连接方式对高聚物防渗墙成槽杆稳定性影响

王颖丽，赵 鹏，潘艳辉，刘 超，王 瑾

（1.华北电力大学北京102206；2.郑州安源工程技术有限公司，河南 郑州 450016）

0 引言

高聚物超薄防渗墙技术是近年来发展起来的新型堤坝除险加固技术，具有对堤坝扰动小、施工便捷、经济环保等特点，其原理为采用静压成槽装备静压成槽、套孔搭接、同步提升注浆，形成连续的防渗墙体。目前对高聚物静压成槽设备中的成槽杆稳定性研究较少，成槽杆连接处是影响成槽杆稳定性的关键环节，若连接方式不当将会出现断杆或弯杆现象，从而引发成槽垂直度难以保证、防渗墙搭接不严和深度受限等问题。

1 评价指标

在仿真分析中采用成槽杆的最大变形量和最大等效应力判断其安全性，采用成槽杆的临界压力判断其稳定性。

等效应力的计算公式如下：

式中：σ1，σ2，σ3分别指第一、二、三主应力，［σs］为材料需用屈服应力，σs为材料屈服极限，ns为安全系数。

式中：μ为一阶模态载荷系数，F为压力，F0为临界压力。

2 成槽杆有限元分析

为了对比插稍型、锥形螺纹和平螺纹三种连接方式对成槽杆力学特性的影响，建立了三种连接方式成槽杆的三维有限元计算模型。计算模型中，成槽杆的总长度均为7.50 m，每节长度为1.50 m，直径为63.50 mm，材质为空心高强合金钢。成槽杆的密度为7 850 kg/m3，弹性模量200 GPa，泊松比0.30。有限元模型中设定相同接触方式、约束条件和荷载条件，单元类型为三维二十结点单元（Solid186）。接触：摩擦接触，摩擦系数f=0.20，过盈量设置为0.05 mm；约束条件：对成槽杆下端进行固定约束；载荷条件：成槽杆上端加载竖直方向压力F=100 kN。

2.1 插稍型成槽杆

插稍型成槽杆的三维几何模型图（略），单元个数为12 624，结点个数为63 492。插稍型成槽杆的X、Y、Z三个方向变形云图和等效应力云图（略）。分析云图可见，插稍型成槽杆的X 方向最大变形量为3.77×103mm，Y 方向最大变形量为0.68 mm，Z方向最大变形量为6 350 mm；插稍型成槽杆的最大等效应力为153.13 MPa。

在进行屈曲分析时，临界压力只需根据第一阶模态的载荷系数值确定。Y方向施加荷载为100 kN，第一阶模态的载荷系数值μ为0.67，临界压力可由下式计算：F0=μF（3）

因此，插稍型成槽杆的临界压力为67.08 kN。

2.2 锥形螺纹型成槽杆

锥形螺纹型成槽杆的三维几何模型图（略），单元个数为9 716，结点个数为62 376。锥形螺纹型成槽杆的X、Y、Z 三个不同方向变形云图和等效应力云图（略）。分析云图可见，锥形螺纹型成槽杆的X方向最大变形量为4 040 mm，Y方向最大变形量为0.95 mm，Z方向最大变形量为2 310 mm；锥形螺纹型成槽杆的最大等效应力为52.13 MPa。

在进行屈曲分析时，临界压力只需根据第一阶模态的载荷系数值确定。Y方向施加荷载为100 kN，第一阶模态的载荷系数值μ为0.78，临界压力可由下式计算：F0=μF（4）

因此，插稍型成槽杆的临界压力为77.51 kN。

2.3 平螺纹型成槽杆有限元析

平螺纹型成槽杆的三维几何模型如图1所示，单元个数为9 716，结点个数为62 376。平螺纹型成槽杆的X、Y、Z三个不同方向变形云图和等效应力云见图2。由图2（a）-（c）可见，平螺纹型成槽杆的X方向最大变形量为4 410 mm，Y方向最大变形量为0.95 mm，Z方向最大变形量为2 310 mm；图2（d）等效应力云图显示，平螺纹型成槽杆成槽杆的最大应力为52.04 MPa。

图1 平螺纹型成槽杆三维模型图

图2 平螺纹型成槽杆变形云图和等效应力云图

在进行屈曲分析时，临界压力只需根据第一阶模态的载荷系数值确定。Y方向施加荷载为100 kN，第一阶模态的载荷系数值μ为0.78，临界压力可由下式计算：F0=μF（5）

因此，插稍型成槽杆的临界压力为77.51 kN。

3 不同连接方式对比分析

不同连接方式成槽杆的最大变形、最大等效应力、临界荷载计算结果见表1。

表1 变形、等效应力、临界荷载对比表

由X 方向最大变形值可见，插稍型成槽杆最大变形量最小，锥形螺纹成槽杆和平螺纹成槽杆最大变形量接近；由Y 方向最大变形值可见，插稍型最大变形量最小，锥形螺纹和平螺纹最大变形量较接近。由Z方向最大变形值可见，插稍型变形量最大，锥形螺纹和平螺纹最大变形量较接近。三种连接方式的成槽杆的最大变形值均为超过1 mm，变形量较小。

等效应力结果显示，插稍型成槽杆的最大等效应力大于锥形螺纹和平螺纹成槽杆的最大等效应力，平螺纹型成槽杆的最大等效应力最小。因此，在同等情况下平螺纹型成槽杆安全性高于锥形螺纹和插稍型成槽杆，不易发生断杆。

屈曲分析得出，在同等情况下插稍型成槽杆的临界荷载最小，锥形螺纹和平螺纹型成槽杆的临界荷载均高于插稍型，平螺纹型成槽杆的临界平螺纹型成槽杆最大。因此，平螺纹型成槽杆稳定性强，不易发生失稳。从变形、等效应力及临界荷载等因素分析，平螺纹型成槽杆安全及稳定性均优于插稍型成槽杆和锥形螺纹成槽杆，因此成槽杆应采用平螺纹方式连接。

4 工程应用

根据上节分析结果，试制了平螺纹型成槽杆，在黄河中下游段赵口闸堤防开展了高聚物柔性防渗墙修复加固技术的示范应用，以验证成槽杆连接方式选取的正确性。

经示范工程验证，空心设计63.50 mm 合金高强钢材质的平螺纹型成槽杆具有稳定性好、可操作性强、受力好等优点。平螺纹型成槽杆连接紧密，成槽过程中未出现断杆、弯杆、槽杆脱落等情况，保证了垂直成孔，防渗墙体连续性强。

5 结论

针对柔性高聚防渗墙装备成槽杆的连接方式开展了数值模拟，建立了插稍型、锥形螺纹和平螺纹连接方式的成槽杆有限元计算模型，进行了不同连接方式成槽杆的静力学及屈曲分析，采用最大等效应力、变形量和临界压力等因素判断成槽杆的安全及稳定性。三种连接方式的成槽杆的最大变形值均未超过1 mm，变形量较小；插稍型成槽杆的最大等效应力大于锥形螺纹和平螺纹成槽杆的最大等效应力，平螺纹型成槽杆的最大等效应力最小；插稍型成槽杆的临界荷载最小，平螺纹型成槽杆的临界荷载最大。平螺纹型成槽杆安全及稳定性均优于插稍型成槽杆和锥形螺纹成槽杆，不易发生断杆和失稳，成槽杆应采用平螺纹方式连接，该连接方式的成槽杆通过了实际工程的检验。研究结果为合理选取成槽杆的连接方式提供了理论基础，具有一定的推广应用价值。