基于數(shù)字圖像的頂管施工土層移動(dòng)模型試驗(yàn)

蘇龍海，王　芳, 張春會(huì)，程樹(shù)斌

(1.石家莊市市政建設(shè)總公司，河北石家莊　050000；2. 河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊　050018)

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基于數(shù)字圖像的頂管施工土層移動(dòng)模型試驗(yàn)

蘇龍海1，王芳1, 張春會(huì)2，程樹(shù)斌1

(1.石家莊市市政建設(shè)總公司，河北石家莊050000；2. 河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊050018)

摘要：為研究頂管施工土層的變形和移動(dòng)規(guī)律，利用數(shù)字圖像方法觀測(cè)，建立了頂管施工土層移動(dòng)模擬的物理模型，研究了頂管土層損失引起的上覆土層變形和移動(dòng)規(guī)律，獲得了如下結(jié)論：1)頂管施工地層損失引起頂管周?chē)馏w向頂管移動(dòng)，最大變形發(fā)生在頂管周?chē)?)頂管地層移動(dòng)從頂管周?chē)虻乇砩戏揭砸欢ń嵌葌鬟f和擴(kuò)散，地表沉降范圍大于頂管直徑，頂管地表變形呈漏斗狀，最大沉降在頂管的正上方；3)可以運(yùn)用隨機(jī)介質(zhì)理論和概率積分法預(yù)測(cè)頂管施工地表變形；4)可以數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡代替相機(jī)，采用數(shù)字圖像方法觀測(cè)頂管地表建筑物的非均勻變形。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程；數(shù)字圖像;頂管;土層移動(dòng);模型試驗(yàn)

頂管是一種管線非開(kāi)挖敷設(shè)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外管線施工中廣泛使用。近些年來(lái)，隨著頂管機(jī)形式和性能的改進(jìn)，頂管施工引起的地表沉降得到了有效控制，但頂管施工地表沉降仍不可避免，有時(shí)甚至危及地表建筑物和構(gòu)筑物的安全。為預(yù)測(cè)頂管施工地表變形，國(guó)內(nèi)外先后提出了多種理論方法[1-6]，近些年有限元和有限差分等數(shù)值方法也被用來(lái)預(yù)測(cè)頂管施工地表變形[7-13]。然而，現(xiàn)有理論方法在預(yù)測(cè)頂管地表變形中普遍存在誤差大、適用性差等不足，數(shù)值方法中的土體本構(gòu)模型選擇及參數(shù)確定也十分困難，頂管地表變形預(yù)測(cè)目前還不盡如人意。因此，深入認(rèn)識(shí)頂管施工過(guò)程中土層的變形和移動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而發(fā)展新的頂管施工變形預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)方法具有重要的工程和科學(xué)意義。

為理解頂管施工上覆土層的變形和移動(dòng)規(guī)律，本文依托南水北調(diào)配套工程石津干渠石家莊市區(qū)排水管網(wǎng)改造工程A標(biāo)段北二環(huán)東延北幅路的污水管道某段頂管施工，在室內(nèi)開(kāi)展了物理模型試驗(yàn)研究，利用數(shù)字圖像測(cè)量方法測(cè)量頂管土層損失引起的上覆土層變形和移動(dòng)規(guī)律。

1數(shù)字圖像測(cè)量方法

1.1基本原理

使用常規(guī)方法測(cè)量頂管上方全部土體微小位移十分困難，故本文采用數(shù)字圖像方法進(jìn)行測(cè)量。數(shù)字圖像測(cè)量方法的基本原理是[14]：通過(guò)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)獲得數(shù)字圖像每一點(diǎn)的位置，用像素表示為U=U(u,v)，對(duì)于基準(zhǔn)圖像每一點(diǎn)的灰度強(qiáng)度值可以表示為I=I基準(zhǔn)(U),變形后獲得的數(shù)字圖像的強(qiáng)度值可以表示為I=It(U)。在分析中，在基準(zhǔn)圖像上劃分由若干像素組成的相關(guān)窗，變形后相關(guān)窗位置發(fā)生改變，即移動(dòng)到新的位置。在變形后的圖像內(nèi)搜索與基準(zhǔn)圖像相關(guān)窗灰度一致的相關(guān)窗，確定變形后相關(guān)窗的新位置，進(jìn)而計(jì)算該相關(guān)窗的位移，整個(gè)過(guò)程如圖1所示。

