Experimental and analytical investigation on friction resistance force between buried coated pressurized steel pipes and soil

This paper presents an analytical approach for estimating frictional resistance to pipe movement at soil and external pipe surface of buried coated pressurized steel pipes relative to the internal thrust force.The proposed analytical method was developed based on 36 experiments,which involved three coating types(cement mortar(CM),polyurethane type-I(PT-I),prefabricated plastic tape(PPT))on pipes’surfaces,three different soils(pea-gravel(PG),sand(S),silty-clay(SC)),and four simulated over burden depths above the pipe’s crown.Investigation showed frictional resistance decreased with increasing over burden depth above the pipe’s crown.The degree of frictional resistance at the pipe-soil interface was found to be in the order of PG>SC>S for all coating variations and overburden depths.CM coated pipe buried in all three types of soil produced significantly higher frictional resistance as compared to other coating types.Based on experimental data,the developed analytical introduced a dimensionless factor“Z”,which included effects of types of coatings,soil,and overburden depths for simplified rapid calculation.Analysis showed that the method provided a better prediction of frictional resistance forces,in comparison to previous analytical methods,which were barely close in predicting friction resistance for different coating variations,soil types,and overburden depths.Friction resistance force values reported herein could be considered conservative.

Study on the pipe friction resistance in long-distance rock pipe jacking engineering

Previous studies on pipe friction resistance are mainly concentrated in the soil layer,whereas the study on that in the rock stratum is limited.To estimate the pipe friction resistance in the rock stratum,the calculation models of pipe friction resistance and their applica-tion conditions were compared first.Then the friction resistance calculation model for pipe jacking in the rock stratum was established and simplified.Lastly,the measured(FM)and the computed(FN)pipe friction resistance was compared to validate the simplified friction resistance calculation model.The following conclusions can be drawn:(1)The existing calculation methods of pipe friction resistance can be well verified in the soil layer but cannot be applied in the rock stratum.(2)Sediment,pipe–rock friction coefficient and mud buoyancy are the main factors affecting the pipe friction resistance in long-distance rock pipe jacking engineering.(3)The simplified calculation model established by Deng et al.can estimate the pipe friction resistance in different rock strata at different jacking stages with satisfac-tory outcomes.Further research on the pipe-rock friction coefficient in different rock strata with different pipe–rock contact conditions merits further investigation to better predict the pipe friction resistance in the rock stratum.The research results have certain practica-bility and can provide a reference for similar projects.

海上风电大直径超长钢管桩竖向承载特性现场试验研究

钢管桩是海上风电工程最主要的基础型式,但针对海上大直径超长钢管桩竖向承载力问题的研究却相对较少。结合广东汕头海上风电工程,进行了海上大直径超长钢管桩竖向承载力特性的现场试验研究,对比了桩底沉降和桩顶沉降随上部荷载的变化特点,分析了桩身侧摩阻力和桩端阻力随上部荷载的变化规律,并依据试验结果对大直径超长钢管桩极限承载力判定方法进行了探讨。试验结果表明:大直径超长钢管桩桩身变形较大,利用桩底沉降随荷载的变化曲线更容易对现场加载量进行控制和调整,也更容易对承载力的极限状态进行判断;大直径超长钢管桩端阻力随桩顶荷载的变化曲线呈“S”形;现行规范中采用Q/Qmax-s/d曲线斜率开始转变为0.2的点所对应的荷载作为极限承载力,将过高的估计大直径超长钢管桩的竖向抗压极限承载力。

复杂岩溶地层大口径DRCP顶管施工试验研究

复杂岩溶地层中大口径顶进施工法用钢筋混凝土管(DRCP)顶进施工过程中的最大顶力值,是顶管施工中最关键的施工控制指标,决定了顶管施工的效率。为了研究复杂岩溶地层大口径DRCP顶进过程中的总顶力变化规律,建立了DRCP顶进过程力平衡模型,并基于贵阳市“汪家大井”水源应急工程的管道工程,开展了岩溶地层中DRCP顶进过程原位试验,对顶管施工过程中的顶管顶力进行实时监测和分析。结果表明:DRCP顶进过程主要分为切削力平衡阶段、顶力渐变平衡阶段和摩阻力平衡阶段;对于岩溶地区的燧石灰岩、灰岩和砂质页岩,采用泥浆减阻的DRCP的平均摩阻力fk分别为:6.06,5.81,3.78 kN/m^(2),在顶管设计和顶进施工的顶力控制中,可以将其乘以安全系数,作为类似顶管工程的取值参考;触变泥浆减阻DRCP在不同岩体顶进过程中的顶进阻力不同,岩石越坚硬,DRCP受到的平均切削力、平均摩阻力和综合摩擦系数越大。提出的复杂岩溶地层大口径DRCP顶力计算方法,对于明晰DRCP顶进施工控制指标,保障施工安全和进度具有重要意义。

