автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Инженерная классификация скальных массивов и особенности ее использования для выбора конструктивных решений обделок туннелей, возводимых туннелепроходческими комплексами

На правах рукописи

Дейнеко Андрей Викторович

ИНЖЕНЕРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ОБДЕЛОК ТУННЕЛЕЙ, ВОЗВОДИМЫХ ТУННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ

Специальность 05.23.02 -Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Зерцалов Михаил Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Демешко Евгений Андреевич

кандидат технических наук Речицкий Владимир Иванович

Ведущая организация Научно-исследовательский институт

транспортного строительства (ОАО «ЦНИИС»)

Защита состоится «24 » УаСкя 2005 г. в А Ч часов GD минут на заседании диссертационного совета Д.212.138.08 при Московском государственном строительном университете по адресу: г. Москва, ул. Спартаковская, д. 2/1, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «'20» Мй Я 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Крыжановский А. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Строительство подземных сооружений в скальных грунтах имеет большое значение для экономического развития в целом и играет решающую роль в решении стоящих перед человечеством экологических проблем. Туннели в скальных грунтах предназначены для транспорта, энергетики (подземные и надземные гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие и атомные электростанции, хранилища для радиоактивных отходов), водного хозяйства и мелиорации, а также для промышленности, научно-исследовательских комплексов и сооружения объектов оборонного назначения.

Проектирование туннелей и других видов протяженных подземных сооружений в скальных массивах является особенно трудоемким и дорогостоящим видом строительного проектирования, что вызвано сложностью строения скальных массивов и изменчивостью их механических свойств. Одновременное влияние множества факторов на взаимодействие подземных сооружений и скальных массивов не позволяет объективно сравнивать инженерно-геологические условия по их благоприятности для строительства и предварительно оценивать требуемое конструктивное решение обделки без расчета взаимодействующей системы «подземное сооружение - скальный массив».

Значительное снижение объемов расчетных работ при поиске оптимальных решений, особенно при сравнении вариантов трассировки туннелей, может быть достигнуто благодаря использованию метода инженерной классификации скальных массивов, то есть методики принятия рациональных инженерных решений при проектировании подземных сооружений на основе максимально общей (качественной, нечеткой) информации о скальном массиве.

Инженерные классификации, основанные на обобщении опыта строительства подземных сооружений в скальных массивах, использовались преимущественно в зарубежной практике проектирования с начала 1970-х гг., в основном для туннелей, возводимых новоавстрийским способом. Однако широкое признание метода инженерной классификации скальных массивов как способа повышения эффективности проектирования оставалось невозможным благодаря общим значимым недостаткам существующих классификаций. Прежде всего, имеющиеся классификационные показатели и способы их определения являются сугубо эмпирическими и основаны, во многом, на инженерной интуиции, что не позволяет прогнозировать степень достоверности получаемых результатов. Не решена также проблема корректности обобщения опыта строительства подземных сооружений, учитывая его принципиальную ограниченность по сравнению с многообразием инженерно-геологических условий и проектов туннелей.

В работе предложен альтернативный подход к разработке инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном моделировании взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив» при специально выбранных сочетаниях свойств скальных массивов и параметров туннелей, что дает возможность получить оптимальные для дальнейшего обобщающего анализа результаты расчетов позволяет пойти наилучшее (с математической и инженерной точек зреш напряженно-

деформированного состояния системы «подземное сооружение - скальный массив» при вероятных изменениях свойств скальных массивов и параметров туннелей. Выбор комбинаций оптимальных условий осуществлен на основе теории планирования эксперимента.

Принимая во внимание тенденцию к расширению использования при строительстве туннелей в скальных массивах механизированных туннелепро-ходческих комплексов (комбайнов), предлагаемый метод инженерной классификации разработан применительно к современной технологии строительства.

Цель работы - разработка метода инженерной классификации скальных массивов с использованием теории планирования эксперимента и метода математического моделирования, предназначенного для выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей, возводимых туннелепроходческими комплексами в скальных массивах в широком диапазоне инженерно-геологических условий, на основе анализа их несущих способностей.

Концепция метода - получение выбранных критериев статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов как функции отклика от параметров скального массива и подземных сооружений, позволяющей в дальнейшем определить критерии при любой комбинации исходных параметров.

