CC BY
8
МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛ1ДЖЕННЯ, ПРАКТИКА
УДК 624.191.6:624.121.532
В. Д. ПЕТРЕНКО1, О. Л. ТЮТЬК1Н2, О. М. КУЛАЖЕНКО3*
1 Кафедра «Мости та тунелЬ», Дтпропетровський нацiональний утверситет затзничного транспорту iMeHi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днгпропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (050) 708 50 69,
ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-5902-6155
2 Кафедра «Мости та тунелЬ», Днгпропетровський нацюнальнпй унiверситет затзнпчного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днгпропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (066) 290 45 18,
ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0003-4921-4758
3* Кафедра «Мости та тунелЬ», Дтпропетровський нaцiонaльний унiверситет зaлiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днгпропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (096) 992 15 81, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-6077-1689
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТЕОР1Й Г1РСЬКОГО ТА Г1ДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ НА ЩИТ ПРИ ПРОХОДЦ1 В СЛАБКИХ ВОДОНАСИЧЕНИХ ГРУНТАХ
Мета. Розробка теоретичних основ визначення тиску на конструкцш щита при проходщ в слабких во-донасичених породах. Методика. Для виршення проблеми aнaлiзу деформованого стану системи «планшайба - масив» проведено числове моделювання методом скiнчених елементiв (МСЕ), на основi отриманих результaтiв встановлеш зaлежностi деформування планшайби щита при суттевш змiнi мiцностi грунту i гли-бини залягання тунелю. Проведено aнaлiз гiпотези професора Петренка В. Д. розрахунку гiрського тиску, який доводить, що iснуючi принципи його знаходження побудовaнi на протирiччях i потребують додатково! розробки. Результата. Проaнaлiзовaнa гiпотезa професора Петренка В. Д. Розрахунок тиску об'ему призми грунту на планшайбу щита. Розглянуп епюри деформaцiй пластини, якi були розраховаш у прогрaмi SCAD, на основi дано! гiпотези. Також для програми було створено розрахункову схему, яка е моделлю планшайби щита i грунту навколо не1. Проведенi розрахунки вертикального та горизонтального тиску у програш Excel за допомогою результапв, що були розрaховaнi у програш SCAD. Наукова новизна. Виявлена основна причина деформацш лобу щита, що пояснюеться тиском об'ему призми слабкого грунту. Практична значимкть. Встaновленi значення гiрського тиску на основi нових принцитв та розробленi теоретичнi основи його визначення. Запропоноваш пiдходи по зменшенню деформaцiй при будiвництвi пе-регiнних тунелiв у слабких водонасичених грунтах.
Ключовi слова: прський тиск; зaкономiрностi тиску; математичне моделювання; метод сшнченних еле-ментiв
Вступ
Задача створення сучасних вдосконалених пiдземних конструкцш та нових технологiй щитово! проходки полягае у тому, щоб максимально використовувати ресурси несучо! здат-ностi оточуючого масиву i само! конструкци, забезпечити бiльш повне i точне обгрунтування параметрiв конструктивних елеменпв i впрова-дження нових. Проблема визначення прського тиску - одна з основних проблем розрахунку шдземних споруд. Вона поставлена у 30-х роках Х1Х сторiччя i до цього часу е актуальною. Справа у тому, що проблема визначення прського тиску з допомогою анал^ичних методiв ускладнена наявшстю велико! кшькосп факто-
рiв, яю важко врахувати. Але незважаючи на це, наука про прський тиск пройшла етапи з'ясування, експериментального дослщження i дiйшла до етапу теоретичного прогнозування, при цьому створено достатню кшьюсть гiпотез («теорiй гiрського тиску») та методiв визначення прського тиску.
Ситуащя практично такого ж рiвня складнос-тi iснуе i у випадку iснуючих теоретичних основ визначення тиску на конструкщю щита, причо-му задача розробки таких основ е актуальною, оскiльки в останнiй час застосовування прохвд-ницьких щитiв з грунтовим або пневмоприван-таженням потребуе науково обгрунтованих р> шень щодо визначення величини ди зi сторони
щита на масив. Причому юнують проблеми при будiвництвi Ки!вського метрополiтену, коли ро-зраховане привантаження не вщповщае дп слаб-кого водонасиченого масиву, що може призво-дити до аварiйних ситуацш проникнення всере-дину щита розрiдженого масиву.
Таким чином, задача створення теоретичних основ визначення тиску на конструкцш щита при проходщ в слабких водонасичених породах е актуальною та потребуе для свого виршення усестороннього аналiзу впливу гiрського тиску та розрахунку !х значень на основi нових прин-ципiв аналiтичного шдходу.