圖1　分析過(guò)程Fig.1　Analysis process

2個(gè)相關(guān)窗的相關(guān)性可以通過(guò)式(1)計(jì)算：

(1)

式中：f和g分別為基準(zhǔn)圖像相關(guān)窗和變形后圖像的灰度分布；<>為系綜平均的運(yùn)算符。

本文采用文獻(xiàn)[15]提供的快速傅里葉變化和卷積算法開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的位移計(jì)算程序，結(jié)合有限元方法開(kāi)發(fā)了應(yīng)變計(jì)算程序。

1.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文數(shù)字圖像測(cè)量計(jì)算程序的可靠性，開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

取巴里坤砂巖巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的棱柱體，在試樣表面用墨水制作黑色散斑，以利于數(shù)字圖像觀測(cè)。

單軸壓縮試驗(yàn)在吉林金力YAW2000剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。將制備的砂巖巖樣安置于試驗(yàn)機(jī)上,如圖2所示。加載前利用CCD相機(jī)拍照，獲得基準(zhǔn)圖像，然后按0.01 mm/s的加載速率加載，使用CCD相機(jī)拍照記錄試樣表面變化。取加載36 s和66 s時(shí)的照片進(jìn)行分析。

圖2　單軸壓縮試驗(yàn)Fig.2　Unaxial compression test

試件高度為100 mm，共計(jì)530 pixel，于是可以標(biāo)定為0.188 7 mm/pixel。

在基準(zhǔn)圖像試件表面劃分20 pixel的間距網(wǎng)格，然后利用本文程序計(jì)算，獲得36 s和66 s兩個(gè)時(shí)刻試件豎向位移云圖，如圖3所示。

圖3　豎向位移Fig.3　Vertical displacement

從圖3可以看出，加載36 s和66 s時(shí)巖樣的豎向位移平均為1.95 pixel和3.55 pixel。根據(jù)標(biāo)定值0.188 7 mm/pixel，則豎向位移分別為0.368 mm和0.669 mm。試驗(yàn)機(jī)實(shí)際位移分別為0.36 mm和0.66 mm，可見(jiàn)本文數(shù)字圖像方法和程序可以準(zhǔn)確地測(cè)量巖樣的變形。從圖3還可以看出，巖樣各個(gè)位置的豎向位移并不均勻，這主要是由于巖樣實(shí)際是非均質(zhì)材料，加載過(guò)程中巖樣不同位置的變形有差異所致。

2試驗(yàn)

2.1工程概況

南水北調(diào)配套工程石津干渠石家莊市區(qū)排水管網(wǎng)改造工程A標(biāo)段北二環(huán)東延北幅路的污水管道，采用頂管敷設(shè)。污水管道為混凝土管，外徑為2 500 mm，管中心埋深為7.8 m，內(nèi)襯中空壁纏繞管。

工程土層情況如下：第1層為粉質(zhì)黏土，厚度平均為5.1 m，灰褐色-褐紅色，可塑；土質(zhì)不均，含少量銹斑、粉土、砂等，局部含姜石；稍有光澤反應(yīng)，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性中等；壓縮模量平均值為6.81 MPa，為中壓縮性土。第2層為粉土，平均厚度為2.8 m，灰褐色，濕，稍密；土質(zhì)不均，含有銹斑，局部有細(xì)砂夾層，無(wú)光澤反應(yīng)，搖振反應(yīng)中等；壓縮模量平均值為8.85 MPa，為中壓縮性土。第3層為粉土，平均厚度為6.4 m，褐黃色，濕，稍密；土質(zhì)不均，含有銹斑和少量粉砂，局部混粉粘團(tuán)塊，無(wú)光澤反應(yīng)，搖振反應(yīng)中等；壓縮模量平均值為11.13 MPa，為中等壓縮性土。地下水水位在地表下12.4 m。