Форма практического использования метода - на основе аналитических и графических представлений функций отклика. Научную новизну составляют:

- метод инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном анализе статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов с использованием теории планирования эксперимента;

- составные нелинейные функциональные зависимости для нахождения используемых критериев статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов при любых сочетаниях параметров скальных массивов и подземных сооружений;

- методика выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей на основе анализа их несущей способности с учетом оценки целесообразности применения обделки, основанная на выбранных критериях статического взаимодействия, включающая методику экстраполяции полученных критериев на бетонные и железобетонные обделки (из бетонов любых классов с различными процентами армирования);

- способ формализации количественных механических характеристик скальных массивов на основе используемых качественных параметров, а также способ идентификации типов скальных грунтов по полученным механическим характеристикам, основанный на теории нечетких множеств;

- установление зависимости между обобщенными коэффициентами запаса прочности незакрепленного скального массива и бетонной обделки, дающей возможность разработки нового способа анализа статического взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив» с помощью расчетов пониженной детальности, особенно в рамках экспертных систем автоматизированного рабочего проектирования.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей, заменяю-

щей непосредственные статические расчеты системы «подземное сооружение -скальный массив» на начальных стадиях проектирования, особенно при сравнении вариантов трассировки туннеля. Методика ориентирована на перспективный способ возведения туннелей механизированными туннелепроходчески-ми комплексами и реализована в форме номограмм.

Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером работы, использованием научно обоснованной методологии (теории планирования эксперимента, теории нечетких множеств, математического моделирования - метода конечных элементов) и признанных в инженерном мире достижений в области механики скальных грунтов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 10-ой Международной конференции Ассоциации центров городского подземного пространства (ACUUS) и региональном симпозиуме Международного общества по механике скальных пород (ISRM); на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004; на Юбилейной научно-технической конференции аспирантов и студентов в Московском институте коммунального хозяйства и строительства; на 40-ом Симпозиуме США по механике скальных грунтов Американской ассоциации по механике скальных грунтов (ARMA) (доклад принят к публикации).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы. На защиту выносятся:

- составные нелинейные функциональные зависимости для определения предложенных критериев статического взаимодействия туннелей и скальных массивов (обобщенные коэффициенты запаса прочности бетонных обделок туннелей и незакрепленного скального массива, а также обобщенный коэффициент перехода);

- циркульные номограммы для определения используемых критериев статического взаимодействия;

- методика экстраполяции обобщенных коэффициентов запаса бетонных обделок на бетонные и железобетонные обделки из бетонов разной прочности с различными процентами армирования;

- номограммы для определения обобщенных коэффициентов запаса бетонных и железобетонных обделок из бетонов разной прочности с различными процентами армирования;

- методика преобразования качественных параметров скальных массивов в количественные механические характеристики, и способ идентификации типов скальных грунтов по полученным характеристикам, основанный на теории нечетких множеств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и пяти приложений. Общий объем основных частей диссертации - 198 е., объем приложений - 13 е., работа содержит 57 таблиц и 31 рисунок, 125 библиографических ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе приведен анализ существующих инженерных классификаций скальных массивов. Объектом инженерной классификации является взаимодействие скальных массивов с подземными сооружениями, что отличает ее от любой другой классификации скальных массивов, то есть скальные массивы классифицируются по способности вмещать в себя подземные сооружения определенного рода. Так как объектом классификации является именно взаимодействие скальных массивов с подземными сооружениями, инженерная классификация учитывает форму поперечного сечения и технологию возведения сооружений, конструктивные решения обделок, включая прочностные характеристики конструкций. Зависимость объекта классификации от подземных сооружений позволяет считать исторически сложившийся термин «инженерная классификация скальных массивов» несколько условным.

Принципы метода инженерной классификации скальных массивов были предложены W. Ritter в конце XIX в. Позднее направление универсальных инженерных классификаций развито в работах К. Терцаги, Д. Дира, D.A. Williamson, G.E. Wickham, З.Т. Бенявского, Н. Бартона, R. Lien, J. Lunde, Е. Grimstad, R.K.. Gœl, В. Singh и др. Отечественные исследователи в основном рассматривали специализированные виды инженерных классификаций скальных массивов - большой вклад в это направление внесено Н.С. Булычевым, H.H. Фотие-вой, JI.C. Мирошниковой; оно также получило развитие во Всесоюзном научно-исследовательском институте горной механики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) и использовано при разработке нормативной документации, в частности, ВСН 34-72-019-89 и СНиП 2.02.02-85* «Основания гидротехнических сооружений». За рубежом в направлении специализированных инженерных классификаций следует отметить работы И. Хансаги и A. Palmstorm.

Одной из наиболее используемых в мировой строительной практике инженерных классификаций является Q-система, предложенная Н. Бартоном, R. Lien, J. Lunde в 1974 г. и ориентированная, в основном, на новоавстрийский метод туннелестроения На сегодняшней день Q-система обобщает наибольший объем экспериментальных исследований (более 1200 подземных сооружений), уточняясь на протяжении 30 лет благодаря данным, полученным в ходе нового строительства. Более подробно по сравнению с другими инженерными классификациями проработана взаимосвязь Q-системы с физико-механическими свойствами скальных массивов. В основе классификации - шесть качественных параметров скальных массивов, дополненных (в последней редакции) прочностью ненарушенного скального грунта на одноосное сжатие.

