Aplicación e investigación de la tecnología de refuerzo de hojas de acero en excavaciones largas en ribano
Abstracto
La tecnología de refuerzo de pila de chapa de acero se utiliza ampliamente en proyectos de excavación profunda, particularmente en entornos desafiantes como largas excavaciones de ribera. Este documento proporciona un análisis científico en profundidad de la aplicación de acero Tablestacas En tales contextos, Centrarse en su estabilidad estructural, interacción con el suelo circundante, y rendimiento bajo diferentes condiciones geotécnicas. A través de formulaciones teóricas, modelado de elementos finitos, y comparaciones numéricas, El estudio evalúa la eficacia de las hojas de acero para garantizar la seguridad y la estabilidad de la excavación. Aspectos clave, incluyendo presión de tierra lateral, deformación de pila, e interacción de la estructura del suelo, se analizan con fórmulas de apoyo y datos. La investigación también compara diferentes configuraciones de pilotes y estrategias de refuerzo., Ofreciendo información sobre la optimización del diseño para las excavaciones de la orilla del río.
1. Introducción
Excavaciones largas de la orilla del río, particularmente para proyectos de infraestructura urbana como túneles de servicios públicos, barreras contra inundaciones, o bases de puente, plantea importantes desafíos geotécnicos. Estas excavaciones a menudo se llevan a cabo en rico en agua., ambientes de suelo blando, donde mantener la estabilidad y prevenir el colapso son críticos. Las pilas de láminas de acero han surgido como una solución preferida debido a su alta resistencia, facilidad de instalación, y capacidad de proporcionar soporte estructural e impermeabilización.
Este estudio explora la aplicación de pilote de chapa de acero Tecnología de refuerzo en largas excavaciones de la orilla del río, enfatizando el análisis científico a través de modelos teóricos, datos empíricos, y simulaciones numéricas. Los objetivos son:
- Analizar el comportamiento mecánico de montones de acero Bajo condiciones de excavación de la orilla del río.
- Desarrollar y validar modelos matemáticos para la interacción de pilas de suelo.
- Compare diferentes configuraciones de pilotes y estrategias de refuerzo utilizando datos numéricos.
- Proporcionar recomendaciones de diseño basadas en hallazgos científicos.
2. Marco teórico
2.1. Presión de tierra lateral
La estabilidad de montones de acero en excavaciones depende de su capacidad para resistir la presión de tierra lateral del suelo retenido. La teoría clásica de Rankine proporciona una base para calcular presiones de tierra activa y pasiva:
-
- Presión de la tierra activa (\(\sigma_a )):
\[ \sigma_a = \gamma z K_a – 2c \sqrt{K_A} \]
dónde:
-
-
- \(\gamma\): Peso unitario del suelo (KN/M³),
- \(z ): profundidad debajo de la superficie del suelo (m),
- \(K_a = \tan^2(45^\circ – \Phi/2)\): coeficiente de presión de tierra activa,
- \(\phi\): ángulo de fricción del suelo (grados),
- \(c\): cohesión del suelo (KPA).
- Presión de tierra pasiva (\(\sigma_p\)):
-
\[ \sigma_p = \gamma z K_p + 2c \sqrt{K_P} \]
dónde \(K_p = \tan^2(45^\circ + \Phi/2)\): coeficiente de presión de tierra pasiva.
Para excavaciones de ribera del río, La presión hidrostática del agua subterránea también debe considerarse:
\[ \sigma_w = \gamma_w z_w \]
dónde \(\gamma_w\): Peso unitario del agua (típicamente 9.81 KN/M³), y \(z_w\): profundidad de la capa freática.
2.2. Interacción suelo-estructura
La interacción entre montones de acero y el suelo circundante se modela utilizando el Método de la curva P-Y, que describe la relación no lineal entre la resistencia lateral del suelo ((pag)) y deflexión de pila ((Y)). La curva P-y para arcilla, Basado en Matlock (1970), es:
\[ P = 0.5 p_u izquierda(\FRAC{Y}{Y_{50}}\bien)^{1/3} \Quad Texto{para} \Quad y leq y_{50} \]
dónde:
- \(p_u = 7.5 S_U ): Resistencia final del suelo (KPA),
- \(S_U ): resistencia al corte sin drenaje de la arcilla (KPA),
- \(Y_{50}\): desviación a la mitad de la resistencia final (m).