Мета
Розробка теоретичних основ визначення тиску на конструкцш щита при проходщ в слабких водонасичених породах. Проведено аналiз гшотези професора Петренка В. Д. розрахунку прського тиску, який доводить, що iснуючi принципи його знаходження побудоваш на протирiччях i потребують додатково! розробки.
Методика
Аналiзуемо гiпотезу професора Петренка В. Д. розрахунку прського тиску, яка доводить, що iснуючi принципи його знаходження побудоваш на протирiччях i потребують додатково! розробки. Для розрахунку об'ему призми тиску на забш використаемо схему, яка показана на рис. 1, задаемося деякими параметрами: Ф = 30 - кут внутршнього тертя грунту; Н = В = 6,14 м - товщина масиву над склепш-ням, що дорiвнюе дiаметру щита; у = 20 кН/м3 - питома вага грунту
Рис. 1. Схема до розрахунку прського тиску за гшотезою проф. Петренка В. Д.
При цьому кут а = 45 - Ф, де ф - кут вну-
тршнього тертя. З наведено! схеми видно вщ-ношення
ED
b
• = tga.
EK H + D З чого випливае
b = ( H + D )• tg a .
. . EF a . Аналопчио -=-= tga . Вщповщно
EK H + D
a = (H + D )• tga. Отже маемо, що a = b . Тод1 об'ем грунту KDFLCN дор1внюе:
г = 2L«1 .1.(h + D ) =
2 3 v '
D
n.2 •D • tg a + — j i
2 1 • - • 2 • D = . 2 3
2
(1)
= - • n • I 2 • D • tga + D 3 I 2
• D
В отриману формулу поставляемо значен-ня, ям вщповщають реальним умовам,
де R = b + D = 7,09 + -614 2
мульди осщання. Отже об'ем грунту, який створюе тиск на забш становить в м3
= 10,16 м - рад1ус
V = 1 • 3,14-I 2• 6,14• tg30° +
• 6,14 = 663,36
Вага призми тиску буде р1вною Q = V -у, де у - питома вага грунту, кН/м3. З цього oni-дуе, що рiвнодiюча тиску на забш становитиме в кН:
Q = П. 6
(H + D )• tg a + D
n 6
D
2 • D • tg a + — 2
•(H + D )-у =
•2 • D-у
(2)
Q = n 6
2 • 6,14 • tg 30°
6,14
• 2 • 6,14 • 20.0 =
=13267,29 Площа забою тунелю становить
S = K-R2 =3,14 • 3,072 =29,59 м2. Тодi тиск, який дiе на забш становить Q 13267,29
S
Q
29,59
V
= 448,37 = 0,448 МПа,
S 1 -V
= 0,448
,03
0,7
= 0,192 МПа,
Ф
45° - ^-1 = 0,149 МПа.
а0 =ai
В подальшому було виконано математичне моделювання процесу щитово1 проходки, при розрахунку якого було визначено тиск, який дiе на забiй за допомогою розрахунку кругло1 плас-тини, дааметр яко1 вщповщае дiаметру виробки.
Шд означенням «пластина» вважаеться тiло призматично1 та цилiндричноi форми, у якого один розмiр (товщина К) значно менший iнших (а i Ь), вимiряних у площинах основ (рис. 2). У техшщ широко використовують круглi та пря-мокутнi пластини; iнодi зустрiчаються пласти-ни i iншого окреслення у планi. Товщина пластини може бути як постшною, так i змiнною.
кають деформацiю тальки у цiй площиш, а ску-пчення iх складових, що перпендикулярнi до серединноi площини, згинають пластину. У подальшому вважаеться, що навантаження, яким випробують пластину, перпендикулярне до и серединноi площини, так як складовi нава-нтаження у серединнiй площинi дорiвнюють нулю.
При визначеннi зусиль i деформацiй для пластин середньоi товщини приймаються на-ступнi припущення:
1. Перпендикуляр АО до серединноi площини, опущений з любо1* точки О пластини (рис. 3), залишаеться пiсля згину прямим i нор-мальним до зiгнутоi серединно1* поверхнi (АО}). Це припущення називаеться припущен-ням про прямi нормаи, вiдповiдно гiпотезi плоских перерiзiв, на якш основана теорiя згину балок.
