适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法及装置转让专利
申请号 : CN202210781022.0
文献号 : CN114840951B
文献日 : 2022-09-20
发明人 : 董顺 , 张晓萌 , 温栋
申请人 : 中国长江三峡集团有限公司
摘要 :
本发明公开了一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法及装置，该方法包括：获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量；根据管道设计参数以及土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；根据土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力。通过实施本发明，采用离散元方法对管顶覆土移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和宽度。由此，管顶竖向土压力计算结合了理论分析和离散元数值模拟，更符合工程实际情况，计算结果的准确性较现有理论公式或方法有明显提高。
权利要求 :
1.一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，其特征在于，包括：获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量；
根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；
根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力；
获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量，包括：对不开槽顶管施工区域等间距取样，获取土样宏观参数；
根据土样宏观参数计算第一土体宏观参数；
将土样混合筛分后获取第二土体宏观参数；
根据不开槽顶管施工区域对应的顶管机相关参数计算顶管机的超挖量；
根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度，包括：根据所述第一土体宏观参数通过数值试验确定土颗粒的细观参数；
根据所述第二土体宏观参数和土颗粒的细观参数生成土颗粒集合体，所述土颗粒集合体中土颗粒间的不平衡力通过离散元迭代计算消除；
基于超挖量和管道直径建立管道模型，将土颗粒的速度场和位移场归零，通过离散元迭代计算模拟由超挖量引起的土体移动过程，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；
所述不开槽顶管施工管顶竖向土压力采用如下公式计算：式中， 表示管顶竖向土压力，B表示剪切带平均宽度，表示摩擦角，c表示粘聚力，表示容重，h表示剪切带发展高度，H表示管道埋深。
2.根据权利要求1所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，其特征在于，所述第一土体宏观参数包括：容重、密度、孔隙率、粘聚力、摩擦角和压缩模量；
所述第二土体宏观参数包括：土体的平均粒径和土体颗粒级配曲线。
3.根据权利要求1所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，其特征在于，所述剪切带平均宽度由管顶移动土体截面面积和剪切带发展高度的比值确定。
4.根据权利要求1所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，其特征在于，根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力，包括：在极限平衡假设条件下，根据土体抗剪强度线和应力莫尔圆的几何关系推导考虑土体粘聚力及剪切带上主应力旋转时的侧向土压力系数；
基于剪切带发展高度和管道埋深计算附加土荷载；
对不开槽顶管施工管顶上方的微单元土体进行静力平衡分析，基于所述侧向土压力系数和所述附加土荷载推导不开槽顶管施工管顶竖向土压力计算公式；
将土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度代入所述管顶竖向土压力计算公式对不开槽顶管施工管顶竖向土压力进行计算。
5.一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算装置，其特征在于，包括：参数获取模块，用于获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量；
模拟模块，用于根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；
计算模块，用于根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力；
获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量，包括：对不开槽顶管施工区域等间距取样，获取土样宏观参数；
根据土样宏观参数计算第一土体宏观参数；
将土样混合筛分后获取第二土体宏观参数；
