Расчеты в режиме заданных нагрузок и взаимно влияющих деформаций

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Проектирование и строительство автодорожных тоннелей»

на тему: «Основные положения расчета подземных сооружений. Расчеты в режиме заданных нагрузок ивзаимного влияющих деформаций. Графическая интерпретация взаимодействия обделки с грунтовым массивом»

Выполнил: студент группы

№ 4МТ01 Алиуллина Г.И.

Проверил: ассистент каф. АДМиТ

Сафиюлина Л.Г.

Казань, 2017

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..…….3

1. Основные положения расчета подземных сооружений………………………..…..4

2. Расчеты в режиме заданных нагрузок и взаимно влияющих деформаций………13

3. Графическая интерпретация взаимодействия обделки с грунтовым массивом…19

3.1.Расчет обделки как свободно-деформирующегося кольца в податливой среде…………………………………………………………………………….…..20

3.2.Расчет обделки как упругого кольца в упругой среде …………………………22

3.3.3.3.Расчет шарнирных обделок из жестких блоков…………………………….27

3.4.Принципы расчета обделок кругового очертания, работающих в режиме взаимовлияющих деформаций…………………………………………………….28

Заключение………………………………………………………………………...……34

Список использованных источников………………………………………………….35

Введение

1. Основные положения расчета подземных сооружений

Подземное сооружение - линейное (инженерная или транспортная коммуникация) или компактное сооружение, полностью или частично расположенное под землей, которое может являться фундаментом здания(согласно [1]).

Подземное сооружение – сооружение или часть сооружения, расположенные ниже уровня земли[2].

Рисунок 1.1. Подземные сооружения

Строительство подземных сооружений. Выбор способа строительства подземных сооружений зависит в основном от глубины заложения и назначения объекта, горнотехнических условий строительного участка. Неглубокие подземные сооружения строят открытым способом, с использованием опускных сооружений, подземных сооружений глубокого заложения и, в особых случаях, неглубокого (например, перегонные тоннели метрополитенов или городские коллекторы) — закрытым (подземным) способом (подробнее см. в ст. Подземное строительство). Строительство подземных сооружений может осуществляться с помощью буровзрывных работ, механизированных комплексов и другого горного оборудования (комбайны горные, щиты проходческие), скважинными методами с использованием процессов подземного выщелачивания, взрывного уплотнения грунтов.

Приспособление под подземные объекты горных выработок отработанных шахт с устойчивыми вмещающими породами включает горнопроходческие работы по спрямлению выработок, их расширению, сооружению новых. В крепких устойчивых породах подземные сооружения обычно оставляют незакреплёнными; в отдельных случаях применяют временную крепь, а также постоянные конструкции из монолитного бетона и железобетона, сборного железобетона и чугунных тюбингов (см. Крепь горная). В связи с тем, что полости, образуемые или подготавливаемые скважинными методами, используются в основном в качестве хранилищ для нефтепродуктов и сжиженных газов, к вмещающим горным породам предъявляются требования по непроницаемости, однородности по составу и химической нейтральности к хранимым продуктам.

Эксплуатация подземных сооружений сводится главным образом к поддержанию в них необходимого микроклимата, обеспечению искусственного освещения и энергоснабжения. Регулирование параметров воздушной среды производят обычно с помощью установок кондиционирования воздуха. Температурный режим подземных сооружений создаётся, как правило, только за счёт отопления (реже охлаждения), т.к. конвективный теплообмен в горном массиве практически отсутствует. Экономичность терморегуляции в определённых случаях обеспечивается специальным подбором места подземных сооружений, в основе которого близость температуры вмещающих горных пород к технике.

Увеличение масштабов строительства подземных сооружений в перспективе связано с возможностью утилизации полостей, остающихся после извлечения полезных ископаемых из недр, возможностью эффективного и комплексного решения вопросов экологии, сбережения энергии и ресурсов.

