非開(kāi)挖與明挖柔性管上土壓力與變形對(duì)比分析

鄭明明，韋猛，曹函，吳晶晶，張紹和，蔣國(guó)盛，劉天樂(lè)，宗尼羅

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非開(kāi)挖與明挖柔性管上土壓力與變形對(duì)比分析

鄭明明1，韋猛1，曹函2，吳晶晶2，張紹和2，蔣國(guó)盛3，劉天樂(lè)3，宗尼羅4

(1. 成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都， 610059； 2. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙， 410083；3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院， 湖北 武漢， 430074； 4. 美國(guó)得克薩斯農(nóng)工大學(xué) 康莫斯分校工程與技術(shù)學(xué)院， 得克薩斯州 康莫斯， 75428)

利用PLAXIS 2D數(shù)值模擬軟件，通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的模擬計(jì)算驗(yàn)證軟件的可靠性與精確性，并針對(duì)4種典型地層、不同地下水條件、2種施工方法，揭示明挖與非開(kāi)挖管線上所受壓力與變形的區(qū)別及成因，確定管線上壓力與變形主要影響因素和作用機(jī)理。研究結(jié)果表明：管在變形的過(guò)程中周?chē)馏w對(duì)管產(chǎn)生土側(cè)壓力，致使PVC柔性管上的最大壓力一般出現(xiàn)在管線兩側(cè)水平直徑處。明挖法施工對(duì)土體的擾動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于非開(kāi)挖法的擾動(dòng)范圍，導(dǎo)致明挖管線上最大壓力與變形量遠(yuǎn)比非開(kāi)挖管線的大，其中明挖管線上最大壓力是非開(kāi)挖管線的2.6~11.65倍，變形量是非開(kāi)挖管線的3.96~11.95倍。土體密度是影響明挖法管線上壓力與變形的最主要因素，同時(shí)，內(nèi)聚力和泊松比是影響非開(kāi)挖管線上壓力和變形的最主要因素。軟黏土地層水位從?2.5 m升高到5.5 m的過(guò)程中，由于孔隙壓力增大，有效應(yīng)力減小，明挖管線上的最大壓力與變形分別增加18.74%和13.38%，而非開(kāi)挖管線上最大壓力與變形則分別增加615.09%和311.11%，因此，水位的升高對(duì)非開(kāi)挖管線的影響遠(yuǎn)比對(duì)明挖管線的影響大。

