автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Два подхода к расчету тоннельных обделок, алгоритмы программ, исследования работы обделок в упругой, упруго-пластической и упруго-вязкой среде

Предисловие

Глава 1. Исторический обзор методов расчета тоннельных обделок.

Введение;

1.1. Горное давление;

1.2. Расчет тоннельных обделок на нагрузку от горного давления;

1.3. Расчет тоннельных обделок, как конструкций работающих 47 совместно с окружающей средой;

Глава 2. Некоторые сведения из курса сопротивления материалов и теории упругости.

Введение;

2.1. Понятие о деформациях тела и перемещениях его точек. 56 Внешние и внутренние силы, напряжения;

2.2. Основные уравнения плоской задачи теории упругости;

2.3. Исследование напряженного состояния в точке;

Глава 3. Расчет тоннельных обделок как конструкций находящихся в упругой и упруго - пластической среде. Введение;

3.1. Использование классических решений теории упругости для 87 определения напряженного состояния вокруг выработок кругового очертания;

3.2. Понятие упруго - пластических деформаций;

3.3. Постулат Друкера. Ассоциированный закон течения. 97 Построение матрицы жесткости;

3.4. Теория Мора - Кулона. Построение матрицы жесткости.

Глава 4. Расчет тоннельных обделок с учетом фактора времени.

Введение;

4.1. Понятие об управлении горным давлением. Новоавстрийский 110 метод прохождения тоннельных выработок;

4.2. Функции ползучести и релаксации. Понятие конструкционного 114 и инвариантного материала;

4.3. Линейная наследственная теория ползучести. Ядро ползучести 119 и его резольвента, соотношения между ними;

4.5. Численный алгоритм построения кривой релаксации по кривой 135 ползучести;

4.6. Численный алгоритм расчета тоннельных обделок в упруго - 139 вязкой среде с использованием дискретно заданной кривой релаксации.

Глава 5. Программа по расчету тоннельных конструкций.

Введение;

5.1. Описание программы.

5.2. Решение тестовой задачи методом «МЕТРОГИПРОТРАНСА».

5.3. Расчет тоннельной обделки в упругой среде и методом

4.4. Модель Кельвина;

МЕТРОГИПРОТРАНСА»

Глава 6. Основные результаты работы.

Список используемой литературы

Предисловие

Тоннельные сооружения являются материалоемкими конструкциями, имеющими огромное народно - хозяйственное значение. В основе проектирования тоннельных конструкций лежит их прочностной расчет от качества, которого зависит как экономичность, так и надежность тоннельных конструкций. Данная работа посвящена уточнению расчетных моделей тоннельных конструкций, поэтому тема диссертации является актуальной.

Цели и задачи исследования

Тоннельные конструкции можно подразделить на две категории: горные тоннели, тоннели метрополитенов (перегонные и станционные) и крепи, закрепляющие выработки при горнопроходческих работах. Первые являются постоянными конструкциями, а вторые - временными и подходы к их проектированию должны быть, естественно, различными.

Характер работы этих конструкций различен и зависит от глубины заложения. Так тоннели метрополитенов находятся на сравнительно небольшой глубине (50-60 м), а горные тоннели и крепи находятся на глубине измеряемой сотнями метров, а иногда и километрами. В диссертации показано, что для расчета обоих видов сооружений принципиально не может быть единой расчетной схемы, и обоснованы две расчетные схемы: расчет обделок на вывал, как конструкций в упругой среде и совместный расчет тоннельной обделки и окружающей среды.

Первая расчетная схема является более простой, в настоящее время достаточно хорошо теоретически проработана (имеются стандартные программные комплексы) и подтверждена практикой строительства метрополитенов. Возможности второй расчетной схемы могут быть резко расширены (за счет широкого применения вычислительной техники), а сама расчетная схема уточнена за счет современных достижений механики твердого деформированного тела.

Обоснованность и достоверность основных положений

В диссертации использованы классические подходы горной механики и современные достижения механики твердого деформированного тела, достоверность которых не вызывает сомнений.

