Applicazione e ricerca della tecnologia di rinforzo in lamiera in tela in tela di rinforzo in lunghi scavi della riva

Astratto

La tecnologia di rinforzo della pila in foglio d'acciaio è ampiamente utilizzata in profondi progetti di scavo, Soprattutto in ambienti impegnativi come Long Riverbank Scavations. Questo documento fornisce un'analisi scientifica approfondita dell'applicazione dell'acciaio palancole in tali contesti, Concentrarsi sulla loro stabilità strutturale, Interazione con il terreno circostante, e prestazioni in condizioni geotecniche variabili. Attraverso formulazioni teoriche, Modellazione ad elementi finiti, e confronti numerici, Lo studio valuta l'efficacia delle pile di lamiera d'acciaio per garantire la sicurezza e la stabilità degli scavi. Aspetti chiave, compresa la pressione laterale della terra, deformazione del mucchio, e interazione della struttura del suolo, sono analizzati con formule e dati di supporto. La ricerca confronta anche diverse configurazioni di pile e strategie di rinforzo, Offrire approfondimenti sull'ottimizzazione del design per gli scavi della riva.

1. introduzione

Long Riverbank Scavations, in particolare per i progetti infrastrutturali urbani come i tunnel di utilità, barriere anti-alluvione, o fondazioni di ponte, Poni significativi sfide geotecniche. Questi scavi sono spesso condotti in acqua, ambienti di terreno morbido, dove mantenere la stabilità e prevenire il collasso è fondamentale. Pile in foglio d'acciaio sono emerse come una soluzione preferita a causa della loro alta resistenza, facilità di installazione, e capacità di fornire sia supporto strutturale che impermeabili.

Questo studio esplora l'applicazione di palancole in acciaio Tecnologia di rinforzo negli scavi della riva del fiume Long, enfatizzare l'analisi scientifica attraverso i modelli teorici, dati empirici, e simulazioni numeriche. Gli obiettivi sono di:

1. Analizzare il comportamento meccanico di pile di lamiera d'acciaio In condizioni di scavo della riva del fiume.
2. Sviluppare e convalidare i modelli matematici per l'interazione del terreno del suolo.
3. Confronta diverse configurazioni di pile e strategie di rinforzo utilizzando dati numerici.
4. Fornire raccomandazioni di progettazione basate su risultati scientifici.

2. Quadro teorico

2.1. Pressione laterale della Terra

La stabilità di pile di lamiera d'acciaio negli scavi dipende dalla loro capacità di resistere alla pressione laterale della terra dal suolo trattenuto. La teoria classica di Rankine fornisce una base per il calcolo delle pressioni di terra attive e passive:

• • Pressione attivo della Terra (\(\sigma_a )):

\[ \sigma_a = \gamma z K_a – 2c \sqrt{K_A} \]

Dove:

• • • \(\gamma\): Peso unitario del suolo (kn/m³),
    • \(z ): profondità sotto la superficie del terreno (m),
    • \(K_a = \tan^2(45^\circ – \Phi/2)\): coefficiente di pressione della terra attiva,
    • \(\phi\): Angolo di attrito del suolo (gradi),
    • \(c\): coesione del suolo (KPA).
  • Pressione passiva della terra (\(\sigma_p\)):

\[ \sigma_p = \gamma z K_p + 2c \sqrt{K_P} \]

Dove \(K_p = \tan^2(45^\circ + \Phi/2)\): coefficiente di pressione della terra passiva.

Per gli scavi della riva del fiume, La pressione idrostatica dalle acque sotterranee deve essere considerata:

\[ \sigma_w = \gamma_w z_w \]

Dove \(\gamma_w\): Peso unitario dell'acqua (tipicamente 9.81 kn/m³), e \(z_w\): profondità della falda acquifera.

2.2. Interazione suolo-struttura

L'interazione tra pile di lamiera d'acciaio e il terreno circostante è modellato usando il Metodo della curva P-Y., che descrive la relazione non lineare tra resistenza al suolo laterale ((p)) e deflessione del mucchio ((y)). La curva p-y per argilla, Basato su Matlock (1970), È:

\[ p = 0.5 p_u a sinistra(\frac{y}{y_{50}}\Giusto)^{1/3} \quad testo{per} \quad y leq y_{50} \]

Dove:

• \(p_u = 7.5 s_u ): Resistenza al suolo finale (KPA),
• \(s_u ): forza di taglio non drenata di argilla (KPA),
• \(y_{50}\): deflessione a metà della resistenza finale (m).