非開(kāi)挖法；明挖法；PVC柔性管；土壓力；變形；物性參數(shù)；地下水位

明挖法最早始于公元前2 500年的中國(guó)，人們將竹子埋在地下作為管道進(jìn)行水的運(yùn)輸，之后在世界各地陸續(xù)出現(xiàn)了陶土管、鉛管以及鐵管。直到19世紀(jì)20年代，隨著鋼管的出現(xiàn)，明挖法才開(kāi)始大規(guī)模地流行，并顯著地改變了人們的生活[1]。明挖法具有施工簡(jiǎn)單、快捷、安全等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高且對(duì)周?chē)煌?、建筑、植被等影響較大，產(chǎn)生噪聲以及灰塵等問(wèn)題[2]，已經(jīng)成為限制其發(fā)展的主要因素。20世紀(jì)80年代，隨著非開(kāi)挖技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，逐漸解決了這些問(wèn)題。非開(kāi)挖技術(shù)能夠在不開(kāi)挖或極少量開(kāi)挖的情況下，鋪設(shè)、修復(fù)和更換管線，降低施工成本，對(duì)周?chē)h(huán)境的影響較小[2?4]，同時(shí)也延長(zhǎng)了管線的使用壽命[5]。美國(guó)的非開(kāi)挖技術(shù)走在世界的前列，研究主要集中在管線安裝與修復(fù)以及對(duì)環(huán)境的影響等方面：NAJAFI等[1, 6]系統(tǒng)地研究了非開(kāi)挖技術(shù)中管線安裝、檢測(cè)與更新技術(shù)；KNIGHT等[7?8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與數(shù)值模擬對(duì)比研究了非開(kāi)挖法與明挖法施工對(duì)上覆路面等周邊環(huán)境的影響。目前，人們對(duì)明挖和非開(kāi)挖管線上土壓力與變形的對(duì)比也有一定研究：SPANGLER[9]提出了明挖法硬管上垂直土壓力的近似計(jì)算方法，給出了不同性質(zhì)土層的荷載有效系數(shù)；STEIN等[10?11]考慮了拱效應(yīng)后提出了非開(kāi)挖柔性管上土壓力的計(jì)算方法；SPANGLER等[12]確定了填埋柔性管上垂直載荷與水平變形之間的定量關(guān)系，且提出水平變形與垂直變形基本相等；WATKINS等[13]在此基礎(chǔ)上修改并完善計(jì)算方法后，提出用于計(jì)算填埋的柔性管變形的愛(ài)荷華公式；ZHAO等[5]等通過(guò)計(jì)算得出相同條件下明挖管線上的土壓力比非開(kāi)挖管的大得多，且明挖管線對(duì)地面荷載更加敏感；ADEDAPO[14]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得出明挖管線變形是非開(kāi)挖管的3~4倍，同時(shí)明挖法對(duì)上覆及周?chē)访娴某两涤绊懸脖确情_(kāi)挖法的明顯要大。目前，人們對(duì)明挖和非開(kāi)挖2種施工方法的對(duì)比已有一定研究，然而，對(duì)確定造成荷載與變形量區(qū)別的主要因素以及影響機(jī)理方面的研究較少。影響管線荷載與變形的因素較多，包括地層物性、地下水位條件、開(kāi)挖方法、地面荷載、環(huán)境溫度、管線埋深、管線材料與管徑以及填埋時(shí)間等，很難明確主要影響因素與機(jī)理，且管壁上的壓力與變形并不均一，具體的變化趨勢(shì)尚不確定。本文作者通過(guò)PLAXIS 2D數(shù)值模擬軟件，對(duì)4種地層，2種地下水位條件下，明挖和非開(kāi)挖2種施工方法鋪設(shè)的管線與土之間的相互作用進(jìn)行模擬研究，通過(guò)計(jì)算與分析得出不同條件下管線上徑向壓力和豎向變形的分布及其主要影響因素，并分析土對(duì)管線的作用機(jī)理。

1 研究方法

1.1 PLAXIS 2D數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介

PLAXIS 2D是專(zhuān)門(mén)用于各種巖土工程中受力、變形和穩(wěn)定性分析的二維有限元計(jì)算程序。程序包括幾何建模、計(jì)算分析、結(jié)果輸出和曲線生成4個(gè)部分，交互式圖形界面簡(jiǎn)捷，操作方便。該軟件提供了豐富的線彈性模型、摩爾?庫(kù)侖模型、節(jié)理巖石模型、強(qiáng)化土模型和軟土模型，能夠模擬土體、板、錨桿、土工織物、隧道以及結(jié)構(gòu)與土的接觸面，可以快速生成幾何模型和有限元網(wǎng)格，計(jì)算平面應(yīng)變或者軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。

PLAXIS 2D廣泛應(yīng)用于大型基坑與周邊環(huán)境相互影響、盾構(gòu)隧道施工與周邊既有建筑物相互作用、板樁碼頭應(yīng)力變形分析、庫(kù)水位驟升驟降對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響以及邊坡開(kāi)挖及加固后穩(wěn)定性分析等。該軟件可以進(jìn)行分步施工設(shè)計(jì)和計(jì)算，可用于管壁與土體之間相互作用的研究。尤其是在不同土層性質(zhì)，地下水位條件以及開(kāi)挖方法影響下的地下管壁的受力與變形，軟件的精確性和可靠性已被廣泛驗(yàn)證[15?16]。

1.2 模擬思路與方法

本文作者首先通過(guò)案例分析，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證PLAXIS軟件的可靠性與計(jì)算結(jié)果的精確性。然后考慮施工方法、地層和地下水位等條件，建立數(shù)值模型，計(jì)算管線上壓力與變形量，分析施工方法、地層物性、水位條件等對(duì)管線的影響，確定主要和次要影響因素以及主要因素對(duì)管與土之間相互作用的影響機(jī)理。

1.2.1 實(shí)例分析

加拿大安大略州滑鐵盧市某小路由南向北長(zhǎng)為709 m，寬為8 m，分別用水平定向鉆進(jìn)和明挖法在路面以下1.52 m和1.67 m深度安裝直徑為200 mm的SDR-17 HDPE管線。分別測(cè)量施工過(guò)程中與安裝完畢后管線上的土壓力以及變形量。施工示意圖如圖1所示，管線與土的參數(shù)如表1~2所示。地下水位深度在管線安裝深度以下。