Para suelos arenosos, Reese et al. (1974) propuesto:
\[ p = a p_s y \]
dónde \(A\): coeficiente empírico, y \(p_s\): Resistencia final basada en propiedades del suelo.
2.3. Análisis de estabilidad de pila
La estabilidad de montones de acero se evalúa calculando el momento máximo de flexión ((METRO_{máximo})) y desplazamiento lateral ((u_x)). La ecuación diferencial de gobierno para una pila cargada lateralmente es:
\[ No frac{D^4 Y}{dz^4} + k_h y = q(z ) \]
dónde:
- \(EI\): rigidez de flexión de pila (Knam),
- \(k_h\): módulo de subgrade horizontal (KN/M³),
- \(Q(z )\): carga lateral distribuida (KN/M).
3. Metodología
3.1. Caso de estudio: Túnel de servicios públicos en Taizhou, Porcelana
Un estudio de caso basado en un proyecto de túnel de servicios públicos en Taizhou, Porcelana, se usa para evaluar el rendimiento de la chapa de acero. La excavación, Ubicado a lo largo de una orilla del río, Tiene una profundidad de 5–8 my está situada en un área de tierra blanda rica en agua con una mesa de agua subterránea alta (2.5 m debajo de la superficie). El perfil del suelo consiste en arcilla limosa, limo arenoso, y capas de arcilla suaves.
- Especificaciones de pila: IV Larsen Steel Sheetes Pilates, 400 mm de ancho, 12 mm de grosor.
- Reforzamiento: Purlinas de acero en forma de H (400 × 400 × 13 × 21 milímetros) y puntales de tubería de acero.
- Escucha: Desplazamientos horizontales y verticales en la parte superior de la pila, fuerzas axiales en puntales.
3.2. Modelado de elementos finitos
La excavación se modeló utilizando el software de elementos finitos Plaxis 2D y 3D. El modelo de suelo endurecedor con rigidez de la tensión pequeña (HSS) fue adoptado para simular el comportamiento del suelo, contabilizar la rigidez dependiente de la cepa. Parámetros de entrada clave incluidos:
- Peso de la unidad del suelo: 18–20 kN/m³,
- Cohesión: 10–30 kPa,
- Ángulo de fricción: 20–30 °,
- Módulo de Young: 5–20 MPA.
Las pilas de lámina de acero se modelaron como elementos elásticos lineales con un módulo de elasticidad (\(MI)) de 210 GPA y un momento de inercia (\(I\)) Basado en la sección transversal de la pila.
3.3. Análisis numérico
El análisis se centró en:
- Desplazamiento lateral: Desplazamiento horizontal máximo (\(u_x\)) en la parte superior del montón.
- Momento de flexión: Momento de flexión máxima (\(METRO_{máximo}\)) a lo largo de la pila.
- Fuerzas de puntal: Fuerzas axiales en puntales de acero.
- Asentamiento: Asentamiento de superficie detrás de la pared de la pila.
Se realizaron simulaciones para tres condiciones del suelo:
- Caso: Arena limosa (rigidez, \(\phi = 30^\circ\)),
- Caso B: Arcilla suave (baja rigidez, \(s_u = 20 kPa\)),
- Caso C: Capas mixtas (arcilla limosa sobre limo arenoso).
4. Resultados y Discusión
4.1. Desplazamiento lateral
El desplazamiento lateral máximo (\(u_x\)) varió significativamente con las condiciones del suelo:
- Caso (Arena limosa): \(u_x = 25 \texto{ milímetros}\), dentro de los límites permitidos (\(u_{todo} = 39 \texto{ milímetros}\)).
- Caso B (Arcilla suave): \(u_x = 62.4 \texto{ milímetros}\), excediendo los límites permitidos, indicando inestabilidad potencial.
- Caso C (Capas mixtas): \(u_x = 40 \texto{ milímetros}\), marginalmente aceptable.
El mayor desplazamiento en arcilla blanda se atribuye a la rigidez del suelo inferior y una mayor presión de agua subterránea. El análisis de la curva de P-Y confirmó el comportamiento de suavizado de cepas en arcilla, con una máxima resistencia de \(p_u = 7.5 s_u = 150 \texto{ KPA}\).
4.2. Momento de flexión
El momento de flexión máxima (\(METRO_{máximo}\)) se calculó como:
- Caso: 180 KNM/M,
- Caso B: 223.8 KNM/M,
- Caso C: 200 KNM/M.
