CC BY
5
Выбор безопасной глубины заложения железобетонного футляра при бестраншейной прокладке коллектора
Н.Г. Лобачева, Е.А. Муравьева, А.В. Манько Московский государственный строительный университет
Аннотация: В статье приводятся результаты исследования, направленные на выбор безопасной глубины заложения подземного коллектора. В научной и нормативной литературе нет конкретных рекомендаций по глубине заложения футляров при проходке через действующие автомагистрали. Есть только рекомендации, касающиеся проходки футляра коллектора через железнодорожные насыпи. Цель данного исследования: научно обоснованные рекомендации по применению железобетонных труб в качестве футляров коллекторов. Решение задач для достижения поставленной цели будет производиться при помощи численного эксперимента - методом конечных элементов.
Ключевые слова: железобетонный футляр, подземный коллектор, безопасная глубина, математическое моделирование, конструкции футляров, автомагистраль, закрытый способ работ, бестраншейная прокладка, метод конечных элементов, мульда оседания.
В соответствии с нормативной литературой (СП 265.1325800.2016, СТО НОСТРОЙ 2.16.65-2012), все коллекторы, пройденные под действующими автомагистралями, обязаны иметь защитные футляры, которые должны воспринимать нагрузку от балластного слоя и дорожной одежды автомагистрали, а также движущихся автомобилей [1]. При этом применяют металлические и железобетонные футляры. В данной статье речь пойдет о железобетонных футлярах.
В соответствии с ГОСТ 20054-82 и ГОСТ 6482-2011, заводы железобетонных изделий выпускают футляры (железобетонные сегменты) с внешним диаметром от 390 мм до 1840 мм. Толщина стенки составляет от 45 до 120 мм. При этом футляры по ГОСТ 20054-82 стенки железобетонного футляра толще, чем по ГОСТ 6482-2011. В связи с этим в дальнейшем проводить численный эксперимент будем с трубами по стандарту 2011 года.
Численный эксперимент, результаты которого приведены в статье, были основаны на результатах полученной матрицы планирования эксперимента [2].
М Инженерный вестник Дона, №1 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2022/7399
Метод планирования эксперимента [3] - это один из разделов теории
__3
вероятности [4]. По матрице полного факторного эксперимента 2 была построена таблица с исходными характеристиками для численного эксперимента методом конечных элементов (далее МКЭ). Данная таблица 1
приведена ниже.
Таблица № 1
Исходные данные моделирования железобетонного футляра
Номер Внутренний Толщина Длина одного Глубина
эксперимента диаметр трубы футляра, мм стенки, мм звена, мм заложения футляра, м
I 500 55 2500 2
II 600 60 2500 4
III 1000 100 3000 6
IV 1600 120 3000 8
V 400 50 2500 10
VI 800 80 2500 12
VII 1200 110 1000 14
VIII 1400 110 1000 16
Для бестраншейной проходки железобетонных футляров в основном
применяют следующие технологии: микротоннелирование, бурошнековое бурение, продавливание [5,6]. Для железобетонных футляров наиболее часто применимой технологией является микротоннелирование, в том числе с применением фибробетона [7,8]. Следующим по популярности проходки футляров идет метод бурошнекового бурения [9].
При всех эти методы проходки футляров в двухмерной постановке численного эксперимента суть любой из применяемых технологий сводится к уборке породы по всей площади поперечного сечения железобетонного сегмента футляра. Поэтому в дальнейшем эксперименте особенности технологии учитываться не будут. В качестве расчетной модели грунтового массива применялась модель Мора-Кулона, а для моделирования железобетонного футляра - модель Гука.
Численный эксперимент проводился Швейцарской программой ZSOIL, реализующей метод конечных элементов. Программa была создана давно и на сегодняшний момент активно используется в России и в остальном мире при расчетах различных сооружений. Но первоначально
программа задумывалась для решения различных геотехнических задач [10].
Для численного эксперимента была выбрана схема расчета с однородным песчаным массивом, который моделирует балластный слой автомобильной дороги. Физико-механические характеристики песчаного
2 3
слоя следующие: модуль деформации - 18000 кН/м , плотность - 18 кН/м , угол внутреннего трения - 36, коэффициент сцепления - 0 кН/м , коэффициент Пуассона - 0,42.