Рассмотрим некоторые общие положения из разных источников.

1.Согласно п.4.5-4.7 СП 248.1325800.2016[3]:

При проектировании подземных сооружений должны быть предусмотрены решения:

- обеспечивающие надежность, долговечность и экономичность на всех стадиях строительства и эксплуатации сооружений;

- не допускающие ухудшения условий эксплуатации существующих зданий, сооружений и инженерных коммуникаций (далее - окружающая застройка);

- не допускающие вредных воздействий на экологическую среду;

- допускающие перспективное применение подземного пространства города.

Подземные сооружения в городской среде следует проектировать таким образом, чтобы минимизировать негативное влияние их строительства и эксплуатации на окружающую застройку. При выборе проектных решений необходимо оценивать сопоставимый опыт строительства, в первую очередь на близлежащих площадках.

При проектировании подземных сооружений следует учитывать не только их влияние на существующие сооружения и коммуникации, но и возможное влияние окружающей застройки и городской инфраструктуры на проектируемое сооружение, а также общую градостроительную ситуацию и перспективы развития подземной инфраструктуры города.

При проектировании следует учитывать:

- вибрационные воздействия от транспорта и метрополитена;

- необходимость сноса старых строений на площадках строительства;

- необходимость разборки старых подземных сооружений и фундаментов;

- необходимость ремонта, выноса и перекладки подземных коммуникаций;

- возможность аварийных утечек из водонесущих подземных коммуникаций;

- необходимость проведения археологических изысканий;

- необходимость реконструкции окружающей застройки

- перспективное использование подземного пространства на близлежащих участках.

2. Согласно п.4.8-4.12 СП 102.13330.2012[3]:

При проектировании гидротехнических туннелей необходимо проводить инженерно-геологические изыскания по всей его трассе.

При инженерно-геологических и гидрологических изысканиях следует особое внимание уделять:

-тектоническим нарушениям по трассе туннеля и в районе его строительства;

-положению поверхности подземных вод и источникам их питания;

-возможным оползневым процессам и селевым потокам на участках входа и выхода туннеля из грунтового (скального) массива;

-фильтрационной устойчивости пород;

-возможности развития химической и механической суффозии;

-наличию зон карста по трассе туннеля;

-локальным выходам агрессивных подземных вод;

-возможности химического кольматажа дренажных устройств.

При строительстве туннеля в условиях многолетней мерзлоты необходимо учитывать расчетные значения прочностных, деформационных и теплофизических характеристик пород в мерзлом и оттаявшем состояниях, характер и степень льдистости, температуру многолетнемерзлых пород и температуру воды, протекающей по туннелю, температурное поле при установившемся тепловом режиме в процессе эксплуатации.

Нормативные и расчетные значения характеристик прочности и деформируемости грунтов определяются в соответствии с положениями СП 23.13330.

Туннели для пропуска строительных расходов, транспортирующие влекомые наносы, необходимо проектировать с возможностью проведения их ежегодного осмотра и ремонта после прохождения паводка. Для этого следует рассматривать целесообразность сооружения двух туннелей с входными оголовками на разных отметках.

В гидротехнических туннелях I и II классов должна предусматриваться установка контрольно-измерительной аппаратуры для проведения натурных наблюдений за работой сооружения в процессе строительства и в период его эксплуатации, для оценки состояния обделки туннеля, окружающего его грунта (в том числе, зацементированного), давления грунтовых вод на обделку, гидравлического и фильтрационного режимов.

3.Согласно п.4.9-4.13 СП 120.13330.2012[4]:

Линии метрополитена следует проектировать двухпутными с правосторонним движением поездов.

Первая линия метрополитена должна иметь соединение с путями общей сети железных дорог. При увеличении сети метрополитена на каждые 50 км следует предусматривать, при необходимости, дополнительные соединения с путями общей сети железных дорог.

