Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения"

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБДЕЛОК ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2005

Работа выполнена на кафедре «Механика материалов» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук,

доцент Саммаль Андрей Сергеевич

Официальные оппоненты -доктор технических наук,

профессор Сергеев Сергей Валентинович

кандидат технических наук, доцент Копылов Сергей Иванович

Ведущее предприятие - ЗАО «Тоннельпроект»

Защита диссертации состоится часов

на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300600 г. Тула, пр. Ленина 92, учебный корпус, б . ауд. ££ О. Тел./факс (0872)33-22-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «22.У> апреля 2005 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие инфраструктуры городов, эффективное функционирование современного городского хозяйства неразрывно связаны с интенсивным освоением подземного пространства, в частности, с сооружением тоннелей различного назначения - транспортных, коммунальных, коллекторных и т.п. При этом особенности городских условий, к которым относятся высокая плотность застройки, наличие ответственных сооружений на поверхности, густая сеть подземных коммуникаций, делают целесообразным использование закрытого способа проведения тоннелей.

Изучение опыта подземного городского строительства показывает, что тоннели в зависимости от их назначения, технологии строительства и условий эксплуатации могут иметь различную форму поперечного сечения. При этом применяемые обделки могут иметь переменную толщину.

Существующие аналитические методы позволяют производить расчет обделок переменной толщины тоннелей глубокого заложения. Аналогичных методов расчета таких обделок с учетом влияния земной поверхности и находящихся на ней зданий и сооружений, а также наземного транспорта до настоящего времени не имелось.

В связи с этим разработка метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения, в том числе - сооружаемых закрытым способом в городских условиях, является актуальной научной задачей, решение которой открывает новые возможности для совершенствования проектирования подземных сооружений различного назначения, способствуя повышению их надежности, а в ряде случаев - научно обоснованному принятию более экономичных проектных решений.

Работа выполнена при поддержке грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ-центр № 02-05-96004) и Совета программы государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-1013.2003.5.

Цель работы состоит в разработке нового аналитического метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения, сооружаемых закрытым способом, на основные виды нагрузок и воздействий, базирующегося на строгих решениях соответствующих плоских задач теории упругости и позволяющего рассматривать обделки тоннелей как глубокого, так и мелкого заложения с единых методологических позиций механики подземных сооружений.

Идея работы заключается в математическом моделировании взаимодействия тоннельной обделки переменной толщины с окружающим массивом грунта (пород) как элементов единой деформируемой системы, получении новых аналитических решений ряда плоских задач теории упругости для полубесконечной линейно-деформируемой однородной изотропной среды, моделирующей массив грунта, ослабленной отверстием произвольной формы (с одной осью симметрии), подкрепленным кольцом переменной толщины, моделирующим тоннельную обделку, и использовании указанных решений в качестве основы разрабатываемого метода расчета.

Методы исследования включают решения соответствующих плоских задач теории упругости с использованием математического аппарата теории аналитических функций комплексного переменного, аналитического продолжения комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили через границу полуплоскости, конформных отображений, полиномов Фабера и комплексных рядов; разработку комплекса компьютерных программ и выполнение многовариантных расчетов с целью исследования зависимости напряженного состояния обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения от основных влияющих факторов.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- разработана математическая модель взаимодействия некруговой тоннельной обделки переменной толщины с окружающим массивом грунта (пород), позволяющая учитывать влияние земной поверхности на напряженное состояние подземной конструкции при действии гравитационных сил, давления подземных вод, веса зданий и сооружений, как возводящихся вблизи уже построенного тоннеля, так и существовавших до его сооружения, а также нагрузок от движущегося наземного транспорта;

- получены новые аналитические решения ряда плоских задач теории упругости для полубесконечной линейно-деформируемой однородной изотропной среды, моделирующей массив грунта, ослабленной отверстием произвольной формы (с одной осью симметрии), подкрепленным кольцом переменной толщины, моделирующим тоннельную обделку, при граничных условиях, отражающих наличие в массиве линейно изменяющихся по глубине начальных напряжений, обусловленных собственным весом грунта или давлением подземных вод, а также действие на произвольном участке прямолинейной границы полуплоскости равномерно распределенной нагрузки (при рассмотрении веса здания или нагрузки от транспортного средства на поверхности);

- на основе полученных решений разработан метод расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на действие собственного веса грунта, внешнего давления подземных вод, веса зданий и сооружений на поверхности, как возведенных после проведения и крепления тоннеля, так и существовавших до его строительства, а также на действие нагрузок от движущихся по поверхности транспортных средств;

- разработаны полный алгоритм и комплекс компьютерных программ, реализующие предлагаемый метод расчета;

- установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре монолитной бетонной обделки переменной толщины (рассмотрены три варианта поперечного сечения) при действии собственного веса грунта, давления подземных вод и веса здания на поверхности, от основных влияющих факторов.

Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается высокой точностью (погрешность не превышает 5%) удовлетворения граничных условий задач, решения которых положены в основу разработанного

метода расчета, и практически полным совпадением результатов с данными, полученными другими авторами при решении аналитическими методами частных задач.

Научное значение диссертационной работы состоит в разработке математической модели взаимодействия некруговой обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения с окружающим массивом грунта при основных видах нагрузок и воздействий; получении новых аналитических решений соответствующих плоских задач теории упругости для полубесконечной линейно-деформируемой среды, ослабленной отверстием произвольной формы (с одной осью симметрии), подкрепленным кольцом, толщина которого изменяется по периметру; разработке на основе полученных решений метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения; установлении зависимостей максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения обделки, от основных влияющих факторов.

Практическое значение диссертации состоит в разработке алгоритма расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения и соответствующего компьютерного программного обеспечения, позволяющего производить многовариантные расчеты как в исследовательских целях, так и при практическом проектировании.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации были использованы ЗАО «Тоннельпроект» для оценки проектных параметров обделки участка канализационного коллектора №68 от насосной станции «Северная-1» до дюкера через р. Дон в г. Ростов-на-Дону, а также составили основу отдельных компонентов программного комплекса, разработанного в Тульском государственном университете и переданного ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для применения при проектировании тоннелей различного назначения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной конференции «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (г. Тула, 2002 г.), на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (г. Тула, 2002 г.), на заседании секции расчета и проектирования подземных сооружений Тоннельной ассоциации РФ (г. Тула, 2002 г.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, МГТУ, 2002, 2004 гг.), на Международной конференции «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (г. Тула, 2003 г.), на 1-й Международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 г.), на Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (г. Тула, 2003 г.), на Международной научно-технической конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация подземных сооружений» (г. Екатеринбург, 2004 г.), на Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2004 г.), на научно-практической конференции «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерского дела и геодезии» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), на VII Региональном симпозиуме по геомеханике К0СКМЕС2004 (г. Сивас, Турция,

2004 г.), на научно-техническом семинаре «Проектирование и эксплуатация оснований и фундаментов в сложных условиях городской застройки» (г. Белгород,

2005 г.), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (г. Тула, 2002,2003,2004,2005 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 150 с, включая 23 рисунка, 2 таблицы, список литературы из 124 наименований и два приложения.

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность руководителям научной школы в области геомеханики, теории и методов расчета подземных сооружений д.т.н., проф. Н.Н. Фотиевой и д.т.н., проф. Н.С. Булычеву за помощь и содействие, оказанные в процессе работы над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Решение проблемы повышения качества проектных решений и обеспечения прочности и надежности тоннелей различного назначения, в том числе - сооружаемых в городских условиях, связано с необходимостью совершенствования теории и создания новых методов расчета подземных сооружений. Значительный вклад в решение этих вопросов внесли исследования СВ. Анциферова, Л.Н. Анциферовой, И.Г. Арамановича, А.А. Баряха, Н.С. Булычева, И.Я. Бялера, Д.М. Голицынского, А.М. Гольдберга, Г.В. Гончарова, А.С. Городецкого, И.К. Гуд-жабидзе, П.В. Деева, Б.А. Картозия, Н.Н. Корнеевой, В.А. Латышева, В.В. Макарова, Л.В. Маковского, М.В. Малышева, Т.Л. Мартыновича, А.С. Саммаля, Л.К. Тереховой, Н.Н. Фотиевой, Ю.С. Фролова, Г.Л. Хесина, В.И. Шейнина, С.А. Юфина, М. Baudendistel и др. При этом О.А. Давыдовой, Р.А. Дунаевским, Н.И. Савиным, А.С. Саммалем, Т.Г. Саммаль, Н.Н. Фотиевой предложены оригинальные аналитические методы расчета обделок тоннелей глубокого заложения, толщина которых изменяется по периметру поперечного сечения, основанные на строгих решениях соответствующих задач теории упругости с применением теории аналитических функций комплексного переменного.