Рис. 2. Схема пластини
Площина, яка знаходиться на рiвних вдата-нях вiд верхньо1* i нижньо1* основ i яка роздiляе навпiл товщину К, пластини постшно1* товщини (рис. 2), називаеться серединною площиною. Пiсля згину серединна площина перетворюеть-ся у серединну площину з^нуто1* пластини.
При вивченнi пластин приймаеться система координат, при якш начало координат i осi X та У лежать у недеформованш серединнш пло-щинi пластини, а вюь 2 направлена перпендикулярно до серединно1* площини. У загальному випадку на пластину можуть дiяти рiзнобiчно направленi сили. Кожну з цих сил можна розк-ласти на двi складовi: дiючi у серединнш площиш та перпендикулярно до не1*. Скупчення складових зусиль у серединнш площиш, що називаються ланцюговими зусиллями, викли-
Рис. 3. Викривлення серединно1 площини при згиш: а) - вщносно ос Y; б) - вщносно ос X
Вплив на величину перемiщення деякого викривлення нормаи, яке вщбуваеться внасль док зсувiв, не враховуеться. Вiн значно мен-
„ . dw dw
ший, нiж перемiщення z— або z—, що зу-
dx
dy
мовлюеться за рахунок повороту нормалi вна-оидок скривлення серединно1* площини при згиш.
2. Нормальними напруженнями а2, якi дiють по площадкам, паралельним серединнiй площинi, можна знехтувати у порiвняннi з ш-шими напруженнями i прийняти а 2 = 0.
Це припущення називаеться припущенням про вiдсутнiсть поперечного тиску.
Для визначення вiдносних деформацiй можна використовувати так формули:
s x =
S y = E
¥ U
У x
(3)
2
При визначенш поперечного згину пластини середньо! товщини вважаемо:
- серединну площину вiльною вiд ланцю-гових зусиль;
- лiнiйнi i кутовi деформаци у серединнiй поверхш з^нуто! пластини вважаються вщсут-шми.
Перерахованi припущення використовують-ся тшьки при малому прогинi пластини.
Суцшьно затиснена по контуру пластинка мае чотири довiльнi постiйнi у загальному ште-гралi
4
w = С> г + С2 г 21п г + С3г2 + С4 + (4)
1 2 3 4 64Б
можна визначити з умов у центрi пластини i на контурi. У центрi пластинки прогин i кут нахи-лу з^нуто! поверхнi у радiальному напрямi кш-цевi (рис. 4)
w y=0 ^
dw i dr
r=0
Ф да.
(5)
Так як ln r ^ -да, то у формулi (4) n0Tpi6H0 ввести pÎBHÎCTb С1=С2=0 i тодi:
w = C3r2 + C4 +
qr 64D
(6)
На KOHTypi пластинки повиннi приходити в нуль прогин i ухил 3irayTOÏ поверхш у радiаль-ному напрямi.
w
y =a
= 0, dW|
dr
= 0.
(7)
Рис. 4. Епюри внутршшх зусиль в пластиш в1д навантаження
Пiдставляючи у формулу (7) функщю про-гинiв (6) отримаемо два випадки для визначення С3 i С4
4 3
C3a2 + C4 + ^^ = 0; 2C3a2 + ^ = 0. (8)
64D
Звщки знаходимо
2
qa
16D
C3 , C4 = 3 32D 4
qa
64D
(9)
Фyнкцiя прогинiв w, шсля пiдстановки (9) у (4) формула приймае вигляд:
w =-
64D
■(a2 + r2 )2.
(10)
Очевидно, що найбшьший прогин буде у центрi пластинки, при r=0
де
D = -
qa 64D
Eh3
12-il -
(1v )
(11)
(12)
D - це цилiндрична жорстюсть пластини, ана-логiчно жорсткостi EJ балки, що характеризуе здатшсть пластини деформуватися. Одинищ вимiрy цилiндричноï жорсткостi - це добуток одинищ сили на одиницю довжини. По величи-m D>EJ.
В основу методики розрахунку покладено гiпотезy професора Петренка В. Д. метод скш-чених елементiв на основi розрахункового комплексу StructureCAD (SCAD) [7, 9, 11]. Тип сю-нченого елементу, який застосовано у розраху-нку, визначаеться його формою, фyнкцiями, якi визначають залежнiсть мiж перемiщеннями в вузлах скiнченого елементу i вyзлiв системи, фiзичним законом, який визначае залежшсть мiж внутршшми зусиллями i внyтрiшнiми пе-ремщеннями, i набором параметрiв (жорсткос-тей), яю входять в опис цього закону та шше [11-12].
