Aplicação e pesquisa de tecnologia de reforço de pilha de lençóis de aço em longas escavações na margem do rio

Abstrato

A tecnologia de reforço de pilha de chapas de aço é amplamente utilizada em projetos de escavação profunda, particularmente em ambientes desafiadores, como longas escavações na margem do rio. Este artigo fornece uma análise científica aprofundada da aplicação de aço estacas pranchas em tais contextos, focando em sua estabilidade estrutural, interação com o solo circundante, e desempenho em condições geotécnicas variadas. Através de formulações teóricas, Modelagem de elementos finitos, e comparações numéricas, O estudo avalia a eficácia de estacas de chapas de aço para garantir a segurança e a estabilidade da escavação. Aspectos principais, incluindo pressão da terra lateral, deformação da pilha, e interação estrutura do solo, são analisados ​​com fórmulas e dados de suporte. A pesquisa também compara diferentes configurações de pilha e estratégias de reforço, Oferecendo informações sobre otimizar o design para escavações da margem do rio.

1. Introdução

Escavações longas da margem do rio, particularmente para projetos de infraestrutura urbana, como túneis de serviços públicos, barreiras contra inundações, ou fundações de ponte, representar desafios geotécnicos significativos. Essas escavações são frequentemente realizadas em ricas em água, Ambientes de solo macio, onde manter a estabilidade e prevenir o colapso são críticos. Pilhas de chapas de aço emergiram como uma solução preferida devido à sua alta resistência, facilidade de instalação, e capacidade de fornecer suporte estrutural e impermeabilização.

Este estudo explora a aplicação de estaca de chapa de aço Tecnologia de reforço em longas escavações da margem do rio, Enfatizando a análise científica por meio de modelos teóricos, dados empíricos, e simulações numéricas. Os objetivos são para:

1. Analisar o comportamento mecânico de Pilhas de chapas de aço sob condições de escavação da margem do rio.
2. Desenvolver e validar modelos matemáticos para interação do solo-pilha.
3. Compare diferentes configurações de pilha e estratégias de reforço usando dados numéricos.
4. Forneça recomendações de design com base em descobertas científicas.

2. Referencial Teórico

2.1. Pressão da terra lateral

A estabilidade de Pilhas de chapas de aço em escavações depende de sua capacidade de resistir à pressão lateral da terra do solo retido. A teoria clássica de Rankine fornece uma base para o cálculo das pressões da terra ativa e passiva:

• • Pressão da terra ativa (\(\sigma_a\)):

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

onde:

• • • \(\gamma\): peso unitário do solo (kn/m³),
    • \(z\): profundidade abaixo da superfície do solo (m),
    • \(K_a = \tan^2(45^\circ – \phi/2)\): coeficiente de pressão da terra ativa,
    • \(\phi\): ângulo de atrito do solo (graus),
    • \(c\): Coesão do solo (KPA).
  • Pressão passiva da terra (\(\sigma_p\)):

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

onde \(K_p = \tan^2(45^\circ + \phi/2)\): coeficiente de pressão da terra passiva.

Para escavações da margem do rio, A pressão hidrostática das águas subterrâneas também deve ser considerada:

\[ \sigma_w = \gamma_w z_w \]

onde \(\gamma_w\): peso unitário de água (tipicamente 9.81 kn/m³), e \(z_w\): profundidade do lençol freático.

2.2. Interação Solo-Estrutura

A interação entre Pilhas de chapas de aço e o solo circundante é modelado usando o Método da curva P-Y, que descreve a relação não linear entre resistência lateral ao solo ((p)) e deflexão da pilha ((y)). A curva P-Y para argila, Baseado em matlock (1970), é:

\[ p = 0.5 p_u \left(\Frac{y}{y_{50}}\certo)^{1/3} \quad \text{para} \quad y \leq y_{50} \]

onde:

• \(p_u = 7.5 s_u\): Resistência final do solo (KPA),
• \(s_u\): Força de cisalhamento não drenada de argila (KPA),
• \(y_{50}\): deflexão na metade da resistência final (m).