Научная новизна

Разработан универсальный алгоритм расчета тоннельных обделок в упругой, упруго - пластической и упруго вязкой средах. Получена новая (упрощенная) матрица для расчета тоннельной обделки в упруго-пластической среде, разработан новый численный метод расчета обделок в упруго - вязкой среде.

Практическая реализация

Разработанный алгоритм расчета в упруго - пластической среде использовался при проверке на водонепроницаемость Лефортовского тоннеля, и было доказано, что всплытие произойдет на малую величину, что не приведет к раскрытию стыков приводящего к нарушению герметичности обделки: В результате отпала необходимость в больших земляных работах связанных с созданием пригруза за счет подсыпки грунта.

Апробация работы

Основное содержание работы изложено в автореферате и четырех статях. Кроме того, материалы диссертации докладывались на конференции в Московском Государственном автомобильно - дорожном институте (МАДИ).

Автор выражает глубокую благодарность за помощь, оказанную при написании диссертации чл. корр. РААНСН, профессору, доктору технических наук Шапошникову H.H., доценту, кандидату технических наук Ожерельеву В.А. и инженеру А.Арифджанову за помощь в разработке универсального программного комплекса с параметрическим вводом конфигурации обделки, а так же сотрудникам кафедры САПР ТК МИИТ за внимательное отношение и советы, которые давались автору диссертации во время докладов на кафедре.

1. Айвазов Ю., Горленко А. Расчет обделок из монолитно прессованногобетона., Метрострой,1979, №7.

2. Александров A.B., Шапошников H.H., Использование дискретной моделипри расчете пластинок с применением цифровых автоматических машин., Сб. МИИТ вып. 194. Транспорт М.:1966.

3. Александров A.B., Лащеников Б.Я., Шапошников H.H. Методы расчета стержневых систем, пластин и оболочек с использованием ЭВМ в 2-ч частях. Под редакцией чл.-корр. Ан СССР, д.т.н., проф. А.Ф. Смирнова Стройиздат М.: 1976.

4. Александров A.B., Лащеников Б.Я., Шапошников H.H., Строительнаямеханика. Тонкостенные пространственные системы. Под редакцией чл.-корр. Ан СССР, д.т.н., проф. А.Ф. Смирнова Стройиздат М.: 1983.

5. Александров A.B., Потапов В.Д., Основы теории упругости и пластичности.Высшая школа. М.:,1990

6. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивлениематериалов. Высшая школа. М.:,2000.

7. Амусин Б.З., Статический расчет конструкций станций метрополитеназакрытого типа по стадиям ее сооружения методом начальных параметров., Труды ВНИМИ, вып. 67, Л.: 1967.

8. Амусин Б.З., Некоторые особенности расчета конструкций станциизакрытого типа методом начальных параметров на ЭЦВМ. Труды ЛИИЖТ, вып. 317, Л.: 1971.

9. Архангельский H.H., Джинчарадзе Д.И., Курисько A.C. Расчет тоннельныхобделок. Трансжелдориздат, М.: 1960.

10. Бакиров P.O. Применение современных электронных вычислительныхмашин при расчете и проектировании конструкций инженерных сооружений. ВИА, М.: 1968.

11. Бакиров P.O., Матричный метод расчета на ЭЦВМ железобетоннойзамкнутой конструкции практического очертания в упругой среде. ВИА, М.1971.

12. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок.Недра. М.: 1979.

13. Баклашов И.В., Карнизия Б.А. Механика подземных сооружений иконструкции крепей . 2-е издание. Недра. М.: 1992.

14. Барбакадзе В.Ш., Мураками С., Расчет и проектирование строительныхконструкций в деформируемых средах. Стройиздат М., 1989.

15. Баславский H.A., Рыбкин М.Б., Расчет на ЭВМ тоннельных обделок потеории линейно деформируемой среды, Известия ВНИИГ №129 Энергия, 1979.

16. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов,Стройиздат. М.: 1982.

17. Безухов H.H., Лужин О.В., Приложение методов теории упругости ипластичности к решению инженерных задач, Высшая школа. М.:,1994.