Per terreni sabbiosi, Reese et al. (1974) proposto:

\[ p = a p_s y \]

Dove \(A\): coefficiente empirico, e \(p_s\): Resistenza finale basata sulle proprietà del suolo.

2.3. Analisi di stabilità del mucchio

La stabilità di pile di lamiera d'acciaio è valutato calcolando il momento di flessione massimo ((M_{massimo})) e spostamento laterale ((u_x)). L'equazione differenziale di governo per una pila caricata lateralmente è:

\[ Non frac{d^4 y}{dz^4} + k_h y = q(z) \]

Dove:

• \(EI\): Rigidità a flessione del mucchio (Knam),
• \(k_h\): Modulo di sottofondo orizzontale (kn/m³),
• \(Q(z)\): Carico laterale distribuito (kn/m).

3. Metodologia

3.1. Argomento di studio: Tunnel di utilità a Taizhou, Cina

Un caso di studio basato su un progetto di tunnel di utilità a Taizhou, Cina, viene utilizzato per valutare le prestazioni della pila di lamiera d'acciaio. Lo scavo, Situato lungo una riva del fiume, ha una profondità di 5-8 m ed è situato in un'area del suolo morbido ricco di acqua con una falda acquifera alta (2.5 m sotto la superficie). Il profilo del suolo è costituito da argilla limosa, Sandy Silt, e strati di argilla morbidi.

• Specifiche del mucchio: Pile di lamiera in acciaio iv larsen, 400 mm di larghezza, 12 mm di spessore.
• Rinforzo: Purlin in acciaio a forma di H. (400 × 400 × 13 × 21 mm) e tiri per tubi in acciaio.
• Monitoraggio: Spostamenti orizzontali e verticali nella parte superiore, forze assiali in pacchetti.

3.2. Modellazione ad elementi finiti

Lo scavo è stato modellato utilizzando il software di elementi finiti Plaxis 2D e 3D. Il modello di terreno indurimento con piccola deformazione rigidità (HSS) è stato adottato per simulare il comportamento del suolo, contabilità per la rigidità dipendente dalla deformazione. Parametri di input chiave inclusi:

• Peso dell'unità del suolo: 18–20 kN/m³,
• Coesione: 10–30 kPa,
• Angolo di attrito: 20–30 °,
• Il modulo di Young: 5–20 MPA.

Le pile di lamiera d'acciaio sono state modellate come elementi elastici lineari con un modulo di elasticità (\(E )) di 210 GPA e un momento di inerzia (\(I\)) Basato sulla sezione trasversale della pila.

3.3. Analisi numerica

L'analisi si è concentrata su:

1. Spostamento laterale: Spostamento orizzontale massimo (\(u_x\)) nella cima.
2. Momento flettente: Momento di flessione massimo (\(M_{massimo}\)) lungo la pila.
3. Forze di punta: Forze assiali in puntine di acciaio.
4. Insediamento: Insediamento di superficie dietro il muro della pila.

Sono state condotte simulazioni per tre condizioni del suolo:

• Caso A.: Sabbia limosa (alta rigidità, \(\phi = 30^\circ\)),
• Caso b: Argilla morbida (bassa rigidità, \(s_u = 20 kPa\)),
• Caso c: Strati misti (argilla limosa sopra il limo sabbioso).

4. Risultati e discussione

4.1. Spostamento laterale

Lo spostamento laterale massimo (\(u_x\)) variava significativamente con le condizioni del suolo:

• Caso A. (Sabbia limosa): \(u_x = 25 \testo{ mm}\), entro limiti consentiti (\(u_{Tutto} = 39 \testo{ mm}\)).
• Caso b (Argilla morbida): \(u_x = 62.4 \testo{ mm}\), superando i limiti consentiti, indicando una potenziale instabilità.
• Caso c (Strati misti): \(u_x = 40 \testo{ mm}\), marginalmente accettabile.

Lo spostamento più elevato nell'argilla morbida è attribuito alla minore rigidità del suolo e alla maggiore pressione delle acque sotterranee. L'analisi della curva P-Y ha confermato il comportamento di sforzo di deformazione nell'argilla, con una resistenza di picco di \(p_u = 7.5 s_u = 150 \testo{ KPA}\).

