浅埋顶管应力及周围岩土性状扰动的有限元分析
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有 限元分析
涂 向阳 杨 转运 吴 汉 辉 刘 会
（ ． 东省 中 山 市交 通 局 交通 建 设 指 挥 部 ， 东 中山 ５ ８ ０ ；． １广 广 ２４ ０ ２ 四川 建 筑职 业 技 术 学 院 ， 川 德 阳 ６ ８ ０ ） 四 １０ ０
摘
要 ： 助 有 限元 软 件 对 顶 管 施 工 进 行 三维 弹 塑 性 分 析 ， 析 时 综 合 考 虑 多 重 非 线 性 的影 响 ， 立 了 比较 精 借 分 建
善３ ６
嫠 ｚ
ｌ ８
９ ０
内摩擦 角 ‘ Ｐ和膨 胀 角 ‘， 中膨胀 角 ‘ 被用 来 控制 Ｐ其 ｆ Ｐ ｆ 体积 膨胀 的大 小 。＼ Ｋ 瞄 簧 韪
围环境 的影 响及其 危 害 的程度 ，从 而 采取 有效 的 防
治措 施 ， 免施 工 病 害发生 。 避 目前 国 内对顶 管施 工 的
研究 主要 停 留在施 工 经验 阶段 ，理 论 研究 尚不 够深
，
蠢 ＃
人 。 文 以实 际顶 管工 程施 工 为依 托 ， 本 该管 线属 于 浅
第 一不 变量 和应 力偏 量第 二 不变 量 。
０－— ： ｔ Ｌ ｋ ＝— Ｌ （） ２
顶进距 离， ｍ
图 ３ 地 表 最 大 沉 降 与 顶 进 距 离 的 关 系
４ பைடு நூலகம்５
ｘ ／３（一 ｉ￣） ３ｓ ０ ｎ
ｘ ／３（一 ｉ￣） ３ ｓ ０ ｎ
式 中 ｃ ‘分 别 为材 料 的粘 聚力和 内摩擦 角 。 ， ｐ
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第２ ４卷 第
２ ０ 年 ０７
期
非 开 挖 技 术
Ｔｒ ｎ ｈ ￣ｓＴｅ ｈ ｏｏ ｙ ｅ ｃ ｌ ｃ ｎ ｌｇ
Ｖｏ ．４． ．＾ １ ２ Ｎｏ ２ ｏ
Ｍ ａ ．２０ ７ ｒ， ０ ９ ３
浅埋顶 管应 力及周 围岩 土性状扰动 的
确 地 反 映 实 际 构 件 受 力 特 性 的 分 析 模 型 。模 拟 了 顶 管 对 土 体 变 形 和管 道 体 应 力 产 生 的影 响 ， 讨 了 浅埋 曲 线 探 顶 管 的管 道 应 力 变 化 情 况 ， 研 究 了顶 管 上 层 土 体 不 同深 度 对 地 表 变 形 的影 响作 用 。 并 关 键 词 ： 凝 土 顶 管 、 限 元 、 力 、 表 变形 混 有 应 地
主要 有三 种 ：
（） １ 土体 ， 土体 材料 采用 Ｄｒｃｅ— ｒ ｅ 准 则 进 ｕ ｋｒ Ｐａ ｒ ｇ 行分 析 ， 函数 形 式为 其
ｆＩ Ｉ ＝、 Ｊ ｃ 广ｋ ０ （ ， ） ／２一 ｔ ＝ １２ Ｉ （） １
式 中 仅， ， ｋ 为材 料 常数 ； 和 Ｊ分 别 为应 力 张量 Ｉ ２
管道 顶进 过程 中不 考 虑土 体变 形 的时 间效 应 。
图 ２ 曲线 顶 管 模 型 局 部 单 元 网格 划 分
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９ ４
非开挖技术
Ｔｒｎ ｈｅ ｓ ｃ ｎ ｌ ｇ ｅ ｃ ｌｓ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ
２ ０ 年 ０７
本 文 中有 限元 分 析 所 涉 及 的材 料 本 构 关 系 ［１ ２ ， ３
埋 曲线顶 管施 工 ， 土层平 均 厚度 小 于 ｌ 覆 ｍ。通 过采
图 １ 曲线 顶 管 三 维模 型
集相 关实 验数 据 ，对 顶管 施工 引起 的土体 扰动 和地 面变形 规 律进 行 了理论 和计 算 机仿 真 分析 ，为 类 似
工程 的建 设提 供 了参考 。
模 型 实体 单元 网格 划 分采 用 自由网格 和映 射 网 格 相结 合 ， 整体 模 型 网格划 分如 图 １ 所示 。 ２为顶 图
该 屈 服 准 则对 Ｍｏｒ Ｃｏｌｍｂ准则 给 予 近似 ， ｈ— ｕｏ 以此来 修正 Ｖｏ ． ｓｓ 服准 则 ，其 屈 服强 度 随着 ｎＭｉ 屈 ｅ
