Application et recherche de la technologie d'armature des piles de tôles en acier dans les fouilles de la rive
Abstrait
La technologie de renforcement des tas d'acier est largement utilisée dans des projets d'excavation profonds, en particulier dans des environnements stimulants tels que les fouilles longues de la rive. Cet article fournit une analyse scientifique approfondie de l'application de l'acier palplanches Dans de tels contextes, se concentrer sur leur stabilité structurelle, interaction avec le sol environnant, et la performance dans des conditions géotechniques variables. À travers des formulations théoriques, Modélisation par éléments finis, et des comparaisons numériques, L'étude évalue l'efficacité des tas de feuille d'acier pour assurer la sécurité et la stabilité des fouilles. Aspects clés, y compris la pression de terre latérale, déformation de la pile, et l'interaction de la structure du sol, sont analysés avec des formules et des données à l'appui. La recherche compare également différentes configurations de pieux et stratégies de renforcement, offrant des informations sur l'optimisation de la conception pour les fouilles de la rive.
1. Introduction
Excavations de la rive, en particulier pour les projets d'infrastructure urbaine tels que les tunnels utilitaires, barrières contre les inondations, ou fondations de pont, poser des défis géotechniques importants. Ces fouilles sont souvent réalisées dans des riches en eau, environnements de sol doux, où le maintien de la stabilité et la prévention de l'effondrement sont essentiels. Les tas de tôles en acier sont devenus une solution préférée en raison de leur haute résistance, facilité d'installation, et capacité à fournir à la fois un soutien structurel et une imperméabilisation.
Cette étude explore l'application de palplanches en acier Technologie de renforcement dans les fouilles de Long River Bank, mettant l'accent sur l'analyse scientifique à travers des modèles théoriques, données empiriques, et simulations numériques. Les objectifs sont de:
- Analyser le comportement mécanique de Piles en tôles en acier Dans des conditions d'excavation de la rive.
- Développer et valider des modèles mathématiques pour l'interaction du sol-pilier.
- Comparez différentes configurations de pile et stratégies de renforcement à l'aide de données numériques.
- Fournir des recommandations de conception basées sur les résultats scientifiques.
2. Cadre théorique
2.1. Pression de terre latérale
La stabilité de Piles en tôles en acier dans les fouilles dépend de leur capacité à résister à la pression latérale de la terre du sol conservé. La théorie classique de Rankine fournit une base pour le calcul des pressions de terre actives et passives:
-
- Pression de terre active (\(\Sigma_a )):
\[ \sigma_a = \gamma z K_a – 2c \sqrt{K_a} \]
où:
-
-
- \(\gamma\): Poids unitaire du sol (kN / m³),
- \(z ): profondeur sous la surface du sol (m),
- \(K_a = \tan^2(45^\circ – \phi / 2)\): coefficient de pression de terre active,
- \(\phi\): angle de friction du sol (degrés),
- \(c\): cohésion du sol (kpa).
- Pression passive de la Terre (\(\sigma_p\)):
-
\[ \sigma_p = \gamma z K_p + 2c \sqrt{K_p} \]
où \(K_p = \tan^2(45^\circ + \phi / 2)\): coefficient de pression de terre passive.
Pour les fouilles de la rive, La pression hydrostatique des eaux souterraines doit également être considérée:
\[ \sigma_w = \gamma_w z_w \]
où \(\gamma_w\): Poids unitaire de l'eau (typiquement 9.81 kN / m³), et \(z_w\): profondeur de nappe phréatique.
2.2. Interaction sol-structure
L'interaction entre Piles en tôles en acier et le sol environnant est modélisé en utilisant le Méthode de la courbe P-Y, qui décrit la relation non linéaire entre la résistance latérale du sol ((p)) et la déviation ((y)). La courbe P-Y pour l'argile, Basé sur Matlock (1970), est:
\[ p = 0.5 p_u gauche(\fracter{y}{y_{50}}\droite)^{1/3} \quad texte{pour} \quad y leq y_{50} \]
où:
- \(p_u = 7.5 S_U ): résistance ultime du sol (kpa),
- \(S_U ): Force de cisaillement non drainée de l'argile (kpa),
- \(y_{50}\): Déflexion à la moitié de la résistance ultime (m).