(a) 非開(kāi)挖法施工示意圖；(b) 明挖法施工示意圖

表1 SDR?17 HDPE管線參數(shù)[14]

表2 路基土壤參數(shù)[17]

1.2.2 管線與土相互作用機(jī)理研究

為分析施工方法、地層物性、水位條件等對(duì)管線的影響，確定主要和次要影響因素以及主要因素對(duì)管與土之間相互作用的影響機(jī)理，分別考慮明挖與非開(kāi)挖2種施工方法，松砂、密實(shí)砂、軟黏土和硬黏土4種典型地層，管線在地下水位以上和全湮沒(méi)等不同地下水條件，建立多組數(shù)值模型并計(jì)算管線上壓力與變形量。

1) 模型參數(shù)和尺寸。模型中土層采用摩爾?庫(kù)侖模型，為正常固結(jié)狀態(tài)，土層的各參數(shù)是從規(guī)范及文獻(xiàn)中引用的經(jīng)典值或中間值，如表3所示。考慮到水位的影響范圍，設(shè)無(wú)地下水條件為水位在管線底部以下2個(gè)管線直徑深度，全湮沒(méi)條件為水位在管線頂部以上2個(gè)管線直徑深度。地面及周邊無(wú)外加荷載。

明挖法中，基坑開(kāi)挖深度為6 m，坑底寬度為3 m，而基坑的最大開(kāi)挖坡度與土層類(lèi)型及單獨(dú)抗壓強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)美國(guó)29 CFR 1926 OSHA建筑業(yè)條例得出4種土層基坑最大坡度，如表3所示。管線采用常用的C905 DR?21的36英寸PVC柔性管，直徑為0.914 m。模型中PVC管線具體參數(shù)如表4所示?？紤]到基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)翆蛹耙欢ㄉ疃纫韵峦翆拥挠绊?，模型的尺寸分別向左、右及向下各延伸4倍[18]的開(kāi)挖深度。左、右與下邊界沒(méi)有水平位移但允許垂直運(yùn)動(dòng)，且邊界均為透水邊界。而非開(kāi)挖模型的尺寸、管線深度、網(wǎng)格疏密度與明挖法模型相同。

2) 分步施工與計(jì)算。明挖法模型中施工分為4個(gè)步驟：第1步，降低水位至欲開(kāi)挖基坑底面以下1米位置；第2步，開(kāi)挖土層至預(yù)定的深度與坡度；第3步，安裝管線與回填并壓密開(kāi)挖土體；第4步，地下水位升高至原水位高度。而非開(kāi)挖安裝過(guò)程中并不需要降低水位，因此模型中只有2個(gè)步驟：第1步，開(kāi)挖出鉆孔軌跡；第2步，安裝管線。

表3 模型中土壤參數(shù)

表4 模型中PVC管線參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)采集管線的變形量，并利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)非開(kāi)挖柔性管土壓力公式[6]和埋管土壓力公式[14]計(jì)算管線上壓力，如表5所示。PLAXIS軟件的模擬結(jié)果如圖2和表5所示，其中壓力與變形的負(fù)號(hào)僅代表方向。由圖2和表5可知：模擬計(jì)算得出的管線上最大壓力和管線豎向變形量與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果較為接近，偏差都在5%以內(nèi)。由此可見(jiàn)，PLAXIS模擬軟件可用于計(jì)算明挖與非開(kāi)挖管線荷載與變形方面，且結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，同時(shí)也表明建模方法較為貼近實(shí)際，可以用于后續(xù)的研究之中。

2.2 開(kāi)挖方法對(duì)管線壓力與變形的影響

為分析施工方法對(duì)管線上壓力與變形的影響，確定不同開(kāi)挖方法對(duì)管與土之間相互作用的影響機(jī)理，將模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分組，結(jié)果如圖3~4所示。圖中壓力與變形的負(fù)號(hào)僅代表方向。