侧 限压 力 的增 加 而相应 的增 加 ，其 塑性行 为被 假定 为 理 想 弹 塑 性 ， ＮＳ Ｓ中材 料 常 数 包 括 粘 聚 力 ｃ Ａ Ｙ ，
全【 １ Ｊ 。因此 有 必 要从 理 论 上对 顶 管 施 工 引 起 的 土体
顶 管施 工 是空 间 问题 ，宜 采用 三维 单元 进行 分
析 。由于 曲线 顶管 实 际情况 的限制 ，无 法 利用对 称 性， 曲线 顶 管 的模拟 主 要采 用全 模 型 。
扰动 和地 表变 形规 律进 行研 究 ，以便 估计 施工 对周
体 单元 ，接 触 单元 等各 类 单元 总 计 ２ ３ ３个 ，节点 １８
２ ７ ０个 。 ８１ １２ 材 料本 构 关 系 ．
本 文 的有 限元 分析 假定 土 体 为各 向 同性 的连续 介 质 弹塑性 体 ， 土体 采取 不 分层 考虑 ， 考虑 管 道接 不 头 及 中继 站 的影 响 ，管 道材 料 为 各 向 同性 的 线 弹性 体 ，土体 在 自重 作用 下 产 生 的变 形 和 应力 在开 挖 前 已经 完 成 ， 计算 中不 予 考 虑 ， 在 同时在
顶 管技 术作 为 地 下管线 非 开挖 施 工 的主要 技术 之一 ， 是城 市地 下 工程 的重 要组 成 部分 ， 近年来 顶 管 法越来 越 多 的应 用 到城 市 给排 水管 道 工程 中 。顶 管 施 工 中不 可 避 免地 会 引起 地 面 和 地 下 土体 的扰 动 ， 扰 动将 改 变土 体 的力学 特性 ， 别 是 土体 的强度 、 特 变 形 模 量等性 能会 出现较 大 的改 变 ，引 起 明显 的地层 变形 ，同时还 将影 响 到邻 近建 筑物 和地下 管线 的安
管 、 头 以及部 分 土体 的局 部 网格 划分 ， 图 中可 以 机 从
１ 顶 管 三 维 有 限元 模 型
１１ 建 立 实体 模 型及 网格 划 分 ．
看 出模 拟段 的始 曲点 和 终 曲点 间有 明显 的张 角 ， 是 为 了模 拟顶 管 实 际的 曲率变 化 。 整体模 型有 三维 实
涂 向阳 杨 转运 吴 汉 辉 刘 会
（ ． 东省 中 山 市交 通 局 交通 建 设 指 挥 部 ， 东 中山 ５ ８ ０ ；． １广 广 ２４ ０ ２ 四川 建 筑职 业 技 术 学 院 ， 川 德 阳 ６ ８ ０ ） 四 １０ ０
摘
要 ： 助 有 限元 软 件 对 顶 管 施 工 进 行 三维 弹 塑 性 分 析 ， 析 时 综 合 考 虑 多 重 非 线 性 的影 响 ， 立 了 比较 精 借 分 建
善３ ６
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ｌ ８
９ ０
内摩擦 角 ‘ Ｐ和膨 胀 角 ‘， 中膨胀 角 ‘ 被用 来 控制 Ｐ其 ｆ Ｐ ｆ 体积 膨胀 的大 小 。＼ Ｋ 瞄 簧 韪
围环境 的影 响及其 危 害 的程度 ，从 而 采取 有效 的 防
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第 一不 变量 和应 力偏 量第 二 不变 量 。
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图 ３ 地 表 最 大 沉 降 与 顶 进 距 离 的 关 系
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式 中 ｃ ‘分 别 为材 料 的粘 聚力和 内摩擦 角 。 ， ｐ
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第２ ４卷 第
２ ０ 年 ０７
期
非 开 挖 技 术
Ｔｒ ｎ ｈ ￣ｓＴｅ ｈ ｏｏ ｙ ｅ ｃ ｌ ｃ ｎ ｌｇ
Ｖｏ ．４． ．＾ １ ２ Ｎｏ ２ ｏ
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浅埋顶 管应 力及周 围岩 土性状扰动 的
