CC BY
45
СТРОИТЕЛЬНАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
© А.Н. Левченко, 2001
УДК
А.Н. Левченко
РАСЧЕТ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ОБДЕЛКИ МАГИСТРАЛЬНОГО КАНАЛИЗАЦИОННОГО ТОННЕЛЯ
В работе [1] была предложена конструкция обделки магистрального канализационного тоннеля глубокого заложения. Обделка состоит из несущего кольца, внутреннего кольца и изоляционного защитного слоя. Несущее кольцо для восприятия горного давления внешним диаметром 5,5-6 м - 8-и блочная обделка из железобетонных блоков толщиной 20-30 см.
Внутреннее монолитное железобетонное кольцо толщиной 16-20 см для восприятия внутреннего напора канализационного стока в аварийном режиме до р0 = 0,5 МПа.
Внутренний защитный слой предназначен для защиты всей конструкции от газовой коррозии и представляет футеровочную конструкцию из прямоугольных изделий трех типов: лотковый блок с горизонтальной внутренней плоскостью, двух смежных с ним сплошных блоков и десяти тонкостенных блоков без связей растяжения. Материалом могут служить каменное литье, например, на диабазовой основе или на шлакоситаловой основе. Тонкостенные блоки толщиной 60-80 мм и размером 60х50 см2. Ширина швов между блоками < 5 мм. Толщина прослойки (постели) из вяжущего состава < 10 мм на силикатных или полимерэпоксидных замазках или < 25 мм на серном цементе.
Таким образом, имеется схема конструкции, которая может удовлетворить требованиям к канализационным напорным коллекторам. Для оценок надежности такой конструкции разработка метода расчета на трещиностойкость при действии внутреннего напора воды при возможном аварийном режиме может служить средством для обоснования конструктивных параметров комбинированных обделок канализационных тоннелей глубокого заложения с оценкой и прогнозированием эксплуатационной надежности конструкций этого типа сооружений.
В связи с этим на этапе проектирования возникает задача определения, как конструктивных параметров, так и параметров материалов, при которых будет обеспечена заданная эксплуатационная надежность
обделок канализационных тоннелей. Возможность получения таких параметров для различных типов крепей и обделок доказана различными исследователями [напр., 2, 3]. Для условий канализационных коллекторов глубокого заложения набор таких параметров пока не известен.
Расчет основан на методе многослойного кольца при действии внутреннего напора воды р0 [3]. Рассмотрим 4-х слойное кольцо и окружающий грунтовый массив. Упругие параметры материалов и грунта определим через модули сдвига: Gi = Ei / 2(1+V,). Здесь Ei и \ -модули Юнга и коэффициенты Пуассона слоев (, = 1, 2, 3, 4, 5). Радиусы слоев, начиная от внутреннего слоя: Я0, Я1, Я2, Я3, Я4. Толщины слоев: t 1, ^, t 3, t 4 . Расчетные прочности на растяжение для защитного слоя Я ш и внутреннего слоя Я ыг. Расчеты напряжений в слоях ведутся с использованием коэффициентов передачи напряжений К 1 [3]. Небольшое видоизменение формул работы [3] приводит к следующему набору расчетных формул (, = 1, 2, 3, 4):
Т = ti /Я,-1 -относительная толщина ,-го слоя;
V,, = 2(1-V,); ^ = (я(1) -1)/ V,;
g (,) = Юм){1+Км*\м,1+1 • #+1}; (1)
к 1* = {(1+Т02 + £1 -Т1 42+Т1)}-1.
Максимальные нормальные напряжения в слоях:
С = Р0 К 1 [(1+ gl)(1+Тl)2 + gl],
С2 = Р0 К 1 К2 [(1+ g2)(1+Т2)2 + g2], (2)
Ж Ж Ж о
С3 = Р0 К 1 К2 К3 [(1+ g3)(1+Т3) + g3],
Ж Ж Ж Ж
С4 = Р0 К 1 К2 К3 К4 [(1+ g4)(1+Т4) + g4].