溶聚丁苯橡胶/天然橡胶并用胶的性能研究

研究不同苯乙烯基和乙烯基含量的溶聚丁苯橡胶(SSBR)/天然橡胶(NR)并用胶的相容性、物理性能、动态性能和干地摩擦性能等。结果表明:中高苯乙烯基含量的SSBR与NR并用后,胶料的门尼粘度减小,硫化速率增大,加工性能提高,硫化胶的压缩生热降低,耐低温性能提高,但抗湿滑性能降低;随着SSBR与NR的溶解度参数差值的增大,SSBR与NR的相容性降低,SSBR/NR硫化胶的玻璃化转变温度变化率呈减小趋势;随着SSBR与NR的相容性提高,分散相NR对SSBR/NR硫化胶性能的影响程度增大,有利于降低硫化胶的压缩生热,提高耐磨性能,但硫化胶的干地摩擦因数明显减小。

考虑管-浆-土接触状态的顶力计算方法

众多工程的顶管顶力估算值一般按照规范经验公式计算,而经验公式只考虑管道悬浮状态下的管浆摩阻力,没有考虑管土和管浆的接触状态,导致顶力估算值与实测值差异较大。为解决这一问题,在研究注浆减阻作用机理及管土接触模型理论的基础上,采用压力差的方法判断管-浆-土三者的接触状态,得到相应模型。再根据不同接触状态的受力分析,推导出相应顶力计算公式,并与规范公式、理论公式和实测顶力进行对比分析,结果与实测值结果相近,证明了本文公式预测顶力的准确性。最后根据实测顶力与顶程数据,得到管浆土平均摩阻力与顶程的变化关系,分析出顶管过程中管-浆-土接触状态的变化规律,为管-浆-土接触状态的顶力计算方法提供可靠依据。

地热水安全节能抽采泵管段摩擦阻力影响因素分析

为了分析地热水抽采过程中泵管段摩擦阻力的影响因素,确定地热水抽采安全高效节能的开采参数,建立了地热水抽采压力损失影响因素分析模型,分别测算了流量、流速、管径、管长等参数对压力损失的影响。研究结果表明:常规生产条件下,不同流量下的泵管段摩擦阻力随着泵管内径的增大均呈一致的降低趋势,最终逐渐逼近为零。摩擦阻力的大小与流量呈指数变化关系,随着流量的增大而增大,且增幅也随着流量的增大而增大。泵管长度合理是保障设备健康安全运行的前提,泵管内摩擦阻力的大小与泵管长度为线性关系,地热水所流经的泵管长度越长,摩擦阻力越大。根据研究成果推荐了不同型号的泵管最佳开采流量范围,对于现场实际生产时优选泵管型号、确定最佳生产参数、保障项目的安全节能生产运行具有较高的指导意义。

Experimental Determination of Local Resistance Coefficient of Sudden Expansion Tube

Theoretical derivation of local resistance coefficient of sudden expansion tube is presented. Several assumptions are analyzed in the theoretical derivation. That the head loss shall be neglected is affirmed. Experimental data proves that the pressure before and after sudden expansion section is basically the same. That the friction force on the side face of control body is neglected is denied and it is pointed out that such neglect is the main cause for error between theoretical calculation and actual measurement. Experimental device for measuring local resistance coefficient is designed in combination with theoretical derivation process. Optimal gradually varied flow section is selected after sudden expansion pipe in Bernoulli equation based on variation of piezometer tube head. It is pointed out in accordance with experimental data analysis that the value of local resistance coefficient of sudden expansion tube determined through experimental data is closer to the actual situation during pipeline design.

