CC BY
185. Назин В.В. Новые сейсмостойкие конструкции и железобетонные механизмы сейсмоизоляции зданий и сооружений. // М., Стройиздат, 1993. - 135 с.
6. Немчинов Ю.И. и др. Опыт гашения колебаний конструкций зданий и их элементов. // Строительная механика и расчет сооружений. №1, 1984. - с.68-70.
7. Поляков В.С., Килимник Л.Ш., Черкашин А.В. Современные методы сейсмозащиты зданий. // М., Стройиздат, 1989. - 320 с.
8. Поляков В.С., Килимник Л.Ш., Солдатова Л.Л. Опыт возведения зданий с сейсмоизолирующим поясом в фундаменте. // М., Стройиздат, 1984. - 32 с.
9. Экспериментальные исследования зданий на сейсмоизолирующих опорах при действии динамических нагрузок (Япония). // Экспресс информ. ВНИИС. Сер. 14. 1984. Вып. 17. - с.8-10.
УДК 624.19.03 Дуванский А.В.
ДП «Донецкий Промстройниипроект»
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УЧЕТА ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ПРИ РАСЧЕТЕ ТОННЕЛЕЙ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
Рассматривается вопрос учета дополнительных нагрузок, преобладающих в массиве с тектоническими нарушениями различных видов. Рассмотрены существующие методы определения напряженного состояния массива. Предлагается методика по учету нагружающих тектонических напряжений при расчете конструкций тоннелей глубокого заложения. Сформулированы предпосылки к разработке строительных мер защиты тоннелей от влияния деформаций грунтовых массивов с зонами тектонических нарушений.
Тектонические нарушения, массив, обделка, нагрузки, напряжения
Введение
Строительство подземных сооружений ведут преимущественно на территориях, не осложненных особыми условиями. Однако, вследствие развития промышленных предприятий и городов, появляется необходимость строительства коммуникационных тоннелей, коллекторов, тоннелей метрополитенов на всех территориях независимо от характера их структуры. Проектировщикам и строителям приходится часто сталкиваться с геотехническими проблемами. Наряду с уже имеющимися исследованиями работы обделок тоннелей в таких условиях (сейсмика, подрабатываемые территории, просадочные грунты, карсты и др.) наименее изученным случаем остается строительство в зонах тектонических нарушений.
Так как литологическое строение массива в осадочных грунтах не всегда имеет четкую слоистую структуру, необходимо учитывать особое напряженное состояние в массиве с зонами нарушения литологического строения, обусловленного тектоническими процессами. Такие процессы приводят к образованию участков со складками и разрывами в массиве, что ведет к нарастанию горизонтальных или вертикальных напряжений, оказывающих дополнительное нагрузочное воздействие на конструкции прокладываемых тоннелей.
Анализ публикаций
Среди применяемых к настоящему времени методов расчета обделок подземных сооружений можно выделить два основных направления. Одно из них базируется на теории, трактующей давление горных пород на обделку как внешнюю по отношению к ней нагрузку. Второе направление характеризуется тем, что горное давление на обделку
формируется в результате контактного взаимодействия обделки и массива пород, представляющих единую деформируемую систему.
К первому направлению относятся методы расчета обделок, разработанные рядом известных ученых [1 - 4], в которых для раскрытия статической неопределимости системы, помимо метода сил, использовались метод перемещений и метод начальных параметров.
В недавнем прошлом, благодаря значительным достижениям в области механики горных пород, механики деформируемого твердого тела и прогрессивному развитию инженерных программных комплексов интенсивно развивается второе направление расчета подземных сооружений, в рамках которого грунтовый массив и обделка рассматриваются как единая деформируемая система. Особенностью таких расчетных схем этого направления является то, что массив здесь рассматривается в качестве не только поддерживающей, но и нагружающей среды по отношению к обделке. Как следствие этого, нагрузка на обделку (контактные напряжения) определяется в процессе единого расчета системы «обделка-массив».
Различают три схемы контактного взаимодействия [5]: континуальную, в которой массив моделируется сплошной средой с отверстием, а обделка - сплошным кольцом, подкрепляющим отверстие; дискретно-континуальную - массив моделируется сплошной средой, а обделка моделируется стержневой системой; и дискретную - и обделка, и массив моделируются стержневой системой.
Цели и постановка задачи Применение и развитие существующих теорий расчета с целью обеспечения безопасного строительства и длительного срока эксплуатации тоннелей, проложенных в массиве с тектоническими нарушениями. Раскрыть суть малоизученных проблем, связанных со строительством подземных сооружений в зонах тектонических нарушений, что дополнит научные исследования в области строительства в сложных геотехнических условиях.
