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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及城市地下隧道工程
，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。
技术介绍
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的专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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；附本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坤，宋康年，杨娟，肖尊群，董书滨，何进江，李志军，李其宾，黄章君，范东升，张卫中，杨建礼，马晶晶，杨艳玲，董武斌，汪建卫，刘智华，谭建兵，林兵，张随涛，
申请(专利权)人：中铁隧道集团二处有限公司，中铁隧道局集团有限公司，武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：河北;13