При анализе всех расчетов можно сделать вывод о том, что деформация железобетонного футляра, независимо от его диаметра и глубины залегания,
будет одинаковой (рис.1).
Рис. 1. - Результаты расчета железобетонного футляра по деформациям На рис. 1 масштаб для наглядности увеличен 10:1, чтобы было лучше видна картина деформации. На самом деле максимальная деформация железобетонного футляра составила 0,7 мм.
Й Инженерный вестник Дона, №1 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2022/7399
Первый численный эксперимент был проведен с железобетонным футляром с внутренним диаметром 500, эксперимент №I. На рис. 2 даны результаты абсолютных перемещений в массиве и конструкции футляра. Величина мульды оседания автомагистрали составила 3,9* 10-5 м, а величина максимальных смещений в районе лотка составляет 0,4 мм. Эти величины не влияют на работоспособность конструкций автомагистрали.
Рис. 2. - Перемещения в массиве при эксперименте № I
Далее был произведен расчет № VIII потому, что в данном эксперименте железобетонный футляр имеет внутренний диаметр 1400 мм, близкий к максимальному (1600 мм) и глубина максимальна для таких конструкций. Результаты проведенного исследования приведены на рис. 3. Мульда оседания отсутствует потому, что перемещения не доходят до поверхности, а затухают на расстоянии 8 м от шелыге свода. Максимальные перемещения будут под лотком футляра и составляют 4 мм, в своде - 2,1 мм.
Остальные результаты приведены в таблице 2.
По анализу результатов очевидно, что начиная с глубины 4 метра, зона влияния от проходки футляров не влияет на дорожное полотно и возможно глубина 4 метра может считаться безопасной для железобетонных футляров.
и
J
DISPLACEMENT-ABS t= 2 .0 [day]
Z_SOIL.PC 2003 v.6.21 Professional License No: MSUCE2003 Company: ZACE Author: ZACE Date : 2022-01-14 10:29:24 File : C:\Katerina\Concrete\1400 Title: Zsoil example
9 1,798e-03
10 1 998e-03
11 2.197e-03
12 2.397e-03
13 2.597e-03
16 3.196e-03
Рис. 3. - Перемещения в массиве при эксперименте № VIII
Таблица № 2
Результаты проведенного численного эксперимента
Номер Глубина Мульда Максимальные Размер зоны
эксперимента заложения оседания, перемещения в влияния вверх
футляра, м мм грунта, мм от шелыги, м
I 2 0,039 0,4 2,0
II 4 0 0,65 3,8
III 6 0 1,41 3,7
IV 8 0 3,19 4,2
V 10 0 0,72 2,8
VI 12 0 1,59 3,1
VII 14 0 2,89 6,0
VIII 16 0 4,0 6,8
Для проверки этого вывода была сделана еще серия численных экспериментов с железобетонными футлярами со внутренним диаметром 500 мм и 1600 мм для глубин 2, 8 и 16 метров. Сначала проверялся численным моделированием футляр внутренним диаметром 500 мм для глубин 8 и 16 м потому, что для глубины 2 м результат был получен в первой серии эксперимента.
Результаты моделирования представлены на рис.4.
1 -5.0 | -2.5 10.0 12.5 15.0
СП "
о _ Ö " 4 1,383e-04 5 1.729e-04 6 2.075e-04 7 2.421 e-04 ^^^^^^ 9 3.112 e-04 10 3.458e-04
Ш в 11 3.804e-04 12 4.150e-04 13 4.495e-04
о _ 14 4.841 e-04 1.5 5.187e-04 16 5.533e-04 I 7 5 8 7Уе-04 UNIT [m]
DISPLACEMENT-ABS t= 2.0 [day] '1 Z SOIL.PC 2003 v.6.21 Professional License No: MSUCE2003 Company: ZACE 1 Author: ZACE Date : 2022-01-14 13:40:03 File : C:\Katerina\Concrete\500-8 Title: Zsoil example
(а)
I-4.0 10.0 14.0 .5.. .2,71.6.6:04
-t* О - о о -
-
6 3.260e-04 7 3.803e-04 ^^^^^^ 9 4.890e-04 10 5.433e-04
- 11 5.976e-04 12 6.519e-04 13 7.063e-04
14 7.606e-04
к ö " 1.5_ 16 8.693e-04 ^^^^^^ UNIT Im]
-
DISPLACEMENT-ABS t= 2.0 [day] '1 Z SOIL.PC 2003v.6.21 Professional License No: MSUCE2003 Company: ZACE 1 Author: ZACE Date : 2022-01-14 13:24:08 File : C:\Katerina\Concrete\500-16 Title: Zsoil example
(б)
Рис. 4. - Перемещения в массиве при эксперименте с футляром 500 мм: (а) - глубина 8 м; (б) - глубина 16 м. При глубине 8 м максимальные перемещения в массиве составят 0,7 мм, зона влияния 2,05 м от шелыги свода. Для глубины футляра 16 м максимальные перемещения составят 1,1 мм, а зона влияния - 3,3 м.