Результаты и их анализ Первоочередной задачей в предложенной методике является установление напряженного состояния массива. Для этого необходимо выбрать какой-либо известный способ (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема существующих методов исследования напряженно-деформированного состояния грунтового массива
Необходимо отметить, что натурные методы прямого определения напряжений в грунтовом массиве являются наиболее достоверными [6]. Среди таких методов наиболее эффективными для определения напряжений в нетронутом массиве являются методы буровых скважин и геофизические методы. Такие методы с применением необходимого оборудования достаточно точны. Однако их трудоемкость и значительная стоимость оборудования для таких методов приводят к предпочтению других методов.
Сегодня методы моделирования широко используют в различных областях современного естествознания и техники. Моделирование бывает двух родов: с увеличением и с уменьшением масштаба системы.
В исследованиях массивов, как правило, моделируются объекты весьма больших размеров, поэтому применяются, как правило, модели с уменьшением абсолютных размеров объектов. При моделировании можно вести изучение процессов с определенной степенью схематизации объектов, что существенно облегчает интерпретацию результатов натурных наблюдений и измерений и позволяет с большей степенью обобщения проследить и уточнить механизм процессов в толще пород, окружающих горные выработки, с наибольшей возможностью изучить главнейшие действующие факторы.
Наряду с развитием инженерных программных комплексов, на сегодняшний день чаще используются аналитические методы, которые достаточно точно и с минимальными затратами позволяют установить напряженное состояние массива. Более того, такие методы дают возможность исследовать значительный масштаб, что является достаточно удобным для тоннелей, относящихся к протяженным сооружениям.
Используя какие-либо из приведенных методов, можно получить напряжения в
грунтовом массиве у ^, уХ, у^ в любой интересующей области. Полученные величины
напряжений, как правило, являются суммарными от различных процессов, происходящих в массивах (собственный вес массива, грунтовые воды, просадочность грунтов, сейсмика, карсты, тектонические напряжения и т.д.). Поэтому, учитывая такое положение можно заключить, что напряжения в массиве с тектоническими нарушениями в основном сформированы собственным весом массива (рис. 2а) и тектоническими процессами (1) (рис. 2б).
и г т
У 7,х,у = У 7,х,у + У 7,х,у (1)
уи
У 7 х у »_»
где ' ^ - напряжения в массиве полученные в результате исследований;
у7
7,х,у - напряжения в массиве от собственного веса;
у т
У 7 х у ».»».»
- напряжения в массиве от тектонических воздействий.
Используя гравитационную теорию [7], можно установить величины напряжений в массиве, сформированные собственным весом:
г V г . у ху = лгИ =-гИ
у7 = гИ •Гх,у 1 - V
(2)
где у 7, х,у - напряжения в массиве от собственного веса; X - коэффициент бокового давления; у - удельный вес массива; И - глубина заложения тоннеля; V - коэффициент Пуассона.
а>
б)
Л * ;[
О
X
Л
о
X л
(у,
г
и
/аГ
Л-"5
7
а.
ох
Рис. 2. Схема напряженного состояния грунтового массива: а) от горного давления; б) от тектонических воздействий
Для дальнейшего определения тектонических напряжений достаточно вычесть из напряжений, полученных путем исследования, теоретические напряжения, полученные в формуле (1):
ут = у11 - уг (3)
Полученные тектонические напряжения далее можно учесть при расчетах обделок тоннелей с помощью известных методов расчета [8] в различных постановках с применением выведенных формул. Однако, учитывая развитие современных расчетных комплексов, основанных на методе конечных элементов (МКЭ), целесообразно осуществлять реализацию взаимовлияния грунтового массива с обделкой по средствам континуальных или дискретных схем.
Использование современных расчетных инженерных программных комплексов, основанных на МКЭ, позволяет моделировать массив и обделку посредством создания континуальных и дискретных схем в упругой, упругопластической или вязкопластической постановках [5]. Однако, использование континуальных схем, в которых массив моделируется сплошной средой, является неудобным ввиду сложности реализации горного давления. Так, при создании в массиве напряжений от собственного веса, на обделку тоннеля глубокого заложения приходится давление всего массива (2) расположенного над обделкой. Такое давление, приходящее на обделку является неправильным, так как рядом работ установлено [9 - 11], что горное давление формируется сводом обрушения, возникающим при прохождении выработки.
Таким образом, для упрощения расчетов целесообразно использовать дискретные расчетные схемы в упругой (линейной) постановке. Использование таких схем довольно распространено при расчете обделок тоннелей. Усовершенствование таких схем выполнено при разработке методики учета дополнительных воздействий на обделку, расположенную в подрабатываемом массиве [12]. На рис. 3 а приведена дискретная схема с основными действующими нагрузками, которые будут воздействовать на обделку тоннеля, расположенного в массиве с тектоническими нарушениями.
