基于小孔扩张理论的定向钻扩孔挤土效应的研究与应用

作     者：王帅 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余金煌

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 081403[工学-市政工程] 0814[工学-土木工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：小孔扩张理论 挤土效应 径向应力 径向位移 数值模拟 

摘      要：随着国家重大工程项目的快速发展,城市土地资源日益紧缺,如何减少工程建设过程中对密集城区环境的影响是一个值得研究的问题。水平定向钻施工技术具有不占用土地、不影响交通等明显优点,在我国的管道及管网基础设施建设中起到了举足轻重的作用。但水平定向钻在其施工过程中也有其缺点,即在定向钻扩孔过程中引起的挤土效应对周边环境造成了不利影响。如何有效地预估定向钻扩孔产生的挤土效应以减少对堤防安全及地下管线的影响具有重要意义。目前研究定向钻扩孔挤土效应常用的方法主要以有限元数值模拟为主。本文在研究分析小孔扩张理论的基础上,以工程实例为背景,利用推导的理论公式对扩孔挤土效应进行分析,并且利用有限元数值模拟进一步求解,一方面进一步验证小孔扩张理论分析定向钻扩孔挤土效应的准确性,另一方面阐述了此工程定向钻扩孔挤土效应对土体产生的位移变化和应力变化的分布规律。主要研究工作及取得的成果有:(1)提出将小孔扩张理论应用于研究定向钻扩孔产生的挤土效应,总结了小孔扩张理论的计算方法,阐述了基于Tresca破坏准则、Mohr-Coulomb破坏准则的圆柱形孔扩张理论的计算方法。(2)以工程实例为背景,利用小孔扩张理论的计算方法,对定向钻扩孔挤土效应进行理论分析和计算,得出土的径向位移和径向应力都沿着径向距离的增大呈对数衰减,且距离管道越远,衰减越剧烈。随着扩孔孔径的增大,径向位移和径向应力的影响范围也在逐渐增大。(3)以相同的工程实例为背景,运用有限元数值模拟分析,得出土的径向位移和应力的分布规律,并与理论分析做对比,得到了两者径向位移和径向应力影响范围基本一致,进一步验证了小孔扩张理论能够运用于定向钻扩孔挤土效应的分析。(4)对于定向钻扩孔产生的影响,提出了定向钻扩孔影响防治与补救措施。由于扩孔挤土效应使孔道周围土体发生变形,防止回拖过程中管道外壁摩阻力较大,导致土体二次变形,因而为减小管道回拖摩阻力,发明了一种管道除锈装置。该装置适用于不同尺寸管道,且实现了自动操作,保证了管道除锈质量。图[40]表[4]参[59]