地层沉陷中埋地HDPE管道力学状态及模型试验分析

地层沉陷致埋地HDPE管道事故频发,主要原因之一是地层沉陷过程中所诱发的管道附加应力和变形剧增,从而导致管道破坏。已有研究成果大多集中于固定尺寸沉陷区域管道与周围土体力学特性的分析,尚无相关理论预测沉陷发展过程中管道力学响应特征变化规律。利用自制室内足尺大型模型试验系统,以粗砂为管道开挖沟槽回填料,通过调整模型箱底板的下沉模拟地层沉陷形成过程,研究埋地HDPE双壁波纹管道的受力变形特性及其上覆回填料土体的沉降分布规律。试验结果表明:1地层沉陷过程中HDPE管道的竖向变形符合修正高斯分布曲线;2随着土体沉陷的发展,管道顶部土压力随之增大,且试验管道顶部的土拱率由0.7增大到2.05,呈现出明显负土拱效应;3对于相同抗弯刚度管道,土体沉陷变形所致管道附加变形随管道上覆土层厚度的减小而减小;4随着管道抗弯刚度增加,埋地管道对于土体的沉降抑制作用愈加明显。     

地铁隧道开挖引起临近地下管线竖向位移及内力分析

基于Winkler弹性地基梁理论,分析地下管线在地铁开挖作用下的受力情况,推导考虑硬化地基扩散作用因素影响的地下管线位移表达式、转角表达式、弯矩表达式和剪力表达式,并定量分析地下管线变形与地基扩散角、埋深等因素间的关系。理论分析表明:地下管线的最大位移在沉陷区的中间,最大弯矩和最大剪力发生在沉陷区的边缘;地基扩散角与管线的埋深对管线的最大沉降量有较大影响。分析结果为工程实践中确定管线的加固位置提供了理论依据。     

被动状态下地埋管线的地基模量

 地下工程基坑、隧道开挖产生的自由土体位移场会引起周边地埋管线(如市政给排水管线、煤气管道等)产生附加变形并受力。基于Winkler地基模型的位移控制分析方法,将自由土体位移作为外部荷载即被动位移施加于管线上,管线与土体的相互作用采用Winkler地基弹簧模拟,弹簧常数一般根据Vesic公式得到。在基于弹性理论的推导中,Vesic公式的前提条件是弹性地基梁置于弹性半空间地表,竖向集中力或弯矩(主动荷载)置于梁的中心位置,这与地埋管线的一定埋深以及位移的施加情况是不一样的。为考虑上述2种因素对Winkler地基模量的影响,进行相应的理论探讨,提出考虑埋深影响的位移作用下地基模量的理论公式,并基于该地基模量进行隧道开挖对邻近地埋管线影响的位移控制理论分析。通过与弹性理论法、离心机试验以及实际工程观测结果的对比,验证该方法的合理性和正确性。     

地层变形对埋地管道的影响分析

由于埋地管道与土体之间存在管、土相互作用,地震、地面不均匀沉降等地层变形均会导致管道受力、变形而被破坏.管道的位移和力学响应通常与管材、埋深、土质类型等因素有关.通过建立非线性有限元管、土相互作用模型,模拟了钢管、UPVC管和预应力钢筋混凝土管在给定的地层变形条件下的位移和力学特征,并对管道埋深和土质类型等因素的影响进行了参数分析.结果表明,不同材质管道的位移量排序为UPVC管>钢管>混凝土管,浅埋和软地基均可使管道受力和变形减小.     

浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析

在土江冲隧道进口段采用应变计对管棚纵向变形进行监测，根据现场测试结果分析管棚在隧道开挖过程中的受力特性，讨论管棚的作用机制。对管棚的刚性固定端Winkler弹性地基梁模型进行改进，建立浅埋暗挖隧道管棚受力的弹性固定端双参数弹性地基梁模型，推导出管棚的扰度方程及应力、应变计算公式，提出求解方法。将弹性固定端双参数弹性地基梁模型应用于土江冲隧道管棚作用机制的分析，计算结果与实测结果吻合较好，说明采用弹性固定端双参数弹性地基梁模型分析管棚受力特征是可行的。     

埋地HDPE管道施工过程中土拱效应变化特征研究

 国内外研究表明,土拱效应对于埋地柔性管道的受力变形有着显著的影响,然而关于管道回填土体中土拱效应随管底填土高度以及管道直径等因素变化规律的研究鲜有报道。通过现场试验研究施工填土过程中HDPE双壁波纹管道在回填土体中引发的土拱效应,以此明确埋地HDPE管道在回填土时,管顶上覆土压力的变化规律。结果表明,对于管顶和管侧的回填土,其土拱效应随着管底填土高度增加均增强;在给定填土高度时,土体距离管顶位置越近,其土拱效应越显著。基于Marston土压力理论计算所得的HDPE管道顶部上覆土压力较现场土压力实测值大3%～31%,通过有限元数值模拟分析,提出施工填土时HDPE管道顶部上覆土压力的简易计算公式。通过已有研究报道的2个现场试验的实测数据对所得公式进行验证,得出管顶土压力计算值的误差范围为2%～6%,表明该公式可以准确地计算施工填土时HDPE管道顶部所受的上覆土压力。     

沉管隧道运维期回淤影响下的长期沉降模型

当下跨海集群工程建设过程中绝大部分均采用了沉管隧道的通过方式，如港珠澳大桥和深中通道工程等，随着陆续完成，运维期的长期沉降规律逐步成为研究重点。在对管节接头沉降计算中，多采用Winkler地基上的Euler梁模型，而忽略了柔性管节的剪切变形和地基土体的连续性，没有考虑管-土相互作用引起的沉管位移，与实际结果偏差较大。考虑沉管隧道运维期受到长期回淤清淤荷载的影响，基于柔性沉管隧道的受力变形特征，将沉管隧道管节等效为置于Vlasov双参数地基上的Timoshenko梁，考虑了地基土体的连续性，强化了土体的刚度，同时考虑了管节截面的弯曲变形和剪切变形，即将管节变形视为位错变形模式，并以此推导了其竖向变形计算公式，与Winkler地基上的Euler梁模型和Timoshenko梁模型进行比较，以验证所提出的计算方法的合理性。以甬江沉管隧道工程为例，分析在运维期回淤荷载影响下的沉管隧道管节接头竖向位移规律，将基于上述模型的理论计算结果与实测结果对比分析表明：提出的基于Vlasov双参数地基的Timoshenko梁模型更为合理，计算结果与实测数据更吻合。回淤荷载引起的管节接头沉降伴随时间呈指数型变化...     

初参数法弹性地基交叉梁体系受力分析

交叉梁体系在建筑基础设计中十分常用,其基底反力验算是基础设计计算中的一项重要内容。基于Winkler弹性地基梁理论,利用初参数法对其建立计算方程,结合矩阵位移法对其整体受力进行分析,不仅适用于集中力作用,同时也适用于集中弯矩作用,具有直观实用的特点。     

浅埋地下结构底板在竖向地震作用下动力响应

本文研究了地下结构底板在地震竖向分量作用下的动力响应。利用结构动力学和弹性力学的理论,得到底板的运动微分方程,根据边界条件确定底板在的特征频率和振型。针对输入的地震竖向分量的形式,采用分离变量法求解了强迫振动方程.计算时取前三阶振型,采用振型叠加法得到底板的相对位移和绝对位移,并进而求得底板的弯矩,利用求得的弯矩,可以求解底板的受力情况。通过底板的受力情况,可以直观地对地下结构底板进行评价分析,并且推进了地下结构底板抗震理论的研究和发展。     