18. Беркина С.П., Расчет обделки тоннеля произвольного очертания. Строительная механика и расчет сооружений. №5, 1960.

19. Бодров Б.П. Расчет кольца тоннельной обделки рядами Фурье.Метропроект, отдел типового проектирования. Бюл. №29 М.:1936.

20. Бодров Б.П., Матэри Б.Ф., Кольцо в упругой среде. Метропроект, отделтипового проектирования. Бюл. №24, 1936.

21. Бодров Б.П., Поярков С.Г., Методы расчета круговых тоннельных обделок.Метропроект, отдел типового очертания. Сб. №27, М.: 1939.

22. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. Гостехиздат.М.: 1948.

23. Булычев Н.С., Методика расчета незамкнутых и сборных конструкцийкрепи капитальных горных выработок на основе схемы контурного взаимодействия с массивом, механика сооружений ТулПИ,1982.

24. Булычев Н.С., Механика подземных конструкций. Недра, М/.1982.

25. Булычев Н.С., Механика подземных сооружений. Недра, М.: 1992.

26. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г., Расчет крепи капитальныхгорных выработок, Недра, М.:1974.

27. Булычев Н.С., Фотиева H.H. Оценка устойчивости породы, окружающейгорные выработки. Шахтное строительство. №3.1977.

28. Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельцов Е.В., Проектирование и расчеткрепи капитальных выработок., Недра, М.: 1986.

29. Вовкушевский A.B. О решении задач теории упругости с условиями тренияна границе. Изв. АН СССР, Механика твердого тела№4, М.: 1984.

30. Вовкушевский A.B. Постановка и решение контактной задачи теорииупругости с трением при произвольном процессе загружения. В сб.: Метод конечных элементов и расчет сооружений. Труды ЛПИ, №405. Л.: 1985.

31. Вовкушевский A.B., Шойхет Б.А. Расчет массивных гидротехническихсооружений с учетом раскрытия швов. Энергия. М.: 1981.35. Волков В.П

32. Волков В.П Автодорожные тоннели. Транспорт. М.: 1970.

33. Волков В.П., Наумов Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г., Тоннели иметрополитены., транспорт, М.: 1975.

34. Вялов С.С., Реологические основы механики грунтов, Физматгиз М.: 1960.

35. Галеркин Б.Г., Собрание сочинений т.1., изд. АН СССР, 1952.40. Гарбер,

36. Гуров Д.Б., Совершенствование методов автоматизированного расчета ипроектирования тоннельных обделок, (сборник Роль молодых ученых и специалистов в развитии НТП на железнодорожном транспорте. Тезисы, конференции)., ВНИИЖТ. М.: 1984.

37. Давыдов С.С., Новый метод расчета подземных сооружений , вестник ВИА35, 1935.

38. Давыдов С.С., Расчет и проектирование подземных конструкций,Стройиздат. М.:1950.44. Дандуров, Тоннели,

39. Дарков A.B., Кузнецов, Статика сооружений. Гостехиздат. М.: 1948

40. Дарков A.B., Шапошников H.H., Строительная механика., М.: Стройиздат,1956

41. Даушвили А.П., Расчет тоннельных обделок в матричной форме,Транспорт., 1972.

42. Жемочкин Б.Н. Синицын А.П. Практические методы расчетафундаментальных балок на упругом основании., Госстройиздат, 1962.

43. Заславский Ю.З., Мостков В.М., Крепление подземных сооружений., Недра,М.: 1979.

44. Золотов О.П., Ксенофонтов В.К., Расчет подземных гидротехническихсооружений методом конечных элементов в не линейной постановке., Гидротехническое строительство №12, 1983.

45. Золотов О.Н. Резников P.A., Родинко О.П., Система комплекснойавтоматизации расчетов подземных гидротехнических сооружений в кн. Актуальные проблемы расчетного обоснования сооружений гидроузлов. Сборн. научных трудов Гидропроекта., М.: 1980.

46. Зурабов Г.Г., Бугаева O.E., Безнапорные гидротехнические тоннели.,Госстройиздат, 1940.

