶管法施工。标段33 #35 # 顶管段,采用土压平衡式顶管,管道内直径为1 200 mm。平均覆土深度(地表到轴心) 为3. 75m ,管道位于粉土层和淤泥质粉质粘土层之间(土层详细分布略) 。33 # 工作井为圆形工作井,井最大挖深6. 0 m ,井壁竖向全长12. 5 m ,井壁中面直径为9. 2 m ,井壁材料为加劲水泥土(SMW工法) ,由双排600 mm水泥土搅拌桩形成,内排桩内插入型号为HM500 300 11 18 的H 型钢,型钢沿环向在- 30 + 30范围内为半位

6、满堂布置,在其余位置为半位1 隔1布置。另外,工作井开挖伊始井壁顶部设置1 200 mm500 mm的混凝土顶冠梁(或称压顶梁) ,开挖完成后,在z = - 5. 0 - 6. 0 m 处设置混凝土底板,在环向- 30 + 30范围及竖向z = - 2. 5 - 5. 0 m 范围设置后座墙。4 工作井形成阶段与顶进阶段模拟考虑到工作井形成阶段与顶进阶段的连续性及材料组成的复杂性,本实例的计算按时间上相关联的3 个工况来进行:第1 工况:井壁水平截面为外排水泥土搅拌桩截面,壁厚0. 5 m;在该工况体系外载为0。第2 工况:在第1 工况截面的基础上增加单排加筋水泥土搅拌桩截面,除顶冠梁处外其余

7、部分均新增壁厚0. 5 m ,即总壁厚1. 0 m ,新增截面材料折合参数用混合原理近似计算;该工况体系外载为最终挖深状态下结构上的静止土压。第3 工况:截面形式同第2 工况,体系外载相对于第2 工况的增量为顶进荷载,这里取最大顶载研究。第1 工况结构截面与第2 工况截面增量实际上都是同时形成的,因此在第1 工况中将外载置为0 ,即第1 工况下结构内部无内力存在,这种处理方式主要针对井壁由两层材料组成且截面同时形成的情况而采用,计算结果是两层材料同时开始产生内力。第2 工况模拟的是工作井形成后、管道顶进前的环梁土体系情况。第3 工况模拟的是管道顶进时体系在最大顶进力作用下的情况。在分析时,土层

8、的水平弹簧系数根据杭州市相关土层主要物力学性质指标进行计算。5 计算结果与分析图1 中给出了顶载作用区外井壁计算变位与实测变位的对比情况,结果表明计算基本上能够反映图1 径向变位实测值与计算值的对比图2 工作井顶进前(时) 单宽竖向结构(梁) 的弯矩a 顶进前;b 顶进时图3 工作井顶进前(时) 单宽环向结构(环) 的轴力a 顶进前;b 顶进时出实际情况。图2图6 为工作井井壁展开面上的内力分布计算结果,它们反映了本实例工作井的内力分布特征,在工作井形成阶段(顶进前) :a. 因内排桩插筋形式沿环向是分区的,使得结构内力沿环向并非均布;b. 竖向结构(梁,下同) 内存在一定量值的内力,这明显要

9、比各向同性材料圆形工作井竖向结构内力大得多;竖向结构的最大弯矩出现在开挖面附近偏上位置;插筋加密区的弯矩大于插筋稀疏区的弯矩;c. 在顶冠梁中环向有较大的轴力集中,井壁上其余环向结构(环,下同) 轴力最大位置出现在开挖面附近;轴力沿环向近于均布,插筋疏密的影响不大,这说明SMW工法结构,其环向性质主要由水泥图4 工作井顶进时单宽环向结 图5 工作井顶进时单宽环向 图6 工作井顶进时单宽环 构(环) 的径向剪力 结构(环) 的弯矩 向结构(环) 的扭距土控制;d. 除了竖向结构弯矩、水平径向剪力与环向结构轴力外,还存在其他方向的内力(本文未给出其图) ,不过它们的量值很小,这是由插筋沿环向疏密分

10、布不同造成的。在管道顶进阶段:a. 顶载对工作井内力的影响沿环向主要集中于顶载所在半圆工作井,沿竖向可达井壁通长,这反映了因竖向加筋竖向刚度提高后,竖向结构发挥的承载作用得到了大大的加强;b. 对于竖向结构,在顶载范围内分布有较大的负弯矩,在顶载范围上下及左右位置出现正的弯矩加大区,最大负弯矩位置位于顶载范围中心附近;c. 顶载所在范围的环向区域及其附近,井壁环向结构轴力有所下降;d. 除了竖向结构弯矩、水平径向剪力与环向结构轴力外,还存在其WB 方向的内力,这些内力并不仅是因工作井插筋形式分区引起的,而主要是因顶载作用于井壁局部范围而引起的;e. 顶冠梁对改善井壁环向结构的受力性状发挥了很大

11、的作用,因其存在,顶冠梁的内力较为集中,这其中包括轴力、径向剪力、弯矩及扭距,而井壁内环向结构除了轴力外,其他方向的内力都很小;顶冠梁加强了竖向结构间的联系;f . 无论在工作井形成阶段还是在管道顶进阶段,竖向结构的主要内力(弯矩及剪力等) 都是内排桩截面分担量远大于外排桩截面分担量,而环向结构主要内力(轴力) 在内排桩与外排桩截面间的分担量是相近的,可见竖向插筋的结果是工作井结构竖图7 内外排桩截面梁弯矩对比图8 内外排桩截面环轴力对比向联结得到加强,而环向联结基本上得不到加强(如图7 ,图8) 。6 结语本文应用环梁分载计算理论对SMW 工法构建的材料组成较为复杂的圆形工作井的内力进行了分

12、析,获取了该类工作井在形成阶段及管道顶进阶段的内力各自分布特征,并得到一些有益的结论。这些结论对提高人们对SMW 工法工作井性状的进一步认识有一定帮助,同时对工作井的设计也有一定参考价值。Analysis on inner force of circular working shaft with SMW methodSONGJin2liang1 , GONG Xiao2nan2 , XU Ri2qing2 (1. Geotechnical Department , Guangzhou University ,Guangzhou 510091 , China ; 2. Geotechnical

13、Department , Zhejiang University , Hangzhou 310027 ,China)Abstract :According to structural material and structural stress state of circular working shaft with SMW method , this paper presents ring2beamload2shared theory to analyze the inner force and displacement. The distribution of structures of this kind of working shaft at excavating stage anddriving stage is summarized through a practical example. Especially the research shows the circular zoning of structural material and the influenceof top beam an