Для дослщження деформованого стану пе-регшного тунелю, створено просторову модель iз об'емних елементiв (рис. 5).
Модель побудована iз iзопараметричних скiнчених елеменпв типу призма (34 та 36 тип елементу у комплекс SCAD) iз узгодженими вузлами [11]. В моделi застосовувалися елемен-ти таких розмiрiв в площинi XOZ: 0,24^0,24 м (бшьше 95 % вщ об'ему СЕ схеми - весь грун-товий масив та оправа); 0,1*0,25 м (2,5 % вiд схеми - моделювання шару нагштання за опра-
w =
max
МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛЩЖЕННЯ, ПРАКТИКА_
ву). Вона найбшьше вiдображае настyпнi особ-ливостi реальноï констрyкцiï [1, 5, 11].
W»
Рис. 5. Ск1нчено-елементна модель (СЕ-модель)
перепнного тунелю 1з взаемод1ею оточуючого масиву
По осi OY (по довжиш тунелю) розмiр еле-ментiв складав 0,3 м, що обгрунтовуеться мен-шим впливом розмiрy СЕ в цьому напрямку, хоча для моделювання розрахyнковоï областi таких розмiрiв можна було б застосовувати i елементи бшьш значних розмiрiв, що пропону-еться в роботах [1, 5, 11], в яких надана рекоме-ндацiя визначати розмiр елементу як 1/20 вщ характерного розмiрy розрахyнковоï областi.
СЕ-модель, яка застосовувалася у вах дос-лiдженнях мае наступи розмiри:
- вздовж осi OX - 10,0 м;
- вздовж ос OY - 0,6 м;
- вздовж ос OZ - 40,0 м.
Модель була створена таким чином, щоб в> дтворити вс геометричш розмiри перегiнного тунелю: дiаметр внyтрiшнiй - 5,6 м, дiаметр зовнiшнiй - 6,04 м (залiзобетоннi блоки В30).
На схему накладет граничш умови: верх мо-делi - без закрiплень; сторони, паралельнi осi тунелю (площина YoZ) - заборона перемiщень по осям OX та OY; сторони перпендикуляры ос тунелю (площина XoZ) - заборона перемщень по осi Y (це найбшьш точно вiдповiдае yмовi
плоско! деформацii); низ моделi - заборона перемщень по осям X, Y та Z. Ц граничш умови найбшьш точно дозволяють вщтворити реальну картину деформування моделi [7, 9].
Моделям були надаш деформацiйнi власти-востi, якi отримаш i3 реальних дослiджень ма-терiалiв, стратиграфiчна колонка вiдображаe частину масиву, яка оточуе дослiджуваний ту-нель. Жорстюсть цементно-пiщаного розчину, який подаеться за оправу при первинному на-гштанш або тампонажi, була такою: усереднена товщина 0,1 м, модуль пружносп - Е = 20000 МПа, коефiцiент Пуассона ц = 0,2, густина р = 2,2 т/м3. Деформацiйнi властивосн залiзо-бетону отриманi як приведет характеристики, i для залiзобетону на основi бетону В30 склада-ли: модуль пружносп E = 35000 МПа (при вщ-сотку армування - 1.. .3 %), коефiцiент Пуассона ц = 0,2, густина р = 2,5 т/м3.
Розрахунок вшх моделей виконувався на два навантаження: 1) дда метропо!зду; 2) власну вагу оточуючого масиву та конструкцп. Ураху-вання дii метропо!зду вщтворено в норматив-них документах, ДБН В.2.3-7-2010. Метропол> тени, п. 9.44. [3]. Але розрахунки впливу рухо-мого складу залишаються дещо перевiрочними, так як однозначно вiдомо, що вага потягу скла-дае не бшьш шж 5...10 % вщ дii гiрського тис-ку [7, 8].
Результати
Були виконаш розрахунки прогишв пластини (лоб щита) за допомогою програми SCAD.
Для дано! програми було створено розраху-нкову схему, яка е моделлю планшайби щита i грунту навколо не!. Тобто схематично планшайбу ми замшяемо на тонку пластинку тов-щиною 0,1 м, щоб краще побачити тиск грунту на не!, та дiаметром 6,14 м.
Пластиш були задаш параметри звичайно! сталк
- модуль пружносп - E = 206010000 кН/м2;
- коефiцiент Пуассона - ц = 0,3 ;
- об'емна вага - у = 77.0085 кН/м3;
Для грунту таю параметри (рис. 5):
- модуль пружносп - E = 10000 кН/м2;
- коефщент Пуассона - ц = 0,3 ;
- об'емна вага - у = 20.00 кН/м3;.
