钢筋混凝土锚喷护壁结构对顶管施工后背承载力计算影响的分析--中国期刊网

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钢筋混凝土锚喷护壁结构对顶管施工后背承载力计算影响的分析

发表时间：2021/5/7 来源：《基层建设》2021年第1期作者：赵蒙

[导读] 摘要：通过工程实践发现规范与方案的不足，分析钢筋混凝土锚喷护壁结构的承载能力、竖井外侧土体的静止土压力、竖井结构与土体的摩阻力，解决工程实践中的问题，提出规范的不足之处。

        北京易成市政工程有限责任公司北京 100176
        摘要：通过工程实践发现规范与方案的不足，分析钢筋混凝土锚喷护壁结构的承载能力、竖井外侧土体的静止土压力、竖井结构与土体的摩阻力，解决工程实践中的问题，提出规范的不足之处。
        关键词：计算结构承载能力静止土压力摩阻力
        在以往的顶管工程施工中，经常会遇到专业分包单位或专业作业班组不按照施工方案的技术参数实施的情况，并且能够顺利完成顶进作业，这种现象不得不让我们反思，规范和方案的不足之处，竖井的钢筋混凝土锚喷护壁结构对后背承载力的计算有很大影响，但相关规范中却未进行说明。
        1.钢筋混凝土锚喷护壁结构的承载能力
        竖井的钢筋混凝土锚喷护壁结构，在承受外侧土体压力的同时，也承受顶进设备向后方传到的顶力。
        案例1工程资料：竖井宽度5m，钢筋混凝土锚喷护壁厚度300mm，混凝土强度等级C25；格栅间距500mm，主筋4Ф25（三级），主筋保护层厚度40mm；；后背尺寸为2*5m。
        计算模型按整体式简支板。考虑后背将力均匀传导至钢筋混凝土锚喷护壁结构，按均布荷载考虑。按照不利状态原则，护壁承载能力计算时，不考虑外侧土体压力及相关参数。
        （1）计算高度：
                       式1
        式中：h0——板的计算高度（mm）；
        h——板的高度（mm）；
        a——板底至受力钢筋中心点的高度（mm）。
        经计算h0=247mm。
        （2）计算受压区高度：
                                 式2
        式中：x——板的受压区高度（mm）；
        Ag——主筋的总面积（mm2），计算宽度取1m，主筋共4根；
        Rg——主筋的设计强度，取360MPa；
        Ra——混凝土抗压设计强度，取11.9MPa；
        b——板的计算宽度，取1m。
        经计算x=59.4mm。
        （3）计算板的内力：
                    式3
        式中：M——荷载作用下，墙体承受的弯矩（kN﹒m）；
        γc——安全系数，取1.25。
        经计算M=122.88kN﹒m。
        （4）计算后背的均布荷载：
                                     式4
        式中：q——顶进后背墙传导至竖井护壁结构的均布荷载（kN/m）；
        l——计算跨径，取墙体宽度5m。
        经计算q=39.32kN/m。
        （5）计算后背承载力：
        FH=qA                            式5
        式中：FH——后背承载力的最大值（kN/m）；
        A——后背墙的面积（m2）。
        经计算，Fdj=393.2kN。
        上述计算得出，案例竖井钢筋混凝土护壁结构可承载的最大推力为393.2kN。顶进推力随管道长度、直径的增加而增加。竖井钢筋混凝土锚喷护壁结构的承载力与总推力之比，随着顶管管径减小、顶进长度减少，会随之变大，甚至可达30%以上。
        2.竖井外侧土体的静止土压力
        钢筋混凝土锚喷护壁结构完成后，墙体外侧土体形成静止土压力。位于顶进后背一侧护壁外侧土体的静止压力与后背作用力反向，可部分抵消其作用。
        作用在墙体上的总静止土压力为：
                             式6
        式中：E0——总静止土压力（kN/m）；
        γ——土体的容重（kN/m3）；
        H——护壁外侧土体的高度（m）；
         ——土的有效内摩擦角。
        由上式可知，作用在墙体上的总静止土压力与土的容重、土体高度成正比，与土的有效内摩擦角成反比。
        案例2工程资料：基坑长度7m，宽度5m，深度6m，土层共2层，土层的相关参数如下表所示。
        表1：土层物理力学性质简表

        容重均值计算：
                  式7
        同理，内聚力c和内摩擦角的均值分别是8.7kPa、25.3°。经计算该基坑后背总静止土压力为206.2 kN/m，与基坑宽度的乘积为1031kN。
        根据上述内容和计算得出：在顶进推力的作用下，竖井结构外土体在未达到静止土压力极值时，土压力与顶进推力相反；在顶进推力大于静止土压力时，土体整体受压后方转化为被动土压力。静止土压力值也是一个不可忽视的因素，特别是在管径较小的顶管施工中。
        3.竖井结构与土体的摩阻力
        竖井结构厚度随管径增大、深度增加，随之增大。结构厚度增大后，整体强度和刚度也随之增大。大管径顶管施工时，会发生侧向墙壁中间或两端开裂、渗漏等问题，这就说明在顶进推力的作用下，竖井结构发生整体位移或变形。位移或变形的形成条件是顶进推力超过因结构存在而产生的反作用力，反作用力就包括竖井结构与土体的摩擦力。
        产生摩阻力的部位主要是两侧墙体与土体之间、封底结构与土体之间。计算方法如下：
                                       式8
        式中：FJ——总摩阻力（N）；
        AJ——顶进推力作用时，各结构部位与土体发生摩擦的面积（m2）；
        c——各种土体的内聚力（N/mm2）。
        案例2的封底为钢筋混凝土封底，总摩阻力计算延用其相关参数，计算如下：
        FJ=A底c②+A墙c均=7*5*6.2+2*7*6*8.7=338.8kN   式9
        式中：A底——封底与土体接触面积（m2）；
        c②——与封底底面接触的土体内摩擦力（kPa）；
        A墙——顶力两侧墙体与土体的接触面积（m2）；
        c均——与两侧墙体外侧接触的土层内摩擦力平均值（kPa）
        4.上述三种情况形成合力
        钢筋混凝土锚喷护壁结构的承载力、竖井外侧土体的静止土压力、竖井结构与土体的摩阻力往往会同时发生作用，形成后背承载力的一部分。

        图1：形成合力的作用力与反作用力相对关系图
        钢筋混凝土锚喷护壁结构的承载力、竖井外侧土体的静止土压力、竖井结构与土体的摩阻力为同方向力，结合本文中案例计算成果，三者形成合力的总值为1763kN。
        5.结论
        《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268）中未说明后背承载力如何计算，北京市地方标准《北京市给水排水管道工程施工技术规程》（DB11-47）、《地下管线非开挖铺设工程施工及验收技术规程第2部分顶管施工》（DB11T 594.2-2014）仅要求总顶力不大于后背土体的总被动土压力，并未考虑钢筋混凝土锚喷护壁结构的承载力、竖井外侧土体的静止土压力、竖井结构与土体的摩阻力，这就造成了按照规范计算后，经常与专业分包单位或专业作业班组经验不符的情况。
        随着工程技术人员能力和水平的提高，有些规范和标准需适当修改，尽可能做到理论与实践一致，提升精确度，减小技术人员与实操作业人员的理论差异。
        参考文献：
        [1]李永珠，《交通系统中等专业学校教材桥梁工程》，人民交通出版社，1988：57-60。
        [2]孔军、高翔等，《“十三五”普通高等教育本科规划教材土力学与地基基础》，中国电力出版社，2015：104-104。