47. Зурабов Г.Г., Бугаева O.E., Гидротехнические тоннели гидротехнических электрических станций., Госэнергоиздат. М.: 1962.

48. Киселев В.А. Балки и рамы на упругом основании. Ред. Строит, литература.М.: 193058. Клейн Г.К.

49. Компанией С.А., Поправко А.К., Богородецкий A.A. Проектированиетоннелей. Транспорт. М.: 1973.

50. Лехницкий С.Г. Теоретическое исследование напряжений в упругом анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения. Труды всесоюзного института геомеханики и маркштедерского дела., Спб.: 1982.

51. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. Наука, М.: 1969.

52. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести., Машиностроение. М.: 1975.

53. Маренный Я.П. Тоннели с обделкой из монолитно прессованного бетона., Транспорт. М.: 1985.

54. Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения. Наука, М.: 1974.

55. Мостков В.М., Резников P.A. О методике статических расчетов машинных залов ГЭС и ГАЭС., Гидротехническое строительство, 1979.

56. Мостков В.М., Орлов В.А., Степанов П.Д., Хечиков М.Е., Юфин С.А., Подземные гидротехнические сооружения. Высшая школа, М.: 1986.

57. Мусхелишвили Н.П., Некоторые основные задачи математической теории упругости. Наука, М.: 1966.

58. Орлов С.А. Методы статического расчета сборных железобетонных обделоктоннелей. Госстройиздат. М.: 1961.

59. Орлов С.А., Предварительно напряженная сборная обделка тоннелей. Трудыисследовательского института транспортного строительства., вып. №31.

60. Орлов С.А, Расчет конструкций лежащих на контуре кругового выреза вплоскости. Сборник по исследованию теории сооружений, вып. №1 М.: 1954.

61. Пастернак П.Д., Основы нового метода расчета фундаментов на упругомосновании при помощи двух коэффициентов., Госстройиздат, М.: 1954.

62. Резников А.Р. Решение задач строительной механики на ЭЦМ. Строииздат.Л.: 1971.

63. Ржакицин P.A. Строительная механика. Стройиздат. М.: 1982

64. Родин Н.В. К вопросу о решении задач гравитационного давления массивов на крепи подземных выработок., доклады АН СССР т.28 №3,1951.

65. Родин Н.В., Снимаемая нагрузка и горное давление . В книге исследованиегорного давления., ГостехиздатМ.: 1960.

66. Розанов С.Н. Туннели. В кн. Справочная книга для инженеров строителей.Т.1.М.: 1933.

67. Розин Л.А. Вариационные постановки задач для упругих систем. Изд-воЛГУ. Л.: 1978.

68. Руководство по проектированию гидротехнических тоннелей. Всесоюзныйпроектно изыск. Институт Гидропроект им. С.Я.Жука. Строимздат. М.: 1982.

69. Руппенейт К.В., Некоторые вопросы механики горных пород.,Углетехиздат, М.: 1954.

70. Руппенейт К.В., Драповский А.Н., Лыткин В.А., Расчет сборной кольцевойкрепи подземных сооружений., Недра, М.: 1959.

71. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М., Матвиенко В.В. Песляк Ю.А. Расчеткрепи шахтных стволов. Изд. АН СССР. М.: 1967.

72. Савин Г.П. Давление горных пород на крепление вертикальных шахт.Записки института горной механики АН УССР. №5. 1947.

73. Савин Г.П., Влияние крепления на распределение напряжений вокруг узкойподземной горной выработки., записки института горной механики АН СССР, 1947.

74. Самокомпенсация трубопроводов с учетом трения. В.Я. Маголиф, В.В.Спиридонов, В.П. Черный. Мин. Газ. Пром. ВНИИЭгазпром. Научно -технич. Обзоры, серия: проектирование и строительство.

75. Секулович М. Метод конечных элементов. Стройиздат, М.: 1993

76. Смирнов А.Ф., Александров A.B., Шапошников H.H., Лащеников Б.Я.,Расчет сооружений с применением ЭЦВМ. Стройиздат. М.: 1964.

