Delist.ru

Напряженно-деформированное состояние системы "конструкция тоннеля - грунтовый массив" при строительстве тоннелей мелкого заложения полуоткрытым способом (13.05.2010)

Автор: Зиборов Максим Андреевич

Расчетам тоннельных конструкций на заданные нагрузки посвящены работы Антонова О.Ю., Емельянова Л.М., Бодрова Б.П., Бугаевой О.Е., Виноградова Б.Н., Гарбера В.А., Давыдова С.С., Дидуха Б.И., Зурабова Г.Г., Орлова С.А., Резникова Р.А., Розанова С.Н., Чеботаева В.В., Четыркина Н.С., Шапошникова Н.Н. и др.

Для расчета «стен в грунте» также используют аналитические методы расчета, предусматривающие решение контактной задачи механики сплошной среды. Такие задачи рассмотрены в работах Айвазова Ю.Н., Айталиева Ш.М., Баклашова И.В., Булычева Н.С., Вайнберга Д.В., Галеркина Б.Г., Демешко Е.А., Ержанова Ж.С., Либермана Ю.М., Руппенейта К.В., Фотиевой Н.Н. и др.

Одним из основных методов расчета прямоугольных в плане сооружений, контактирующих с грунтом, является метод проф. Жемочкина Б.Н., в котором замкнутые в плане конструкции рассматриваются как состоящие из отдельных плоских элементов без учета их совместной работы.

При расчете в условиях плоской задачи принимается, что конструкция и основание работают в упругой стадии. Стена моделируется как полоса, контактирующая с основанием в виде двух четвертьплоскостей, смещенных относительно друг друга по вертикали на глубину траншеи. В качестве нагрузок принимаются начальное боковое давление грунта, давление грунтовых вод, давление, вызванное поверхностной нагрузкой.

Расчет с применением методов теорий сплошной среды является трудоемким и не всегда дает результаты более близкие к практическим по сравнению с методами строительной механики, так как основан на использовании идеализированных моделей грунта. Во многих случаях более эффективными методами, позволяющими учесть взаимодействие конструкции тоннеля с грунтовым массивом, являются численные методы расчета. Среди них различают метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод граничных элементов, метод дискретных элементов. Наиболее распространенным в настоящее время является МКЭ. Он позволяет решать сложные пространственные задачи с учетом неоднородности сложения грунтового массива и его нелинейной работы. Существует большой выбор программных комплексов, основанных на МКЭ. Среди них: «PLAXIS», «GEO», «MIDAS GTS», «NASTRAN», «COSMOS/M», «ANSYS» и др. Некоторые из этих программ, такие как «PLAXIS 3D TUNNEL», позволяют моделировать конструкции с учетом технологии их строительства. Все это и определило выбор МКЭ и программы «PLAXIS 3D TUNNEL» как инструмента для проведения эксперимента.

Вторая глава посвящена разработке пространственной конечно-элементной модели для определения напряженно – деформированного состояния (НДС) системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив».

В России и за рубежом вопросам исследования НДС системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» посвящены работы Айвазова Ю.Н., Булычева Н.С., Воробьева Л.А., Гарбера В.А., Демешко Е.А., Зарецкого Ю.К., Зерцалова М.Г., Ильичева В.А., Картозии Б.А., Фотиевой Н.Н., Чеботаева В.В., Шапошникова Н.Н., Щекудова Е.В., Юфина С.А., Brinkgreve R.B.J., Geunot A., Kratch G., Mair R.J., Panet M., Peck R.B., Vermeer P.A., Wittke W. И др.

Пространственная модель системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» была реализована в программном комплексе «PLAXIS 3D TUNNEL», основанном на методе конечных элементов. Данный комплекс использовался в частности при проектировании автотранспортных тоннелей на Ленинградском проспекте, второго выхода станции «Маяковская» Московского метрополитена и др.

На основе проведенного анализа современного опыта строительства тоннелей полуоткрытым способом для проведения исследований были выбраны четыре типа конструкции тоннелей, сооружаемых траншейным (рис. 2,а,в) и «зиллертальским» способом (рис. 2, б,г) с плоским и арочным перекрытием.

Рис. 2. Исследуемые типы конструкции тоннелей мелкого заложения: 1 - 6 - сечения, в которых измерялись усилия в численном эксперименте

Для описания работы грунтового массива использовалась упругопластическая модель Мора-Кулона, как наиболее апробированная для математического моделирования в области решения данной геомеханической задачи. Достоинством модели является простота, использование обычных деформационных и прочностных характеристик, применяемых в инженерных расчетных методах механики грунтов и определяемых стандартными методами при инженерно-геологических изысканиях. Конструкции тоннелей моделировались с помощью плитных элементов, взаимодействие между грунтовым массивом и обделкой – с помощью интерфейсных элементов на границе «конструкция тоннеля – грунтовый массив».

Исследования на пространственной модели проводились на примере двухполосного автодорожного тоннеля.

? те же этапы, за исключением операций по установке и демонтажу ограждающих конструкций, которые выполняют стены тоннеля. Конечно-элементные модели для некоторых характерных этапов строительства тоннелей первого и третьего типа показаны на рис.3.