El momento de flexión más alto en arcilla blanda refleja una mayor carga lateral debido a la baja resistencia pasiva. La sección de la pila se redimensionó en el caso B para cumplir con los criterios de rendimiento, aumentando el módulo de sección por 20%.
4.3. Fuerzas de puntal
Las fuerzas axiales en los puntales fueron:
- Caso: 50–100 kN,
- Caso B: 22.51–121.91 kN,
- Caso C: 70–110 kN.
Las fuerzas más altas en el caso B indican una mayor dependencia del refuerzo interno para mantener la estabilidad en el suelo blando.
4.4. Asentamiento superficial
El asentamiento de la superficie detrás de la pared de la pila era:
- Caso: 15 milímetros,
- Caso B: 117 milímetros,
- Caso C: 50 milímetros.
El acuerdo excesivo en el caso B resalta la necesidad de un refuerzo adicional, tales como la estabilización del suelo o el incrustamiento de pilotes más profundo.
4.5. Comparaciones numéricas
Un estudio paramétrico comparado en voladizo, amortiguado, y sistemas de pilotes de doble anclaje:
- Viga voladiza: \(u_x = 70 \texto{ milímetros}\), \(METRO_{máximo} = 250 \texto{ KNM/M}\),
- Amortiguado: \(u_x = 40 \texto{ milímetros}\), \(METRO_{máximo} = 200 \texto{ KNM/M}\),
- Con doble ancla: \(u_x = 25 \texto{ milímetros}\), \(METRO_{máximo} = 180 \texto{ KNM/M}\).
El sistema de doble anclaje proporcionó el mejor rendimiento, reduciendo el desplazamiento por 64% y momento de inclinación por 28% en comparación con el sistema en voladizo.
5. Análisis científico
5.1. Interacción de pilas de suelo
El análisis de la curva P-Y reveló que el comportamiento pasivo de la pila en arcilla blanda exhibe la palanca de tensiones, con una relación hiperbólica P-δ:
\[ P = FRAC{\delta}{a + b delta} \]
dónde \(a) y \(b\): parámetros de ajuste de curvas, y \(\delta\): desplazamiento relativo de pilas de suelo.
La máxima resistencia al suelo (\(p_u = 7.5 S_U )) fue validado a través de datos de campo, Mostrar acuerdo dentro de 5% de predicciones numéricas.
5.2. Efecto de la profundidad de excavación
Aumento de la profundidad de excavación de 5 m a 8 M aumentado \(u_x\) por 50% y \(METRO_{máximo}\) por 30%. La relación entre la profundidad de excavación (\(H\)) y el desplazamiento se aproxima como:
\[ U_x propuesta h ^{1.5} \]
Este aumento no lineal subraya la necesidad de un incrustación más profunda o arriostramiento adicional para excavaciones más profundas.
5.3. Influencia del agua subterránea
La presión hidrostática aumentó la carga lateral en un 20-30% en suelos ricos en agua. El desagüe reducido \(u_x\) por 15% y \(METRO_{máximo}\) por 10%, pero requirió un manejo cuidadoso para evitar perturbar el régimen hidrológico.
6. Recomendaciones de diseño
Basado en el análisis, Se proponen las siguientes recomendaciones:
- Selección de pilotes: Use pilas de acero de alta resistencia (p.ej., IV Larsen) con suficiente módulo de sección para resistir los momentos de flexión en suelos blandos.
- Ancla: Adoptar sistemas de doble anclaje para excavaciones más profundas que 5 m para minimizar los momentos de desplazamiento y flexión.
- Estabilización del suelo: Implementar pilas profundas de mezcla de suelo o lechada de chorro en arcilla blanda para mejorar la rigidez del suelo y reducir el asentamiento.
- Escucha: Instale inclinómetros y sensores geodéticos para monitorear el desplazamiento de las pilotes y las fuerzas de puntal en tiempo real.
- Desagüe: Use el desagüe controlado para reducir la presión hidrostática, con monitoreo para evitar una reducción excesiva de aguas subterráneas.
El uso de pilotes tubulares en la construcción de cimientos ha sido una opción popular durante muchos años.. Los pilotes tubulares se utilizan para transferir la carga de una estructura a un lugar más profundo., capa más estable de suelo o roca.