2.2頂管地層損失

該工程采用普通頂管機(jī)械開(kāi)挖施工，由于超挖等因素頂管施工過(guò)程中將產(chǎn)生地層損失，引起地面沉降。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)頂管周?chē)鷮a(chǎn)生5 cm的地層損失。

2.3物理模型

采用縮尺模型研究頂管地層損失引起的上方土體的變形和移動(dòng)規(guī)律。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖4，縮尺比例為1∶12。模型中頂管的直徑為21 cm，頂管埋深為65 cm，模型總高度為0.85 m。模型厚度為0.6 m，約束前后，使之無(wú)位移，近似為平面應(yīng)變條件。為減少邊界效應(yīng)，依據(jù)圣維南原理，在頂管兩側(cè)各取5倍頂管直徑，計(jì)算模型長(zhǎng)度為2.31 m，取2.4 m。模型中頂管地層損失厚度為0.42 cm。在模型中，21 cm管內(nèi)套直徑為20.1 cm管，拔出外管，模擬頂管地層損失。

圖4　試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4　Experimental model

土體取自現(xiàn)場(chǎng)地表下2.0 m，液限為28%，塑限為15%，最佳含水率為15.3%。原狀土粉碎后按最佳含水率配制成重塑土，在其內(nèi)摻加10%的石英砂粉，以便于數(shù)字圖像觀測(cè)。重塑土的壓縮模量Es1-2為6.81 MPa。

在模型架上，標(biāo)注頂管位置和分層填筑土體的位置，然后將制備的重塑土分層填入模型架上，分層厚度為10 cm。每填入1層，對(duì)土體進(jìn)行適當(dāng)壓實(shí)。模型填筑到頂面后，固結(jié)240 h。在頂管正上方設(shè)置2個(gè)土塊，模擬地表建筑物，該土塊尺寸為12 cm×12 cm×5 cm(厚)。在頂管旁側(cè)設(shè)置像素標(biāo)定尺，為白黑方塊，尺寸為3 cm×3 cm。

2.4試驗(yàn)結(jié)果及分析

先使用CCD相機(jī)垂直正對(duì)模型拍照，獲得基準(zhǔn)圖像，然后緩慢、逐步、勻速拔出外套管，整個(gè)拔出過(guò)程為8 min，外套管拔出后固結(jié)240 h后使用相機(jī)進(jìn)行拍照。

對(duì)取得的照片使用本文程序進(jìn)行處理，網(wǎng)格尺寸為50 pixel×50 pixel，如圖5所示。坐標(biāo)原點(diǎn)取模型底邊正中央。

圖5　分析網(wǎng)格Fig.5　Analysis grids

圖6　y方向位移(mm)Fig.6　y-direction displacement(mm)

圖6為y方向的位移。從圖6可以看出，最大y向位移發(fā)生在頂管周?chē)?，其值達(dá)到17.4 mm。離開(kāi)頂管，y向變形逐漸減小。在地表可以發(fā)現(xiàn)，頂管地層損失引起的地表變形呈漏斗狀，最大沉降發(fā)生在頂管的正上方，沉降值達(dá)6.1 mm，如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，地表沉降范圍大于頂管直徑。結(jié)合圖6，可以理解為頂管施工引起的地層移動(dòng)從頂管周?chē)虻乇砩戏絺鬟f，并以一定角度擴(kuò)散，這一擴(kuò)散角度可稱(chēng)為影響傳播角，即圖6中的角β。

圖7　地表沉降Fig.7　Surface subsidence

圖8為頂管上方土體x方向的位移。從圖6和圖8可以看出，頂管施工后頂管周?chē)馏w向頂管方向移動(dòng)，其移動(dòng)情況與隨機(jī)介質(zhì)理論砂漏模型中砂的移動(dòng)規(guī)律相似[16]，因此可以使用隨機(jī)介質(zhì)理論和概率積分法預(yù)測(cè)頂管施工地表變形。

圖8　x方向位移(mm)Fig.8　x-direction displacement(mm)

圖9為大剪切應(yīng)變分布云圖。大剪切應(yīng)變?cè)陧敼苤車(chē)^大，向外逐漸衰減。這表明頂管周?chē)馏w更易發(fā)生剪切破壞，并引起更大程度的地表沉降。