竖向剪切变形对弹性地基梁的影响

本文用具有两个广义位移的梁的理论,分析竖向剪切变形对弹性地基梁内力的影响。对一个短弹性地基梁和一个多跨连续弹性地基梁的计算表明,竖向剪切挠度的影响可以忽略不计。     

铁路鼎式路基结构分析方法

鼎式路基结构是通过同一板体将上部低矮的U型槽结构与下部中空的箱型结构连接为一体的新型路基结构,适于填高较大、用地局限及软弱地基的情况。为合理确定此新结构的理论计算方法,基于极限平衡理论,并结合水平条分法,分析推导出两类路基宽度下的上部槽内填土土压力与路面荷载附加应力的计算方法,进而将鼎式结构分解为上部结构与基础梁结构分别分析,前者可简化为平面刚架结构,后者可视为弹性地基梁结构,从而通过结构力学的力法与Winkler弹性地基梁理论分别对其求解,其间考虑了基础梁与上部结构的变形协调,且可分析地基差异沉降引起的上部结构附加内力与位移,并基于拟静力法分析路基结构整体地震稳定性。实例分析表明,理论分析与数值模拟结果整体上基本一致,结构内力的理论值比模拟值约高出3%～16%;地基差异沉降引起的上部结构附加内力一般不可忽视。在路基总高度不变的情况下,上部底板、基础板及腹板厚度均宜薄,所取的腹板高度应使上部底板与基础板最大弯矩之和最小,基础板外伸比宜为30%左右,以此优化鼎式结构型式。     

交通荷载作用下埋地管道纵向受力计算

为研究车辆行驶通过未经处理的埋地管道上方时管道纵向应力分布形式及其影响因素,采用Winkler弹性地基梁模型,提出相应的简化计算方法,并通过现场试验和数值模拟进行验证。对比理论计算、现场实测数据及数值模拟结果发现,三者所得的管道纵向应力分布规律一致,随管道埋深和管径变化的规律一致;由于存在荷载动力放大效应,管道实际纵向应力明显大于理论计算结果。结果表明:运用Winkler弹性地基梁模型和本文的简化方法计算交通荷载作用下埋地管道纵向应力是可行的;理论计算公式中附加应力扩散角和地基系数取值会对计算结果产生一定影响,但影响较小;可引入动力影响系数对计算结果进行修正,并给出影响系数的建议值。     

运用钻孔测斜仪监测滑坡抗滑桩 变形受力状态研究

 通过在大截面钢筋混凝土和钢轨抗滑桩身埋设钻孔测斜管,监测得二类抗滑桩的水平侧向位移。对于大截面钢筋混凝土抗滑桩,视为埋于土内的弹性地基梁,求得其弹性曲线微分方程,进而得出桩身转角、弯矩、剪力、桩前抗力等;对于钢轨抗滑桩,把测斜仪所测横向变形当作钢轨桩的弯曲变形,然后再反算出钢轨桩的弯矩、正应力和抗滑力。最后,将该方法应用于某高速公路韩家垭、0509工点滑坡的抗滑桩变形受力监测,效果良好。     

弹性地基梁杆系有限元法在深大基坑工程支护设计中的应用

由于弹性地基梁法能够反映支挡结构与土的相互作用,并可有效考虑基坑开挖、回填过程中各种基本因素和复杂情况对支护结构内力和变形的影响,本文根据Winkler弹性地基梁的计算原理和方法,编制了弹性杆系有限元计算程序,对深圳市民广场深大基坑桩锚支护结构进行了设计计算,获得了支护桩桩身位移和弯矩随开挖过程的分布变化规律,计算结果有效指导和优化了基坑支护设计,保证了基坑和邻近基坑的地铁区间隧道结构的安全,支护设计取得了显著的经济效益。     

弹性地基上矩形板弯矩计算表编制探讨

采用表格计算弹性地基上板的弯矩需考虑地基模型、边界条件、板的平面尺寸、板厚、板的弹性模量、板的泊松比、地基参数、受力等多种因素。本文重点讨论了边界条件、计算方法、表格的样式。其中反力分布采用Winkler假定;边界条件假定为板周边有着均匀竖向变形,而周边支座的转动方向包含了是、否允许自由转动两种状态。编制的表格适用于计算周边有较高的壁板且整体变形比较平均的水池底板与地基共同作用状态下的内力。表格数据计算采用有限元迭代法,该方法也可用于其他地基模型上板的计算。在表格样式确定时,考虑了未知量与计算目标的相关性,并对可计算边长的上限进行了讨论。     