Станции следует предусматривать в центрах пассажирообразующих нагрузок территорий, вблизи железнодорожных, автобусных и речных вокзалов и других объектов массового посещения города с учётом комплексного использования подземного пространства.

Трассу линии в плане и профиле следует назначать исходя из размещения станций в пассажирообразующих узлах, минимальных затрат времени пассажиров на поездку, применения наиболее экономичного продольного профиля по расходу электроэнергии, а также с учетом инженерно-геологических, геоморфологических, гидрологических условий и коррозионной активности среды.

На каждой линии необходимо предусматривать электродепо, тупики и пункт технического обслуживания подвижного состава.

4.Согласно п.9 проекту СП Расчети проектирование подземных сооружений в городе Москве:

Таблица 1.1

Набор частных коэффициентов надежности в зависимости от рассматриваемых проектных ситуаций

На сегодняшний день существует боьшоеколичесвто программных компдексов, позволяющих моделировать будущее подземное инженерное сооружение, где можно с большой точностью получить расчетные характеристики или характеристики несущих и ограждающих элементов подземного сооружения.

Например, в учебном пособии [5] приведен пример расчета подземных сооружений на ЭВМ методом конечных элементов.

На рис. 1.1 изображены сам тоннель с учетом грунта и расчетная схема, состоящая из 3 и 4 угольных плоских элементов. Количество и тип используемых элементов определяется целью расчета и требуемой точность результатов, а так же имеющимися возможностями – объемом оперативной памяти, производительностью вычислительной системы и параметрами программы для ЭВМ, которые будут использоваться для расчета. Расчет сводиться к решению большого количества матриц и систем уравнений.

Рисунок 1.1. Тоннель в грунтовом массиве и расчетная схема для МКЭ

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Проектирование и строительство автодорожных тоннелей»

на тему: «Основные положения расчета подземных сооружений. Расчеты в режиме заданных нагрузок ивзаимного влияющих деформаций. Графическая интерпретация взаимодействия обделки с грунтовым массивом»

Выполнил: студент группы

№ 4МТ01 Алиуллина Г.И.

Проверил: ассистент каф. АДМиТ

Сафиюлина Л.Г.

Казань, 2017

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..…….3

1. Основные положения расчета подземных сооружений………………………..…..4

2. Расчеты в режиме заданных нагрузок и взаимно влияющих деформаций………13

3. Графическая интерпретация взаимодействия обделки с грунтовым массивом…19

3.1.Расчет обделки как свободно-деформирующегося кольца в податливой среде…………………………………………………………………………….…..20

3.2.Расчет обделки как упругого кольца в упругой среде …………………………22

3.3.3.3.Расчет шарнирных обделок из жестких блоков…………………………….27

3.4.Принципы расчета обделок кругового очертания, работающих в режиме взаимовлияющих деформаций…………………………………………………….28

Заключение………………………………………………………………………...……34

Список использованных источников………………………………………………….35

Введение

1. Основные положения расчета подземных сооружений

Подземное сооружение - линейное (инженерная или транспортная коммуникация) или компактное сооружение, полностью или частично расположенное под землей, которое может являться фундаментом здания(согласно [1]).

Подземное сооружение – сооружение или часть сооружения, расположенные ниже уровня земли[2].

Рисунок 1.1. Подземные сооружения

Строительство подземных сооружений. Выбор способа строительства подземных сооружений зависит в основном от глубины заложения и назначения объекта, горнотехнических условий строительного участка. Неглубокие подземные сооружения строят открытым способом, с использованием опускных сооружений, подземных сооружений глубокого заложения и, в особых случаях, неглубокого (например, перегонные тоннели метрополитенов или городские коллекторы) — закрытым (подземным) способом (подробнее см. в ст. Подземное строительство). Строительство подземных сооружений может осуществляться с помощью буровзрывных работ, механизированных комплексов и другого горного оборудования (комбайны горные, щиты проходческие), скважинными методами с использованием процессов подземного выщелачивания, взрывного уплотнения грунтов.