由圖3~4可知：管壁上的徑向壓力與豎向變形并不是均勻的；當(dāng)管線上壓力較大時(shí)，管線的變形量也較大。由于土、水壓力與管自重的影響，管壁上最大壓力發(fā)生在管線底部(見(jiàn)圖3(b)中曲線3和4)，朝管壁頂部方向則壓力逐漸減?。浑S著壓力不斷增大，管壁上壓力最大值點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到管線水平直徑處(最右端)，而朝管壁兩側(cè)方向壓力逐漸減小。這主要是因?yàn)楣艿涝诖怪眽毫Φ淖饔孟庐a(chǎn)生一定的水平變形，擠壓側(cè)面土體，從而使管側(cè)承受相應(yīng)的被動(dòng)土壓力。隨著水平變形的增大，其變形量可達(dá)到與豎向位移相當(dāng)[12]，土側(cè)壓力不斷增大，從而使最大壓力點(diǎn)轉(zhuǎn)移到最兩側(cè)的水平直徑處。管線的豎向變形以底部為零點(diǎn)，豎向變形曲線如圖3(c)~(d)以及圖4(c)~(d)所示。由圖3~4可知：管壁上壓力越大，相應(yīng)的變形曲線的斜率也越大，斜率變化趨勢(shì)與相應(yīng)的壓力變化趨勢(shì)基本相同。

(a) 明挖；(b) 非開(kāi)挖

表5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與PLAIXS模擬結(jié)果對(duì)比

(a) 明挖管線徑向壓力分布；(b) 非開(kāi)挖管線徑向壓力分布；(c) 明挖管線豎向變形；(d) 非開(kāi)挖管線豎向變形

1—松砂；2—密實(shí)砂；3—軟黏土；4—硬黏土。

Fig. 3 Changes of radial earth pressure and vertical deformation with depth on open-cut and trenchless pipe

由圖3~4可知：相同水位和地層性質(zhì)條件下，明挖管上的最大壓力是非開(kāi)挖管上的2.66~11.65倍，而變形量是非開(kāi)挖管的3.96~11.95倍。在相同條件下，非開(kāi)挖管上的壓力與變形量都要比明挖管上的大得多，這主要是因?yàn)?種施工方法對(duì)土的擾動(dòng)范圍與程度不同，明挖法在開(kāi)挖的過(guò)程中破壞了原有的土體的結(jié)構(gòu)，所鋪設(shè)的管線上的壓力與變形主要是在土的回填與固結(jié)過(guò)程中形成的。而非開(kāi)挖法僅對(duì)鉆孔軌跡周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的環(huán)形土體有所擾動(dòng)，管線上壓力與變形主要是鉆孔壁周?chē)馏w應(yīng)力釋放與重新分布時(shí)形成的。與明挖法相比，非開(kāi)挖施工對(duì)管線周?chē)两Y(jié)構(gòu)的擾動(dòng)范圍要小得多。同時(shí)，由于壓力越大，變形量也越大[9]，因此明挖管壁的變形比非開(kāi)挖的也大得多。此外，管線的使用壽命與管結(jié)上最大壓力與變形量密切相關(guān)。一般地，壓力與變形越大，則壽命越短，因此，在實(shí)際工程中，使用非開(kāi)挖技術(shù)鋪設(shè)的管線壽命要比明挖法的長(zhǎng)得多。

(a) 明挖管線徑向壓力分布；(b) 非開(kāi)挖管線徑向壓力分布；(c) 明挖管線豎向變形；(d) 非開(kāi)挖管線豎向變形

2.3 地層物性對(duì)管線壓力與變形的影響

地層物性參數(shù)包括密度、內(nèi)聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比等，其對(duì)管線與土之間的作用也有重要影響。在相同地下水條件與施工方法下，地層物性不同，管線上的壓力與變形也明顯不同(見(jiàn)圖3~4)。4種地層中，明挖法管壁上的最大壓力從大到小排序依次為密實(shí)砂、硬黏土、松砂、軟黏土，相應(yīng)的變形量排序與壓力排序相同。而非開(kāi)挖管線上的最大壓力從大到小排序依次為松砂、密實(shí)砂、軟黏土、硬黏土，相應(yīng)的變形量排序也相同?？梢园l(fā)現(xiàn)，地層性質(zhì)對(duì)2種施工方法中管線上壓力與變形的影響十分明顯，因此分析不同類(lèi)型地層對(duì)管線上壓力與變形的影響將會(huì)對(duì)工程應(yīng)用有重要的指導(dǎo)作用。