В работах [4, 5] содержатся сведения об упругих свойствах грунтов, в частности, модуле упругости. Применительно к тоннелям глубокого заложения, например, для условий г. Москвы на глубинах 30-70 м, в основном для каменноугольных отложений, для таких пород как глины твердые, глины известковые, мергели глинистые, доломиты, известняки средней прочности и прочные модуль сдвига имеет диапазон изменения (0,8^7,8) 103 МПа.
Приведем информацию, необходимую для оценки трещиностойкости и упругих параметров внутренних слоев обделки.
Для вторичной монолитной ж.-б. обделки критические параметры будем оценивать по трещиностойко-сти в соответствии с [6]. Определим среднее растягивающее напряжение в слое, при котором в соответствии с указанными нормами, возможно трещинообра-зование в следующей форме:
СТСГ3= Мл-о / а = Rbt, 8етэ (1+2аАМз) +Рю/А, (3)
где Мого - усилие, воспринимаемое сечением, нормальным к продольной оси слоя при образовании трещин при центральном растяжении; Rbt, 8ег3 - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению для предельного состояния второй группы; А3 - площадь поперечного сечения слоя; А, - площадь растянутой арматуры; а= Е8/ЕЬ3 , здесь Е, е ЕЬ3 - модули деформации стали арматуры и бетона, соответственно; Р^3 - нормальная сила в слое при наличии обжатия со стороны несущего слоя при возможной ползучести пород окружающего массива.
Оценим диапазоны возможного изменения каждого
из указанных параметров и сведем результаты в табл.
1. Здесь взяты бетон классов В15 - В40, арматура класса А-Ш с Е, = 2-105 МПа, симметричная арматура с 2-мя сетками с одинаковым армированием.
Для футеровочных покрытий [7, 8] в табл. 2 приведены значения модуля сдвига, коэффициента Пуассона и прочности на растяжение штучных футеровочных материалов (плиты и
блоки). Поскольку для этих материалов значение сопротивления осевому растяжению при трещинообра-зовании практически равно прочности на растяжение, то значения последнего параметра и приведены в этой таблице.
В табл. 3 приведены значения параметров для вя-
Таблица 1
жущих композиций (замазок), с помощью которых производится кладка штучных футеровочных материалов. Здесь Иадг - прочность сцепления вяжущего с материалом каменного литья.
Футеровочное покрытие представляет кладку из плит или блоков. Поэтому требуется знание усредненных характеристик кладки: упругих и трещиностойко-сти с учетом наличия швов и перевязки в полблока в кольцевом направлении. Введем обозначения: 5ш -толщина шва между блоками в кольцевом направлении, 1к - размер блока в том же направлении. Тогда простой расчет показывает, что модуль упругости кладки будет равен
Е1 = Еф {1+[1+ (2Еф-5 Ев- 1к)]-1}/2.
При значениях для 1к в диапазоне 0,5-1м и 5ш = 0,01 - 0,015 м величина Е1 будет иметь изменения в диапазоне 77 - 112 ГПа.
Прочность кладки на растяжение равна Им = ( Rбbt + Иадг )/2. (5)
При указанных в таблицах диапазонах изменения параметров Ибы е Иадг величина будет иметь изменения в пределах 3,85-15,3 МПа.