М Инженерный вестник Дона, №1 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2022/7399
I-20.0 ,-10.0 ,0.0 ,10.0 120.0
Ь. Л ° 4 5,968.e-04
о " ШШШШШ 5 7.4606:04
- V kJ 1 J?,. 7 1 Q^-q?
- f 1 f } 9 1,3436-03
— 10 1.492e-03
о ' 11 1.641e-03
- 12 1.790e-03
- 13 1.940e-03
- 14 2.089e-03 lb 2.2Jbe-0j
fO . о о - 16 2.387e-03
7 DISPLACEMENT-ABS t= 2.0 [day] /f\|'| Z SOIL.PC 2003 v.6.21 Professional License No: MSUCE2003 Company: ZACE Author: ZACE Date : 2022-01-14 15:10:21 File : C:\Katerina\Concrete\1600-2(2) Title: Zsoil example UNIT [m]
(а)
!
DISPLACEMENT-ABS t= 2.0 [day]
Z_SOIL.PC 2003 v.6.21 Professional License No: MSUCE2003 Company: ZACE Author: ZACE Date : 2022-01-14 14:41:01 File : C:\Katerina\Concrete\1600-16(2) Title: Zsoil example
4 1 425e-04
9 3,207e-04
10 3.564e-04
11 3.9206-04
12 4.276e-04
13 4.633e-04
14 4.989e-04
16 5.702e-04
(б)
Рис. 5. - Перемещения в массиве при эксперименте с футляром 1600 мм:
(а) - глубина 2 м; (б) - глубина 16 м.
В третьей серии численного эксперимента проверяется футляр самого большого внутреннего диаметра - 1600 мм для глубин 2 и 16 м, т.к. для глубины 8 м результаты имеются в первой серии расчетов. Результаты исследования представлены на рис. 5.
При глубине 2 м максимальные перемещения в массиве составят 3 мм, зона влияния выходит на поверхность и максимальная деформация дорожного полотна составит 1,34 мм, что допустимо. Для глубины 16 м максимальные перемещения составят 0,75 мм, а зона влияния составит 12 м. На рис. 6 представлены результаты 2-ой и 3-ей серий в виде графиков. По оси абсцисс указаны глубины заложения футляра (синяя линия -0500 мм, красная линия - 01600 мм). По оси ординат - зона влияния от шелыги свода вглубь массива по вертикали.
14
12 10 8 6 4 2 0
Рис. 6. - Перемещения в массиве при эксперименте с футлярами с
внутренним диаметром 500 мм и 1600 мм Анализируя полученный график (рис.6), а также полученные иные результаты, представленные в таблице 2, можно сделать следующие выводы:
• при глубине заложения 2 м все футляры имеют зону влияния, выходящую на дневную поверхность;
• при глубине заложения 4 и более метров, у футляров, независимо от их диаметра, зона влияния не выходит на поверхность;
• в пределах глубины заложения от 4 до 8 метров, зона влияния составляет от 2 до 4 метров соответственно, следовательно в указанном интервале можно применять железобетонные футляры любого диаметра без предварительного расчета;
— 500 1600
• при глубине заложения от 8 до 16 метров, зона влияния растет по мере увеличения диаметра и это важно учитывать, например, при прокладке нескольких параллельных футляров;
• начиная с глубины 4 метра, если необходимо, то можно проходить железобетонные футляры бестраншейной технологией без предварительного моделирования напряженно-деформированного состояния массива.