Para solos arenosos, Reese et al. (1974) proposto:

\[ P = A P_S Y \]

onde \(A\): Coeficiente empírico, e \(p_s\): resistência final com base nas propriedades do solo.

2.3. Análise de estabilidade da pilha

A estabilidade de Pilhas de chapas de aço é avaliado calculando o momento de flexão máxima ((M_{máx.})) e deslocamento lateral ((u_x )). A equação diferencial de governo para uma pilha carregada lateralmente é:

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

onde:

• \(EI\): empilhe a rigidez flexural (Knam),
• \(k_h\): Módulo de subleito horizontal (kn/m³),
• \(q(z )\): Carga lateral distribuída (kn/m).

3. Metodologia

3.1. Estudo de caso: Túnel de utilidade em Taizhou, China

Um estudo de caso baseado em um projeto de túnel de utilidade em Taizhou, China, é usado para avaliar o desempenho da pilha de folhas de aço. A escavação, Localizado ao longo de uma margem do rio, tem uma profundidade de 5 a 8 m e está situado em uma área de solo macia rica em água com um alto lençol de água subterrânea (2.5 m abaixo da superfície). O perfil do solo consiste em argila siltada, lodo arenoso, e camadas de argila macia.

• Especificações da pilha: Pilhas de chapas de aço IV Larsen, 400 mm de largura, 12 mm de espessura.
• Reforço: Purlins de aço em forma de H. (400 × 400 × 13 × 21 milímetros) e suportes de tubo de aço.
• Monitoramento: Deslocamentos horizontais e verticais no topo da pilha, forças axiais em suportes.

3.2. Modelagem de elementos finitos

A escavação foi modelada usando o software Plaxis 2D e 3D Finite Element. O modelo de solo endurecendo com pequena rigidez de tensão (HSS) foi adotado para simular o comportamento do solo, Contabilização da rigidez dependente de tensão. Parâmetros de entrada -chave incluídos:

• Peso da unidade do solo: 18–20 kN/m³,
• Coesão: 10–30 KPa,
• Ângulo de atrito: 20–30 °,
• Módulo de Young: 5–20 MPA.

As estacas de folha de aço foram modeladas como elementos elásticos lineares com um módulo de elasticidade (\(E )) de 210 GPA e um momento de inércia (\(I\)) com base na seção transversal da pilha.

3.3. Análise numérica

A análise focada em:

1. Deslocamento lateral: Deslocamento horizontal máximo (\(u_x\)) no topo da pilha.
2. Momento de flexão: Momento de flexão máxima (\(M_{máx.}\)) ao longo da pilha.
3. Forças de suporte: Forças axiais em suportes de aço.
4. Povoado: Assentamento de superfície atrás da parede da pilha.

Simulações foram realizadas para três condições do solo:

• Caso a: Areia siltada (alta rigidez, \(\phi = 30^\circ\)),
• Caso B.: Argila macia (baixa rigidez, \(s_u = 20 kPa\)),
• Caso c: Camadas mistas (argila siltada sobre lodo arenoso).

4. Resultados e Discussão

4.1. Deslocamento lateral

O deslocamento lateral máximo (\(u_x\)) variou significativamente com as condições do solo:

• Caso a (Areia siltada): \(u_x = 25 \texto{ milímetros}\), dentro dos limites permitidos (\(u_{todos} = 39 \texto{ milímetros}\)).
• Caso B. (Argila macia): \(u_x = 62.4 \texto{ milímetros}\), exceder os limites permitidos, indicando instabilidade potencial.
• Caso c (Camadas mistas): \(u_x = 40 \texto{ milímetros}\), marginalmente aceitável.

O maior deslocamento na argila macia é atribuído à menor rigidez do solo e maior pressão de água subterrânea. A análise da curva P-Y confirmou o comportamento de suavização de tensão em argila, com um pico de resistência de \(p_u = 7.5 s_u = 150 \texto{ KPA}\).