Приведем итоговую таблицу (табл. 4) диапазонов возможных изменений параметров, ис
пользуемых в расчетах кольцевой комбинированной 4х слойной обделки. Усилие обжатия в слоях от 1-го до 3-го при возможной ползучести пород окружающего
Таблица 5
ДИАПАЗОНЫ ИЗМЕНЕНИЯ МАКСИМАЛЬНЫХ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СЛОЯХ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБДЕЛКИ
ш)/(
(4)
Номер слоя 1 2 3 4
Напряжения С;, МПа -0.074^27.6 -0.06^1.75 0.1^33 0.116^5.9
ДИАПАЗОНЫ ИЗМЕНЕНИЯ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ВО ВТОРИЧНОЙ ОБДЕЛКЕ
ИМ, ser3, МПа Ebз■10 3, МПа A, м2 As, см2 а P, кН Сєг3 , МПа
1,15-2,1 23,0-36,0 0,1-0,3 0-76,02 5,5-8,7 0-20 1,15-5,0
Таблица 2
ШТУЧНЫЕ ФУТЕРОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ПЛИТЫ И БЛОКИ)
Параметры Каменное литье на основе Шлакокаменное литье Шлакоситаллы
диабаза базальта кварца
Еф, ГПа 110 110 - - 120
Vф 0,25-0,3 0,25-0,3 0,25-0,3 0,295 -
R0bt, Іїа 20-25 20-25 45 6-7 23-30
Таблица 3
ПАРАМЕТРЫ ВЯЖУЩИХ КОМПОЗИЦИЙ (ЗАМАЗОК)
Параметры На основе серы Арзамит На основе фурино-вых смол Полиэфирные Полимерзамазки
Ев, ГПа - 5 4-5 6,6-13 8,5
сг а 5 7,5-8 8-12 10-15 5-17,2
Rадг, МПа - 1,7 - 1,9-2,8 4,8-5,6
Таблица 4
ДИАПАЗОНЫ ПАРАМЕТРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ РАСЧЕТЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБДЕЛКИ
Наименование слоя Толщина й, см Модуль сдвига ^, ГПа Коэф-т Пуассона Уі Сопротивления растяжению S, МПа
1.Кладка из футеровочных материалов 5^12 30^45 0,25^0,3 Rbt1=3,85^15,3
2. Замазка 1^2 1,4^4,8 0,25^0,35 2 II ю 1 5
3. Вторичная ж-б. обделка из бетона В15-В40 10^30 9,6^14,6 0,18^0,2 Къмег3=1,15^2,1
4. Несущая ж.-б. обделка из бетона В30-В40 с учетом стыков 20^30 11^12,5 0,16^18 0^4=1,2^1,75
5. Массив горных пород - 0,8^7,8 0,25^0,35 -
массива примем PH! =0.
Расчет максимальных нормальных напряжений в слоях по ф-лам (1, 2) с учетом диапазонов возможных изменений толщины слоев и параметров материалов (табл. 4) дает оценки диапазонов изменения этих напряжений, приведенных в табл. 5.
Сравнение этих оценок и значений напряжений, при которых возникают поперечные трещины в слоях (последняя колонка в табл. 4), показывает, что для каждого слоя можно выбрать параметры, при значениях которых обеспечивается отсутствие трещинообразова-ния.
При этом, существует возможность снизить одновременно значения О ш 15,3 Па е О3 ш 2,1 Па путем выбора толщин слоев. Таким образом, можно обеспечить трещиностойкость во всех слоях при действии внутреннего напора в аварийном режиме.
Помимо этого, имеется возможность произвести оптимальное проектирование параметров слоев при сохранении заданной трещиностойкости обделки. В результате определения оптимальных параметров слоев имеется перспектива оценки надежности обделки магистрального канализационного тоннеля.
1. Борисов В.Н., Левченко А.Н., Павлов О.Н. Выбор и обоснование конструктивных параметров обделки и гидроизоляции магистрального канализационного тоннеля глубокого заложения в г. Москве. // Проблемы строительной геотехнологии "Строительство и эксплуатация подземных сооружений и шахт" - М.: Изд-во МГГУ - 2000. - С. 75 - 81.
2. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и
конструкции крепей. - 2-е изд.. пере-раб. и доп. - М.: Недра, 1992. - 543 с.
3. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок.
- М.: Недра, 1986. - 360 с.
4. Руководство по проектированию гидротехнических тоннелей / Гидропроект им. С.Я. Жука, Минэнерго СССР. - М.: Стройиздат, 1982.
- 288 с.
5. Справочник по механике и динамике грунтов / В.Б. Швец, Л.К. Гинзбург, В.М. Гольдштейн и др.;
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Под ред. В.Б. Швеца, - К.: Будивель-ник, 1987. - 232 с.
6. СНиП 2.03.01 - 84*. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР,
1985. - 79 с.
7. Износостойкая защита конструкций. Справочник. / Н.И. Пономаренко и др. - Киев: Будивельник. -
1986. - 136с.
8. Степанов Р.Д., Илюхин А.Ф. Расчет футерованных аппаратов. - М.: Машиностроение, - 200 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
,__________________________________________________________________________________
Со
Левченко Александр Николаевич — инженер, СУ-19, Трест горно-проходческих работ.