4.2. Momento flettente

Il momento di flessione massimo (\(M_{massimo}\)) è stato calcolato come:

• Caso A.: 180 knm/m,
• Caso b: 223.8 knm/m,
• Caso c: 200 knm/m.

Il momento di flessione più elevato nell'argilla morbida riflette un aumento del carico laterale a causa della bassa resistenza passiva. La sezione della pila è stata ridimensionata nel caso B per soddisfare i criteri di prestazione, Aumentando il modulo della sezione di 20%.

4.3. Forze di punta

Le forze assiali nei pacchetti erano:

• Caso A.: 50–100 kn,
• Caso b: 22.51–121,91 kn,
• Caso c: 70–110 kn.

Le forze più alte nel caso B indicano una maggiore dipendenza dal rinforzo interno per mantenere la stabilità nel terreno morbido.

4.4. Insediamento di superficie

L'insediamento di superficie dietro il muro della pila era:

• Caso A.: 15 mm,
• Caso b: 117 mm,
• Caso c: 50 mm.

L'eccessivo insediamento nel caso B evidenzia la necessità di un ulteriore rinforzo, come la stabilizzazione del suolo o l'incarico di pila più profondo.

4.5. Confronti numerici

Uno studio parametrico ha confrontato il cantilever, ancorato a singolo, e sistemi di pile a doppio ancoraggio:

• Cantilever: \(u_x = 70 \testo{ mm}\), \(M_{massimo} = 250 \testo{ knm/m}\),
• Ancorato a singolo: \(u_x = 40 \testo{ mm}\), \(M_{massimo} = 200 \testo{ knm/m}\),
• Doppio ancorato: \(u_x = 25 \testo{ mm}\), \(M_{massimo} = 180 \testo{ knm/m}\).

Il sistema a doppio ancorato ha fornito le migliori prestazioni, Ridurre lo spostamento di 64% e piegare il momento da 28% Rispetto al sistema a sbalzo.

5. Analisi scientifica

5.1. Interazione del terreno

L'analisi della curva P-Y ha rivelato che il comportamento del mucchio passivo nell'argilla morbida mostra la tensione di deformazione, con una relazione p-Δ iperbolica:

\[ p = frac{\delta}{un + b delta} \]

Dove \(UN) e \(b\): Parametri aderenti alla curva, e \(\delta\): spostamento relativo al tuffo del suolo.

La massima resistenza del suolo (\(p_u = 7.5 s_u )) è stato convalidato tramite i dati sul campo, mostrando un accordo all'interno 5% di previsioni numeriche.

5.2. Effetto della profondità di scavo

Aumentando la profondità di scavo da 5 M a 8 m aumentato \(u_x\) di 50% e \(M_{massimo}\) di 30%. La relazione tra profondità di scavo (\(H\)) e lo spostamento è approssimato come:

\[ U_x proposta h ^{1.5} \]

Questo aumento non lineare sottolinea la necessità di un incorporamento più profondo o di rinforzi aggiuntivi per scavi più profondi.

5.3. Influenza delle acque sotterranee

La pressione idrostatica ha aumentato il carico laterale del 20-30% nei terreni ricchi di acqua. Disidratazione ridotta \(u_x\) di 15% e \(M_{massimo}\) di 10%, ma ha richiesto un'attenta gestione per evitare di disturbare il regime idrologico.

6. Raccomandazioni di progettazione

Basato sull'analisi, Vengono proposte le seguenti raccomandazioni:

1. Selezione del mucchio: Utilizzare pile di lamiera d'acciaio ad alta resistenza (ad es., IV Larsen) con sufficiente modulo di sezione per resistere ai momenti di flessione nei terreni morbidi.
2. Ancoraggio: Adottare sistemi a doppio ancore per gli scavi più profondi di 5 m Per ridurre al minimo lo spostamento e i momenti di flessione.
3. Stabilizzazione del suolo: Implementare pile di miscelazione del suolo profonde o stuccatura del getto nell'argilla morbida per migliorare la rigidità del suolo e ridurre l'insediamento.
4. Monitoraggio: Installa inclinometri e sensori geodetici per monitorare lo spostamento del pelo e le forze del puntone in tempo reale.
5. Disidratazione: Usa la disidratazione controllata per ridurre la pressione idrostatica, con monitoraggio per prevenire il prelievo eccessivo delle acque sotterranee.

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