黏土中超大直径钢管桩内侧摩阻力研究

随着当前海上风电装机容量逐渐增加,超大直径钢管桩基础得到了广泛应用。桩径的增加改变了桩-土相互作用模式,现行规范中钢管桩内侧摩阻力计算方法的适用性有待商榷。通过离心模型试验,采用双壁板桩和管桩模型揭示了黏土中有限范围土压力与不同桩径的内侧摩阻力发挥规律;采用有限元数值分析方法,开展了内侧摩阻力发挥规律的影响因素分析,建立了钢管桩内侧摩阻力计算方法,并与离心机试验结果进行了对比验证。结果表明:随着桩径增大,桩内壁土压力增大,内侧摩阻力也随之增大,并沿桩深呈指数型分布,其发挥范围为距桩端5倍桩径以内;提出的钢管桩内壁侧摩阻力计算方法与离心机试验结果吻合良好。

耐高温内防腐涂层钢管的壁面减阻应用

分析了内涂层钢管节能减阻的影响因素,从实际应用案例出发计算壁面减阻效果,评价该涂层钢管的应用性能。结果表明:耐高温内防腐钢管内壁粗糙度显著降低,带有内壁涂层钢管的节能减阻效果较为显著。

长距离岩石顶管工程管节摩阻力研究

长距离岩石顶管工程中,管节底部沉渣会改变管-岩接触状态,常用于土层的管-土摩阻力计算模型不能真实反映长距离岩石顶管工程中管-岩动态接触状态。结合长距离岩石顶管中典型管-岩接触模型,系统分析了岩石地层管节摩阻力主要影响因素,并通过案例分析验证模型的适用性。结果表明:管节底部沉渣、泥浆浮力及管-岩摩擦系数是影响长距离岩石顶管工程管节摩阻力的主要因素;悬浮状态、顶部点接触状态及全接触状态能分别较好地反映管节在顶进初期、正常顶进及面临卡管风险极端情况下的管-岩接触状态;案例分析显示,提出的典型管-岩接触状态能较好地反映长距离岩石顶管在不同顶进阶段的摩阻力,具有一定的实用性,可为类似工程提供借鉴和参考。

大直径直线钢顶管管周受力特性数值模拟研究

钢顶管作为薄壁结构,受力时与土体变形协调,故现有规范在计算钢顶管土压力时存在缺陷。通过ABAQUS有限元软件分析了不同参数设置下钢顶管土压力和摩阻力的数值大小与分布情况,并提出钢顶管侧向土压力的修正系数。模拟结果表明:DN2000钢顶管在113 kPa的竖向土压力作用下,水平向变形可达管径7‰,产生水平土体附加抗力;钢顶管土压力值与管道径厚比、埋深比呈显著正相关,土体变形模量的增大限制了管侧土压力的增加;侧向土压力系数随管侧变形呈指数增长;单位长度管壁摩阻力随径厚比和埋深的增加而上升,而管侧土变形模量对摩阻力的影响几乎不计。

分仓注浆减阻方式在长距离顶管中的应用

某电力管廊工程采用顶管施工,最大顶进长度达445 m,如何降低顶力是实现无中继间一次顶进的关键。为减少摩阻力以降低顶力,在管节上增加钢筋环,加大管节与土体之间的间隙,形成厚泥浆套以降低摩阻力,并形成分区注浆机构,储蓄泥浆,保证减阻效果。分析顶进过程顶力、摩阻力及注浆压力的变化规律,得出结论:监测计算得出的最大顶力低于目标控制顶力,并相对理论总顶力降低了约33.42%;摩阻力大幅降低,使得大管径顶管在不采用中继间的情况下实现超长距离一次顶进;泥浆套厚度的增大需增加注浆效率和压力;增大注浆压力后,地面无冒浆和隆起现象,且周边沉降符合设计要求。

超长距离顶管顶力估算与中继间设置研究

对顶力估算及中继间设置在设计施工过程中的关键技术进行研究,分析实测顶力与估算顶力的对比情况、中继间设置及使用情况。以珠海某220 kV电缆线路穿越马骝洲水道顶管工程为例,该超长距离顶管单次顶进1022 m,使用2.2 m内径的钢筋混凝土管,穿越地层有黏土、淤泥质土、粗砂等。先按规范进行顶力估算及中继间设置,工程实施过程中实测顶力变化情况,获得估算顶力与实测顶力的对比曲线,反算出实测平均摩阻力的变化曲线。理论分析与工程监测结果对比表明:正常顶进条件下,全程平均摩阻力可以降低到1.5 kPa左右,但在停止顶进48 h后再次启动时,全程平均摩阻力急剧增加到4.1 kPa,实测总顶力接近估算顶力值,表明应用触变泥浆减阻、连续顶进时管浆管土部分接触是超长距离顶管的理想状态。综合分析认为,顶力控制是超长距离顶管成功的关键,并提出按地层分段进行平均摩阻力取值的建议,同时提出中继间配置方案。