Анализ имеющихся работ показал, что вопросы влияния земной поверхности и веса находящихся на ней зданий и сооружений, а также нагрузок от движущихся наземных транспортных средств на напряженное состояние некруговых обделок переменной толщины до настоящего времени не рассматривались.

В связи с изложенным целью диссертации явилась разработка метода, алгоритма и комплекса программ расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на действие гравитационных сил, давления подземных вод, веса зданий и сооружений, как возведенных вблизи уже построенного тоннеля, так и существовавших до проведения тоннеля, а также нагрузок от движущегося наземного транспорта.

Для достижения поставленной цели рассмотрен ряд плоских задач теории упругости, общая расчетная схема которых представлена на рис. 1.

Здесь полубесконечная весомая линейно-деформируемая однородная изотропная среда ослабленная отверстием произвольной формы (с одной осью симметрии), моделирует массив грунта, механические свойства которого характеризуются модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона \>0. Подкрепляющее отверстие кольцо ^ переменной толщины, выполненное из материала с деформационными характеристиками Ех, V], моделирует тоннельную обделку (полагается, что окружность, описанная вокруг наружного контура Ь0 кольца, не пересекает прямолинейную границу Ь'а полуплоскости и не касается ее).

Среда 50 и кольцо ^ деформируются совместно, т.е. на линии контакта Ь0 выполняются условия непрерывности векторов смещений и полных напряжений. Внутренний контур кольца свободен от действия внешних сил.

Действие собственного веса грунта (задача 1) моделируется наличием в среде начальных напряжений, линейно изменяющихся по глубине

где - удельный вес грунта; - коэффициент бокового давления грунта в ненарушенном массиве; Н - глубина заложения тоннеля, отсчитываемая от начала координат, выбираемого в центре выработки; - корректирующий множитель, введенный для учета влияния расстояния от сооружаемой обделки до забоя выработки, который определяется по формуле, предложенной Н.С. Булычевым

где - средний радиус выработки.

Действие давления подземных вод (задача 2) моделируется наличием в среде начальных напряжений

(0X0) _ а(охо) _

чАНя-у),

,(°Х0) _ о

'ду ~ и>

(3)

где у„- удельный вес воды, Ни, - уровень подземных вод, отсчитываемый от начала координат ( Hw ^Aq, h0 - ордината верхней точки контура L0).

В случае действия собственного веса грунта или давления подземных вод (задачи 1 или 2) полные напряжения в среде SQ представляются в виде сумм начальных напряжений (1) или (3) и дополнительных напряжений

обусловленных наличием отверстия. Смещения рассматриваются только дополнительные.

Действие веса здания, сооружения или наземного транспортного средства (задача 3) моделируется вертикальной нагрузкой интенсивности Р, равномерно распределенной на участке ай ixiba прямолинейной границы Ь'й полуплоскости. При этом рассматриваются два случая: когда здание возводится вблизи существующего тоннеля (задача За), и когда тоннель проводится вблизи имеющегося на поверхности здания (задача 36). В последнем случае смещения точек среды вызываемые поверхностной нагрузкой до образования отверстия, исключаются из граничного условия, связывающего смещения, а в результаты расчета обделки вводится корректирующий множитель а*, определяемый по формуле (2).

С целью учета пространственного характера задачи 3, обусловленного ограниченным размером / здания или сооружения в направлении оси тоннеля, используется прием, предложенный Н.Н. Фотиевой, согласно которому в результаты решения плоской задачи вводится множитель к, получаемый как отношение вертикальных напряжений в точке сплошного полупространства, соответствующей центру рассматриваемого поперечного сечения обделки, вызываемых поверхностной нагрузкой, распределенной по прямоугольной площади b х I и по бесконечной полосе что соответствует условиям плоской деформации).

Указанные напряжения определяются на основе точного решения Лява с применением метода угловых точек. Это позволяет рассматривать действие нескольких зданий, произвольным образом расположенных относительно оси тоннеля.

Математическое моделирование напряженного состояния обделки при действии нагрузки от транспортного средства, движущегося по поверхности в направлении оси тоннеля, осуществляется на основе решения задачи для поверхностной нагрузки, приложенной после проходки и крепления подземного сооружения (задача За), с введением динамического коэффициента, определяемого по известным формулам в зависимости от скорости транспортного средства, модуля деформации, коэффициента Пуассона и плотности грунта.

Определение напряженного состояния обделки в случае, когда наземное транспортное средство движется в направлении, перпендикулярном оси тоннеля, включает многовариантные расчеты при разных положениях нагрузки относительно тоннеля и построение огибающих эпюр сжимающих (отрицательных) и растягивающих (положительных) нормальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре поперечного сечения обделки. Напряжения в точках наружного контура определяются при тех положениях нагрузки, при которых напряжения в соответствующих точках внутреннего контура экстремальны.

Таким образом, с целью реализации сформулированной математической модели взаимодействия некруговой обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения с окружающим массивом грунта рассматриваются четыре плоские задачи теории упругости (рис. 1) при следующих граничных условиях:

на Ь'0:

ог(„0)=0, Т^=0 в задачах 1,2,

(4)

т(0) = [" р, ПРИ а0<х<Ь0, _ у (0, прих:£а0,;с>£0; 41

V'1 = 0 в задачах За, 36; (5)

на £0:

на ¿¡:

Здесь СТ^, т^' (у = 0,1) - дополнительные нормальные и касательные напряжения в точках областей (у == 0,1) в криволинейных координатах р И 0, связанных с конформным отображением внешностей единичных окружностей

на внешности контуров - дополнительные горизон-

тальные и вертикальные смещения точек областей

После введения комплексных потенциалов ф0(г), \|/0(2), фДг), ^1(г)> характеризующих напряженно-деформированное состояние соответствующих областей и связанных с напряжениями и смещениями известными формулами Колосова-Мусхелишвили, поставленные задачи сводятся к краевым задачам теории аналитических функций комплексного переменного, при граничных условиях

на/,;, (8)

на 1п

(9)

ф0(0+<ф'0(0+у0(0=/0(г)

ае1ф'(/0)-'офГ('о)-^1('о) =—[аеоФо('о)-'оФо('о)-Уо('о)]

Р-о

ф1('1) + '1фГ('1) + ^01) = 0 на/,. (10)

Здесь функции /¡('о) определяются в зависимости от вида нагруже-

ния (номера задачи); ае^ = 3 ——аФФиксы точек контуров - точка прямолинейной границы

Комплексные потенциалы <p0(z), Vo(z) представляются в форме

где 90(z),\j/(,(z) - комплексные потенциалы, регулярные в области S0 и обращающиеся в нуль на бесконечности; ф®(г) ,V)/o'(z) - функции, определяемые в зависимости от вида нагружения (номера задачи), отражающие неравенство нулю главного вектора действующих усилий (X+iYjtO) и затухание напряжений на бесконечности.

Осуществляя далее предложенное И.Г. Арамановичем аналитическое продолжение комплексных потенциалов фр(г) И Vj/^z) через прямолинейную границу Z.J в верхнюю полуплоскость путем введения новых функций <p0(z) и регулярных вне контура в полной плоскости и отыскиваемых в виде

рядов

удается прийти к следующим выражениям для потенциалов

где коэффициенты С^0' (_/ = 3,4; к = 0,..., оо) связаны с коэффициентами С^0' (5 = 1,2; и = 0,..., оо) соотношениями, впервые полученными И.Г. Арамановичем, а К определяется величиной главного вектора внешних сил (в задачах За, 36

Далее, с помощью рациональных функций

£ а=о, 1)

к=0

(15)

производится конформное отображение внешностей единичных окружностей в плоскостях С^ (_/ = 0,1) н а внешности соответствующих контуров С ^ (_/ = 0, I) в плоскости г. Здесь коэффициенты = 0, 1; к = 0, ...,т +1) определя-

ются любым из известных способов (для достижения достаточной точности можно положить т — 5).

