CC BY
38
AGGREGATE
The causes of low productivity dozer-ripping machines (ARB) on the basis of tractors over 500 hp are proposed. The methodfor improving performance ARB was considered.
Key words: bulldozer- ripper aggregate, tractor power, performance, loosening, method.
Получено 10.05.12
УДК 624.19
Т.К. Чурадзе, д-р техн. наук, зав. кафедрой, (932) 52-05-54, tchuradze@mail.т (Грузия, Тбилиси, ГТУ), Н.Х. Руруа, канд. техн. наук, (932) 22-53-00, [email protected] (Грузия, Тбилиси, ГТУ),
М.Э. Мойсцрапишвили, канд. техн. наук, (932) 52-35-09, [email protected] (Грузия, Тбилиси, ГТУ),
М.С Тананашвили, инж., (932) 36-54-00, [email protected] (Грузия, Тбилиси, ГТУ)
РАСЧЕТ МОНОЛИТНЫХ БЕТОННЫХ ОБДЕЛОК КРУГОВОГО ОЧЕРТАНИЯ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИИ СООРУЖЕНИЯ
Рассмотрена инженерная методика расчета для случая совместной работы системы ««массив-обделка» в упругой модели в режиме взаимовлияющей деформации. Она дает возможность учесть объемность задачи и технологию сооружения тоннеля.
Ключевые слова: упругая модель, функция влияния забоя, технология сооружения.
При сооружении тоннелей выбор и обоснование типа и конструкции крепи являются одними из ключевых вопросов, тесно связанных с технологией сооружения тоннеля.
В настоящее время технология сооружения монолитных бетонных обделок перегонных тоннелей метрополитенов глубокого заложения, проходимых в скальных и полускальных породах, получила большое развитие. Появились такие новые виды бетонных обделок, как пресс-бетон и на-брызг-бетон. Они обеспечивают плотный и надежный контакт с массивом горных пород сразу после сооружения. Технология прессбетона гарантирует также обеспечение строго фиксированного расстояния от забоя до места возведения обделки.
Однако методы расчета монолитных бетонных обделок перегонных тоннелей метрополитена нередко базируются на заданные нагрузки, определяемые согласно СНиП на основании теории М. М. Протодьяконова, разработанной в начале прошлого века.
Состояние, когда может образоваться свод естественного равновесия, для работы выработки является крайним случаем и может быть результатом либо чрезмерно большого отставания места возведения обделки от забоя, либо наличия больших пустот за обделкой. Такие случаи не исключались технологическими схемами времен Протодьяконова. Современные технологии сооружения монолитных бетонных обделок обеспечивают плотный и немедленный контакт обделки с горным массивом, а также минимально возможное расстояние между забоем и местом возведения обделки. Это обуславливает возможность совместного деформирования массива и обделки, что или полностью исключает возможность сводо-образования (режим взаимовлияющей деформации), либо уменьшает высоту свода (комбинированный режим). В результате этого облегчаются условия работы конструкции и при расчете согласно рекомендациям СНиП в зависимости от принятой технологии сооружения образуются большие запасы прочности, которые следует выявлять и учитывать в методиках расчета.
В настоящее время существует ряд работ, предназначенных для расчета конструкций в режиме взаимовлияющей деформации.
Для решения поставленной задачи в первую очередь следует проанализировать работы, рассматривающие массив и обделку в упругой модели. Подробный анализ этих работ показывает, что они, хотя и дают возможность учесть технологию возведения обделки, но не позволяют проследить за процессом нарастания контактной нагрузки при удалении забоя от места возведения конструкции.
По мнению авторов, из аналитических методов расчета подземных конструкций, позволяющих учесть технологию сооружения тоннеля, наиболее корректными представляются методики, базирующиеся на гипотезе взаимовлияющей деформации и оперирующие плоскими задачами теории упругости, в которых объемность задачи учитывается через функции влияния забоя (рис. 1).
Авторами использована функция 3 (рис. 1), полученная аналитическим путем [1]:
где I - расстояние от плоскости забоя до расчетного сечения; Я0 - радиус отверстия, равный радиусу выработки.
В предлагаемой методике в качестве модели массива принята упругая плоскость, по наружной границе которой действуют вертикальные и горизонтальные равномерно распределенные нагрузки, равные бытовым, как это показано на рис. 2.