Приспособление под подземные объекты горных выработок отработанных шахт с устойчивыми вмещающими породами включает горнопроходческие работы по спрямлению выработок, их расширению, сооружению новых. В крепких устойчивых породах подземные сооружения обычно оставляют незакреплёнными; в отдельных случаях применяют временную крепь, а также постоянные конструкции из монолитного бетона и железобетона, сборного железобетона и чугунных тюбингов (см. Крепь горная). В связи с тем, что полости, образуемые или подготавливаемые скважинными методами, используются в основном в качестве хранилищ для нефтепродуктов и сжиженных газов, к вмещающим горным породам предъявляются требования по непроницаемости, однородности по составу и химической нейтральности к хранимым продуктам.

Эксплуатация подземных сооружений сводится главным образом к поддержанию в них необходимого микроклимата, обеспечению искусственного освещения и энергоснабжения. Регулирование параметров воздушной среды производят обычно с помощью установок кондиционирования воздуха. Температурный режим подземных сооружений создаётся, как правило, только за счёт отопления (реже охлаждения), т.к. конвективный теплообмен в горном массиве практически отсутствует. Экономичность терморегуляции в определённых случаях обеспечивается специальным подбором места подземных сооружений, в основе которого близость температуры вмещающих горных пород к технике.

Увеличение масштабов строительства подземных сооружений в перспективе связано с возможностью утилизации полостей, остающихся после извлечения полезных ископаемых из недр, возможностью эффективного и комплексного решения вопросов экологии, сбережения энергии и ресурсов.

Рассмотрим некоторые общие положения из разных источников.

1.Согласно п.4.5-4.7 СП 248.1325800.2016[3]:

При проектировании подземных сооружений должны быть предусмотрены решения:

- обеспечивающие надежность, долговечность и экономичность на всех стадиях строительства и эксплуатации сооружений;

- не допускающие ухудшения условий эксплуатации существующих зданий, сооружений и инженерных коммуникаций (далее - окружающая застройка);

- не допускающие вредных воздействий на экологическую среду;

- допускающие перспективное применение подземного пространства города.

Подземные сооружения в городской среде следует проектировать таким образом, чтобы минимизировать негативное влияние их строительства и эксплуатации на окружающую застройку. При выборе проектных решений необходимо оценивать сопоставимый опыт строительства, в первую очередь на близлежащих площадках.

При проектировании подземных сооружений следует учитывать не только их влияние на существующие сооружения и коммуникации, но и возможное влияние окружающей застройки и городской инфраструктуры на проектируемое сооружение, а также общую градостроительную ситуацию и перспективы развития подземной инфраструктуры города.

При проектировании следует учитывать:

- вибрационные воздействия от транспорта и метрополитена;

- необходимость сноса старых строений на площадках строительства;

- необходимость разборки старых подземных сооружений и фундаментов;

- необходимость ремонта, выноса и перекладки подземных коммуникаций;

- возможность аварийных утечек из водонесущих подземных коммуникаций;

- необходимость проведения археологических изысканий;

- необходимость реконструкции окружающей застройки

- перспективное использование подземного пространства на близлежащих участках.

2. Согласно п.4.8-4.12 СП 102.13330.2012[3]:

При проектировании гидротехнических туннелей необходимо проводить инженерно-геологические изыскания по всей его трассе.

При инженерно-геологических и гидрологических изысканиях следует особое внимание уделять:

-тектоническим нарушениям по трассе туннеля и в районе его строительства;

-положению поверхности подземных вод и источникам их питания;

-возможным оползневым процессам и селевым потокам на участках входа и выхода туннеля из грунтового (скального) массива;

-фильтрационной устойчивости пород;

-возможности развития химической и механической суффозии;

-наличию зон карста по трассе туннеля;

-локальным выходам агрессивных подземных вод;

-возможности химического кольматажа дренажных устройств.