Pour les sols sablonneux, Reese et al. (1974) proposé:
\[ p = a p_s y \]
où \(A\): coefficient empirique, et \(p_s\): résistance ultime basée sur les propriétés du sol.
2.3. Analyse de la stabilité des piles
La stabilité de Piles en tôles en acier est évalué en calculant le moment de flexion maximum ((M_{maximum})) et déplacement latéral ((u_x)). L'équation différentielle gouvernante pour une pile chargée latéralement est:
\[ Pas frac{d ^ 4 y}{dz ^ 4} + k_h y = q(z) \]
où:
- \(EI\): Empiler la rigidité de la flexion (Knam),
- \(k_h\): Module de fondation horizontal (kN / m³),
- \(q(z)\): charge latérale distribuée (kn / m).
3. Méthodologie
3.1. Étude de cas: Tunnel utilitaire à Taizhou, Chine
Une étude de cas basée sur un projet de tunnel utilitaire à Taizhou, Chine, est utilisé pour évaluer les performances des piles en tôle en acier. La fouille, Situé le long d'une rive, a une profondeur de 5 à 8 m et est situé dans une zone de sol mou riche en eau avec une table des eaux souterraines élevées (2.5 M sous la surface). Le profil du sol est constitué d'argile limoneuse, limon de sable, et les couches d'argile molles.
- Spécifications de piles: IV Larsen Steel Dreet Piles, 400 mm de large, 12 mm d'épaisseur.
- Renforcement: Purlins en acier en forme de H (400 × 400 × 13 × 21 mm) et les entretoises en acier.
- Surveillance: Déplacements horizontaux et verticaux au sommet du tas, Forces axiales dans les entretoises.
3.2. Modélisation par éléments finis
La fouille a été modélisée à l'aide d'un logiciel PLAXIS 2D et 3D Finite Elect. Le modèle de sol durcissant avec une petite raideur de contrainte (HSS) a été adopté pour simuler le comportement du sol, Comptabilité de la rigidité dépendante de la souche. Paramètres d'entrée clés inclus:
- Poids de l'unité du sol: 18–20 kN / m³,
- Cohésion: 10–30 kpa,
- Angle de friction: 20–30 °,
- Module de Young: 5–20 MPA.
Les tas de feuille d'acier ont été modélisés comme des éléments élastiques linéaires avec un module d'élasticité (\(E )) de 210 GPA et un moment d'inertie (\(I\)) Basé sur la coupe de la pile.
3.3. Analyse numérique
L'analyse s'est concentrée sur:
- Déplacement latéral: Déplacement horizontal maximum (\(u_x\)) au sommet de la pile.
- Moment de flexion: Moment de flexion maximum (\(M_{maximum}\)) le long de la pile.
- Force de fruits: Forces axiales dans les entretoises en acier.
- Règlement: Établissement de surface derrière le mur de la pile.
Des simulations ont été effectuées pour trois conditions du sol:
- Cas A: Sable à limon (rigidité élevée, \(\phi = 30^\circ\)),
- Cas B: Argile douce (faible raideur, \(S_U = 20 kPa\)),
- Cas C: Couches mixtes (Argile limoneuse sur le limon sablonneux).
4. Résultats et discussion
4.1. Déplacement latéral
Le déplacement latéral maximal (\(u_x\)) variait considérablement avec les conditions du sol:
- Cas A (Sable à limon): \(u_x = 25 \texte{ mm}\), Dans des limites admissibles (\(u_{tous} = 39 \texte{ mm}\)).
- Cas B (Argile douce): \(u_x = 62.4 \texte{ mm}\), dépasser les limites admissibles, indiquant une instabilité potentielle.
- Cas C (Couches mixtes): \(u_x = 40 \texte{ mm}\), légèrement acceptable.
Le déplacement plus élevé dans l'argile molle est attribué à la raideur inférieure du sol et à la pression des eaux souterraines plus élevée. L'analyse de la courbe P-Y a confirmé le comportement d'asfreinture de la souche dans l'argile, avec une résistance maximale de \(p_u = 7.5 S_U = 150 \texte{ kpa}\).
4.2. Moment de flexion
Le moment de flexion maximum (\(M_{maximum}\)) a été calculé comme:
- Cas A: 180 KNM / M,
- Cas B: 223.8 KNM / M,
- Cas C: 200 KNM / M.