根据不开槽顶管施工区域对应的顶管机相关参数计算顶管机的超挖量；
根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度，包括：根据所述第一土体宏观参数通过数值试验确定土颗粒的细观参数；
根据所述第二土体宏观参数和土颗粒的细观参数生成土颗粒集合体，所述土颗粒集合体中土颗粒间的不平衡力通过离散元迭代计算消除；
基于超挖量和管道直径建立管道模型，将土颗粒的速度场和位移场归零，通过离散元迭代计算模拟由超挖量引起的土体移动过程，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；
所述不开槽顶管施工管顶竖向土压力采用如下公式计算：式中， 表示管顶竖向土压力，B表示剪切带平均宽度，表示摩擦角，c表示粘聚力，表示容重，h表示剪切带发展高度，H表示管道埋深。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求1‑4任一项所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1‑4任一项所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法。
说明书 :
适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及非开挖管道安装与铺设技术领域，具体涉及一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法及装置。
背景技术
[0002] 随着环保意识的逐步提高、城市施工空间的限制及传统开挖施工对路面交通的严重影响，非开挖技术（即不开槽顶管施工方法）已经逐渐取代传统开槽施工，成为我国城市管网建设的首选施工技术。
[0003] 采用此种施工方法时，埋地管道管顶竖向土压力是工程设计的主要依据。因此，准确计算埋地管道的管顶竖向土压力对于工程实践具有重大现实意义。目前，针对不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算理论公式或方法不符合工程实际情况且所得结果与工程实践中的实测值存在较大差异。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明实施例提供了涉及一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法及装置，以解决现有技术中针对不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算理论公式或方法计算不准确的技术问题。
[0005] 本发明提出的技术方案如下：
[0006] 本发明实施例第一方面提供一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，包括：获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量；根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力。
[0007] 可选地，获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量，包括：对不开槽顶管施工区域等间距取样，获取土样宏观参数；根据土样宏观参数计算第一土体宏观参数；将土样混合筛分后获取第二土体宏观参数；根据不开槽顶管施工区域对应的顶管机相关参数计算顶管机的超挖量。
[0008] 可选地，所述第一土体宏观参数包括：容重、密度、孔隙率、粘聚力、摩擦角和压缩模量；所述第二土体宏观参数包括：土体的平均粒径和土体颗粒级配曲线。
[0009] 可选地，根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度，包括：根据所述第一土体宏观参数通过数值试验确定土颗粒的细观参数；根据所述第二土体宏观参数和土颗粒的细观参数生成土颗粒集合体，所述土颗粒集合体中土颗粒间的不平衡力通过离散元迭代计算消除；基于超挖量和管道直径建立管道模型，将土颗粒的速度场和位移场归零， 通过离散元迭代计算模拟由超挖量引起的土体移动过程，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度。
[0010] 可选地，所述剪切带平均宽度由管顶移动土体截面面积和剪切带发展高度的比值确定。
[0011] 可选地，根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力，包括：在极限平衡假设条件下，根据土体抗剪强度线和应力莫尔圆的关系推导考虑土体粘聚力及剪切带上主应力旋转时的侧向土压力系数；基于剪切带发展高度和管道埋深计算附加土荷载；对不开槽顶管施工管顶上方的微单元土体进行静力平衡分析，基于所述侧向土压力系数和所述附加土荷载推导不开槽顶管施工管顶竖向土压力计算公式；将土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度代入所述管顶竖向土压力计算公式对不开槽顶管施工管顶竖向土压力进行计算。
[0012] 可选地，所述不开槽顶管施工管顶竖向土压力采用如下公式计算：
[0013]