Дану схему було створено на основi розра-хунюв запропоновано! теорii професора Петре© В. Д. Петренко, О. Л. Тютькш, О. М. Кулаженко, 2016
нка В. Д. про яку ранiше згадувалося. Таким чином були розраховаш схеми слабких водона-сичених грунпв з модулем пружносп 10 МПа, в яких змшюеться глибина залягання, один дiа-метр пластини (D), два дiаметpи (2D), три i чо-тири дiаметpи (3D, 4D). Вiдповiдно до цього були розраховаш pадiyси зони утворення дефо-pмацiй вiд проходки щита (R, R2, R3, R4). Для бшьш вipного розрахунку використано довжи-ну схеми на декiлька метpiв бiльше нiж pадiyс зони утворення деформацш.
Оскiльки ми розглядаемо частину масиву, яка давить на лоб забою то в утворенш моделi необхiдно ввести заборону пеpемiщень наступ-них стоpiн: заборона пеpемiщень вздовж осей oX, oY, oZ для основи та в напрямках X, Y на крайшх гранях, що лежать в площинах YoZ та XoZ вiдповiдно, кpiм пластини. Пластина не закршлюетъся, для правильного моделювання.
Для розрахунку вертикального та горизонтального тиску були пpоведенi розрахунки у пpогpамi Excel за допомогою pезyльтатiв, що були pозpахованi у пpогpамi SCAD. Нижче на-ведеш деякi дiагpами пеpемiщень пластини для ряду схем (рис. 6 i 7) i таблицi pозpахyнкiв у пpогpамi Excel (табл. 1 i 2).
Також для поpiвняння результат розраху-емо декiлька коефiцiентiв
X = -
1 -V
tg2 (45° -Ф),
X
V =-
1+ X
(13)
(14)
(15)
Рис. 6. Д1аграма перемщень пластини для схеми D-R
Таблиця 1
Розрахунок тиску на пластину за результатами розрахуншв схеми D-R в комплекс! SCAD
Зворотна задача (пластина)
Прогин пластини у центр1 W0 (МКЭ), м 0,00781
Значения розподшеного навантаження q, кН/м2 106,16
Глибина закладення, H, м 6,31
Питома вага грунту, кН/м3 20,0
Вертикальний прський тиск у центра кН/м2 187,6
Вщношення вертикального до горизонтального 1,767
Вщношення горизонтального до вертикального 0,566
Рис. 7. Ддаграма перемщень пластини для схеми 4D-4R
Таблиця 2
Розрахунок тиску на пластину за результатами розрахуншв схеми 4D-4R в комплекс! SCAD
Зворотна задача (пластина)
Прогин пластини у центр1 W0 (МКЭ), м 0,02136
Значения розподшеного навантаження q, кН/м2 290,33
Глибина закладення, H, м 24,81
Питома вага грунту, кН/м3 20,0
Вертикальний прський тиск у центра кН/м2 557,6
Вщношення вертикального до горизонтального 1,921
Вщношення горизонтального до вертикального 0,521
V
Результати дослiджень зведенi у таблицю (табл. 3).
Таблиця 3
Розрахунок прського тиску та параметрiв
Назва схеми Прогин Наванта-ження Вертикальний прський тиск Вщношення вертик. до горизонт. Вщношення горизонт. до вертик. V 1 -V ig 2(45°-|)
D-R 0,00781 106,16 187,6 1,767 0,566 0,361 0,428 0,333
2D-R2 0,01090 148,16 307,6 2,076 0,482 0,325 0,428 0,333
3D-R3 0,01607 218,43 438,6 2,008 0,498 0,332 0,428 0,333
4D-R4 0,02136 290,33 557,6 1,921 0,521 0,342 0,428 0,333
Коефiцieнт бокового тиску грунту X, отри-маний в ходi розрахунюв знаходиться в межах 0,482... 0,566 (при жорстко-пластичному значены 0,428 i пружно-пластичному 0,333), що свiдчить про його змiну в залежностi вщ пара-метрiв закладення тунелю, деформацшних вла-стивостей грунтiв та прогишв кругло! пластини лобу забою, тобто його значення не е констант-ним.
Наукова новизна та практична значимкть
Виявлена основна причина деформацш лобу щита, що пояснюеться тиском об'ему призми слабкого грунту.