При строительстве туннеля в условиях многолетней мерзлоты необходимо учитывать расчетные значения прочностных, деформационных и теплофизических характеристик пород в мерзлом и оттаявшем состояниях, характер и степень льдистости, температуру многолетнемерзлых пород и температуру воды, протекающей по туннелю, температурное поле при установившемся тепловом режиме в процессе эксплуатации.

Нормативные и расчетные значения характеристик прочности и деформируемости грунтов определяются в соответствии с положениями СП 23.13330.

Туннели для пропуска строительных расходов, транспортирующие влекомые наносы, необходимо проектировать с возможностью проведения их ежегодного осмотра и ремонта после прохождения паводка. Для этого следует рассматривать целесообразность сооружения двух туннелей с входными оголовками на разных отметках.

В гидротехнических туннелях I и II классов должна предусматриваться установка контрольно-измерительной аппаратуры для проведения натурных наблюдений за работой сооружения в процессе строительства и в период его эксплуатации, для оценки состояния обделки туннеля, окружающего его грунта (в том числе, зацементированного), давления грунтовых вод на обделку, гидравлического и фильтрационного режимов.

3.Согласно п.4.9-4.13 СП 120.13330.2012[4]:

Линии метрополитена следует проектировать двухпутными с правосторонним движением поездов.

Первая линия метрополитена должна иметь соединение с путями общей сети железных дорог. При увеличении сети метрополитена на каждые 50 км следует предусматривать, при необходимости, дополнительные соединения с путями общей сети железных дорог.

Станции следует предусматривать в центрах пассажирообразующих нагрузок территорий, вблизи железнодорожных, автобусных и речных вокзалов и других объектов массового посещения города с учётом комплексного использования подземного пространства.

Трассу линии в плане и профиле следует назначать исходя из размещения станций в пассажирообразующих узлах, минимальных затрат времени пассажиров на поездку, применения наиболее экономичного продольного профиля по расходу электроэнергии, а также с учетом инженерно-геологических, геоморфологических, гидрологических условий и коррозионной активности среды.

На каждой линии необходимо предусматривать электродепо, тупики и пункт технического обслуживания подвижного состава.

4.Согласно п.9 проекту СП Расчети проектирование подземных сооружений в городе Москве:

Таблица 1.1

Набор частных коэффициентов надежности в зависимости от рассматриваемых проектных ситуаций

На сегодняшний день существует боьшоеколичесвто программных компдексов, позволяющих моделировать будущее подземное инженерное сооружение, где можно с большой точностью получить расчетные характеристики или характеристики несущих и ограждающих элементов подземного сооружения.

Например, в учебном пособии [5] приведен пример расчета подземных сооружений на ЭВМ методом конечных элементов.

На рис. 1.1 изображены сам тоннель с учетом грунта и расчетная схема, состоящая из 3 и 4 угольных плоских элементов. Количество и тип используемых элементов определяется целью расчета и требуемой точность результатов, а так же имеющимися возможностями – объемом оперативной памяти, производительностью вычислительной системы и параметрами программы для ЭВМ, которые будут использоваться для расчета. Расчет сводиться к решению большого количества матриц и систем уравнений.

Рисунок 1.1. Тоннель в грунтовом массиве и расчетная схема для МКЭ

Расчеты в режиме заданных нагрузок и взаимно влияющих деформаций

В 1954 советский учёный Г. Н. Кузнецов впервые сформулировал фундаментальные понятия о двух крайних режимах работы крепи: заданной нагрузки и заданной деформации; дальнейшее развитие эти понятия получили в работах советского учёного Г. А. Крупенникова и его школы. Г. Н. Кузнецовым сформулирована также концепция шарнирно-блочных систем, образующихся в кровле очистных выработок. Советский учёный К. В. Руппенейт на основе предложений Г. Н. Савина и А. Лабаса построил универсальную расчётную схему, позволяющую связать горное давление на крепь подготовительной выработки с упругими и прочностными свойствами пород. Ю. М. Либерман, модифицировав схему К. В. Руппенейта, разработал метод, позволяющий определить оптимальная жёсткость крепи. В конце 70-х гг. вновь возродился интерес к определению горного давления на крепь как веса некоторого объёма сыпучей породы; достижения в этой области связаны с работами советского учёного Е. И. Шемякина и др.