[0014] 式中， 表示管顶竖向土压力，B表示剪切带平均宽度， 表示摩擦角，c表示粘聚力， 表示容重，h表示剪切带发展高度，H表示管道埋深。
[0015] 本发明实施例第二方面提供一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算装置，包括：参数获取模块，用于获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量；模拟模块，用于根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；计算模块，用于根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力。
[0016] 本发明实施例第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法。
[0017] 本发明实施例第四方面提供一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法。
[0018] 本发明提供的技术方案，具有如下效果：
[0019] 本发明实施例提供的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法、装置及存储介质，通过获取土体的主要宏观参数，进而采用离散元方法对管顶覆土移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和宽度。本发明所提出的管顶竖向土压力计算方法结合了离散元数值模拟，更符合工程实际情况，计算结果的准确性较现有理论公式或方法有明显提高，可为顶管施工参数确定以及管材壁厚计算提供更加科学合理的依据。
[0020] 本发明实施例提供的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，不仅通过离散元数值模拟准确获得管顶剪切带的发展高度和平均宽度，而且还进一步考虑了土体粘聚力以及由于管顶移动土体和静止土体间摩擦阻力的存在而导致的主应力旋转对侧向土压力系数的影响，更符合工程实际情况。由此，该方法采用理论分析和离散元数值模拟相结合的方式对不开槽顶管施工管顶竖向土压力进行计算，计算结果的准确性较现有理论公式或方法有明显提高。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1是根据本发明实施例的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法的流程图；
[0023] 图2是根据本发明另一实施例的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法的流程图；
[0024] 图3是根据本发明另一实施例的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法的流程图；
[0025] 图4是根据本发明实施例的管顶上覆土体的莫尔应力圆示意图；
[0026] 图5是根据本发明实施例的管顶上方微分单元受力分析示意图；
[0027] 图6是根据本发明实施例的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算装置的结构框图；
[0028] 图7是根据本发明实施例提供的计算机可读存储介质的结构示意图；
[0029] 图8是根据本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0030] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0031] 本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0032] 根据本发明实施例，提供了一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0033] 在本实施例中提供了一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，可用于电子设备，如电脑、手机、平板电脑等，图1是根据本发明实施例适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
[0034] 步骤S101：获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量。具体地，不开槽顶管施工是指借助主顶油缸及管道间中继间等的推力，将顶管机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起。与此同时，也就把紧随顶管机后的管道埋设在两坑之间。由此，在不开槽顶管施工时，通过位于工作坑内的主顶油缸及管道间中继间将管道从工作坑内顶进土层，并在相邻工作坑内接收，从而完成管道的埋设。
[0035] 在不开槽顶管施工过程中，为减小顶进过程中管道外壁与周围土体间的摩擦阻力，顶管机切削刀盘的外径略大于管道外径，以确保管道外壁与周围土体间存在间隙，该间隙称之为超挖。因此，超挖量和顶管机参数相关。在实际操作过程中，针对不同施工区域，顶管机参数不同，具体考虑纠偏、地表变形和管壁润滑等因素，并依据施工经验以及某一工程的实际情况确定顶管机参数。其中，顶管机的超挖量采用如下公式表示：
