论文题目：垂直顶升法顶升力研究
摘要：随着我国经济快速增长,沿海地区大型火力发电厂、核电厂等取排水工程也随之增加,不仅如此,城市管廊等地下工程建设往往会遇到通风及检修竖井等诸多施工问题,此背景下,垂直顶升法因其工期短、对环境影响小及效益高等优点被广泛应用。由于垂直顶升是上覆土厚度逐渐减小的过程,施工过程的顶升力是动态变化的,顶升力的动态控制是垂直顶升法施工的关键要素,然而目前对顶升力的计算以及顶升力的动态变化规律的研究较少。本文推导了顶升力计算的理论公式,设计制作了垂直顶升模型试验装置,采用Abaqus软件进行三维有限元模型分析,并结合北海市取排水工程进行了相互验证和验算,结果较为理想。本文主要研究成果及创新点如下:（1）建立了一套完整的理论计算方法,选取实际工程案例进行验算,并与目前常用的经验算法和规范推荐的计算方法结果进行对比,本文理论计算结果与工程实测值在趋势和数值上较为吻合,特别是对工程最为关注的最大顶升力数值上,验证了本文理论公式的合理性;规范推荐的经验算法所计算顶升力数值明显偏小,尚需进一步完善;理论上分析了总顶升力的组成,并研究各组成部分对总顶升力的影响。（2）设计制作了一套垂直顶升模型装置,改变覆土高度和加水条件,得到顶升过程试验实测数据,与本文理论计算结果进行对比,进一步验证本文推导公式的准确;并得到顶升过程地表位移数据,发现地表整体位移呈现中心高两边低的正态分布,距立管中心2D（D为立管外径）以外,地表位移无变化;在不加水条件下立管中心处地表位移随顶升过程呈抛物线式增长,加水条件下呈S型增长。（3）基于室内模型试验条件,采用Abaqus软件中的CEL（耦合欧拉-拉格朗日）技术,得到模拟顶升力随顶升距离变化曲线,并将模拟结果与试验实测数据和理论值对比,验证CEL技术的合理性。（4）采用CEL技术建立了立管垂直顶升过程的三维有限元模型,得到顶升力随顶升距离变化曲线,考虑顶升速度、立管半径以及土质条件因素,分别探讨各自对顶升力的影响规律,特别是对最大顶升力进行了影响分析。结果表明,在上述6个影响参数中,对最大顶力的影响程度按由大到小排序,依次为立管外径、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、顶升速度和泊松比。此外,建议数值分析的顶升速度取0.2m/s。
关键词：垂直顶升法;顶升力;室内模型试验;数值模拟;耦合欧拉-拉格朗日法;最大顶升力
学科专业：工程硕士（专业学位）
致谢
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 垂直顶升法顶升力研究现状
1.2.1 顶升力理论研究
1.2.2 水平隧道变形研究
1.3 相似工法的理论性研究
1.3.1 静压桩压桩力理论分析方法研究
1.3.2 水平顶管法顶推力理论性研究
1.3.3 竖向顶管法与朝上盾构掘进法
1.4 本文主要研究内容与技术路线
第二章 垂直顶升法顶升力理论公式推导
2.1 引言
2.2 球孔扩张理论公式简介
2.2.1 基本假定
2.2.2 基本方程
2.2.3 塑性区解答
2.2.4 塑性区半径R_i的确定
2.3 球孔扩张-滑动摩擦模型顶升力理论公式推导
2.3.1 球孔扩张-滑动模型迎面阻力F_(yb)
2.3.2 管土间摩擦力F_f
2.3.3 立管自重G_p
2.3.4 球孔扩张-滑动摩擦模型总顶升力
2.4 剪切破坏线-滑动摩擦模型顶升力理论公式推导
2.4.1 剪切破坏线模型迎面阻力F_(ys)
2.4.2 剪切破坏线-滑动摩擦模型总顶升力
2.5 垂直顶升法顶升力取值
2.6 北海铁山港区顶管隧道内垂直顶升工程案例
2.6.1 工程概况
2.6.2 立管顶升力实测数据
2.6.3 顶升力结果对比分析
2.6.4 理论公式计算法各组成部分影响分析
2.7 本章小结
第三章 垂直顶升法模型试验
3.1 引言
3.2 试验装置
3.2.1 相似比
3.2.2 试验装置系统
3.3 试验用砂
3.4 试验方案
3.4.1 试验目的
3.4.2 试验简化处理
3.4.3 试验过程
3.4.4 试验工况
3.5 模型试验标准工况结果分析
3.5.1 实测顶升力
3.5.2 迎面土压力
3.5.3 理论顶升力与实测顶升力对比
3.5.4 地表位移
3.6 改变不同工况对垂直顶升的影响
3.6.1 覆土高度垂直顶升的影响
3.6.2 加水条件下对垂直顶升的影响
3.7 本章小结
第四章 垂直顶升法数值模拟研究
4.1 引言
4.2 CEL法简介
4.3 垂直顶升法数值模拟的几个问题
4.3.1 初始地应力场平衡
4.3.2 土体破坏屈服强度准则
4.3.3 管土接触
4.3.4 加载幅值
4.4 基于模型实验的CEL有限元分析
4.4.1 立管、土体尺寸
4.4.2 材料参数设置
4.4.3 分析步及边界条件设置
4.4.4 网格划分
4.4.5 结果分析
4.5 实际工况垂直顶升法模拟分析
4.5.1 标准工况简介
4.5.2 标准工况下垂直顶升法分析
4.5.3 顶升速度对顶升力的影响
4.5.4 立管半径对垂直顶升法的影响
4.5.5 不同土质条件对垂直顶升法的影响
4.6 本章小结
第五章 结论与展望
5.1 本文主要成果与结论
5.2 进一步的研究展望
参考文献