在基準(zhǔn)圖像中模型上方模擬建筑物的土塊(左方)上劃分網(wǎng)格，然后利用本文程序進(jìn)行分析。

圖9　最大剪切應(yīng)變Fig.9　Maximum shear strain

圖10　地表建筑物的y方向變形(左方,mm)Fig.10　y-deformation of surface building (left,mm)

圖10為利用本文方法得到的模型左方土塊(模擬地表建筑物)的y方向位移。從圖10可以看出，建筑物的最大沉降約為5.7 mm，建筑物的沉降差約為0.7 mm，傾斜值約為0.5%。可見(jiàn)，頂管地表非均勻變形引起的地表建筑物非均勻變形可能是導(dǎo)致地表建筑物內(nèi)附加應(yīng)力和破壞的主要原因。

3結(jié)論

本文依托南水北調(diào)配套工程石津干渠石家莊市區(qū)排水管網(wǎng)改造工程A標(biāo)段某頂管工程，在室內(nèi)開(kāi)展了物理模型試驗(yàn)研究，結(jié)合數(shù)字圖像測(cè)量方法研究了頂管土層損失引起的上覆土層變形和移動(dòng)規(guī)律，獲得了如下結(jié)論。

1)本文開(kāi)發(fā)的頂管地表變形數(shù)字圖像測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果正確。

2)頂管施工地層損失引起頂管周?chē)馏w向頂管移動(dòng)，最大變形發(fā)生在頂管周?chē)?。頂管地層移?dòng)從頂管周?chē)虻乇砩戏揭砸欢ń嵌葌鬟f和擴(kuò)散，地表沉降范圍大于頂管直徑。

3)在地表，頂管地表變形呈漏斗狀，最大沉降在頂管的正上方。

4)頂管上方土體的移動(dòng)與隨機(jī)介質(zhì)理論砂漏模型中砂的移動(dòng)規(guī)律相似，因此可以使用隨機(jī)介質(zhì)理論和概率積分法預(yù)測(cè)頂管施工地表變形。

5)若使用數(shù)碼望遠(yuǎn)鏡代替相機(jī)，數(shù)字圖像方法可以用于觀測(cè)頂管地表建筑物的非均勻變形，這為頂管地表建筑物變形觀測(cè)提供了一種新方法。

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Experimental study on soil’s movement and deformation due to pipe-jacking based on digital image correlation method

SU Longhai1, WANG Fang1, ZHANG Chunhui2, CHENG Shubin1

(1.Shijiazhuang Municipal Works Construction Corporation, Shijiazhuang, Hebei 050000, China; 2.School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Abstract:To investigate the movement and deformation of soil due to pipe-jacking construction, by using the digital image correlation method, the physical model of the pipe-jacking construction is set up. The movement and deformation laws of overburden due to soil loss of pipe-jacking construction are studied and the main conclusions are as follows: 1) the overburden soil moves to the jacking pipe, and the maximum deformation occurs around the jacking pipe; 2) the movement and deformation of soil are transferred and diffused from the pipe to the surface at some angle, the scope of the surface subsidence is more greater than the diameter of the pipe, the surface subsidence takes on funnel, and the largest settlement appears over the pipe; 3) the probability integral method and stochastic medium theory can be employed to predict the surface deformation due to the pipe-jacking construction; 4) using the digital telescope instead of camera can help to use the digital image correlation method to investigate the deformation and failure of buildings due to pipe-jacking construction.

Keywords:ground foundation engineering; digital image; pipe-jacking; soil movement; model tetst

文章編號(hào)：1008-1534(2016)03-0235-05

收稿日期：2016-03-03;修回日期：2016-03-23；責(zé)任編輯：馮民

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金(E2015208089)

作者簡(jiǎn)介：蘇龍海(1975—)，男，河北石家莊人，高級(jí)工程師，主要從事市政工程方面的研究。通訊作者：張春會(huì)教授。E-mail: zhangchunhui789@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03010

蘇龍海，王芳, 張春會(huì)，等.基于數(shù)字圖像的頂管施工土層移動(dòng)模型試驗(yàn)[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):235-239.

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