Висновки
Кшьюсне порiвняння деяких гiпотез прського тиску свщчить, що !х застосування для визначення гiрського тиску на конструкщю щита недоцiльно, оскшьки не одна з них не в> дповiдае дiйсному процесу деформування. За-пропонована професором В. Д. Петренком схема призми сповзання прийнята до науково! пе-ревiрки.
Дослiдження параметрiв грунтового приван-таження при роботi щита i розробка програми для визначення !х кшьюсних значень доводить той факт, що при пошуку горизонтально! скла-дово! гiрського та гiдростатичного тиску юнуе проблема вибору коефiцiенту бокового тиску грунту X (для жорстко-пластично! i пружно-пластично! моделей), причому вщ цього вибору залежить його значення.
Розробленi скiнченно-елементнi моделi пе-регiнних тунелiв при щитовш проходцi надали змогу застосовувати методолопчний прийом, заснований на визначеннi тиску, значення якого
вираховуеться iз теоретично1 задачi прогину кругло! пластинки (зворотна задача). Знання прогину кругово! пластини в iмiтацiйнiй моделi лобу щита дозволяе перераховувати горизонта-льну складову гiрського i гiдростатичного тиску на основi деформацiйного пiдходу.
На основi розрахункiв запропоновано! теорi! професора Петренка В. Д. було розроблено схе-ми дi! на лоб забою (кругла пластина) слабких водонасичених грунпв з модулем пружностi 10 МПа, в яких змiнюеться глибина залягання (В...4Б). Вiдповiдно до цього були розраховаш радiуси зони утворення деформацш вщ проходки щита (Я, Я2, Я3, Я4). Коефiцiент бокового тиску грунту X, отриманий в ходi цих розрахун-кiв знаходиться в межах 0,222...0,566 (при жо-рстко-пластичному значеннi 0,428 i пружно-пластичному 0,333), що свщчить про його змь ну в залежност вiд параметрiв закладення тунелю, деформацшних властивостей грунпв та прогишв кругло! пластини лобу забою, тобто його значення не е константним.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Баженов, В. А. Полуаналитический метод конечных элементов в механике деформируемых тел [Текст] / В. А. Баженов, А. И. Гусляр, А. С. Сахаров. - Киев : НИИ строительной механики, 1993. - 376 с.
2. Вознесенский, Е. А. Поведение грунтов при динамических нагрузках [Текст] / Е. А. Вознесенский. - Москва : Изд-во МГУ, 1997. - 286 с.
3. ДБН В.2.3-7-2010. Споруди транспорту. Метро-полггени [Текст]. - На замшу ДБН В.2.3-7-2003 ; надано чинносп 2011-10-01 - Ки!в : ДП «Ук-рархбудшформ», 2011. - 195 с.
4. Кудрявцев, И. А. Влияние вибрации на основания сооружений [Текст] / И. А. Кудрявцев. -Гомель : БелГУТ, 1999. - 274 с.
МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛ1ДЖЕННЯ, ПРАКТИКА_
5. Перельмутер, А. В. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа [Текст] /
A. В. Перельмутер, В. И. Сливкер. - Киев : Сталь, 2002. - 600 с.
6. Петренко, В. И. Современные технологии строительства метрополитенов в Украине [Текст] /
B. И. Петренко, В. Д. Петренко, А. Л. Тютькин // Наука i освгта. - 2005. - 252 с.
7. Петренко, В. Д. Комплексний аналiз колонно! станцп i3 варiацieю глибини закладення [Текст] / В. Д. Петренко, О. Л. Тютьшн, В. I. Петренко // Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна. - Дшпропетровськ : Вид-во ДНУЗТу, 2011. - Вип. 39. - С. 138-143.
8. Петренко, В. Д. Обзор аналитических и экспериментальных методов исследования взаимодействия массива и крепи [Текст] / В. Д. Петренко, А. Л. Тютькин, В. И. Петренко // Мости та тунелт теорiя, дослщження, практика. -2012. - Вип. 1. - С. 75-81.
9. Тютьшн, О. Л. Розробка теоретичних основ мо-дифжованого методу розрахунку тунелiв коло-вого окреслення [Текст] / О. Л. Тютьшн, В. А. Мiрошник // Мости та тунелг теорiя, дос-
лщження, практика. - 2012. - Вип. 2. -С. 96-100.
10. Фролов, Ю. С. Метрополитены [Текст] : Учебник для вузов / Ю. С. Фролов, Д. М. Голицын-ский, А. П. Ледяев. - Москва : Желдориздат, 2001. - 528 с.