Следуя Г.М. Иванову, потенциалы ф](г) И (г), регулярные в области отыскиваются в виде

^w-Z^fcixir+S^^w

v-l v=0

где - полиномы Фабера для внутренности области ограниченной

контуром £0,

Используя обозначения

Ф>*№фа*(СЛ (к=0,\и=к.....1), (17)

с учетом того обстоятельства, что на контуре Ь, (¿ = 0,1) где СТ = е1в,

и применяя известные формулы Д.И. Шермана для представлений.!4 И г к, функции фу (г), V)/* (г) (./ = 0, 1) на контурах (я = 0, ..., _/) можно записать в виде

*=о *=о

где коэффициенты = 1, ..., 4; у = 0,1; .Т = 0,..., у, к = 0,..., со) выражают-

ся через коэффициенты по формулам,

приведенным в диссертации.

В результате решение поставленных задач удается свести к итерационному процессу, предложенному Н.Н. Фотиевой, в каждом приближении которого рассматривается соответствующая задача для некругового кольца переменной толщины, подкрепляющего отверстие в полной плоскости, при наличии в граничных условиях некоторых дополнительных членов, отражающих влияние прямолинейной границы полуплоскости и представляемых в форме рядов Лорана, неизвестные коэффициенты которых, полагаемые в нулевом приближении равными нулю, затем уточняются на основе предыдущих приближений. Путь решения задач, составляющих основу итерационного процесса, аналогичен предложенному в работах Н.Н. Фотиевой и А.С. Саммаля с некоторой модификацией, обусловленной учетом наличия в граничных условиях дополнительных рядов Лорана и неравенства нулю главного вектора действующих усилий, и заключается в получении соответствующих выражений, связывающих коэффициенты разложения комплексных потенциалов, регулярных в областях 5^(7 = 0,1). Это позволяет прийти к бесконечной системе линейных алгебраических уравнений относительно искомых коэффициентов которая, будучи укороченной до 4К уравнений (Ы - число удерживаемых членов разложений комплексных потенциалов в ряды), решается на каждом шаге итерационного процесса уточнения коэффициентов (_/ = 1,..., 4; к = 0,..., И). Указанный процесс продолжается до тех пор, пока отличия искомых коэффициентов, полученных в двух соседних приближениях, не будут меньше заданной малой величины определяющей точность вычислений.

После завершения итерационного процесса определяются коэффициенты разложений комплексных потенциалов, регулярных в кольце а затем по формулам Колосова-Мусхелишвили - напряжения на внутреннем контуре кольца, а также в среде и кольце на линии их контакта.

Сформулированная математическая модель и описанные решения задач теории упругости положены в основу разработанного нового аналитического метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на действие собственного веса грунта, давления подземных вод, веса зданий и сооружений на поверхности, существовавших до строительства тоннеля или возведенных после его проведения и крепления, а также на действие нагрузок от движущегося наземного транспорта.

Указанный метод реализован в виде полного алгоритма и комплекса компьютерных программ, позволяющего производить расчеты обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на основные виды воздействий как в исследовательских целях, так и при практическом многовариантном проектировании.

Влияние реологических свойств грунта (пород) на напряженной состояние обделки может быть учтено на основе теории линейной наследственной ползучести с использованием метода переменных модулей, согласно которому деформационные характеристики среды, моделирующей массив, входящие в решение соответствующей задачи теории упругости, представляются как функции времени,

С целью оценки погрешности, вносимой удержанием конечного числа N членов рядов разложений комплексных потенциалов, была проведена проверка точности удовлетворения граничных условий решенных задач при различных отношениях модулей деформации массива грунта и материала обделки, которая показала, что при удержании в рядах N= 35 членов погрешность удовлетворения граничных условий не превышает 5% при всех видах нагружения.

С целью оценки достоверности результатов, получаемых с применением разработанного метода, помимо проверки точности удовлетворения граничных условий решенных задач, произведено сравнение расчетных напряжений с данными, полученными другими авторами для частных случаев расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей, расположенных на значительной глубине, по методу РА. Дунаевского и по методу А.С. Саммаля, а также обделки кругового тоннеля мелкого заложения, имеющей локальное уменьшение толщины в сводовой части вследствие газовой коррозии бетона, по методу Н.Н. Фотиевой и Т.Г. Саммаль. Во всех случаях было получено практически полное совпадение значений напряжений в сечениях рассматриваемых конструкций.

Ниже в качестве примера приводятся результаты расчета трех монолитных бетонных обделок (рис. 2), имеющих одинаковую форму и размеры наружного контура поперечного сечения и различающихся очертаниями внутреннего контура (площади поперечных сечений всех трех обделок приняты одинаковыми). Рассматривалось действие собственного веса грунта, давления подземных вод, веса здания, как существовавшего до проведения тоннеля, так и возведенного после его сооружения, а также нагрузки от двух железнодорожных составов, движущихся по поверхности в направлении, перпендикулярном оси тоннеля.

Общие исходные данные для расчета принимались следующими: глубина заложения тоннеля #=3,0м, отношение модулей деформации грунта и материала обделки £(/£1=1/3, коэффициенты Пуассона грунта и материала обделки Уо=0,3, У)=0,2 соответственно.

Рис. 2. Форма и размеры поперечных сечений обделок: а - обделка I; б - обделка II; в - обделка III

На рис. 3 представлены эпюры нормальных тангенциальных напряжений СТ^'/а^И а^/а*, возникающих соответственно на внутреннем и наружном контурах поперечных сечений обделок I, II, III при действии собственного веса грунта (у= 0,024 МН/м3, Х=0,43).

Результаты расчета на действие давления подземных вод (Н№= 2,7м) приведены на рис.4.

На рис. 5 даны эпюры напряжений Од'"^ И ст^ (в МПа), возникающих в обделках I, П, Ш при действии веса здания (.Р=0,05 МПа, Ло=0> 6о=30м, I =10м),

расположенного на поверхности вблизи тоннеля. Сплошные линии соответствуют случаю, когда здание возводится вблизи существующего тоннеля, пунктирные - когда здание было построено до проходки тоннеля (значения напряжений - в скобках).

Рис. 5. Эпюры напряжений, возникающих в обделках при действии веса здания: а,г - обделка I; б,д - обделка П; в,е - обделка Ш

Из представленных на рис. 5 результатов следует, что максимальные напряжения в рассматриваемых обделках при сооружении тоннеля вблизи существующего здания значительно (в 1,5-2 раза) меньше напряжений, возникающих в этих конструкциях в случае, когда здание возводится после сооружения тоннеля.

На основе многовариантных расчетов, выполненных с применением программного комплекса, реализующего разработанный метод, установлены зависимости экстремальных (максимальных сжимающих и растягивающих) нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения обделок, от основных влияющих факторов - отношения модулей деформации грунта и материала обделки, коэффициента бокового давления грунта в ненарушенном массиве, глубины заложения тоннеля, уровня подземных вод, расстояния от оси симметрии поперечного сечения тоннеля до центра здания, а также размера здания.

В качестве иллюстрации на рис. 6 представлены зависимости напряжений ü9 = jyR0 , возникающих на внутреннем контуре поперечных сечений

обделок I, II и III (сплошные, пунктирные и штрихпунктирные линии соответственно) при действии собственного веса грунта (А.=0,43), от отношения Е0/Е1 модулей деформации грунта и материала обделки. Рассматривались два варианта с глубинами заложения тоннеля Н = 5м и Н- 10м.

Из приведенных на рис. 6 зависимостей следует, что с возрастанием отношения Е0/Е1 напряжения СТв в обделках всех типов снижаются.