(1)
/з
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Рис. 1. Графики функции влияния забоя /з (I / Яо), полученные разными авторами: 1 - по Ю. М. Либерману; 2 - по Н. Н. Фотиевой;3 - по Т. К. Чурадзе и В. А. Тархнишвили; 4 - по Г. А. Крупенникову; 5 - по Б. З. Амусину; 6 - по М. Баудендистелю; 7 - по Ю. З. Заславскому; 8 - по вязкой модели массива пород
ап = ук
Рис. 2. Расчетная модель
После нагружения в плоскости образуется круговое отверстие, в которое после прохождения некоторой части перемещений, зависящих от
удаленности плоскости забоя от исследуемой точки, вставляется упругое кольцо. Для определения нагрузки используем условие совместного деформирования обделки и вмещающего ее горного массива:
(2)
где Ш - перемещение контура выработки, с которым взаимодействует обделка; 1/об - радиальные перемещения контура кольца обделки.
Силовую характеристику массива определяем с использованием основного уравнения «Теории перемещений»
ии = их-и,, (3)
где их - перемещение контура выработки для какого-то момента времени; ио - начальное смешение незакрепленного контура выработки, т. е. перемещение контура выработки до включения в работу обделки. Величины их и 1/0 определяются так:
Ц^* К-о,)(1-0,55еч»"*), (4)
^=^0.(1-0,55^'*), (5)
где Е и (I - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала массива; Я - радиус контура выработки; ом - действующая на контур выработки внешняя нагрузка (начальное поле напряжений); о^ -снимаемые радиальные напряжения по контуру выработки. Радиальные перемещения контура обделки
: у , (6)
где Ео6 и цоб - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала обделки; с1 - толщина обделки.
Подставляя соответствующие значения в уравнение (2), определяем напряжения о1 , т.е. внешнюю радиальную нагрузку, действующую на контуре выработки:
°1 = ^(1-ц)(1-0,55е^) + (1-^)Д|; ' (7)
Усилия М и N в обделке тоннеля определяются исходя из уравнения деформированной оси кольца обделки:
^ + = (8)
¿V " Е<л.1
где ф - угол между вертикальной осью выработки и радиус-вектором, проходящим в расчетной точке оси кольца; р - радиус оси кольца обдел-
ки; Е ж 3 - соответственно модуль упругости материала и момент инерции обделки.
Радиальные перемещения точек тонкостенного кольца:
и.
об
К/
/ '
(9)
где г - полярная координата рассматриваемой точки обделки; й' = с1 / Я0 -приведенная толщина обделки; Ещ - приведенный модуль упругости обделки, Еар=Е/ 1-ц2б.
В случае негидростатического характера нагрузки [2]
Он=уя(со82ф + Ып2ф) . (10)
При Яд=г, внеся в выражение (9) значение о^по (7) и учитывая (10), будем иметь
110б =уЯ(со82ф + А,8т2ф)х (1 + |1)(0,55е-°<5/^ - 0,55е~°'5//й°)р2 (1 - |12б) _
х-
(П)
Е
Е.
(1-|12б)р + £/(1-0,55е-0^)(1 + |1)£об
об
Продифференцировав (11) дважды и внеся результат в (8), можно решить это уравнение относительно М:
М = уН
(1-ЦобЖ
х
об
X
2Щ (1 + Х)(1 + (1)0,55е~°'5/1/й° соБф
0,5
1-е1
(1,-1)
Е
Е.
(1-цо2б)^ + £/(1-0,55е-°^)(1 + ц)
об
р2 (соб2 Ф + Ып2 ф)(1 + |1)0,55бГ°'5//Й1
0,5
1-е
Е
Е
(1-ц2б)р + £/(1-0,55е-°^)(1-ц)
об
(12)
Известно, что продольная сила в обделке
Лг = 01Я(с082ф + А-8Ш2ф) .
Внеся значение , получим
омйК(0,55е-°'5/1/К - 0,55е_0'5/1 К)(1 + т) N = Е-'-Л ' . (14)
Е (1 -тоб) К + й (1 - 0,55е_0,5//К )(1 + т)
Еоб
Приведем пример расчета для следующих исходных данных: внутренний диаметр обделки - 5,1 м; наружный диаметр обделки - 5,5 м; модуль упругости материала обделки - 2,65^ 106 т/м3; коэффициент Пуассона материала обделки - 0,25; объемный вес (плотность) грунта - 2,0 т/м ; коэффициент Пуассона материала массива - 0,2.