為進(jìn)一步分析土層物性參數(shù)中影響管線上壓力和變形量的主要因素，分別考察密度、內(nèi)聚力、摩擦角、彈性模量和泊松比5個(gè)參數(shù)與管線上壓力和變形量之間的關(guān)系。每個(gè)參數(shù)均勻選擇4個(gè)水平點(diǎn)，模擬計(jì)算出各水平點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管線上最大壓力和變形量，結(jié)果如表6所示。

由表6可知：明挖管壁最大壓力與變形量隨密度、內(nèi)聚力和摩擦角的增大而增大，隨彈性模量和泊松比的增大而減小。密度是影響明挖法管壁上最大壓力與變形的最主要因素，其次是泊松比與內(nèi)聚力，而摩擦角和彈性模量對(duì)管線的影響較小。

表6 不同土壤參數(shù)下管線上最大徑向壓力與豎向變形量

而非開(kāi)挖管線上最大壓力與變形量隨內(nèi)聚力、摩擦角和彈性模量的增大而減小，隨泊松比和密度增大而增大。內(nèi)聚力對(duì)最大壓力的影響最大，而泊松比對(duì)變形量的影響最大，二者分別是影響管線上最大壓力和變形量的主要因素，其次是摩擦角與密度，而彈性模量對(duì)管線的影響則較小。

由此可見(jiàn)，密度是影響明挖管線上最大壓力與變形量的最主要因素，而內(nèi)聚力和泊松比分別是影響非開(kāi)挖管壁上最大壓力和變形的最主要因素。圖3(b)和4(b)中松砂地層中非開(kāi)挖管線上的壓力比其他3個(gè)地層的大得多，其主要原因是松砂的內(nèi)聚力比其他地層的內(nèi)聚力明顯要小。

2.4 地下水位對(duì)管線壓力與變形的影響

外水壓力是地下管線的重要荷載之一，而外水壓力與地下水位高度密切相關(guān)，因此，研究不同地下水位對(duì)管線的影響也顯得十分必要。由圖3~4可知：在相同開(kāi)挖方法和地層性質(zhì)條件下，無(wú)水與全湮沒(méi)條件下管壁上的壓力與變形量明顯不同。為進(jìn)一步分析地下水位高度與管線上壓力與變形量之間的關(guān)系，設(shè)管線中心為零水位深度，模擬計(jì)算4種水位深度下非開(kāi)挖與明挖管線上徑向壓力與豎向變形情況，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：當(dāng)?shù)叵滤粡?2.5 m上升到5.5 m時(shí)，明挖管線上徑向最大壓力從40.08 kPa上升到47.59 kPa，變形量從4.56 mm上升到5.17 mm，分別增大18.74%和13.38%。而非開(kāi)挖管線上徑向最大壓力從4.44 kPa上升到31.31 kPa，變形從0.54 mm上升到2.22 mm，分別增加615.09%和311.11%。由此可見(jiàn)，地下水位的上升對(duì)非開(kāi)挖管線的影響比明挖管線的影響大，而管線中心以下水位的變化對(duì)管線的影響微小。另外，2種施工方法下管線底部與頂部的壓力上升幅值基本相等。這主要是因?yàn)樵谟兴畻l件下，管線上的壓力分為壓力和孔隙水壓力，隨著地下水位升高，孔隙水壓力增大，導(dǎo)致土顆粒間的有效應(yīng)力減小。明挖管線上最大壓力遠(yuǎn)大于非開(kāi)挖管線上的土壓力，從而土側(cè)壓力受有效應(yīng)力的影響減小較多。加上與深度成正比的孔隙水壓力后，明挖管線上最大壓力增量較小。非開(kāi)挖管線土壓力受有效應(yīng)力減小的影響較小，相同的孔隙水壓力增量下管線上的增幅較大。同理，明挖管線變形量要比非開(kāi)挖管線的小。

由上述分析可知：地下水位的升高對(duì)非開(kāi)挖管線的影響更加明顯，在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量選擇水位較低和變化較小的地區(qū)以減小管線上壓力與變形量，延長(zhǎng)管線的使用壽命。

(a) 明挖管線徑向壓力分布；(b) 非開(kāi)挖管線徑向壓力分布；(c) 明挖管線豎向變形；(d) 非開(kāi)挖管線豎向變形

3 結(jié)論

1) 明挖和非開(kāi)挖柔性管線上壓力與變形量并不是均勻分布的，壓力的最大值一般出現(xiàn)在管壁兩側(cè)的水平直徑處，而最小壓力則通常出現(xiàn)在管壁底部。與此同時(shí)，壓力較大處管壁的變形量也較大。