Взаимодействие конструкции и грунта в такой расчетной схеме моделируется упругими связями, длина которых 1щ, 1у, определяется в зависимости от размеров зоны активного давления. Действующие нагрузки передаются на связи продольными силами и^, у^. В результате упругой работы последних выполняется поджатие на соответствующие величины д 1щ, д 1у опорных узлов. Происходящие деформации в
элементах, моделирующих грунт, зависят от заданных характеристик ЕБг. Последующие деформации и усилия в конструкции обделки образуются путем передачи деформаций с грунтовых элементов через контактные узлы. Соответственно величина деформации обделки и величины возникающих усилий зависят от жесткости обделки.
а)
I 11111 Hi У V111 M I I
Г77777ТПТТ77ГПТИ1
r
w
p
J
ггггггптт
■■.r.wb
£ v i 1 i i i i i i }
fitoioi.^
щимм igmj
^ / ^ илпур uftww
Рис. 3. Нагрузочная схема взаимодействия обделки с грунтовым массивом в зонах тектонических нарушений: а) общая схема; б) передача нагрузки от веса грунта; в) передача нагрузки от тектонических воздействий
По предложенной схеме можно задавать как горное давление (рис. 3б), так и тектонические воздействия (рис. 3в) на контур подземных сооружений. Расчет по предложенной методике можно выполнить при помощи отечественных программ Scad, Лира, реализующих метод перемещений в форме МКЭ в соответствии с действующими государственными нормами и требованиями.
Выводы
1. Разработанный метод основан на контактном взаимодействии обделки и породного массива, составляющих единую деформированную систему, что отвечает современному подходу исследования подземных сооружений.
2. Применение метода позволяет учесть: технологию проведения и закрепления выработки, жесткостные характеристики конструкций и массива.
3. Дискретная схема, используемая в методе, обеспечивает достаточную точность расчетов, а также имеет определенные преимущества перед методами, основанными на континуальных схемах.
4. При применении методики можно получить оптимизированное сечение обделки любого типа и оптимизированное армирование железобетонных типов обделки.
5. Предложенная методика адекватно учитывает влияние тектонических нарушений на конструкции тоннелей и обеспечивает качественно новые условия работы, позволяющие при минимальных затратах повысить эксплуатационную надежность сооружения.
6. Разработанный метод позволит более экономично оценить влияние конкретных тектонических воздействий на различные подземные сооружения глубокого заложения, в том числе и тоннели.
7. Использование разработанного метода позволяет разработать мероприятия по защите конструкций тоннелей в массиве со значительными величинами напряженного состояния.
Список использованных источников
1. Бодров Б.П. Кольцо в упругой среде / Бодров Б.П., Матэри Б.Ф. // Бюллетень метропроекта. - Москва: Метропроект. - 1936. - № 24. - С. 17 - 23.
2. Бурдзгла Н.Л. Метод расчета монолитных обделок тоннелей / Бурдзгла Н.Л. - М.: Стройиздат, 1968. - 221 с.
3. Давыдов С.С. Расчет и проектирование подземных конструкций / Давыдов С.С. - М.: Стройиздат, 1950. - 376с.
4. Орлов С.А. Расчет конструкций, лежащих на контуре кругового выреза в плоскости / Орлов С.А.: Исследования по теории сооружений / Сб. науч. трудов. -Москва: Стройиздат. - 1954. - №4. - С. 529-547.
5. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений / Булычев Н.С. - М.: Недра, 1982. -270 с. - (Учебник для вузов).
6. Рамберг X. Моделирование деформаций земной коры / Рамберг X. - М.: Недра, 1970. - 224 с.
7. Динник А.Н. Устойчивость упругих систем / Динник А.Н. - М.: изд-во АН СССР, 1950. - 120 с.
8. Борисов А. А. Механика горных пород / Борисов А.А. - Л.: изд-во ЛГИ, 1968. - 101с. -(Учебное пособие).
9. Протодьяконов М. М. Давление горных пород и рудничное крепление / Протодьяконов М. М., Ч. 1. - М.: Новосибирск, 1933. - 164 с.
10. Руппенейт К. В. Некоторые вопросы механики горных пород / Руппенейт К. В. - М.: Углетехиздат, 1954. - 384 с.
11. Проявкин Е. Т. Давление горных пород и крепь стволов / Проявкин Е.Т. - М.: Углетехиздат, 1958. - 119 с.
12. Розенвассер Г.Р. Несущая способность сборных обделок коммуникационных тоннелей при их совместной работе с грунтовым массивом / Розенвассер Г.Р., Шамрин Ю.Е., Бессолов П.П., Шварц Л.М., Мазепин П.П. // Подземное и шахтное строительство. - М.: Стройиздат, 1991. - №2. - С. 25 - 26.
УДК 624.151.5
Дьяков И.М., к.т.н., доцент
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ЖИВУЧЕСТИ КОНТИНУАЛЬНЫХ
ПОДПОРНЫХ СТЕН
На основании теоретических и экспериментальных исследований в области работы континуальных подпорных стен с повреждениями рассмотрены подходы к оценке их живучести. Предложен метод оценки живучести. Определены повреждающие факторы и сценарии разрушения.