Beneficios de las armaduras de tuberías El uso de armaduras de tuberías en la construcción ofrece varias ventajas notables: Resistencia y capacidad de carga: Las armaduras de tuberías son reconocidas por su alta relación resistencia-peso.. Los tubos interconectados distribuyen las cargas uniformemente., dando como resultado una estructura robusta y confiable. Esto permite la construcción de grandes luces sin la necesidad de excesivas columnas o vigas de soporte..
El estándar para tuberías sin costura para el transporte de fluidos depende del país o región en el que se encuentre., así como la aplicación específica. Sin embargo, Algunas normas internacionales ampliamente utilizadas para tuberías sin costura para el transporte de fluidos son: ASTM A106: Esta es una especificación estándar para tubos de acero al carbono sin costura para servicio de alta temperatura en los Estados Unidos.. Se utiliza comúnmente en plantas de energía., refinerías, y otras aplicaciones industriales donde están presentes altas temperaturas y presiones. Cubre tuberías en grados A., B, y C, con propiedades mecánicas variables según el grado. API 5L: Esta es una especificación estándar para tuberías utilizadas en la industria del petróleo y el gas.. Cubre tubos de acero soldados y sin costura para sistemas de transporte por tuberías., incluyendo tuberías para transportar gas, agua, y aceite. Las tuberías API 5L están disponibles en varios grados., como X42, X52, X60, y X65, dependiendo de las propiedades del material y los requisitos de aplicación. ASTM A53: Esta es una especificación estándar para tubos de acero galvanizados en caliente y negros sin costura y soldados utilizados en diversas industrias., incluidas aplicaciones de transporte de fluidos. Cubre tuberías en dos grados., A y B, con diferentes propiedades mecánicas y usos previstos. DE 2448 / EN 10216: Estas son las normas europeas para tubos de acero sin costura utilizados en aplicaciones de transporte de fluidos., incluyendo agua, gas, y otros fluidos. Leer más
Las tuberías sin costura para el transporte de fluidos están diseñadas para resistir varios tipos de corrosión según el material utilizado y la aplicación específica.. Algunos de los tipos más comunes de corrosión que estas tuberías están diseñadas para resistir incluyen: Corrosión uniforme: Este es el tipo de corrosión más común., donde toda la superficie de la tubería se corroe uniformemente. Para resistir este tipo de corrosión, Las tuberías suelen estar hechas de materiales resistentes a la corrosión., como acero inoxidable o revestidos con revestimientos protectores. Corrosión galvánica: Esto ocurre cuando dos metales diferentes están en contacto entre sí en presencia de un electrolito., lo que lleva a la corrosión del metal más activo. Para prevenir la corrosión galvánica, Las tuberías pueden estar hechas de metales similares., o pueden aislarse entre sí mediante materiales o revestimientos aislantes. Corrosión por picadura: Las picaduras son una forma localizada de corrosión que ocurre cuando áreas pequeñas en la superficie de la tubería se vuelven más susceptibles al ataque., conduciendo a la formación de pequeños hoyos. Este tipo de corrosión se puede prevenir utilizando materiales con alta resistencia a las picaduras., como aleaciones de acero inoxidable con molibdeno añadido, o aplicando recubrimientos protectores. Corrosión por grietas: La corrosión por grietas ocurre en espacios estrechos o espacios entre dos superficies., semejante Leer más
Cribas de alambre tipo cuña, también conocido como pantallas de alambre de perfil, Se utilizan comúnmente en diversas industrias por sus capacidades de detección superiores.. Están construidos con alambre de forma triangular.,
2 7/8En J55 K55, la tubería de revestimiento de pozo perforado es uno de los principales productos de acero que fabricamos., se pueden usar para agua, aceite, campos de perforación de pozos de gas. Los espesores se pueden suministrar desde 5,51 a 11,18 mm según la profundidad del pozo del cliente y las propiedades mecánicas requeridas.. Normalmente están provistos de conexión roscada., como NUE o EUE, que será más fácil de instalar en el sitio. La longitud de los tubos de revestimiento perforados de 3 a 12 m está disponible para las diferentes alturas de las plataformas de perforación del cliente.. El diámetro del orificio y el área abierta en la superficie también se personalizan. Los diámetros de agujero más populares son 9 mm., 12milímetros, 15milímetros, 16milímetros, 19milímetros, etc..