Le moment de flexion plus élevé dans l'argile molle reflète une charge latérale accrue en raison d'une faible résistance passive. La section des piles a été redimensionnée en cas B pour répondre aux critères de performance, augmenter le module de section par 20%.
4.3. Force de fruits
Les forces axiales dans les entretoises étaient:
- Cas A: 50–100 kN,
- Cas B: 22.51–121.91 kN,
- Cas C: 70–110 kN.
Les forces supérieures dans le cas B indiquent une plus grande dépendance au contreventement interne pour maintenir la stabilité dans le sol mou.
4.4. Colonie de surface
La colonie de surface derrière le mur de la pile était:
- Cas A: 15 mm,
- Cas B: 117 mm,
- Cas C: 50 mm.
Le règlement excessif dans le cas B met en évidence la nécessité de renforcement supplémentaire, comme la stabilisation du sol ou l'intégration plus profonde des piles.
4.5. Comparaisons numériques
Une étude paramétrique a comparé le cantilever, à un seul ancré, et systèmes de piles à double ancrage:
- Cantilever: \(u_x = 70 \texte{ mm}\), \(M_{maximum} = 250 \texte{ KNM / M}\),
- À un seul ancré: \(u_x = 40 \texte{ mm}\), \(M_{maximum} = 200 \texte{ KNM / M}\),
- À double ancré: \(u_x = 25 \texte{ mm}\), \(M_{maximum} = 180 \texte{ KNM / M}\).
Le système à double ancration a fourni les meilleures performances, réduire le déplacement de 64% et moment de flexion par 28% par rapport au système en porte-à-faux.
5. Analyse scientifique
5.1. Interaction de sol-pile
L'analyse de la courbe P-Y a révélé que le comportement passif de la pile dans l'argile douce présente la déformation, avec une relation p-δ hyperbolique:
\[ p = frac{\delta}{un + b delta} \]
où \(un) et \(b\): paramètres ajustés, et \(\delta\): Déplacement relatif du sol du sol.
La résistance ultime du sol (\(p_u = 7.5 S_U )) a été validé à travers des données sur le terrain, montrant un accord dans 5% des prédictions numériques.
5.2. Effet de la profondeur d'excavation
Augmentation de la profondeur d'excavation de 5 m à 8 M augmenté \(u_x\) par 50% et \(M_{maximum}\) par 30%. La relation entre la profondeur des fouilles (\(H\)) et le déplacement est approximé comme:
\[ U_x proposition h ^{1.5} \]
Cette augmentation non linéaire souligne la nécessité d'une intégration plus profonde ou d'un contreventement supplémentaire pour des fouilles plus profondes.
5.3. Influence des eaux souterraines
La pression hydrostatique a augmenté la charge latérale de 20 à 30% dans les sols riches en eau. L'assèchement réduit \(u_x\) par 15% et \(M_{maximum}\) par 10%, mais a nécessité une gestion minutieuse pour éviter de perturber le régime hydrologique.
6. Recommandations de conception
Basé sur l'analyse, Les recommandations suivantes sont proposées:
- Sélection de piles: Utilisez des tas de tôles en acier à haute résistance (p. ex., IV Larsen) avec un module de section suffisant pour résister aux moments de flexion dans les sols mous.
- Ancrage: Adopter des systèmes à double ancration pour des fouilles plus profondes que 5 m pour minimiser les moments de déplacement et de flexion.
- Stabilisation du sol: Mettre en œuvre des tas de mélange de sol profond ou du jonction à jet dans de l'argile mou pour améliorer la rigidité du sol et réduire la colonie.
- Surveillance: Installez les inclinomètres et les capteurs géodésiques pour surveiller le déplacement des piles et les forces de force en temps réel.
- Désamination: Utiliser la déshydratation contrôlée pour réduire la pression hydrostatique, avec surveillance pour éviter un rabattement excessif des eaux souterraines.
L’utilisation de pieux tubulaires dans la construction de fondations est un choix populaire depuis de nombreuses années. Les pieux tubulaires sont utilisés pour transférer la charge d’une structure vers une structure plus profonde, couche de sol ou de roche plus stable.
Avantages des fermes de tuyaux L'utilisation de fermes de tuyaux dans la construction offre plusieurs avantages notables: Résistance et capacité de charge: Les fermes de tuyaux sont réputées pour leur rapport résistance/poids élevé. Les tuyaux interconnectés répartissent les charges uniformément, résultant en une structure robuste et fiable. Cela permet la construction de grandes portées sans avoir besoin de colonnes ou de poutres de support excessives..