[0036]
[0037] 式中，d表示超挖量，S表示顶管机前筒长度，a表示顶管机的纠偏角度。
[0038] 对于土体的宏观参数可以通过对不开槽顶管施工区域等间距取样，获取土样宏观参数；根据土样宏观参数计算第一土体宏观参数；将土样混合筛分后获取第二土体宏观参数。具体采样时，可以沿不开槽顶管施工轴线等间距钻孔取样，得到多个土样，由此，第一土体宏观参数采用如下公式计算：
[0039]
[0040] 式中，N表示土样的数量，i表示每个土样，yi表示每个土样的宏观参数，包括容重γ、密度ρ、孔隙率n、粘聚力c、摩擦角φ、压缩模量E，y表示第一土体宏观参数，包括容重γ、密度ρ、孔隙率n、粘聚力c、摩擦角φ、压缩模量E。其中，对于每个土样的宏观参数，可以通过室内土工试验获取。室内土工试验是在于为建筑物的基础设计和施工提供符合实际情况的各类土的性能指标。这里所指的实际情况包括地质条件、工程条件和施工的条件，例如对于粗粒土应当布置筛分试验，液限和塑限试验只适用于粘性土，当建筑物荷载比较大而又取土比较深的时候就应当布置高压固结试验。对于上述土样的宏观参数可以采用室内土工试验中合适的试验方式计算确定，本发明实施例对此不作限定。
[0041] 所述第二土体宏观参数包括：土体的平均粒径和土体颗粒级配曲线。对于第二土体宏观参数，也可以通过沿不开槽顶管施工轴线等间距钻孔取样，将各样品烘干粉碎后均匀混合，并对混合后的土样进行筛分，进而获取施工区域内土体的平均粒径d50以及土体颗粒级配曲线。
[0042] 具体地，土体的平均粒径基于筛分时采用的筛子筛孔的孔径确定。例如，当土样通过筛孔1毫米的筛子筛分，95%的土样通过了筛孔，那么该土样的平均粒径就是1毫米；若大多数土样没有通过筛孔，则需要更换更大孔径的筛孔。
[0043] 土的颗粒级配是指大小土粒的搭配情况，通常以土中各个粒组的相对含量即各粒组占土粒总量的百分数来表示。土体颗粒级配曲线是根据筛分试验结果绘制的曲线，采用对数坐标表示，横坐标为粒径，纵坐标为小于或大于某粒径的土重含量。
[0044] 步骤S102：根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度。由于不开槽顶管施工存在超挖量d，也即管道外壁和周围土体之间存在间隙。由于该间隙的存在，上覆土体会在重力的作用下移动，但是移动的范围有限。剪切带发展高度即指管顶上方移动土体的高度。而在移动土体的上方还包括静止土体，即不发生移动的土体，移动土体的高度和静止土体的高度总和为管道埋深，即管道距离地表的高度。因此，剪切带发展高度和管道埋深并不等同。
[0045] 在该实施例中，基于上述第一土体宏观参数以及管道的设计参数，如管道埋深、管道直径等参数，采用离散元方法对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和移动土体截面面积，然后由剪切带发展高度和移动土体截面面积确定剪切带平均宽度。
[0046] 根据上述分析可知，由超挖量引起的土体移动过程中移动土体的高度即为剪切带发展高度。因此，通过离散元方法对移动过程进行模拟，然后采用离散元软件自带测量工具测量移动土体的高度，即可得到剪切带发展高度。其中，离散元方法是一种数值计算方法，主要用来计算大量颗粒在给定条件下如何运动。在该实施例中，离散元模型的构建可以参照现有的构建方法，离散元软件可以采用PFC（Particle Flow Code,颗粒流程序）软件，也可以采用其他软件，在此不再赘述。
[0047] 步骤S103：根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力。具体地，在计算管顶竖向土压力时，可以通过对管道上方的土体进行受力分析，根据上述获取的参数从而计算得到管顶竖向压力。
[0048] 本发明实施例提供的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，通过获取土体的主要宏观参数，进而采用离散元方法对管顶覆土移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和宽度。本发明所提出的管顶竖向土压力计算方法结合了理论分析和离散元数值模拟，更符合工程实际情况，计算结果的准确性较现有理论公式或方法有明显提高，可为顶管施工参数确定以及管材壁厚计算提供更加科学合理的依据。
[0049] 在一实施方式中，如图2所示，根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度，包括如下步骤：
[0050] 步骤S201:依据所述第一土体宏观参数，通过数值试验确定土颗粒的细观参数。其中细观参数和宏观参数主要是研究对象的大小有数量级差别。宏观参数的对象满足连续介质，如获取的土样、土体等；细观参数的研究对象更注重于颗粒或者代表性体积单元。
[0051] 在确定土颗粒的细观参数时，可通过离散元软件如PFC进行大量的数值试验（单轴、双轴），以获取与第一土体宏观参数相匹配的土颗粒细观参数。其中，具体细观参数包括摩擦系数μ、法向刚度kn、切向刚度ks、法向粘结强度σn及切向粘结强度σs等。