77. СНиП 2.03.01-84., Бетонные и железобетонные конструкции., Госстрой,ЦИТП Госстоя, 1985.

78. СНиП П-44-78., Тоннели железнодорожные и автодорожные.,

79. Совершенствование методов расчета тоннельных конструкций. Сб. научн.Сообщ. ЦНИИС. Вып.№81. М.: 1974.

80. Соловьев Г.П., Шапошников H.H., Методические указания по расчетуплоских стержневых систем методом перемещений с использованием ЭВМ "Наири"., МИИТ., М.: 1978.

81. Старчевская Л.Л., Решение задачи о плоско напряженном состоянииполуплоскости под действием сосредоточенных сил., труды ВНИИТС, вып 81. М.:1976.

82. Старчевская Л.Л., Решение контактной задачи "тоннельная обделка грунт"с учетом давления окружающей среды., труды ВНИИТС, вып. 98. М.:1976.

83. Фадеев Д.К., Фадеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры.Физматгиз. М-Л.: 1963.

84. Федоров В.Л. Расчет облицовок напорных гидротехнических тоннелей навнутреннее давление воды. Изв. ВНИИГ. Т.25. Л.: 1939.

85. Федоров В.Л. О передаче давления упругой среды на цилиндрическуютрубу. Изв. ВНИИГ. Т.24. Л.: 1939.

86. Феннер Р., Исследование горного давления. В кн. Вопросы теории горногодавления., Госгортехиздат., М.:1961.

87. Филоненко-Бородич М.М., Простейшая модель упругого основания,способная распределять нагрузку. Труды МЭМИИТ вып.№53. Трансжелдориздат. М.: 1945.

88. Фотиева H.H., Афонасова О.В., Расчет круговой крепи подземныхсооружений в неоднородном массиве на действие собственного веса породы., Подземное и шахтенное строительство. 1991.

89. Фотиева H.H., Расчет крепи подземных сооружений в сейсмическиактивных районах., Недра, М.: 1980.

90. Фотиева H.H., Расчет крепи подземных сооружений на статические исейсмические воздействия на основе исследования упругой модели взаимодействия с массивом пород. В кн. Проблемы механики подземных сооружений., Изд., МГУ, 1979.

91. Фотиева H.H., Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения.Стройиздат, М.: 1974.

92. Храпов В.Г., Демешко Е.А., Наумов С.П., Пирожкова А.Н., Тоннели иметрополитены., транспорт, М.: 1975.

93. Храпов В.Г., Шапошников H.H., Конструкции станций метрополитена.,МИИТМ.: 1970.

94. Храпов В.Г., Сонин А.Н. Определение продольных усилий в конструкцииподводного тоннеля из опускных секций. Тр. МИИТ, вып. 463. М.: 1974.

95. Храпов В.Г., Сонин А.Н. Использование схемы балки на упругомосновании для расчета подводных тоннелей из опускных секций. Сб. научн. Тр. ВНИИТ. Вып.72. М.: 1975.

96. Шапошников H.H., Расчет круговых тоннельных обделок на упругомосновании характеризуемом двумя коэффициентами постели., Труды МИИТ вып. 155, Трансжелдориздат, М.:1961.

97. Шапошников H.H., Расчет тоннельных обделок методом перемещений сиспользованием ЭЦВМ., МИИТ М.: 1969.

98. Шапошников H.H., Петров В.П., Андреев О.О., Гульбе В.И., Расчеттоннельных обделок произвольного очертания с использованием ЭВМ., Труды МИИТ вып. 371, Трансжелдориздат, М.:1971.

99. Шапошников H.H., Тарабасов Н.Д., Петров В.Б. Мяченков В.И. Расчетымашиностроительных конструкций на прочность и жесткость. Машиностроение. М.: 1981.

100. Шпиро И.Г. Применение метода начальных параметров к расчетустержневых систем, описываемых обыкновенными линейными дифференциальными уравнениями., сб. трудов ЦНИИС №81, М.: 1974.

101. Юфин С.А., Расчет подземных сооружений на ЭВМ методом конечных элементов. МИСИ им. Куйбышева. М.: 1980.