• Данные рекомендации носят справочный характер на тот случай, если при проходке проектного железобетонного футляра происходят форс-мажорные обстоятельства, требующие возведения без проекта.
Литература
1. Курганский М.Н., Павлов С.В., Гапонов В.В. Надежность строительных конструкций тоннелей инженерных коммуникаций в Москве с учетом воздействия динамических нагрузок // Метро и тоннели, 2011, №4, С. 34-37.
2. Муравьева Е.А., Манько А.В. Методология численного эксперимента прокладки коллекторов под автомагистралями закрытым способом // Инженерный вестник Дона, 2021, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2021/7011.
3. Спирин Н.А., Лавров В.В., Зайнуллин Л.А., Бондин А.Р., Бурыкин А.А. Методы планирования и обработки результатов инженерного эксперимента. Екатеринбург: ООО «УИНЦ», 2015, 290 с.
4. Антонова А.С., Аксенов К.А. Многокритериальное принятие решений в условиях риска на основе интеграции мультиагентного, имитационного, эволюционного моделирования и численных методов // Инженерный вестник Дона. 2012. №4 (часть 2). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1466.
5. Кузахметова Э.К., Шмелев В.А., Титов Е.Ю., Кириллова Н.Ю., Заикина Л.Л. Методические рекомендации по способам бестраншейной прокладки труб дорожных водопропускных. М: ФГБУ «Информавтодор», 2021, 96 с.
6. Кашкинбаев И. З., Кашкинбаев Т.И. Бестраншейные технологии прокладки и реновации трубопроводов: монография. - Алматы: Нур-Принт, 2016. 198 с.
7. Shepelevich M., Puzan A. Studying crack resistance of reinforced concrete -fibre-glass composite pressure pipes for microtunneling // Contemporary issues of concrete and reinforced concrete, 2019, №11, pp. 76-88.
8. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейсков В.Н. Разработка эффективных составов фибробетона для подземного строительства // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1995.
9. Allouche E. N., Ariaratnam S.T., Lueke J.S. Horizontal directional drilling: a profile of an emerging underground construction industry // Journal of Construction Engineering and Management, 126(1). United States, 2000. pp. 6876.
10. Король Е.А., Харькин Ю.А. К вопросу о выборе программного комплекса для моделирования напряженно-деформированного состояния трехслойных железобетонных элементов и конструкций с монолитной связью слоев // Вестник МГСУ, 2010, №3, С. 156-163.
References
1. Kurganskiy M.N., Pavlov S.V., Gaponov V.V. Metro I Tonnel. 2011. №4. pp. 34-37.
2. Muraveva E.A., Manko A.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2021. №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2021/7011.
3. Spirin N.A., Lavrov V.V., Zaynullin L.A., Bondin A.R., Burykin A.A. Metody planirovaniya I obrabotki rezultatov eksperimenta [Methods of planning
and processing of engineering experiment results]. Ekaterinburg: UINC, LLC. 2015, p. 290.
4. Antonova A.S., Aksenov K.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2012. №4 (part 2). URL : ivdon. ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1466.
5. Kuzahmetova Ye.K., Shmelev V.A., Titov E.Yu, Kirillova N.Yu, Zaikina L.L. Metodicheskie rekomendacii po sposobam bestransheynoy prokladki trub dorozhnyh vodopropusknyh [Methodological recommendations on methods of trenchless laying of pipes of road culverts]. Moscow: FGBU Informavtodor. 2021. P. 96.
6. Kashkinbaev I. Z., Kashkinbaev T.I. Bestranshejnye tehnologii prokladki i renovacii truboprovodov [Trenchless pipeline laying and renovation technologies]: monografija. Almaty: Nur-Print, 2016. p.198.
7. Shepelevich M., Puzan A. Contemporary issues of concrete and reinforced concrete, 2019, №11, pp. 76-88.
8. Stradanchenko S.G., Pleshko M.S., Armeyskov V.N. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1995.
9. Allouche E. N., Ariaratnam S.T., Lueke J.S. Journal of Construction Engineering and Management, 126(1). United States, 2000. pp. 68-76.
10. Korol E.A., Kharkin Y.A. Vestnik MGSU. 2010. №3. pp. 156-163.