4.2. Momento de flexão

O momento de flexão máxima (\(M_{máx.}\)) foi calculado como:

• Caso a: 180 knm/m,
• Caso B.: 223.8 knm/m,
• Caso c: 200 knm/m.

O momento de flexão mais alto em argila macia reflete o aumento da carga lateral devido à baixa resistência passiva. A seção da pilha foi redimensionada no caso B para atender aos critérios de desempenho, aumentando o módulo de seção por 20%.

4.3. Forças de suporte

Forças axiais em suportes eram:

• Caso a: 50–100 kN,
• Caso B.: 22.51–121,91 kN,
• Caso c: 70–110 kN.

As forças mais altas no caso B indicam maior dependência de órtese interno para manter a estabilidade em solo macio.

4.4. Assentamento de superfície

Assentamento de superfície atrás da parede da pilha estava:

• Caso a: 15 milímetros,
• Caso B.: 117 milímetros,
• Caso c: 50 milímetros.

O acordo excessivo no caso B destaca a necessidade de reforço adicional, como estabilização do solo ou incorporação mais profunda.

4.5. Comparações numéricas

Um estudo paramétrico comparado cantilever, único ancoradou, e sistemas de pilha de ancoradouros:

• Cantilever: \(u_x = 70 \texto{ milímetros}\), \(M_{máx.} = 250 \texto{ knm/m}\),
• Único ancoradou: \(u_x = 40 \texto{ milímetros}\), \(M_{máx.} = 200 \texto{ knm/m}\),
• Dupla ancoradou: \(u_x = 25 \texto{ milímetros}\), \(M_{máx.} = 180 \texto{ knm/m}\).

O sistema de ancorado duplo proporcionou o melhor desempenho, reduzindo o deslocamento por 64% e momento dobrado por 28% comparado ao sistema cantilever.

5. Análise científica

5.1. Interação da pilha de solo

A análise da curva P-Y revelou que o comportamento passivo da pilha em argila macia exibe suavização de tensão, com um relacionamento hiperbólico p-Δ:

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

onde \(a\) e \(b\): Parâmetros de ajuste da curva, e \(\delta\): Deslocamento relativo da pilha do solo.

A última resistência ao solo (\(p_u = 7.5 s_u\)) foi validado através de dados de campo, mostrando contrato dentro 5% de previsões numéricas.

5.2. Efeito da profundidade da escavação

Aumentando a profundidade de escavação de 5 m para 8 M aumentou \(u_x\) por 50% e \(M_{máx.}\) por 30%. A relação entre profundidade de escavação (\(H\)) e o deslocamento é aproximado como:

\[ u_x \propto H^{1.5} \]

Esse aumento não linear ressalta a necessidade de incorporação mais profunda ou suporte adicional para escavações mais profundas.

5.3. Influência das águas subterrâneas

A pressão hidrostática aumentou a carga lateral em 20 a 30% em solos ricos em água. Desidratação reduzida \(u_x\) por 15% e \(M_{máx.}\) por 10%, mas exigia uma gestão cuidadosa para evitar perturbar o regime hidrológico.

6. Recomendações de projeto

Com base na análise, As seguintes recomendações são propostas:

1. Seleção de pilha: Use estacas de folha de aço de alta resistência (por exemplo., IV Larsen) com módulo de seção suficiente para resistir a momentos de flexão em solos moles.
2. Ancoragem: Adote sistemas de ancoradouro duplo para escavações mais profundas do que 5 m para minimizar momentos de deslocamento e flexão.
3. Estabilização do solo: Implementar estacas profundas de mistura de solo ou rejunte de jato em argila macia para melhorar a rigidez do solo e reduzir a assentamento.
4. Monitoramento: Instale os inclinômetros e sensores geodéticos para monitorar o deslocamento da pilha e as forças de suporte em tempo real.
5. Desidratação: Use desidratação controlada para reduzir a pressão hidrostática, com monitoramento para evitar o rebaixamento excessivo das águas subterrâneas.

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