Выполненным расчетом установлены значения изгибающих моментов и нормальных сил в замковом сечении как по предложенной авторами методике (М=1,26 т-м; N=42,85 т), так и по традиционной методике «Мет-рогипротранса» (М=4,03 т-м; N=12,03 т), сравнение которых свидетельствует о преимуществе предложенной методики.
Нагрузки на конструкцию, рассчитанные по предложенной нами методике по формуле (7) для разных значений глубины заложения (Н), расстояния от торца забоя до расчетного сечения (/) и расстояния от забоя до места включения обделки в работу (/1), представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость, действующих на обделку, контактных нагрузок от места возведения обделки
Приведем второй пример, рассчитанный по разработанной методике. Исходными данными являются: внутренний диаметр тоннеля
7 2
Б0 =7,5 м; модуль упругости материала обделки Еоб = 2,65-10 кН/м ; коэффициент Пуассона материала обделки тоб = 0,25; массив грунта - гли-
няные сланцы с природной влажностью; объемный вес материала обделки у = 24 кН/м ; коэффициент Пуассона материала массива тм = 0,2; объемный вес материала ум = 20 кН/м ; заглубление тоннеля Н = 30 м.
Расстояние от лобовой части забоя до расчетного сечения / и расстояния от лобовой части забоя до места включения в работу обделки 11 являются переменными величинами.
и
и Е £Еб
м об
Если допустим, что и функции влияния забоя /(х) = (1 - 0,55е_0'5/ /)
то при использовании получим
а,
2 уН (0,55е"°'5/1/ ) а
(15)
1 (2Д - а )(1 -и) + 2й (1 - 0,55е"п//*°) '
а при использовании функции влияния забоя /(х) = (1 - 0,64е_1'75//) бу дем иметь
а,
2уН Г(1 - 0,64е-175/1/ ) - (1 - 0,64е ~1751 / )"
а
(2Я - а) (1 - и) + 2й 1 - (1 - 0,64е_1'75/1 /*0)
(16)
Определим сжимающие напряжения приконтурного слоя для разных величин /1 по формулам (15) и (16). Полученные значения напряжений а1 представлены на рис. 4.
(аь кН/м2 21.0 1
Г. I 1 | 2
2 4 6 1 1 1 8 10 I 1 20 I
2 4 6 8 10 20
а,, кН/м2 16.0 1
А /1111 1
2 4 6 1 1 1 8 10 I 1 20 I
2 4 6 8 10 20
Рис. 4. Изменение полных деформаций приконтурного слоя и процесс нагружения обделки по мере продвижения забоя: а- при / = 0 и /1 = 2 м; б- при / = 0 и /1 = 40 м
Сравнивая значения полученных результатов исследований (рис. 4.) с данными натурных измерений [3] и данными, полученными по МКЭ [4], где четко установлено, что на расстоянии (2...3)Б прекращается влияние забоя на перемещения контура тоннельной выработки, а в дальнейшем происходит их стабилизация, приходим к выводу об удовлетворительной сходимости полученных результатов.
На рис. 5. представлены зависимости Мки в ключевом сечении приконтурного слоя в зависимости от модуля упругости бетона обделки.
В приконтурном слое при I = 0 и 11 = 2 рассматривается изменение
Мк и в ключе в зависимости от модуля упругости обделки Еоб для
7 2
случая постоянного значения модуля упругости массива Ем = 1010 кН/м .
Расчеты проведены для функции /(I /^0) = 0,55е"п1 /^ в соответствии с формулами (7) и (9), а при /(I/Я0) = (1 -0,64е"п1 /- по формулам (8) и (10).
Рис. 5. Изменение изгибающих моментов и нормальных сил в зависимости от модуля упругости бетона:
1 - при /(I / Я0 ) = 0,55е
п1 /; 2 - при /(I/Я0) = (1 - 0,64е~п1 /)
Как видно из графиков на рис. 5, модуль упругости бетона обделки Еоб оказывает значительное влияние на изгибающие моменты М и нормальные силы N. Так, при уменьшении модуля упругости обделки величины М и N уменьшаются довольно резко и затем изменения практически Еоб приводят к резкому повышению изгибающих моментов и нормальных сил, в то время как повышение модулей легкого бетона приводит к незначительному повышению М и N. Таким образом, с точки зрения статической работы тоннельной обделки более рационально использование легких бетонов, которые при одних и тех же прочностных ха-
рактеристиках с тяжелым бетоном имеют значительно меньшие значения Eo6 и, следовательно, величины M и N в обделках из легких бетонов
значительно меньше, чем в обделках из тяжелого бетона. Полученные теоретические результаты подтверждаются натурными исследованиями транспортных тоннелей, в обделках которых использовался легкий и тяжелый бетон [5].