11. SCAD для пользователя [Текст] / В. С. Карпи-ловский, Э. З. Криксунов, А. В. Перельмутер и др. - Киев : ВВП «Компас», 2000. - 332 с.
12. Ali Ghorbani, Hadi Hasanzadehshooiili, Antanas Sapalas, Ali Lakirouhani Buckling of the steel liners of underground road structures: the sensitivity analysis of geometrical parameters. The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, Vilnius, Technika, 2013, Vol. VIII, No 4, pp. 250-254.
13. Gang Zheng, Shao-wei Wei Numerical analyses of influence of overlying pit excavation on existing tunnels. Journal of Central South University, Tian-jin, Central South University, 2008, Vol. 15, Issue 2 Supplement, pp. 69-75.
14. Hamid Chakeri, Rohola Hasanpour, Mehmet Ali Hindistan, Bahtiyar Unver Analysis of interaction between tunnels in soft ground by 3D numerical modeling. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, Berlin, Springer Berlin Heidelberg, 2011, Vol. 70, Issue 3, pp. 439-448.
В. Д. ПЕТРЕНКО1, А. Л. ТЮТЬКИН2, О. М. КУЛАЖЕНКО3*
1 Кафедра «Мосты и тоннели», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (050) 708 50 69,
эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-5902-6155
2 Кафедра «Мосты и тоннели», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (066) 290 45 18,
эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-4921-4758
3* Кафедра «Мосты и тоннели», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (096) 992 15 81, ел. почта [email protected], ORCID 0000-0002-6077-1689
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕОРИЙ ГОРНОГО И ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЩИТ ПРИ ПРОХОДКЕ В СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТАХ
Цель работы - разработка теоретических основ определения давления на конструкцию щита при проходке в слабых водонасыщенных породах. Проведен анализ гипотезы профессора Петренко В. Д. расчета горного давления, который доказывает, что существующие принципы его нахождения построены на противоречиях и нуждаются в дополнительной разработке. Методика. Для решения проблемы анализа деформированного состояния системы «планшайба, пластина-массив, почву» проведено численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ), на основе полученных результатов установлены зависимости деформирования планшайбы щита при существенном изменении прочности грунта и глубины залегания тоннеля. Результаты. Проанализирована гипотеза профессора Петренко В. Д. Рассмотренные эпюры деформаций пластины, которые были рассчитаны в программе SCAD, на основе данной гипотезы. Также для программы было создано расчетную схему, которая является моделью планшайбы щита и почвы вокруг нее. Проведенные расчеты вертикального и горизонтального давления в Excel с помощью результатов, которые были рассчитаны в программе SCAD. Научная новизна. Проведенный анализ гипотезы профессора Петренко В. Д.
Мости та тунелк теорiя, дослщження, практика, 2016, № 9
МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛ1ДЖЕННЯ, ПРАКТИКА_
расчета горного давления. Практическая значимость. Установленные значения горного давления на основе новых принципов и разработаны теоретические основы его определения.
Ключевые слова: горное давление; закономерности давления; математическое моделирование; метод конечных элементов
V. D. PETRENKO1, O. L. TYUTKIN2, O. M. KULAZHENKO3*
1 Department «Bridge and Tunnels» Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan Str., 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 708 50 69, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-5902-6155
2* Department «Bridge and Tunnels» Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan Str., 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (066) 290 45 18, e-mail [email protected], (ORCID 0000-0003-4921-4758
3* Department «Bridge and Tunnels» Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan Str., 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (096) 992 15 81, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6077-1689
THE EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THEORIES OF MINING AND HYDROSTATIC PRESSURE ON SHIELD AT THE SINKING IN WATER SATURATED SOILS WEAK
Purpose. The development of the theoretical foundations of the definition of pressure on the design board when driving at low water saturation. The analysis of the hypothesis of Professor Petrenko V. D. calculation of rock pressure, which proves that the existing principles of its location built on contradictions and require additional development. Methodology. To solve the problem of analysis of the deformed state of the system "faceplate, the plate array, SMO-woo" numerically simulated by finite element method (FEM), on the basis of the results are set depending on the deformation of the faceplate panel with a significant change in other-ness of the soil and the depth of the tunnel. Findings. The hypothesis of Professor Petrenko V. D. were analyzed. The considered diagrams strain plates to-torye were calculated in the program SCAD, on the basis of this hypothesis. Also for the program was, but it will create a design scheme, which is a model of the faceplate panel and the soil around it. Conducted calculations, you vertical and horizontal pressure in Excel with the results that were calculated in the program SCAD. Originality. The analysis of the hypothesis of Professor Petrenko V. D. calculation of rock pressure. Practical value. The set values of mining pressure on the basis of new principles and theoretical bases its definition.