2) 在相同條件下，明挖法管線上的最大壓力與其變形量要比非開(kāi)挖管線的大得多，明挖管線上的最大壓力是非開(kāi)挖管線的2.66~11.65倍，而變形量則是非開(kāi)挖管線的3.96~11.95倍。

3) 明挖管線上壓力與變形量隨密度、內(nèi)聚力和摩擦角的增大而增大，隨彈性模量和泊松比的增大而減小。密度是影響明挖管線上壓力與變形的最主要因素。而非開(kāi)挖管線上壓力與變形量隨內(nèi)聚力、摩擦角和彈性模量的增大而減小，隨泊松比和密度的增大而增大。內(nèi)聚力和泊松比分別是影響非開(kāi)挖管線上壓力和變形量的主要因素。

4) 隨著水位從?2.5 m升高到5.5 m，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力減小，明挖管線上最大壓力與變形量分別增大18.74%和13.38%，而非開(kāi)挖管線上最大壓力與變形量分別增加615.09%和311.11%。水位的升高對(duì)非開(kāi)挖管線的影響遠(yuǎn)大于對(duì)明挖管線的影響。

致謝：

感謝美國(guó)德州大學(xué)阿靈頓分校Mohammad Najafi教授提供的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和對(duì)理論分析方面提供的建議，同時(shí)感謝河北大學(xué)余莉副教授對(duì)數(shù)值建模和數(shù)據(jù)處理等方面提供的指導(dǎo)。

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(編輯 伍錦花)

Comparative study on earth pressure and deformation of trenchless and open-cut pipe

ZHENG Mingming1, WEI Meng1, CAO Han2, WU Jingjing2, ZHANG Shaohe2, JIANG Guosheng3, LIU Tianle3, TSUNG Nilo4

(1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410083, China; 3. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 4. Department of Engineering & Technology, Texas A & M University-Commerce, Commerce 75428, USA)

In order to analyze the main differences of soil pressure and deformation on open-cut and trenchless pipes, four typical soils, different groundwater depth, open-cut and trenchless construction methods were used. Firstly,PLAXIS 2D was used in a field case study to verify its reliability and accuracy. Then groups of models with different conditions were built to calculate the soil pressure and deformation of open-cut and trenchless pipes. Besides, the primary and secondary factors were determined and the mechanism of main factors on soil pressure and deformation were obtained. The results show that because of the lateral soil pressure formed during pipe deformation, the maximum soil pressure on PVC flexible pipe generally appears at the ends of the horizontal diameter. Due to the fact that the disturbance range of open-cut construction is significantly larger than that of trenchless construction, the maximum soil load on open-cut pipe is much larger than that of trenchless pipe. The maximum soil load on open-cut pipe is 2.66 to 11.65 times larger than that of trenchless pipe, while the deformation of open-cut pipe is 3.96 to 11.95 times larger than that of trenchless pipe. The soil density is the most important factor that affects the soil pressure and deformation of open-cut pipe, while the cohesion and Poisson’s ratio are the most important factors that affect the soil pressure and deformation on trenchless pipe. When ground water table rises from ?2.5 m to 5.5 m in soft clay, with the increase of pore pressure and the decrease of effective stress, the maximum soil pressure and deformation on open- cut pipe increase by 18.74% and 13.38%, respectively. However, the maximum soil pressure and deformation on trenchless pipe increase by 615.09% and 311.11%, which indicates that the influence of ground water level on trenchless pipe is much larger than that on open-cut pipe.

trenchless method; open-cut method; PVC flexible pipe; soil pressure; deformation; physical parameters; groundwater level

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.026

U173.1

A

1672?7207(2017)12?3335?09

2017?01?07；

2017?03?02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41702389，41572358，41502346，41302124)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2012FFA047)；有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué))開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2016YSJS0011，2016YSJS009，2016YSJS005)(Projects(41702389, 41572358, 41502346, 41302124) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012FFA047) supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province; Projects(2016YSJS0011, 2016YSJS009, 2016YSJS005) supported by Open Research Fund Program of Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Central South University), Ministry of Education)

吳晶晶，博士，助理研究員，從事地下空間開(kāi)發(fā)與利用方面的科學(xué)研究；E-mail：wujingjing0408@163.com