Таким образом, теоретически подтверждена целесообразность применения в обделках транспортных тоннелей низкомодульных бетонов взамен тяжелых, а именно применение конструктивных бетонов, модуль упругости которых в среднем составляет (0,6...0,7) от модуля упругости тяжелых бетонов.
На основании проведенного теоретического исследования можно сделать следующие выводы:
- разработана инженерная методика расчета подземных сооружений кругового очертания с учетом их пространственной работы. Пространст-венность задачи учитывается с помощью функции влияния забоя;
- разработанная инженерная методика дает возможность рассчитывать монолитные бетонные обделки, учитывать технологию сооружения тоннеля и проследить за процессом нагружения обделки по мере продвижения забоя;
- на базе разработанной методики теоретически доказана целесообразность использования в обделках транспортных тоннелей легких бетонов взамен тяжелых.
Список литературы
1. Аналитический способ определения функции влияния забоя // Т.К. Чурадзе [и др.] Труды ГТУ №7(446). Тбилиси, 2002. С. 138-143.
2. Булычев Н. С., Амусин Б. З., Оловянный А. Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М.: Недра,1974. 320 с.
3. Черняк И. Л., Кузения О. Ю. Влияние движущегося забоя горной выработки на деформирование окружающих пород // Подземное и шахтное строительство.1990. №12. С.12-14.
4. Барбакадзе В. Ш., Мураками С. Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений в деформируемых средах. М.: Строй-издат,1989. 472 с.
5. Степанян В. Э., Петросян Г. М., Санагян А. А. Натурные исследования обделок тоннелей Иджеван-Разданской магистрали/ Информэнер-го. Сер. Сооружение гидроэлектростанций. М., 1988. Вып. 2.
T.K. Churadze, N.C. Rurua, M.E. Moistrapishvili, M.C. Tananashvili
CALCULATING MONOLITHIC-CONCRETE ROUND FORM LININGS WITH CONSIDERING CONSTRUCTION METHOD
Engineering calculating method of joint working system the "massif - lining" at the elastic model with taking into account interaction deformations were considered. It makes possible taking into account constructing a tunnel.
Key words: elastic model, function of influencing face, technology of constructing.
Получено 10.05.12
УДК 624.19
А. Ширзадех, студент, 0041-341-2121003, г [email protected] (Иран, Керман, Университет),
Р. Рахманнеджад, доц., 0041-341-2121003, r_rahmannej ad@hotmail. com (Иран, Керман, Университет),
М.А. Ебрахими, асс., 0041-341-2121003, r [email protected] (Иран, Керман, Университет),
П.В. Деев, канд. техн. наук, доц., (4872)33-22-98, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ НА ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЕЕ УСТОЙЧИВОСТЬ
Исследовано на примере камеры машинного зала Бахтиарской ГЭС влияние ориентации подземной выработки относительно направлений главных горизонтальных напряжений в массиве на ее устойчивость. В качестве критериев, по которым оценивалась устойчивость выработки, принимались объем зон пластических деформаций в массиве, размеры зон максимальных горизонтальных и вертикальных смещений стен и свода выработки.
Ключевые слова: выработка, ориентация, напряжения, смещения, устойчивость, численное моделирование.
Проектирование подземных сооружений можно рассматривать как итерационный процесс, результатом которого является оптимизация значений параметров конструкции с целью обеспечения минимальной стоимости строительства [1]. Одним из параметров, играющих ключевую роль при проектировании горных выработок, является ориентация продольной оси выработки относительно геологических структур массива. Влияние этого параметра может оказаться настолько велико, что при правильном расположении выработки толстую железобетонную обделку можно заменить набрызгбетонной крепью в сочетании с анкерами [2].
Бахтиарская ГЭС расположена в нижнем течении реки Бахтиари в горах Загрос на юго-западе Ирана. Машинный зал ГЭС планируется расположить на глубине 300 м на расстоянии 500 м от середины реки. Широта, высота и протяженность камеры машинного зала составляют 23, 25, 46,