Рис. 6. Зависимости экстремальных напряжений 50, возникающих на внутреннем контуре поперечных сечений обделок I, II, III при действии собственного веса грунта, от отношения модулей деформации грунта и материала об-

делки

Из рис. 6 можно сделать вывод о том, что в слабых грунтах (при £(,/£, <0,04) предпочтительнее использовать обделку с внутренним контуром кругового очертания (обделка II). В более крепких грунтах (при Ей)Е{>0,07), особенно при небольшой глубине заложения тоннеля, напряженное состояние обделки практически не зависит от формы внутреннего контура ее поперечного сечения. В целом, обделка постоянной толщины (обделка III) в рассматриваемых условиях является самой нерациональной с точки зрения ее напряженного состояния.

Зависимости, иллюстрирующие влияние положения здания относительно тоннеля, характеризуемого расстоянием от центра здания до оси

симметрии тоннеля, на напряженное состояние обделок I, П, III при отношении Е0/Е] = 0,01 и 0,05, приведены на рис. 7. При расчетах принимались следующие данные: Н= 5м, b = 30м.

ум

0эмпир.

/р

-20

-40

---- ,01 Е^Е / =0,05

мм —

* ^ «У Е^В —тк 20 V?

---- А Е /£■,=0,01

м

30

Рис. 7. Зависимости экстремальных напряжений, возникающих на внутренних контурах поперечных сечений обделок I, II, III от расстояния Ь, характеризующего положение здания относительно тоннеля

Как видно из рис. 7, зависимости напряжений от Ь имеют экс-

тремальный характер. При этом максимальные сжимающие напряжения в обделках I и Ш возникают при ¿«13-15м (в случаях, когда край здания расположен примерно над осью тоннеля), а в обделке II - при.£«12м (в условиях, характеризуемых отношением Е0/Е^= 0,01) и 9м (при £0/£| =0,05). Максимум растягивающих напряжений СТ8 для обделки I достигается при £«1б-17м, для обделки II - при !«13-18м, для обделки Ш - при .Ки5-8м.

Разработанный в рамках диссертационной работы метод расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения может быть применен с целью прогноза снижения несущей способности обделок канализационных тоннелей вследствие локального уменьшения их толщины в своде, вызванного агрессивным воздействием газовой среды выше уровня сточных вод, и определения сроков безаварийной эксплуатации таких подземных сооружений.

С этой целью производятся многовариантные расчеты с учетом развивающегося во времени уменьшения толщины и прочности бетона в верхней части обделки и определяются коэффициенты запаса несущей способности конструкции при различной остаточной толщине обделки в своде по формуле

где КЬ1 - соответственно расчетные сопротивления бетона сжатию и растяжению; ®е'пих - соответственно максимальные сжимающие (отрицательные) и растягивающие (положительные) нормальные тангенциальные напряжения на внутреннем контуре обделки вне зоны коррозионного нарушения;

Я1С, Яь,; |, СТд^и - те же параметры в зоне коррозионного нарушения.

В качестве иллюстрации на рис. 8 приведены результаты расчетов, выполненных с целью определения срока безаварийной эксплуатации канализационного тоннеля, обделка которого имеет проектную форму и размеры поперечного сечения, показанные на рис. 8а. Принималось, что обделка выполнена из бетона класса В25 (£,=30000 МПа, У1=0,2, Л4с=14,5 МПа, =1,05 МПа) и вследствие коррозионного нарушения ее толщина в сводовой части уменьшается на 1 см в год (форма внутреннего контура поперечного сечения обделки через 10 и 20 лет эксплуатации тоннеля показана на рис. 8а пунктирными линиями), а прочность бетона - на 3 % в год. При расчетах использовались следующие исходные данные: Н=3м, Ео'1000 МПа, у0=О,3. Рассматривалось совместное действие собственного веса грунта (у=0,024 МН/м3, 43) и веса здания (/*=0,05 МПа, йо=0, Ь =30м), вблизи которого сооружается тоннель. Зависимость коэффициента запаса несущей способности обделки к, от времени приведена на рис. 86. Для сравнения пунктирной линией показана аналогичная зависимость, построенная для случая отсутствия здания.

Рис. 8. Поперечное сечение обделки (а) и зависимости коэффициента запаса ее несущей способности от времени эксплуатации тоннеля (б)

Как видно из рис. 8, наличие здания на поверхности существенно снижает коэффициент запаса несущей способности обделки. Если принять, что опасное состояние конструкции наступает при то можно сделать вывод, что срок безаварийной эксплуатации тоннеля при его сооружении вблизи здания составит примерно 25 лет, а и при отсутствии здания на поверхности - 27 лет.

Разработанный метод был использован ЗАО «Тоннельпроект» для оценки проектных параметров обделки участка коллектора №68 от насосной станции «Северная-1» до дюкера через р. Дон в г. Ростов-на-Дону. Комплекс компьютерных программ, реализующий предлагаемый метод расчета, составил основу части компонентов программного обеспечения, разработанного в Тульском государственном университете и переданного ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для применения при проектировании объектов подземного строительства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи разработки аналитического метода расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения, испытывающих действие собственного веса грунта (пород), давления подземных вод, веса зданий и сооружений на поверхности (как существовавших до проходки тоннеля, так и возведенных после его строительства), а также нагрузок от движущегося наземного транспорта, что имеет существенное значение для проектирования, строительства и эксплуатации тоннелей, в том числе - сооружаемых в городских условиях.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Сформулирована математическая модель взаимодействия обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения с окружающим массивом грунта, отражающая особенности формирования напряженного состояния конструкции при основных видах воздействий.

2. Получены новые аналитические решения ряда плоских задач теории упругости для полубесконечной линейно-деформируемой среды, моделирующей массив грунта, ослабленной отверстием произвольной формы (с одной осью симметрии), подкрепленным кольцом, толщина которого может изменяться по его периметру, моделирующим тоннельную обделку переменной толщины, при граничных условиях, отражающих совместное деформирование среды и кольца, наличие в среде начальных напряжений, линейно изменяющихся по глубине, обусловленных собственным весом грунта или давлением подземных вод, а также действие вертикальной нагрузки, равномерно распределенной на произвольном участке прямолинейной границы полуплоскости и моделирующей вес здания (сооружения), построенного до проведения тоннеля либо возведенного вблизи существующего тоннеля, или наземного транспортного средства.

3. На основе полученных решений разработан метод расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на действие собственного веса грунта, давления подземных вод, веса зданий и сооружений на поверхности (как существовавших до строительства тоннеля, так и возводимых после его проведения) и нагрузок от движущегося наземного транспорта.

4. Разработаны полный алгоритм расчета и комплекс компьютерных программ, позволяющих производить расчеты обделок переменной толщины тонне-

лей мелкого заложения на основные виды воздействий как в исследовательских целях, так и при практическом многовариантном проектировании.

5. Произведена проверка точности удовлетворения граничных условий рассмотренных задач и выполнено сравнение результатов расчетов с аналитическими решениями частных задач, полученными другими авторами; высокая точность удовлетворения граничных условий (погрешность не превышает 5%) и практически полное совпадение расчетных напряжений, полученных в частных случаях, с данными других авторов свидетельствуют о достоверности результатов и возможности практического применения разработанного метода при проектировании тоннелей.

6. Установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих напряжений, возникающих в обделках переменной толщины тоннелей мелкого заложения от основных влияющих факторов - отношения модулей деформации массива грунта и материала обделки, коэффициента бокового давления грунта в ненарушенном массиве, глубины заложения тоннеля, уровня подземных вод, положения здания относительно тоннеля, размера здания в плоскости поперечного сечения тоннеля.

7. Разработанный в диссертации метод расчета использован при оценки проектных параметров обделки участка канализационного коллектора №68 от насосной станции «Северная-1» до дюкера через р. Дон в г. Ростов-на-Дону и принят ЗАО «Тоннельпроект» в качестве базового для расчета обделок тоннелей мелкого заложения. Комплекс компьютерных программ, реализующий предлагаемый метод, составил основу части компонентов программного обеспечения, разработанного в Тульском государственном университете и переданного ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для использования при проектировании объектов подземного строительства.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Саммаль А.С., Хренов СИ., Саммаль Т.Г. Снижение несущей способности обделок некруговых канализационных тоннелей вследствие газовой коррозии бетона // Горный информационно-аналитический бюллетень.-М.:Изд. МГГУ, 2003 г.-№4-С. 220-223.

