顶管施工中侧向土压力取值分析

图2.1-4~图2.1-6分别给出了顶管施工中管道中心标高处土压力有限元的计算结果，随着埋深、内摩擦角和管径的变化的情况。随埋深增加，顶管中心标高处的水平土压力变化较小。埋深较小时，施工完成后的土压力相比初始状态会稍微增大；当埋深逐渐增大时，施工完成后的土压力相比初始状态又会稍微减小，且该差距会越来越大，该趋势与顶管规程相同。随着φ的增大，管侧初始水平土压力逐渐减小，施工之后的水平土压力也呈现这个趋势，但两者之间的差距却一直减小，该趋势与顶管规程稍有差异；随着管径的增加，由于埋深不变，管道中心标高处的水平土压力会相应增大，图中三条线的增长趋势相同，但顶管规程的计算值比有限元的结果小。

以顶管内径4m，埋深7.58m为例，考虑注水运行的侧向土压力，图2.1-7为土体在步骤-4和步骤6的水平变形云图。图2.1-8为单管顶进过程中的侧压力变化，其中在步骤-4到步骤6中，由于水重力的加入使得压力曲线下移。

图2.1-9为管道中心标高处侧向土压力值的比较分析，比较了有限元计算(FEM步骤4)、日本隧道规范、我国顶管规程等结果。结果表明：相对于顶管规程，有限元计算值要大得多，且随着埋深的越来越大，两者差异也越大。而日本规范计算的侧向土压力变

化趋势与顶管规程相似，且比顶管规程的计算值大，但比有限元的计算值仍然要小。日本隧道规范和土柱高度主动土压力的结果相近。

《给水排水工程顶管技术规程》CECS246:2008中管侧土压力的计算方法为式(2.1-8)。

σ_k=(σ_v+γD/2)K_a－2c√K               (2.1-8)

式中σ_v——管顶竖向土压力;

K——主动土压力系数,K=tan2(45°-φ/2)。

式(2.1-8)基于太沙基土拱理论得到，其基本假设是土拱效应将包围整个管道。为讨论此理论假设问题，将太沙基理论、马斯顿理论、规范所用简化太沙基理论和有限元的分析结果综合比较见图2.1-10。

太沙基理论：土拱效应的影响使得P<γh，即为p，+yR，而由于土体开挖的影响，系数K将会小于静止土压力系数K。，故取K=K_

马斯顿理论：P₂为原状土层土柱压力，但系数K同样也会因开挖作用而小于静止土压力系数K₀，故取K=K保守来看为P==K·γh。

我国规范：由于取B，=D{[1+tan(45°-φ/2)]，上部土拱效应不能完全包住管道中心侧面，该处水平土压力与马斯顿理论一样为P_H=K_a·yh。

有限元分析中，管道中心标高处不受土拱作用影响，其水平土压力同上为P_H=K_a.yh。

以上分析表明：土拱作用并不能包含整个管道，我国顶管规程计算竖向土压力时，水平土压力不宜按拱内土重进行计算，否则将明显偏小，过于保守。对此修正可考虑两种方式：

①采用德国和日本方法，增大侧向土压力系数；

②管中心标高处的竖向土应力计算不考虑土拱效应，而采用土柱压力。

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