[0052] 步骤S202:根据所述第二土体宏观参数和土颗粒的细观参数生成土颗粒集合体，所述土颗粒集合体中土颗粒间的不平衡力通过离散元迭代计算消除。该实施例中采用分层欠压法在指定空间内生成粒径与孔隙率均满足要求的土颗粒集合体。分层欠压法将试样分若干层制备，每层试样的孔隙率与试样层数有关，通过调整初始欠压百分比实现对所有层孔隙率的调整。其中，通过离散元迭代计算消除土颗粒间不平衡力可以采用现有的离散元分析方法实现，在此不再赘述。
[0053] 步骤S203:基于超挖量和管道直径建立管道模型，将土颗粒的速度场和位移场归零，通过离散元方法模拟由超挖量引起的土体移动过程，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度。其中，在建立管道模型时，删除直径为D+d范围内的土颗粒并生成直径为D的管道，进而在管道外壁和土颗粒间形成间隙d（超挖量）。其中，删除D+d范围内的土颗粒是为了模拟顶管机掘进所产生的孔洞，生成直径为D的墙壁是为了模拟顶进的管道。
[0054] 在采用离散元方法模拟由超挖量引起的土体移动过程时，可通过商用离散元软件实现，本发明实施例对此不作限定。离散元迭代计算收敛后，通过商用离散元软件自带的测量工具测量移动土体的高度，即剪切带发展高度h；通过切片观察模型中间截面土颗粒的位移场，并通过将位移值为零的土颗粒设置为不可见以确定模型中间截面移动土颗粒的截面面积A，并采用如下公式计算得到剪切带平均宽度B：B=A/h。
[0055] 在一实施方式中，如图3所示，根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力，包括如下步骤：
[0056] 步骤S301：在极限平衡假设条件下，根据土体抗剪强度线和应力莫尔圆的几何关系推导考虑土体粘聚力及剪切带上主应力旋转时的侧向土压力系数。其中，由于管顶移动土体和静止土体之间摩擦阻力的存在而导致的主应力旋转会对侧向土压力系数产生影响。因此，考虑土体粘聚力及主应力旋转对侧向土压力系数的影响，能够使计算得到的竖向土压力更准确，更符合工程实际情况。
[0057] 具体地，在极限平衡假设条件下，获取土体的莫尔应力圆和抗剪强度线。其中莫尔应力圆表示土体的应力状态，抗剪强度线指土体的切应力与正应力之间数学关系（几何直线关系）。当抗剪强度线QP和莫尔应力圆相切时，表明土体达到极限平衡状态。通过二者相切时的几何关系，能够推导剪切带上的侧向土压力系数。
[0058] 其中，如图4所示，当抗剪强度线QP和莫尔应力圆相切于P点，根据图中的几何关系可知，
[0059] 公式（1）
[0060] 同时，根据图中的几何关系还可以得到如下公式：
[0061] 公式（2）
[0062] 公式（3）
[0063] 式中，φ表示摩擦角，即抗剪强度线和水平线的夹角；c表示粘聚力，即抗剪强度线和纵轴τ（剪切带上的剪切力）的截距，σv表示剪切带上任意深度处的竖向土压力，σh剪切带上任意深度处的水平向土压力。
[0064] 将公式（2）和公式（3）带入公式（1）后化简可得考虑土体粘聚力及剪切带上主应力旋转的侧向土压力系数Ka，
[0065]
[0066] 步骤S302：基于剪切带发展高度和管道埋深计算附加土荷载。由于管顶剪切带不一定发展至地表，可以采用如下公式计算管顶上方静止土体的土柱重量即附加土荷载q，[0067]
[0068] 式中，γ表示容重，H表示管道埋深，即管道至地表之间的距离，h表示剪切带发展高度，H‑h即为静止土体的高度。
[0069] 步骤S303：对不开槽顶管施工管顶上方的微单元土体进行静力平衡分析，基于所述侧向土压力系数和附加土荷载推导不开槽顶管施工管顶竖向土压力计算公式；
[0070] 步骤S304：将土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度代入所述管顶竖向土压力计算公式对不开槽顶管施工管顶竖向土压力进行计算。
[0071] 如图5所示，在计算管顶竖向土压力时，可以将管顶上方的土体以微单元的方式进行受力分析，具体以不开槽顶管施工管顶上方高度为dz的微单元土体进行静力平衡分析，得到如下公式：
[0072]
[0073] 并且，通过土体的抗剪强度分析可以得到如下公式：
[0074]
[0075] 将该公式和侧向土压力系数Ka代入到静力平衡分析得到的公式中，通过化简，能够得到如下微分方程：
[0076]
[0077] 通过对该微分方程求解，得到距剪切带发展终点Z处的竖向土压力σV的解析表达式如下：
[0078]
[0079] 然后将附加土荷载计算公式代入该解析表达式，得到如下公式：
[0080]
[0081] 最后将剪切带高度h（即：Z = h）代入上式即可得到如下不开槽顶管施工管顶竖向土压力计算公式。
[0082]
[0083] 式中， 表示竖向土压力，B表示剪切带平均宽度， 表示摩擦角，c表示粘聚力， 表示容重，h表示剪切带发展高度，H表示管道埋深。本发明实施例提供的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法，不仅通过离散元方法准确获得管顶剪切带的发展高度和宽度，而且还进一步考虑了土体粘聚力以及由于管顶移动土体和静止土体间摩擦阻力的存在而导致的主应力旋转对侧向土压力系数的影响，更符合工程实际情况；此外，该方法采用理论分析和离散元数值模拟相结合的方式对不开槽顶管施工管顶竖向土压力进行计算，计算结果的准确性较现有理论公式或方法有明显提高。