Numerical investigation of frictional drag reduction with an air layer concept on the hull of a ship

A novel air bubble lubrication method using the winged air induction pipe (WAIP) device is used to reduce the frictional drag of the hull of the ship and hence increase the efficiency of the propulsion system. This bubble lubrication technique utilizes the negative pressure region above the upper surface of the hydrofoil as the ship moves forward to drive air to the skin of the hull. In the present study, the reduction rate of the drag by applying the WAIP device is numerically investigated with the open source toolbox OpenFOAM. The generated air layer and the bubbles are observed. The numerical results indicate that the reduction rate of the drag closely depends on the depth of the submergence of the hydrofoil, the angle of attack of the hydrofoil, and the pressure in the air inlet. It is also proportional to the air flow rate. The underlying physics of the fluid dynamics is explored.

土体力学特性下顶管施工横向荷载与摩擦阻力的响应性分析

研究顶管施工横向荷载与摩擦阻力的响应性对降低顶管施工中的受力损耗具有重要意义。为分析横向荷载下的土体扰动,文章基于力学特性对顶管作用土体稳定性进行宏观分区,结合具体工程实例,深入探究了土体在横向荷载扰动下的摩擦阻力变化,并建立横向荷载与摩擦阻力的响应性关联。结果表明:顶管施工的土体稳定性状态可分为摩擦阻力区和挤压扰动区;横向荷载随推进里程的增加而增大,挤压扰动区扰动状态加剧,形成较大摩擦阻力抑制顶管推进;熵值趋于稳定,横向荷载与摩擦阻力响应性存在阈值,可通过探究动态响应阈值降低顶管施工过程中受力损耗。

长距离顶管分级顶力控制方法研究

某电力管廊工程需进行超长距离顶管施工,对顶进过程顶力进行合理控制是保证工程顺利顶进的关键。采用理论计算与实际监测相结合的方法,进行超长距离顶管的分级顶力控制研究。详细介绍了顶力控制系统和分仓注浆减阻措施,重点研究了顶力的理论计算和变化趋势预测,并给出了分级顶力控制措施,最后验证了分级顶力控制技术的应用效果及适用性。研究结果表明,分级顶力预测结果与实测结果相符;通过采取分级顶力控制措施及分仓注浆减阻措施,实际顶力较理论顶力降低了约31.32%,并实现了无中继间超长距离一次顶进。研究结果可为类似顶管工程进行分级顶力控制提供参考。

煤矿井下离心式排水泵汽蚀现象数理分析及预防措施

离心式排水泵工作期间,泵叶轮入口处常出现汽蚀现象,导致泵体受到侵蚀,产生振动、噪声,造成水泵性能的下降。对离心式排水泵的汽蚀现象和形成机理进行数理分析,明确产生汽蚀现象的因素,确定汽蚀临界状态,阐述防范措施,从而进一步提高水泵运行安全可靠性,避免汽蚀现象的发生。

静压预应力混凝土管桩承载特性试验研究及分析

采用静载试验+应力应变检测相结合的方法,深入研究预应力混凝土管桩的工作状况,主要对试桩的荷载-沉降曲线、桩侧摩阻力性状及桩侧阻力-桩端阻力之间的关系等内容进行研究和分析,得出了静压桩的端阻力和侧阻力的变化规律,以及静压预应力混凝土管桩施工控制参数及质量控制要点。

超长距离钢顶管顶力设计探讨

在顶管工程设计中,超长距离顶管顶力设计多依据现行规范,但在工程实践中发现,按现行规范计算所得的顶力与施工中实测的顶力有一定偏差。以苏州阳澄湖地区某市政取水输水项目为例,结合工程中2686 m、1304 m等数段成功顶管案例,探讨了超长距离钢顶管顶力的设计,并与现行规范进行对比,提出规范中给出的采用触变泥浆减阻,管壁与土体平均摩阻力参考值的修改意见,对今后同类工程具有借鉴和指导意义。通过对目前顶管工程中摩阻力的调研,作为《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246:2008)中触变泥浆减阻管壁与土体的平均摩阻力的修编依据。