Keywords: confining pressure; pressure patterns; mathematics modeling; finite elements method
REFRENCES
1. Bazhenov V. A., Guslyar A. I., Sakharov A. S. Poluanaliticheskiy metod konechnykh elementov v mekhanike deformiruemykh tel [Semi-analytical finite element method in the mechanics of deformable solids], Kyiv, Research Institute of structural mechanics Publ., 1993, 376 p.
2. Voznesenskiy Ye. A. Povedenie gruntov pri dinamicheskikh nagruzkakh [The state of soils at dynamic loads], Moscow, Publishing house of the Moscow State University, 1997, 286 p.
3. DBN В.2.3-7-2010. Sporudy transportu. Metropoliteny [State Standard V.2.3-7-2010. Transport constructions. Undegrounds]. Kyiv, DP Ukrarkhbudinform Publ., 2011. 195 p.
4. Kudryavtsev I. A. Vliyanie vibratsii na osnovaniya sooruzheniy [Influence of vibration on the base of structures], Gomel, Belarusian State University of Transport Publ., 1999, 274 p.
5. Perelmuter A. V., Slivker V. I. Raschetnye modeli sooruzheniy i vozmozhnost ikh analiza [Calculational models of structures and the possibility of their analysis], Kyiv, Steel Publ., 2002, 600 p.
6. Petrenko V. I., Petrenko V. D., Tyutkin A. L. Sovremennye tekhnologii stroitelstva metropolitenov v Ukraine [Modern technologies of building subways in Ukraine]. Nauka i osvita - Science and education, 2005, 252 p.
7. Petrenko V. D., Tjutjkin O. L., Petrenko V. I. Kompleksnyj analiz kolonnoji stanciji iz variacijeju ghlybyny zakladennja [Comprehensive analysis of column stations in variation of depth]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2011, issue 39, pp. 138-143.
8. Petrenko V. D., Tyutkin A. L., Petrenko V. I. Obzor analiticheskikh i eksperimentalnykh metodov issledovaniya vzaimodeystviya massiva i krepi [Review of analytical and experimental methods for studying
МОСТИ ТА ТУНЕЛ1: ТЕОР1Я, ДОСЛЩЖЕННЯ, ПРАКТИКА_
the interaction of an array and attached]. Mosty ta tuneli: teorija, doslidzhennja, praktyka - Bridges and tunnels: theory, research, practice, 2012, issue 1, pp. 75-81.
9. Tjutjkin O. L., Miroshnyk V. A. Rozrobka teoretychnykh osnov modyfikovanogho metodu rozrakhunku tuneliv kolovogho okreslennja [Development of theoretical bases of the modified calculation method of circular outline tunnels]. Mosty ta tuneli: teorija, doslidzhennja, praktyka - Bridges and tunnels: theory, research, practice, 2012, issue 2, pp. 96-100.
10. Frolov Yu. S., Golitsynskiy D. M., Ledyaev A. P. Metropoliteny. [Subway]. Moscow, Zheldorizdat Publ., 2001, 528 p.
11. Karpilovskiy V. S., Kriksunov E. Z., Perelmuter A. V. SCAD dlyapolzovatelya [SCAD for user]. Kyiv, VVP «Kompas» Publ., 2000, 332 p.
12. Ali Ghorbani, Hadi Hasanzadehshooiili, Antanas Sapalas, Ali Lakirouhani Buckling of the steel liners of underground road structures: the sensitivity analysis of geometrical parameters. The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering. Vilnius, Technika, 2013, Vol. VIII, No 4, pp. 250-254.
13. Gang Zheng, Shao-wei Wei Numerical analyses of influence of overlying pit excavation on existing tunnels. Journal of Central South University. Tianjin, Central South University, 2008, Vol. 15, Issue 2 Supplement, pp. 69-75.
14. Hamid Chakeri, Rohola Hasanpour, Mehmet Ali Hindistan, Bahtiyar Unver Analysis of interaction between tunnels in soft ground by 3D numerical modeling. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. Berlin, Springer Berlin Heidelberg, 2011, Vol. 70, Issue 3, pp. 439-448.
Стаття рекомендована до публ^кацИ' д.т.н., проф. М. М. Бтяевим (Украта), д.т.н., проф. З. Я. Бл1харським (Украта).
Надшшла до редколеги 12.06.2016. Прийнята до друку 26.09.2016.