锁脚锚管受力分析的双参数弹性地基梁模型

 针对Winkler地基梁模型的固有缺陷,将能够反映地基连续性的Pasternak双参数地基梁模型引入到锁脚锚管–钢拱架的联合承载分析中,考虑锁脚锚管与钢拱架之间的变形协调与荷载传递,采用结构力学和弹性地基梁理论推导锁脚锚管挠度、剪力、弯矩和地基反力的解析表达式。分别通过算例和工程实例考察不同地基基床系数和剪切刚度对锁脚锚管力学行为的影响规律,并与Winkler地基梁模型进行比较。结果表明：基床系数越小,2种模型计算所得锁脚锚管剪力、弯矩以及地基反力等的差异越明显;由双参数模型所得的地基反力数值较大,而且分布范围更小,主要集中在锁脚锚管端部附近区域;由双参数模型所得的隧道下沉量要小于Winkler模型的计算值。给出了适当减小锁脚锚管长度,并增大其直径的建议。研究成果可为软弱围岩隧道支护设计提供理论参考。     

穿越软硬突变地层隧道纵向不均匀沉降分析

纵向穿越软硬突变地层的盾构隧道在外部施工因素影响下极易产生不均匀沉降,从而诱发管片环间错台、螺栓剪断和接缝渗漏水等病害。为进一步研究外部因素对其竖向位移的影响,基于Winkler弹性地基梁理论推导任意荷载作用下隧道竖向位移公式,结合Boussinesq解采用两段分析法分析地面堆载大小、尺寸以及隧道埋深对盾构隧道竖向位移规律的影响。以厦门地铁2号线某区间为工程实例,验证理论公式的合理性。研究结果表明：在地面堆载作用下,隧道竖向位移曲线多数服从正态曲线分布,且软土区盾构隧道竖向位移普遍大于硬土区;堆载长度对最大竖向位移的影响有限,当堆载长度超过一定界限时,最大竖向位移不再增大,但其范围会随之扩大;当堆载宽度超过一定限度时,竖向位移曲线基本不再发生变化;当埋深较浅时,软硬土交界处盾构隧道两侧竖向位移差异不大,随着埋深的增大,隧道最大竖向位移逐渐向软土区偏移。研究结果可为纵向穿越软硬突变土层地铁盾构隧道的设计提供参考依据。     

弹性地基上矩形水池的计算及用表

本文对Winkler弹性地基上的矩形水池底板,用量纲分析和有限元计算的方法,提出了弯矩、刚度、传递系数和板边反力的计算用表,并提出了将其用于空间整体弯矩分配法进行弹性地基上矩形水池内力计算的实用方法。     

隧道施工对邻近桩体轴向变形和受力的影响

隧道施工引起的桩周土位移会引起邻近桩体的附加变形和内力。采用Loganathan公式计算桩周土体的竖向位移，基于Winkler地基模型，建立桩体轴向受力和变形的计算公式，通过相关算例分析桩体的轴向变形和受力规律，并与有限元结果进行比较验证。     

考虑水平摩阻力的弹性地基梁非线性分析

基于传统文克尔弹性地基梁理论,考虑梁土间的摩阻效应、梁的纵横向变形耦合及变形的几何非线性,建立出相应的弹性地基梁挠曲变形控制微分方程。引入Galerkin法,导出了对称荷载作用下有限长梁的挠曲变形、转角、剪力及弯矩的非线性解析解。在此基础上,分析探讨了外加荷载、地基梁刚度、梁与土体之间的水平摩阻力、竖向地基反力系数等因素对地基梁位移及内力的影响。分析结果表明:水平摩阻力并不影响地基梁位移及内力的整体变化发展趋势,但将导致地基梁位移及内力值的降低,且水平摩阻力越大,其对地基梁位移及内力的影响也就越大,此外,当地基梁抗弯刚度越大,水平摩阻力对梁位移及内力的影响反而越小。