2. Саммаль А.С., Фотиева Н.Н., Хренов СИ., Саммаль Т.Г. Влияние коррозии бетона на несущую способность некруговых обделок тоннелей ливневой канализации // Материалы 1-й международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. Тула, 27 октября - 1 ноября 2003.-Т.1- Тула: Гриф и К0,2003. - С. 140-143.

3. Хренов СИ. Напряженное состояние кольца переменной толщины, подкрепляющего некруговое отверстие в упругой полуплоскости, нагруженного равномерным внутренним давлением // Тезисы докладов Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики». Россия, Тула, 18-21 ноября 2003. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. - С 252-253.

4. Хренов СИ. Напряженное состояние упругой весомой полуплоскости, ослабленной отверстием произвольной формы //Известия ТулГУ. Серия «Матема-1 тика! Механика! Информатика».-Т.9, Вып.2.-Тула: Изд-во ТулГУ,2003.-С210-217.

5. Хренов СИ. Влияние переменной толщины обделки тоннеля мелкого заложения на ее напряженное состояние // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды международной конференции, Екатеринбург, 18-20 мая 2004 г.- Екатеринбург: Изд. УГТТА, 2004-С.204-208.

6. Хренов СИ., Петренко А.К., Саммаль Т.Г. Математическое моделирование напряженного состояния обделки переменной" толщины тоннеля мелкого заложения при действии нагрузки от подвижного транспорта // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды Всероссийской научной конференции, 29-28 мая 2004 г., Самара. Часть 1. Секция «Математические модели механики, прочность и надежность конструкций».-Самара: Изд. СамГТУ,2004.-С.246-248.

7. Хренов СИ. Программный комплекс для расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на действие статических нагрузок // Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Вып.2 - Тула: Изд. ТулГУ, 2004. - С 264-270.

8. Саммаль А.С., Хренов СИ. Расчет обделок переменной толщины некруговых тоннелей мелкого заложения // Горный информационно-аналитический бюллетень, №12. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - С. 209-219.

9. Саммаль А.С., Фотиева Н.Н., Булычев Н.С., Хренов СИ. Расчет тоннельных обделок переменной толщины с учетом влияния земной поверхности / Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерского дела и геодезии // Записки горного института. Т. 156. - СПб.: РИЦ Санкт-Петербургского государственного горного института, 2004. - С 24-26.

10. Хренов СИ. Расчет обделок переменной толщины тоннелей, сооружаемых в условиях городской застройки // Известия ТулГУ. Серия «Экология и рациональное природопользование».Вып.2.-Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.—С. 184-189.

11. A.S. Sammal, N.S. Bulychev, S.I. Khrenov Analytical method of designing shallow tunnel linings of a variable thickness // Proceedings of the Vllth Regional Rock Mechanics Symposium, 21-22 October 2004, Sivas / Turkie.-2004.-P. 385-387.

Тульский государственный университет. 300600, г.Тула, иросп.Ленина, 92

Отпечатано в редакционно-излательском центре Тульского государственного университета 300600, г.Тула, ул.Болдина, 15!

г

Г

IIÍÜ295

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Хренов, Сергей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕКРУГОВОЙ ОБ ДЕЖИ ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ ТОННЕЛЯ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ С ОКРУЖАЮЩИМ МАССИВОМ ГРУНТА

3. МЕТОД РАСЧЕТА НЕКРУГОВЫХ ОБДЕЛОК ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ ТОННЕЛЕЙ МЕЖОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

3.1. Решение задачи о напряженном состоянии кольца переменной толщины, подкрепляющего некруговое отверстие в полуплоскости, при наличии начальных напряжений, моделирующих действие собственного веса грунта

3.2. Решение задачи о напряженном состоянии кольца переменной толщины, подкрепляющего некруговое отверстие в полуплоскости, при наличии начальных напряжений, моделирующих действие давления подземных вод

3.3. Решение задачи о напряженном состоянии кольца переменной толщины, подкрепляющего некруговое отверстие в полуплоскости, при действии на участке ее границы равномерно распределенной нагрузки

3.4. Алгоритм определения напряженного состояния некруговой обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения 78.

3.5. Проверка точности удовлетворения граничных условий. Сравнение результатов расчета с решениями частных задач, полученными другими авторами

3.6. Примеры расчета

3.7. Прогноз снижения несущей способности обделок канализационных тоннелей вследствие газовой коррозии бетона

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБДЕЛОК ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ ТОННЕЛЕЙ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ ОТ ОСНОВНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ

4.1. Зависимости напряженного состояния обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения от влияющих факторов при действии собственного веса грунта

4.2. Зависимости напряженного состояния обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения от влияющих факторов при действии давления подземных вод

4.3. Зависимости напряженного состояния обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения от влияющих факторов при действии нагрузки на поверхности

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА

В ЦЕЛЯХ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения"

Развитие инфраструктуры городов, эффективное функционирование современного городского хозяйства неразрывно связаны с интенсивным освоением подземного пространства, в частности, с сооружением тоннелей различного назначения - транспортных, коммунальных, коллекторных и т.п. При этом особенности городских условий, к которым относятся высокая плотность застройки, наличие ответственных объектов на поверхности, густая сеть подземных коммуникаций, делают целесообразным использование закрытого способа проведения тоннелей.

Изучение опыта подземного городского строительства показывает, что тоннели могут иметь различную форму поперечного сечения в зависимости от их назначения, технологии строительства и условий эксплуатации. В настоящее время распространение получили тоннельные обделки, толщина которых изменяется по периметру их поперечного сечения. Существующие на сегодняшний день аналитические методы расчета таких конструкций предназначены для определения напряженного состояния обделок тоннелей глубокого заложения. Аналогичных методов расчета некруговых обделок переменной толщины, позволяющих учитывать влияние земной поверхности, зданий и сооружений, а также наземного транспорта на напряженное состояние подземной конструкции, до настоящего времени не имелось.

В связи с этим целью настоящей диссертационной работы является разработка аналитического метода расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения, сооружаемых закрытым (подземным) способом, на действие собственного веса грунта (пород), давления подземных вод, веса объектов строительства, расположенных на поверхности, нагрузки от подвижного наземного транспорта.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены ^ следующие задачи:

- разработана математическая модель взаимодействия некруговой тоннельной обделки переменной толщины с окружающим массивом грунта (пород), позволяющая учитывать влияние земной поверхности на напряженное состояние подземной конструкции при действии гравитационных сил и давления подземных вод, веса зданий и сооружений, как возведенных вблизи уже построенного тоннеля, так и существовавших до его сооружения, а также нагрузок от движущегося наземного транспорта;

- получены новые аналитические решения ряда плоских задач теории упругости для полубесконечной линейно-деформируемой однородной изотропной среды, моделирующей массив грунта, ослабленной отверстием произвольной формы (с одной осью симметрии), подкрепленным кольцом переменной толщины, моделирующим тоннельную обделку, при граничных условиях, отражающих наличие в массиве линейно изменяющихся по глубине начальных напряжений, обусловленных собственным весом грунта или давлением подземных вод, а также действие на произвольном участке прямолинейной границы полуплоскости равномерно распределенной нагрузки (при рассмотрении веса здания или нагрузки от транспортного средства на поверхности);

- на основе полученных решений разработан метод расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на действие собственного веса грунта, внешнего давления подземных вод, веса зданий и сооружений на поверхности, существовавших до строительства тоннеля или возведенных после его проведения и крепления, а также на действие нагрузок от движущегося по поверхности транспорта;

- составлен полный алгоритм расчета и разработан комплекс компьютерных программ, позволяющих производить расчеты обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на указанные виды воздействий как в исследовательских целях, так и при практическом многовариантном проектировании;

- с целью оценки достоверности получаемых результатов выполнена проверка точности удовлетворения граничных условий решенных задач теории упругости и произведено сравнение расчетных напряжений с данными, полученными другими авторами при решении аналитическими методами частных задач;

- установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутренних контурах монолитных бетонных обделок трех типов при действии собственного веса грунта, давления подземных вод, веса здания на поверхности, от основных влияющих факторов.