[0084] 本发明实施例还提供一种适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算装置，如图6所示，该装置包括：
[0085] 参数获取模块，用于获取不开槽顶管施工区域内土体的宏观参数和顶管机的超挖量；具体内容参见上述方法实施例对应部分，在此不再赘述。
[0086] 模拟模块，用于根据管道设计参数以及所述土体的宏观参数建立离散元模型，对由超挖量引起的土体移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度；具体内容参见上述方法实施例对应部分，在此不再赘述。
[0087] 计算模块，用于根据所述土体的宏观参数、管顶剪切带发展高度和剪切带平均宽度计算不开槽顶管施工管顶竖向土压力。具体内容参见上述方法实施例对应部分，在此不再赘述。
[0088] 本发明实施例提供的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算装置，通过获取土体的主要宏观参数，进而采用离散元方法对管顶覆土移动过程进行数值模拟，以确定管顶剪切带发展高度和宽度。本发明所提出的管顶竖向土压力计算装置结合了离散元数值模拟计算的剪切带发展高度和宽度，更符合工程实际情况，计算结果的准确性较现有理论公式或方法有明显提高，可为顶管施工参数确定以及管材壁厚计算提供更加科学合理的依据。
[0089] 本发明实施例提供的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算装置的功能描述详细参见上述实施例中适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法描述。
[0090] 本发明实施例还提供一种存储介质，如图7所示，其上存储有计算机程序601，该指令被处理器执行时实现上述实施例中适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法的步骤。该存储介质上还存储有音视频流数据，特征帧数据、交互请求信令、加密数据以及预设数据大小等。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体 (Read‑Only Memory，ROM)、随机存储记忆体 (Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘 (Solid‑State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0091] 本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read‑Only Memory，ROM）、随机存储记忆体（RandomAccessMemory，RAM）、快闪存储器（Flash Memory）、硬盘（Hard Disk Drive，缩写：HDD）或固态硬盘（Solid‑State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0092] 本发明实施例还提供了一种电子设备，如图8所示，该电子设备可以包括处理器51和存储器52，其中处理器51和存储器52可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。
[0093] 处理器51可以为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。处理器51还可以为其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field‑Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0094] 存储器52作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器51通过运行存储在存储器52中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法。
[0095] 存储器52可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作装置、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器51所创建的数据等。此外，存储器52可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器52可选包括相对于处理器51远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器51。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0096] 所述一个或者多个模块存储在所述存储器52中，当被所述处理器51执行时，执行如图1‑5所示实施例中的适用于不开槽顶管施工的管顶竖向土压力计算方法。
[0097] 上述电子设备具体细节可以对应参阅图1至图5所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
[0098] 虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。