La norme pour les tuyaux sans soudure transportant des fluides dépend du pays ou de la région dans laquelle vous vous trouvez., ainsi que l'application spécifique. Cependant, Certaines normes internationales largement utilisées pour les tuyaux sans soudure transportant des fluides sont: ASTMA106: Il s'agit d'une spécification standard pour les tubes sans soudure en acier au carbone destinés à un service à haute température aux États-Unis.. Il est couramment utilisé dans les centrales électriques, raffineries, et autres applications industrielles où des températures et des pressions élevées sont présentes. Il couvre les tuyaux de qualité A, B, et C, avec des propriétés mécaniques variables selon la nuance. API 5L: Il s'agit d'une spécification standard pour les conduites utilisées dans l'industrie pétrolière et gazière.. Il couvre les tubes en acier sans soudure et soudés pour les systèmes de transport par pipeline, y compris les tuyaux pour le transport du gaz, Eau, et de l'huile. Les tuyaux API 5L sont disponibles en différentes qualités, comme X42, X52, X60, et X65, en fonction des propriétés du matériau et des exigences de l'application. ASTMA53: Il s'agit d'une spécification standard pour les tuyaux en acier noir et galvanisés à chaud sans soudure et soudés utilisés dans diverses industries., y compris les applications de transport de fluides. Il couvre les tuyaux en deux qualités, A et B, avec des propriétés mécaniques et des utilisations prévues différentes. DEPUIS 2448 / DANS 10216: Il s'agit de normes européennes pour les tubes en acier sans soudure utilisés dans les applications de transport de fluides., y compris l'eau, gaz, et autres fluides. En savoir plus
Les tuyaux sans soudure transportant des fluides sont conçus pour résister à différents types de corrosion en fonction du matériau utilisé et de l'application spécifique.. Certains des types de corrosion les plus courants auxquels ces tuyaux sont conçus pour résister comprennent: Corrosion uniforme: C'est le type de corrosion le plus courant, où toute la surface du tuyau se corrode uniformément. Pour résister à ce type de corrosion, les tuyaux sont souvent fabriqués à partir de matériaux résistants à la corrosion, comme l'acier inoxydable ou doublé de revêtements protecteurs. Corrosion galvanique: Cela se produit lorsque deux métaux différents sont en contact l'un avec l'autre en présence d'un électrolyte., conduisant à la corrosion du métal le plus actif. Pour éviter la corrosion galvanique, les tuyaux peuvent être faits de métaux similaires, ou ils peuvent être isolés les uns des autres à l'aide de matériaux ou de revêtements isolants. Corrosion par piqûres: Les piqûres sont une forme localisée de corrosion qui se produit lorsque de petites zones à la surface du tuyau deviennent plus susceptibles d'être attaquées., conduisant à la formation de petites fosses. Ce type de corrosion peut être évité en utilisant des matériaux à haute résistance aux piqûres., tels que les alliages d'acier inoxydable avec du molybdène ajouté, ou en appliquant des revêtements de protection. Corrosion caverneuse: La corrosion caverneuse se produit dans des espaces étroits ou des espaces entre deux surfaces, tel En savoir plus
Écrans en fil de cale, également connu sous le nom d'écrans en fil profilé, sont couramment utilisés dans diverses industries pour leurs capacités de criblage supérieures. Ils sont construits à partir de fil de forme triangulaire,
2 7/8dans J55 K55, le tuyau de cuvelage de puits perforé est l'un des principaux produits de nous en acier, ils peuvent être utilisés pour l'eau, huile, champs de forage de puits de gaz. Les épaisseurs peuvent être fournies entre 5,51 et 11,18 mm en fonction de la profondeur du puits du client et des propriétés mécaniques requises.. Normalement, ils sont fournis avec un raccord fileté, comme NUE ou EUE, qui sera plus facile à installer sur le site. La longueur des tuyaux de tubage perforés de 3 à 12 m est disponible pour les différentes hauteurs des plates-formes de forage du client.. Le diamètre du trou et la zone ouverte sur la surface sont également personnalisés. Les diamètres de trous populaires sont de 9 mm, 12mm, 15mm, 16mm, 19mm, etc..