Разработанный в рамках диссертационной работы метод расчета апробирован при оценке проектных параметров обделки участка канализационного коллектора №68 от насосной станции «Северная-1» до дюкера через р. Дон в г. Ростов-на-Дону и принят ЗАО «Тоннельпроект» в качестве базового для расчета обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения. Кроме того, комплекс компьютерных программ, реализующий предлагаемый метод расчета, составил основу части компонентов программного обеспечения, разработанного в Тульском государственном университете и переданного ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для использования при проектировании объектов подземного строительства.

Работа выполнена при поддержке грантами Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ-центр № 02-05-96004) и Совета программы по государственной поддержке ведущих научных школ РФ НШ-1013.2003.5.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Хренов, Сергей Игоревич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи разработки аналитического метода расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения, испытывающих действие собственного веса грунта (пород), давления подземных вод, веса зданий и сооружений на поверхности (как существовавших до проходки тоннеля, так и возведенных после его строительства), а также нагрузок от движущегося наземного транспорта, что имеет существенное значение для проектирования, строительства и эксплуатации тоннелей, в том числе — сооружаемых в городских условиях.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Сформулирована математическая модель взаимодействия обделки переменной толщины тоннеля мелкого заложения с окружающим массивом грунта, отражающая особенности формирования напряженного состояния конструкции при основных видах воздействий.

2. Получены новые аналитические решения ряда плоских задач теории упругости для полубесконечной линейно-деформируемой среды, моделирующей массив грунта, ослабленной отверстием произвольной формы (с одной осью симметрии), подкрепленным кольцом, толщина которого может изменяться по его периметру, моделирующим тоннельную обделку переменной толщины, при граничных условиях, отражающих совместное деформирование среды и кольца, наличие в среде начальных напряжений, линейно изменяющихся по глубине, обусловленных собственным весом грунта или давлением подземных вод, а также действие вертикальной нагрузки, равномерно распределенной на произвольном участке прямолинейной границы полуплоскости и моделирующей вес здания (сооружения), построенного до проведения тоннеля либо возведенного вблизи существующего тоннеля, или наземного транспортного средства.

3. На основе полученных решений разработан метод расчета некруговых обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на действие собственного веса грунта, давления подземных вод, веса зданий и сооружений на поверхности (как существовавших до строительства тоннеля, так и возводимых после его проведения) и нагрузок от движущегося наземного транспорта.

4. Разработаны полный алгоритм расчета и комплекс компьютерных программ, позволяющих производить расчеты обделок переменной толщины тоннелей мелкого заложения на основные виды воздействий как в исследовательских целях, так и при практическом многовариантном проектировании.

5. Произведена проверка точности удовлетворения граничных условий рассмотренных задач и выполнено сравнение результатов расчетов с аналитическими решениями частных задач, полученными другими авторами; высокая точность удовлетворения граничных условий (погрешность не превышает 5%) и практически полное совпадение расчетных напряжений, полученных в частных случаях, с данными других авторов свидетельствуют о достоверности результатов и возможности практического применения разработанного метода при проектировании тоннелей.

6. Установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих напряжений, возникающих в обделках переменной толщины тоннелей мелкого заложения от основных влияющих факторов — отношения модулей деформации массива грунта и материала обделки, коэффициента бокового давления грунта в ненарушенном массиве, глубины заложения тоннеля, уровня подземных вод, положения здания относительно тоннеля, размера здания в плоскости поперечного сечения тоннеля.

7. Разработанный в диссертации метод расчета использован при оценки проектных параметров обделки участка канализационного коллектора №68 от насосной станции «Северная-1» до дюкера через р. Дон в г. Ростов-на-Дону и принят ЗАО «Тоннельпроект» в качестве базового для расчета обделок тоннелей мелкого заложения. Комплекс компьютерных программ, реализующий предлагаемый метод, составил основу части компонентов программного обеспечения, разработанного в Тульском государственном университете и переданного ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» для использования при проектировании объектов подземного строительства.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Хренов, Сергей Игоревич, Тула

1. Айталиев Ш.М., Баничук Н.Б., Каюпов М.А. Оптимальное проектирование протяженных подземных сооружений. - Алма-Ата. - 1986.

2. Александров А .Я., Ахмедзяков М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1973. - 178 с.

3. Амусин Б.З., Линьков A.M. Об использовании метода переменных модулей для решения одного класса задач линейной наследственной ползучести. -Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1974. - №6. - С. 162-166.

4. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной механики. М.: Недра, 1975. - 220 с.

5. Араманович И.Г. О распределении напряжений в упругой полуплоскости, ослабленной подкрепленным круговым отверстием// Докл. АН СССР. -М. -1955. Т. 104. №3. - С. 372-375.

6. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1984 324 с.

7. Ю.Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. М. - Недра.- 1979. - 263 с.

8. П.Барях А.А., Самоделкина Н.А. Сдвижения земной поверхности при сооружении участка метрополитена // Проблемы подземного строительства в XXI веке. Труды Международной конференции. Тула, Россия, 25-26 апреля 2002 г.-С. 19-22.

9. Бате К., Вильсон Е. Численные методы анализа и метод элементов. М. -Стройиздат. - 1982. - 442 с.

10. Бердзеншвили Т.Д., Постольская О.В., Юфин С.А. Программный комплекс STATAS/ В кн. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей. М. - Стройиздат. - 1982. - С. 271-272.

11. Бодров Б.П., Матэри Б.Ф. Кольцо в упругой среде/ Метропроект. Отдел типового проектирования. 1936.- Бюл. №24.- 40 с.

12. Борисов В.Н., Синицкий Г.М. Совершенствование методов проектирования конструкций обделок и крепей коллекторных тоннелей//Тезисы докл. II Всесоюзной конференции "Проблемы механики подземных сооружений". Тула.-1982.-С. 194-195.

13. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: учеб. пособ. для вузов М.: Недра, 1989. - 270 с.

14. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра. -1994. -382 с.

15. Булычев Н.С. О новых методах расчета крепи капитальных горных выработок//Шахтное строительство, 1985.-№ 2.-С .7-8.

16. Булычев Н.С. О расчете обделок тоннелей в очень слабых грунтах // Проблемы подземного строительства в XXI веке. Труды международной конференции. Тула, 2002. - С. 35-37.

17. Булычев Н.С. Основы методики научных исследований в подземном строительстве: Текст лекций.-Тула, 1986. -58 с.

18. Булычев Н.С., Абрамсон Л.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978- 301 с.

19. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. -М.:Недра, 1974.-320 с.

20. Булычев Н.С., Демин Н.Н., Макаров В.В. Расчет обделок напорных коллекторных тоннелей вблизи земной поверхности// Шахтное строительство. -1984.-№9.- С. 18-19.

21. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М. - Недра. - 1986. - 288 с.

22. Бялер И.Я. Определение напряженного состояния в тяжелой полуплоскости, ослабленной круглым подкрепленным отверстием// Исследования по теории сооружений. 1962. - №11. - С. 207 -225.

23. Васильев С.Г. Подземное строительство неглубокого заложения. Львов: Вища школа. - 1980. - 144 с.

24. Виноградов Б.Н. Опыт измерения давления горных пород на тоннельные обделки мессдозами // Сб. ЦНИИС. 1959. - №31. - С. 1 - 47.

25. Гарбер В.А. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учетом технологии их сооружения /Научно исследов. Центр "Тоннели и метрополитены" АО ЦНИИС, в 2-х кн. М 1996.

26. Глушихин Ф.П., Кузнецов Г.Н. и др. Моделирование в геомеханике. М. -Недра. - 1991.-240 с.31 .Голицынский Д.М., Фролов Ю.С. и др. Строительство тоннелей и метрополитенов.- М. Транспорт. - 1989.- 319 с.

