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钢管顶管设计
设计参数
1.工程概况
包头某输水工程,某段顶管采用直线顶管法施工,管道内径为1600mm钢管,顶进长度为200m。土层物理力学性质参数见表。
土层物理力学性质参数表
层序
土层名称
土的重度rsi
kg/m3
变形模量
Ed(Mpa)
直剪固快实验强度
C(kpa)
φ?
?
粉土
17.1
0
34
?
湿陷性粉土
17.9
10.5
24.9
25.4
?
砾砂
18.7
34.8
0
41
④
粉土
21.8
19.2
18
26
注:地质勘察报告中,一般提供土的压缩模量E,而规程中,要求提供管侧原状土的变形模量—般Ed,一般取Ed=2ES。
2.设计参数
钢管内径:D=1600mm,钢管设计壁厚:t=15mm,钢管计算壁厚:
t0=t-2=13mm;
钢管中心直径:D0=D+t=1615mm;
钢管外径:D1=D+2t=1600+2x15
=1630mm;
管道计算直径:d0=D+t0=1613mm,
管道计算半径:r0=d0/2=806.5mm;
管道至原状地面的埋置深度:Hs=18m;
二、强度计算
管道环向截面受力计算
管道荷载计算
(1)单位长度钢管结构自重标准值
G1k=γ?π?D0?t=78.5×π×1.615×0.015
=5.97kN/m
(2)管道竖向土压力计算标准值F
管顶土的加权内摩擦角:
=34×1.2+25.4×4+41×6.3+26×6.518=31.65°;
管顶土的加权内聚力:
c=0×1.2+24.9×4+0×6.3+18×6.518=12.03kPa
为方便计算,以下以加权重度进行计算,管顶土的加权重度:
γs=17.1×1.2+17.9×4+18.7×6.3+21.8×6.518=19.54KN/m
管顶土的自重应力:=γs1?Hs=19.54
顶管土的折算内摩擦角(采用朗肯土压力理论按抗剪强度相等的原则进行换算):φ=2×
=37.64°
管顶影响宽度:
=1.630×
=2.43m;
管道穿越土层为④层粉土,查《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246:2008,以下简称规程)按一般黏性土取值:Kα?μ=0.13;
顶管竖向土压力系数:
?j=
竖向土荷载:
Fsv?k2=γs1?0.215?
F
=77.06kN/
Fsv?k=Fsv?k2+
(3)管内满水重标准值Gwk
Gwk=
(4)管道内水压力标准值:
管道工作压力标准值:Fwk=0.45
管道设计水压力标准值:Fwd,k=
(5)管道外水压力标准值(按最低地下水位计算):Fww,k
(6)地面荷载Qik
由于管道埋深较深,不考虑管顶地面荷载(车辆荷载和地面堆积荷载)。
2.管道内力计算
(1)管道截面弯矩计算
根据规程,管道的土弧基础中心角取120°,查规程附录A柔性管道在各种荷载作用下的最大弯矩系数:
管道自重:kgm
竖向土压力:kvm
管道水重:kwm
弯矩折减系数:有内压时φ=0.7;无内压时φ=1.0
钢管钢材的弹性模量:Ep
钢管管侧原状土的变形模量:Ed
工况一:空管期间
M1
=1.0×
=1.11kN?m
工况二:管内满水、无内水压期间
M2=φ?
=1.0×
=1.20kN?m
工况三:使用期间、管内满水有水压
M3=φ?
=0.7
=0.84kN?
(2)管道截面轴力计算(拉力为正,压力为负)
可变作用荷载系数:φc
管道设计水压力下的截面轴力(拉力):
N1=φc·γQ·Fwd,k·r0
管道外水压力下的截面轴力(压力):
N2=-φc·γQ·Fww,k·r0
3.管道截面应力计算
(1)管道截面最大环向应力计算:
工况一:σθ1=6M1b0?
工况二:σθ2=6M2b0?t
工况三:σθ3=N1+N2b0?t
(2)管道截面最大纵向应力计算:
管道闭合温差:△T=20℃
假定管道出现偏差的最小距离:L1
查规程第13.2.1条,表13.2.1顶管管道顶进允许偏差,假定管道顶进允许的偏差:f1=100
钢管顶进施工变形形成的曲率半径:
R1=f12+(L1
钢管管材线膨胀系数:α=1.0×
钢管管材的泊松比:νP=
工况一:σθ1=39.41N/mm2(空管计算工况不急温差引起的管道变形)
σX11=νP?σθ1+0.5?
σX12=νP?σθ1-0.
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