Использование разработанной модели позволяет получить значения параметров НДС системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» по завершению каждого этапа работ: значения полных, горизонтальных и вертикальных перемещений, эффективные и полные напряжения во всей области грунтового массива, значения изгибающих моментов, продольных и поперечных сил в элементах конструкций.

Для проверки методики определения НДС системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» с учетом технологии строительства был проведен тестовый расчет. Эффективность и достоверность результатов, получаемых с использованием разработанной модели, подтверждена высокой их сходимостью с данными натурных наблюдений (максимальное отклонение расчетных значений от измеренных составило 13%). Таким образом, созданная упругопластическая пространственная модель бинарной системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» может быть использована для проведения исследований работы обделки тоннеля во взаимодействии с грунтовым массивом на всех этапах строительства и эксплуатации сооружения.

В третьей главе диссертации исследуется НДС системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» на разработанных конечно-элементных моделях.

Этап 6 Этап 7

Рис. 3. Конечно-элементные модели для некоторых характерных этапов строительства тоннелей

В качестве факторов, влияющих на изменение НДС данной системы, были приняты:

тип конструкции тоннеля (см. рис. 2);

тип грунтов: несвязные грунты (пески, обозначение «НС») и связные грунты (суглинки и глины, обозначение «С»);

относительная глубина заложения: отношение глубины заложения h к пролету тоннеля B. Для конструкций первого и второго типов данный параметр варьировался на первых пяти уровнях (0.15, 0.225, 0.30, 0.375, 0.45), для третьего и четвертого типа - на последних пяти (0.30, 0.375, 0.45, 0.525, 0.60);

положение грунтовых вод изменялось на пяти уровнях от низа стены до верха перекрытия.

Для проведения эксперимента была разработана матрица планирования путем последовательного изменения каждого из факторов. В соответствии с данной матрицей были разработаны 72 пространственные конечно-элементные модели для четырех модификаций полуоткрытого способа в различных инженерно-геологических условиях, учитывающие технологию строительства.

В результате проведения численного эксперимента было получено пространственное НДС системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» в каждой расчетной точке выбранного фрагмента.

Максимальные вертикальные перемещения сконцентрированы в зоне лотковой плиты и на поверхности земли в области, лежащей за ограждением котлована. Зона максимальных горизонтальных перемещений находится на поверхности земли в месте расположения ограждающей конструкции и в узле примыкания лотковой плиты к стене тоннеля. Максимальные напряжения в грунтовом массиве сконцентрированы в области основания стены тоннеля. На рис. 4 представлены значения вертикальных перемещений поверхности земли в пяти опытах для траншейного способа работ в несвязных грунтах. Данные графики были получены для всех 72 численных экспериментов. Максимальные деформации сведены в табл. 1. Максимальное значение перемещения достигается в опыте 30 (-0,022м), который соответствует траншейному способу работ и арочному перекрытию конструкции при относительной глубине заложения 0,6. Диапазон варьирования результатов от -0,008м до -0,022м.

Рис. 4. Деформации поверхности земли в зависимости от относительной глубины заложения в несвязных грунтах. Первый тип

конструкции

Таблица 1

Максимальные вертикальные деформации поверхности земли

Для оценки состояния грунтового массива была определена несущая способность грунтового основания под стенами тоннеля. Полученное в ходе каждого расчета максимальное полное напряжение в основании стены тоннеля сравнивалось с расчетным сопротивлением грунта на сжатие.

Также в ходе расчета были получены значения изгибающих моментов и продольных сил в шести выбранных сечениях во всех 72 опытах (см. рис. 2).

Так как анализ изменения усилий в 6 сечениях конструкции чрезвычайно трудоемок, был проведен корреляционный анализ изменения значений усилий в указанных сечениях в ходе проведения серии экспериментов. Он показал, что существует связь между изменениями усилий в точках 1,2,3,4,5 и 6 между собой. Поэтому для анализа напряженного состояния конструкции был выбран коэффициент запаса прочности Кп (отношение несущей способности сечения к действующим в нем усилиям) для сечения в узле сопряжения перекрытия и стены тоннеля.

Таким образом, для оценки изменения НДС системы «конструкция тоннеля – грунтовый массив» были выбраны следующие параметры: максимальные деформации поверхности земли ymax в области, лежащей за пределами ограждения котлована, и коэффициент запаса прочности Кп.

Поскольку величины ymax и Кп были получены в результате численного эксперимента, в процессе проведения исследования была установлена количественная зависимость данных величин от отдельных факторов путем аппроксимации результатов во всей рассматриваемой области определения. Для этого использовался метод тренд-анализа, позволяющий аппроксимировать полученные значения математическими функциями. Полученные графики имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными, что подтверждается значениями коэффициентов детерминации R2 = 0,92…0,99. (рис. 5,6).

Анализ графиков позволяет сделать вывод о том, что при использовании «зиллертальской» технологии, предусматривающей использование стен тоннелей в качестве ограждающих конструкций, в несвязных грунтах максимальная деформация грунтового массива увеличивается по сравнению с траншейным способом на 25…35% в конструкциях с плоским перекрытием и на 20…30% - с арочным.

Рис. 5. Зависимость максимальной деформации грунтового массива

от относительной глубины заложения в несвязных грунтах

Рис. 6. Зависимость коэффициента запаса прочности в узле примыкания перекрытия к стене тоннеля от относительной глубины

заложения в несвязных грунтах

загрузка...