27. Гольдберг A.M. Исследование напряжений вблизи металлической облицовки Красноярской ГЭС// В кн. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. JI. - I960. - С. 390-405.

28. Гольдберг A.M. Круглое отверстие вблизи прямолинейной грани полуплоскости, загруженной на участке равномерно распределенной нагрузкой// Известия ВНИИГ. 1966. - Т.80. - С. 224-233.

29. Гольдберг A.M. Полуплоскость, ослабленная круглым отверстием под местным давлением, распределенным равномерно на участке прямолинейной грани// Известия ВНИИГ. 1955. - Т.43. - С. 133-150.

30. Гончаров Г.В. Напряженное состояние обделки коллекторного тоннеля при действии несимметричной поверхностной нагрузки//Механика подземных сооружений. Тула: ТулПИ. - 1988. - С. 126-130.

31. Городецкий А.С. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений. М., Транспорт. - 1981. - 233 с.

32. Гуджабидзе И.К. Расчет подземных сооружений в условиях влияния рельефа поверхности земли// Известия вузов. Горный журнал. 1992. - № 6. - С. 5257.

33. Давыдова О.А. К определению напряженного состояния крепи стволов при неравномерном оттаивании окружающих вечномерзлых пород. /Механика подземных сооружений. Тула: ТулГУ.-1993.- С.94-105.

34. Давыдова О.А., Петренко А.К., Яковлева О.В. Расчет тюбинговой крепи стволов в неравномерно оттаивающем массиве вечномерзлых пород / Механика подземных сооружений. Тула: ТулГУ.-1997.- С. 145-154.

35. Демин Н.Н., Макаров В.В. Некоторые особенности расчета обделок коллекторных тоннелей неглубокого заложения// Механика подземных сооружений. Тула: ТПИ. -1984. - С.119 -126.

36. Дунаевский Р.А. О плоской деформации пластинки с некруговым подкрепленным отверстием //Строительная механика и расчет сооружений. 1984. -№3.-С.25-28.

37. Дунаевский Р.А. Расчет обделок некруговых туннелей на внутренний напор и равномерное давление подземных вод //Гидротехническое строительство, 1985.-№11- С.24-26.

38. Дюрелли А., Райли У. Введение в фотомеханику (поляризационно-оптический метод). Пер. С англ. М. -Мир. - 1970. - 430 с.

39. Ержанов Ж.С., Каримбаев Г.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. -Алма-Ата:Наука, 1975.- 217 с.

40. Житняя В.Г., Терехова JI.K. Действие сосредоточенной силы в полуплоскости с круговым отверстием, подкрепленным упругим кольцом// Механика твердого тела. 1973. - Вып. 5. - С. 97-102.

41. Иванов Г.М. Напряженное состояние изотропной эллиптической пластинки, ослабленной эллиптическими отверстиями //Прикладная механика, 1972. Том VIII, в. 11— С.82-87.

42. Калоеров С.А., Космодамианский А.С. Эффективность метода последовательных приближений в задаче о растяжении полуплоскости с круговым отверстием// В кн. Сопротивление материалов и теория сооружений. М. -1974.-Вып. 24.-С. 99-103.

43. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Бреднев В.А. Автоматизированный расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок. -М.: Недра. 1984.

44. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. -М.: Недра, 1989.- 570с.

45. Каретников В.Н., Степеннов А.В. Расчет крепи подготовительных горных выработок при искусственном упрочнении горных пород / Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов.-Тула: Тул-ПИ.-1979.-С.74-79.

46. Картозия Б.А., Борисов В.Н. Исследование и разработка методики проектирования основных параметров сборных обделок коллекторных тоннелей// В кн. Проектирование и строительство коммунальных тоннелей. М. - 1975. -С. 138-146.

47. Корнеева Н.Н. Расчет обделок тоннелей, сооружаемых вблизи склонов, на действие веса зданий и сооружений на поверхности // Проблемы освоения подземного пространства. Труды Международной конференции. Тула, 5-7 апреля 2000 г. С. 98-102.

48. Космодамианский А.С., Калоеров С.А. Температурные напряжения в многосвязных пластинках. Киев; Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1983.-160 с.

49. Курленя М.В., Миренков В.Е. Методы расчета подземных сооружений. -Новосибирск: Наука. 1986. - 232 с.

50. Латышев В.А. Напряженное состояние массива пород вокруг выработки с одной осью симметрии неглубокого заложения, нагруженной внутренним равномерным давлением// Механика подземных сооружений. Тула: Тул-ГТУ. - 1994. - С. 127-137.

51. Латышев В.А. Расчет обделок гидротехнических туннелей мелкого заложения на действие собственного веса горных пород// Гидротехническое строительство. 1996. - № 6. - С. 14-15.

52. Лиманов Ю.А. Моделирование статической работы туннельных обделок методом эквивалентных материалов// Труды Гидропроекта. Сб. 18.- 1979. - С. 46-54. --

53. Макаров В.В. Разработка методики расчета обделок коллекторных тоннелей неглубокого заложения с учетом контактного взаимодействия с массивом пород// Дис. . канд. техн. наук. Тула: ТулПИ. - 1985. - 127 с.

54. Макаров В.В. Расчет обделок коллекторных тоннелей на действие внешнего гидростатического давления подземных вод с учетом влияния близости земной поверхности// Механика подземных сооружений. Тула: ТПИ. - 1985. -С.33-43.

55. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. М.: Стройиздат. - 1979. - 472 с.

56. Маковский JI.B. Экономичные способы строительства тоннелей мелкого за-ложения//Метрострой. 1989. - №4. - С.ЗО - 32.

57. Малышев М.В. Основные положения по статическому расчету коллекторов хвостохранилищ круглого поперечного сечения и трубопроводов под насыпями// Труды ВОДГЕО. 1963. - Вып. 4. - С. 41-77.

58. Малышев М.В. Расчет давления грунтов на коллекторы круглого поперечного сечения// В кн.: Материалы для проектирования хранилищ отходов обогатительных фабрик. М. - 1962. - С. 113-166.

59. Мартынович Т.Л., Зварич М.К., Божидарник В.В. Напряженное состояние полуплоскости с вложенным упругим кольцом// Вестник Львовск. политехи, ин-та. 1979. - № 137. - С. 199-201.

60. Мелентьев П.В. Приближенные вычисления. М.: Физматгиз, 1962.-570 с.

61. Метод фотоупругости. Т. 1. Решение задач статики сооружений. Метод оптически чувствительных покрытий. Оптически чувствительные материалы. Под ред. Хесина Г.Л. М.: Стройиздат. - 1975. - 460 с.

62. Миллерман А.С., Муравская Е.Г. Расчетные модели для проектирования тоннелей с использованием НАТМ// Подземное и шахтное строительство. -1993.-№ 1-2.-С. 35-37.

63. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М. - Наука. - 1966. - 707 с.

64. Попов В.В. Расчет на прочность первичной сборной обделки коллекторных тоннелей//Механика подземных сооружений. Тула. - 1982. - С. 127-132.

65. Постольская O.K. Влияние строения горного массива и свойств скальных пород на напряженное состояние обделок напорных гидрогеологических туннелей// Гидротехническое строительство. 1986. - №1. - С. 19-22.

66. Постольская O.K., Титков В.И., Швачко И.Р., Юфин С.А. Программная основа математического моделирования сложных конструкций подземных сооружений в рамках МКЭ// Приложение числ. методов к задачам геомеханики. М. - МИСИ. - 1986. - С.181-186.

67. Родин И.В. К вопросу о решении задач гравитационного давления горных массивов на крепи подземных выработок // ДАН СССР, т. 28, №3, 1951.-С.121-132.

68. Родин И.В. Снимаемая нагрузка и горное давление // Исследования горного давления. М.:Госгортехиздат, I960 - С. 343-374.

69. Розанов Н.С., Кассирова Н.А., Судакова В.Н. Определение напряжений в бетонной обделке тоннеля от давления грунтовых вод методом фотоупругости// Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Т.108. -1975. - С. 93 - 98.

