大直径钢顶管施工屈曲的数值分析与解析解研究

作     者：郑鲁纬 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡国庆

授予年度：2022年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：大直径钢顶管 有限元模拟 屈曲分析 UMAT二次开发 解析解 

摘      要：顶管法是一种不开槽地下施工方法,与开槽施工相比,可大大减少土工作业工程量,节约施工用地,对地面交通也影响较小。近年来,顶管直径随着工程需求不断增大,顶管施工技术取得长足发展,但施工对地层的扰动不可避免,仍将导致顶管周围土体产生竖向变形。此外,在顶管顶进过程中,受管周土体以及竖向荷载等影响,顶管极易产生屈曲,从而对施工安全造成威胁。因此,开展大直径钢顶管施工屈曲研究,对保障施工安全具有重要意义。论文以滇中引水龙川江倒虹吸大直径钢顶管施工工程为依托,采用理论分析、有限元数值模拟和解析分析相结合的方法,开展了基于UMAT二次开发的大直径钢顶管施工诱发土体竖向变形数值模拟、大直径钢顶管施工屈曲数值分析及解析解研究,主要研究内容和成果包括:(1)通过ABAQUS提供的用户材料子程序接口UMAT,利用带误差控制的改进Euler算法,对边界面模型进行了二次开发。利用开发的边界面模型,对龙川江倒虹吸工程顶管施工过程进行了有限元数值模拟,分析了顶管施工诱发地表土体和开挖面土体的竖向位移。(2)依托滇中引水龙川江倒虹吸工程,建立了大直径钢顶管施工屈曲三维有限元模型,通过开展有限元计算揭示了轴向压力作用下钢顶管屈曲特性,分析了土体和顶管参数对顶管临界屈曲压力、径向变形的影响,为顶管结构优化提供了依据。通过对允许顶力的有限元计算值与规范规定值的比较,对允许顶力的规范公式进行了修正,并推导建立了优化的顶管稳定系数表达式。(3)建立了土中钢顶管轴向顶进屈曲的计算模型,利用能量法推导了临界顶力的解析解,通过解析解计算值与实际工程监测值的对比,验证了所推导解析解的正确性。基于解析解,计算了滇中引水龙川江倒虹吸工程钢顶管失稳顶力,并分析了顶管长度和直径对临界屈曲压力的影响。