确 地 反 映 实 际 构 件 受 力 特 性 的 分 析 模 型 。模 拟 了 顶 管 对 土 体 变 形 和管 道 体 应 力 产 生 的影 响 ， 讨 了 浅埋 曲 线 探 顶 管 的管 道 应 力 变 化 情 况 ， 研 究 了顶 管 上 层 土 体 不 同深 度 对 地 表 变 形 的影 响作 用 。 并 关 键 词 ： 凝 土 顶 管 、 限 元 、 力 、 表 变形 混 有 应 地
主要 有三 种 ：
（） １ 土体 ， 土体 材料 采用 Ｄｒｃｅ— ｒ ｅ 准 则 进 ｕ ｋｒ Ｐａ ｒ ｇ 行分 析 ， 函数 形 式为 其
ｆＩ Ｉ ＝、 Ｊ ｃ 广ｋ ０ （ ， ） ／２一 ｔ ＝ １２ Ｉ （） １
式 中 仅， ， ｋ 为材 料 常数 ； 和 Ｊ分 别 为应 力 张量 Ｉ ２
管道 顶进 过程 中不 考 虑土 体变 形 的时 间效 应 。
图 ２ 曲线 顶 管 模 型 局 部 单 元 网格 划 分
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非开挖技术
Ｔｒｎ ｈｅ ｓ ｃ ｎ ｌ ｇ ｅ ｃ ｌｓ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ
２ ０ 年 ０７
本 文 中有 限元 分 析 所 涉 及 的材 料 本 构 关 系 ［１ ２ ， ３
埋 曲线顶 管施 工 ， 土层平 均 厚度 小 于 ｌ 覆 ｍ。通 过采
图 １ 曲线 顶 管 三 维模 型
集相 关实 验数 据 ，对 顶管 施工 引起 的土体 扰动 和地 面变形 规 律进 行 了理论 和计 算 机仿 真 分析 ，为 类 似
工程 的建 设提 供 了参考 。
模 型 实体 单元 网格 划 分采 用 自由网格 和映 射 网 格 相结 合 ， 整体 模 型 网格划 分如 图 １ 所示 。 ２为顶 图
该 屈 服 准 则对 Ｍｏｒ Ｃｏｌｍｂ准则 给 予 近似 ， ｈ— ｕｏ 以此来 修正 Ｖｏ ． ｓｓ 服准 则 ，其 屈 服强 度 随着 ｎＭｉ 屈 ｅ
侧 限压 力 的增 加 而相应 的增 加 ，其 塑性行 为被 假定 为 理 想 弹 塑 性 ， ＮＳ Ｓ中材 料 常 数 包 括 粘 聚 力 ｃ Ａ Ｙ ，
全【 １ Ｊ 。因此 有 必 要从 理 论 上对 顶 管 施 工 引 起 的 土体
顶 管施 工 是空 间 问题 ，宜 采用 三维 单元 进行 分
析 。由于 曲线 顶管 实 际情况 的限制 ，无 法 利用对 称 性， 曲线 顶 管 的模拟 主 要采 用全 模 型 。
扰动 和地 表变 形规 律进 行研 究 ，以便 估计 施工 对周
体 单元 ，接 触 单元 等各 类 单元 总 计 ２ ３ ３个 ，节点 １８
２ ７ ０个 。 ８１ １２ 材 料本 构 关 系 ．
本 文 的有 限元 分析 假定 土 体 为各 向 同性 的连续 介 质 弹塑性 体 ， 土体 采取 不 分层 考虑 ， 考虑 管 道接 不 头 及 中继 站 的影 响 ，管 道材 料 为 各 向 同性 的 线 弹性 体 ，土体 在 自重 作用 下 产 生 的变 形 和 应力 在开 挖 前 已经 完 成 ， 计算 中不 予 考 虑 ， 在 同时在
顶 管技 术作 为 地 下管线 非 开挖 施 工 的主要 技术 之一 ， 是城 市地 下 工程 的重 要组 成 部分 ， 近年来 顶 管 法越来 越 多 的应 用 到城 市 给排 水管 道 工程 中 。顶 管 施 工 中不 可 避 免地 会 引起 地 面 和 地 下 土体 的扰 动 ， 扰 动将 改 变土 体 的力学 特性 ， 别 是 土体 的强度 、 特 变 形 模 量等性 能会 出现较 大 的改 变 ，引 起 明显 的地层 变形 ，同时还 将影 响 到邻 近建 筑物 和地下 管线 的安
管 、 头 以及部 分 土体 的局 部 网格 划分 ， 图 中可 以 机 从
１ 顶 管 三 维 有 限元 模 型
１１ 建 立 实体 模 型及 网格 划 分 ．
看 出模 拟段 的始 曲点 和 终 曲点 间有 明显 的张 角 ， 是 为 了模 拟顶 管 实 际的 曲率变 化 。 整体模 型有 三维 实