Статические расчеты обделок всех видов для тоннелей, сооружаемых открытым и закрытым способами, могут выполняться методами строительной механики на заданные нагрузки или методами механики сплошной среды.

Согласно п.5.6.8 СП 122.13330.2012[6], расчеты обделок тоннелей на заданные нагрузки проводятся с учетом отпора грунтового массива, кроме обделок, проектируемых для слабых грунтов (типа плывунов или илистых грунтов), которые следует рассчитывать без учета отпора.

Расчеты трещиностойких монолитных и сборных обделок со связями растяжения плавного (кругового, эллипсовидного и т.п.) очертания при глубоком заложении тоннелей (не менее тройной ширины выработки до поверхности земли) в однородных изотропных грунтах могут выполняться методами механики сплошной среды на основе решения контактной задачи о взаимодействии обделки и грунтового массива. Исходными данными при расчетах этими методами являются величины главных начальных напряжений (гравитационных или тектонических) в нетронутом массиве, деформационные характеристики материалов обделки и вмещающего ее грунта, а также технология сооружения тоннеля.

Предварительные расчеты конструкций допускается проводить исходя из предпосылки линейной работы материала конструкции и грунтового массива с использованием данных по коэффициенту упругого отпора.

Механика сплошной среды – наука о равновесии и движении деформируемых твердых тел, жидкости и газа. В механике сплошной среды рассматриваются тела с изменяющимися формами и расстояниями между точками. В механике к сплошной среде относятся как упругие и пластические, так и жидкие и газообразные тела. В механике сплошной среды разрабатываются методы сведения механических задач к математическим задачам.

При расчете горного давления учитывают три возможных режима взаимодействия крепи и породного массива: режим заданной нагрузки (крепь не влияет на величину нагрузки), режим совместного деформирования массива и крепи и режим заданной деформации (величина нагрузки определяется по деформации без учета сопротивления крепи).
Поскольку большинство разведочных выработок проводится на относительно небольшой глубине (Н≤600 м) в скальных породах с f≥6, для расчета нагрузок на крепь воспользуемся методами, которые базируются на сводообразовании, т. е. будем применять режим заданной нагрузки, когда крепь не препятствует сводообразованию. Под сводообразованием понимают вывалы пород со стороны кровли с образованием полости, которую с некоторым приближением можно уподобить своду. Сводообразование в скальных породах возможно, когда в кровле Rр<σmin.

Различают свод обрушения (видимая полость) и свод естественного равновесия - воображаемый свод параболического очертания над кровлей выработки, на границах которого действуют в основном только сжимающие напряжения, что способствует его устойчивости. Своды обрушения и естественного равновесия могут совпадать по контуру, если породы кровли, например, сложены слабо-сцементированным песчаником.
Нагрузка (горное давление) на крепь Q, если она определяется по теоретическим или эмпирическим формулам, принимается в качестве нормативной. В этом случае расчетная нагрузка Qp определяется путем умножения нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки nп по формуле Qp=Qnп (где nп=1,2 — для горизонтальных выработок и nп=1,5 - для камер).

С целью разделения метода расчета по заданной нагрузке введем градацию устойчивости пород по коэффициенту запаса прочности n на контуре выработки:
• кровля и бока устойчивы (n≥4);

• кровля и бока относительно устойчивы (1<n<4);

• кроачяи бока неустойчивы (n<1).</n<4)[7].