70. Розанов Н.С., Новикова О.В. Исследование напряженного состояния напорных круглых туннелей Асуанской ГЭС под действием равномерного давления воды// Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Т.75. -1964. - С. 103 - 122.

71. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей. М. - Строй-издат.- 1982.-287 с.

72. Руководство по проектированию коммуникационных тоннелей. М. -Стройиздат. - 1979. - 70 с.

73. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М. - Стройиздат. - 1983. - 273 с.

74. Савин Н.И. Расчет многослойной крепи стволов, сооружаемых с применением комплексного метода тампонажа трещиноватого массива / Механика подземных сооружений. Тула: ТулПИ-1987.- С. 15-21.

75. Саммаль А.С. Расчет многослойных подземных конструкций некругового поперечного сечения, в том числе сооружаемых в сейсмических районах:

76. Дис. . д-ра техн. наук: 05.15.04/ А.С. Саммаль; ТулГУ. Тула, 1998. - 292 е.: ил.

77. Саммаль Т.Г., Петренко А.К. Прогноз снижения несущей способности обделки коллекторного тоннеля мелкого заложения вследствие газовой коррозии бетона // Геомеханика. Механика подземных сооружений: Сб. науч. Трудов. Тула: ТулГУ. - 2001. - С. 136-150.

78. Трумбачев В.Ф., Славин O.K. Методика моделирования горных пород методами фотомеханики. М. - Наука. - 1974. - 99 с.

79. Угодчиков А.Г. Построение конформно отображающих функций при помощи электромоделирования и интерполяционных полиномов Лагранжа. Киев: Наукова Думка, 1966.- 99 с.

80. Угодчиков А.Г., Длугач М.И., Степанов А.Е. Решение краевых задач плоской теории упругости на цифровых и аналоговых машинах. М.: Высшая школа, 1970- 528 с.

81. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М. - Недра. - 1987. -221 с.

82. Филатов Н.А. , Беляков В.Д., Иевлев Г.А. Фотоупругость в горной геомеханике. М. - Недра. - 1975. - 184 с.

83. Фотиева Н.Н. Аналитические методы расчета обделок тоннелей мелкого заложения. Подземное строительство России на рубеже XXI века. Труды Юбилейной научно-практической конференции. Москва, 15-16 марта 2000. — С.123-132.

84. Фотиева Н.Н. Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. -М. Стройиздат. - 1974. - 239 с.

85. Фотиева Н.Н., Анциферов С.В., Давыдова О.А. Расчет крепи стволов в неравномерно оттаивающем массиве вечномерзлых пород. /Механика подземных сооружений. Тула: ТулГТУ.-1994.- С.5-15.

86. Фотиева Н.Н., Анциферова JI.H. Расчет многослойных обделок тоннелей мелкого заложения // Механика подземных сооружений. Сб. научн. трудов. ТулГУ. Тула. - 1997. -С. 9 - 25.

87. Фотиева Н.Н., Саммаль А.С. Расчет многослойной обделки некруговых гидротехнических туннелей /Технология и механизация горных работ. Сб. научн. трудов.- М.: Изд-во АГН, 1998.- С.83-88.

88. Фотиева Н.Н., Саммаль А.С., Анциферов С.В. Расчет обделок параллельных взаимовлияющих круговых тоннелей мелкого заложения // Проблемы подземного строительства в XXI веке. Труды Международной конференции. Тула, Россия, 25-26 апреля 2002 г. С. 194-201.

89. Фотиева Н.Н., Саммаль А.С., Деев П.В. Расчет некруговых обделок тоннелей мелкого заложения // Сб. науч. трудов / Национальный горный университет. Днепропетровск, 2003. — № 17, Т. 1. - С. 413-417.

90. Фотиева Н.Н., Шелепов Н.В. Расчет обделок тоннелей мелкого заложения на сейсмические воздействия // Горный информационно-аналитический бюллетень №3, 2000, Москва: Изд. МГГУ.- С. 26-30.

91. Фролов Ю.С., Крук Ю.Е. Метрополитены на линиях мелкого заложения. Новая концепция строительства. М.: ТИМР. 1994. - 244 с.

92. Хесин Г.Л., Дмоховский А.В. Исследование методом фотоупругости напряженного состояния подземных сооружений в условиях первой и смешанной задач теории упругости// Научные труды Гидропроекта. М. - Гидропроект. - 1970. - Сб. 18. - С. 103-120.

93. Швец В.Б., Гинзбург Л.К., Гольдштейн В.М. и др. Справочник по механике и динамике грунтов. Киев: Буд1вельник, 1987.

94. Шейнин В.И., Савицкий В.В. Программа NODM// Основания, фундаменты и механика грунтов. 1989.- №2. - С.28.

95. Шейнин В.И., Савицкий В.В. Численно-аналитическое решение контактной задачи теории упругости о напряженном состоянии кольца в неоднородной плоскости. -1990.-№5. -С.36-41.

96. Шерман Д.И. О напряжениях в весомой полуплоскости, ослабленной двумя круговыми отверстиями// Прикладная математика и механика. 1951. -Т. 15. -№3. - С.297-316.

97. Шерман Д.И. Упругая весомая полуплоскость, ослабленная отверстием эллиптической формы, достаточно близко расположенным от ее границы// Докл. АН СССР. 1961. - Т.27. - С.527-563.

98. Элизбарашвили М.С. Определение напряженного состояния полуплоскости, ослабленной подкрепленным круговым отверстием// В кн.: Свойства и разрушение горных пород. Тбилиси. - 1982. - Т. 5. - С. 154-158.

99. Baudendistel М. Zum Entwurf von Tunnelln mit grossen Ausbruchsquer-schnitt// Rock Mechanics. 1979. - Suppl. № 8. - S. 75-100.

100. Baudendistel M. Zur Bemessung von Tunnellauskleidungen inwenig festem Gebirge// Rock Mechanics. 1973. - Suppl. № 2. - S. 279-312.

101. Bulychev N.S., Goncharov G.V. Design of shallow embedding tunnel linings// International Congress on Rock Mechanics. Aachen. - Deutschland. - 1991. -S.1267-1271.

102. Denisov V.N., Chetyrkin N.S. & Golubev A.N. Long-term investigation of soil deformability by automatic pressuremeter//Proceedings of the Symposium on the Pressuremeter and its Marine Applications, Paris: France. 1982.

103. Fotieva N.N., Bulychev N.S., Sammal A.S. Design of shallow tunnel linings/Prediction and Performance in Rock Mechanics and Rock Engineering. EUROCK'96/Torino/Italy.-A.A.Balkema, Rotterdam, Brookfield. P.677 680.

104. Gheung Y.K. The finite strip method in the analysis of elastic plates with two opposite simply supported ends// Prodc. Inst. Civ. Engrs. N.Y., May, 1968. - P. 1 -7.

105. Kropik C., Mang H., Meschke G. Synthesis of Constitutive Modelling and Numerical Simulations in the Context of the Excavation of Shallow Tunnels by the NATM// Computational Methods in Applied Sciences'96: Invit. Lect. and

106. Spec. Technol. Sess. 3 rd ECCOMAS Comput. Fluid Dyn. Conf. and 2 rd

107. ECCOMAS Conf. Number. Meth. Eng., Paris, 9-13 Sept., 1996. Chichester etc., 1996.-p. 218-226.

108. N.Fotieva, S.Anziferov, N.Korneeva Designing tunnel linings located near slopes // geotechnics 99 "The base of the modern technologies of constructions".Ii Ostrava / Czech republic / 21-22 September, 1999. P. 88-90.

109. Osetrova O.V., Bulychev N.S. Berehnung von den Rohren, die im Boden durchs Verfahren ohne Transcheen gelegt werden.// Proc. of the 4-th Int. Conf. -Ostrava. Czech Rep. 1999.

110. Pieran Bernd. Tunnelbemessung unter Berucksichtigung der raumlichen Spannungs verformungszustande an der Ortsbrust// Veroff. Inst. Grundbau, Bodenmech., Felsmech. und Verkehrswasserbau RWTH, Aachen. - 1981. - № 9. -182 s.