一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法

本发明属于城市地下隧道工程，具体涉及一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法。

背景技术：

1、顶管顶进力是大截面尺寸顶管的重要的施工参数，顶进力包括侧阻和机头端阻两个部分。计算往往采用基于理论力学刚体平衡模型，即假定顶管管节在整个施工过程中不发生任何形变，同时将管节与隧道围岩的相互作用等效为围岩荷载，该模型能够得到顶进力随顶进距离的理论表达式。计算误差较大，有时甚至是错误的。位移控制有限单元法，将顶管管节视为变形体，模型中自然考虑顶管管节与围岩之间的相互耦合作用，计算精度更高，计算结果更加合理。专利(cn110197014a)介绍了一种基于位移控制的大尺寸矩形顶管顶推力估算方法，该方法通过建立顶管施工过程的有限元分析模型，给起始管节截面施加一个平动位移荷载，得到某个顶进距离顶管的顶进力，该模型只有计算直线顶管的顶进力，不能计算曲线顶管的顶进力。专利(cn 111563287 a)介绍了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，将竖向曲线顶管按照顶进路线的坡度划分为若干区段，针对每个区段建立如同直线顶管位移控制有限单元模型，区段与区段之间的力学联系通过在顶管转折处截面施加特定的边界条件进行处理，根据每个区段的计算模型的计算结果进行相同概况下的数据叠加，得到竖向曲线顶管顶进力随顶进距离的关系。该方法需要对同一个模型进行多工况下的重复计算，计算量大。

2、上述方案，方案1只有计算直线顶管的顶进力，不能计算弯曲顶管的顶进力。上述方案的方案2将整体顶管划分为若干区段，区段和区段之间需要通过设置特定的边界条件建立彼此的力学联系，而实际工况中，区段和区段之间是连续的，边界条件的设定不能完全反映连续体的力学本质。同时，上述方案2需要重复计算多个工况下的顶进力计算结果，并计算出相应的侧阻力和端阻力，最后通过叠加得出相应位置的顶进力，计算过程复杂，计算量大，计算所需的时间长。本方案将竖向曲线顶管作为一个整体进行考虑，建立整体位移有限单元模型，能够很好的反映连续介质的力学本质，并且通过给经过转折处的管节截面施加转动荷载和平动荷载，实现了竖向曲线顶管的整体顶进施工过程的数值模拟，计算结果更加精确，计算量大大缩小，计算效率得到了很大提高。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，用于估算竖向曲线顶管的顶进力。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，包括以下步骤：

3、s1：建立顶管的整体位移控制有限单元的数值分析模型；

4、s2：根据建立的数值分析模型，设置不同的顶进位置，针对每个位置设置一个管节长度的位移荷载的计算工况；

5、s3：通过在顶管起始环形端面施加位移荷载和经过转折处的管节施加一个转动荷载和一个平动荷载，计算不同顶进距离下顶管顶进位置的顶进力，绘制顶进力随顶进距离的关系曲线；

6、s4：根据施工过程中实测的顶进力，调整位移控制有限单元的数值分析模型中的包括侧摩擦系数、注浆压力的计算参数，重新计算调整得到更加精确的计算结果。

7、按上述方案，所述的步骤s1中，采用数值分析软件abaqus建立数值分析模型。

8、按上述方案，所述的步骤s1中，建立顶管的整体位移控制有限单元的数值分析模型时，在起始管节施加一个管节厚度的位移，还对经过每个转折处的管节施加一个管节厚度的平动位移和一个转折角度的转动位移。

9、按上述方案，所述的步骤s3中，还包括以下步骤：对起始管节端面施加位移荷载；如果顶进位置超过顶管轴向转折位置，在施加起始管节断面位移荷载的同时，对经过转折处的管节施加角度为顶管坡角大小的刚体转动荷载。

10、按上述方案，所述的步骤s3中，计算顶进力的具体步骤为：每次计算完顶管顶进时，顶管在顶进过程中与周围的土体产生新的应力场；提取每个模型起始管节截面的轴向单元结点力分量，并对所有结点力分量求和叠加计算得到对应位置的顶管顶进力。

11、一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法。

12、本发明的有益效果为：

13、1.本发明的一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，采用了整体位移控制有限单元分析模型；与理论力学刚体平衡模型相比，理论力学刚体平衡模型能够得到顶进力随顶进距离的理论表达式，但计算误差较大，有时甚至是错误的。位移控制有限单元法，将顶管管节视为变形体，模型中自然考虑顶管管节与围岩之间的相互耦合作用，计算精度更高，计算结果更加合理。

14、2.本发明与直线顶管位移控制有限单元分析模型相比，直线顶管位移控制有限单元分析模型只有计算直线顶管的顶进力，不能计算曲线顶管的顶进力；而本发明能够计算曲线顶管的顶进力。

15、3.与分段位移控制有限单元分析模型相比，分段位移控制有限单元分析模型将竖向曲线顶管按照顶进路线的坡度划分为若干区段，针对每个区段建立如同直线顶管位移控制有限单元模型，区段与区段之间的力学联系通过在顶管转折处截面施加特定的边界条件进行处理，根据每个区段的计算模型的计算结果进行相同概况下的数据叠加，得到竖向曲线顶管顶进力随顶进距离的关系。该方法需要对同一个模型进行多工况下的重复计算，计算量大。本发明不需要将曲线顶管划分为若干区段，无需进行顶进力、侧阻力和端阻力的叠加。本发明采用整体位移控制有限单元分析模型的区段与区段之间的力学联系自然存在，能够很好的反映连续介质的力学本质，同时考虑了管节转动对顶进力的影响，计算过程更加简便，计算精度有较大幅度的提高。

技术特征：

1.一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，其特征在于：所述的步骤s1中，采用数值分析软件abaqus建立数值分析模型。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，其特征在于：所述的步骤s1中，建立顶管的整体位移控制有限单元的数值分析模型时，在起始管节施加一个管节厚度的位移，还对经过每个转折处的管节施加一个管节厚度的平动位移和一个转折角度的转动位移。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，其特征在于：所述的步骤s3中，还包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，其特征在于：所述的步骤s3中，计算顶进力的具体步骤为：

6.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1至权利要求5中任意一项所述的一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法。

技术总结
本发明提供了一种大尺寸矩形截面竖向曲线顶管顶进力数值估算方法，通过采用整体位移控制有限单元分析模型，将竖向曲线顶管作为一个整体建立整体分析模型；并根据顶管的顶进位置施加不同的滑动摩擦系数和管节侧壁法向注浆压力，得到对应的顶进力，实现了估算竖向曲线顶管的顶进力的功能。与分段位移控制有限单元分析模型相比，本发明不需要将曲线顶管划分为若干区段，无需进行顶进力、侧阻力和端阻力的叠加。本发明采用整体位移控制有限单元分析模型的区段与区段之间的力学联系自然存在，同时考虑了管节转动对顶进力的影响，计算过程更加简便，计算精度有较大幅度的提高。

技术研发人员：肖尊群,王福琦,许彩云,石银磊,王慧,常燕斌,刘海涛,吕振滔,邓名慧,郑月鹏,李浦宇,林健,罗科奇
受保护的技术使用者：武汉工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14