Опыт разработки инженерных классификаций показывает, что как исходные параметры классификаций оптимальны так называемые качественные характеристики скальных массивов. Наиболее проработанным существующим вариантом таких характеристик являются параметры Q-системы, поэтому они приняты для описания свойств скальных массивов в разработанной методике.

Вторая глава посвящена планированию численного эксперимента. В соответствии с теорией планирования эксперимента (ТПЭ) исходные варьируемые факторы (входные факторы эксперимента) должны быть не коррелированными (каждый фактор принимает любой уровень вне зависимости от уровней других факторов) и совместимыми (любая комбинация уровней факторов - осуществима в эксперименте). Общее число факторов - минимизируется. Из существа работы следует, что комбинация факторов должна в полной мере характеризовать механические свойства скального массива и другие условия, влияющие на его взаимодействие с туннелями. Выбрана комбинация из шести факторов.

Для задания механических свойств скального массива и гидрогеологических условий выбраны факторы, используемые в Q-системе: Х\ - отношение показателя качества скального массива RQD к показателю числа сетей трещин J„ (характеризует строение скального массива); Хг - отношение показателей шероховатости Jr и метаморфизма Ja трещин (характеризует прочность контактов отдельностей); Х3 - понижающий коэффициент на обводненность трещин Jw. Факторам Х^Хз соответствует ограниченный интервал возможных прочно-стей скального грунта, и они дополнены относительным фактором Хц - степенью прочности на одноосное сжатие ненарушенного образца скального грунта.

Туннели характеризуются пролетом и заглублением (факторы Х5 и Х6). Из соображений планирования эксперимента конструктивные решения обделок не варьируются как входные факторы, а учитываются по методике главы 4.

Способ формализации эффективных механических характеристик скального массива на основе выбранных факторов Х\-Х$ найден в комбинировании Q-системы с методикой, предложенной Б. Ноек и Е.Т. Brown, при использовании теории нечетких множеств.

На основе Q-системы определяются модуль деформации и прочность на сжатие скальных массивов. Путем математических преобразований с помощью численных методов расчета при любой комбинации исходных факторов удалось определить универсальные механические характеристики скальных массивов: постоянную т„ прочность ненарушенного образца скального грунта на одноосное сжатие ас, и геологический индекс прочности GSI. Найденные характеристики позволяют определить все требуемые для численных расчетов механические характеристики скальных массивов (характеристики т„ а& и GSI задают механические свойства скального массива в полной мере, что показано в методике Hoek-Brown, и другие характеристики являются дополнительными, задающими свойства массива в иной системе параметров).

Для реализации изложенного способа формализации механических характеристик разработаны программы для ПЭВМ в среде Mathcad.

Использование полученных характеристик затруднительно без их соотнесения с реальными скальными массивами. Принцип ТПЭ состоит в комбинировании разных уровней факторов между собой. Например, максимальное значение одного фактора рассматривается с максимальным, со средним и с минимальным значением другого. Комбинация таких факторов может оказаться невозможной в действительности и при численном моделировании даст некорректный результат. Поэтому необходимо (особенно при задании интервалов варьи-

роваяия факторов) оценить характерность комбинаций факторов реальным скальным массивам. Оценка выполнена на основе теории нечетких множеств.

Теория нечетких множеств (ТИМ) основана на представлении о том, что элементы, обладающие общим свойством в разной степени, и принадлежат множеству в различной степени, характеризуемой функцией принадлежности цл{х), принимающей значения на интервале [0; 1]. Величина функции принадлежности интерпретируется как субъективная оценка степени принадлежности элемента множеству: цАх) = 0,8 означает, что х на 80% принадлежит множеству А. В технических задачах обычно имеется в виду оценка эксперта.

Для задания численных параметров, принимающих более или менее характерные значения на некотором интервале, используются нечеткие числа.

Обобщением различных источников получены данные о характерных значениях постоянной т, и прочности ненарушенного скального фунта на одноосное сжатие <Та для различных скальных грунтов. Информация об от, представлена в виде т, = а±Ь (аиЬ- целые числа), например для диабаза mi - 15±5. Форма представления данных свидетельствуют, что информация является оценочной, то есть является «мнением эксперта», а не получена путем статистической обработки данных. Следовательно, информацию следует обрабатывать на основе ТНМ. При построении нечетких чисел используется следующая интерпретация (на примере диабаза): значение 15 является наиболее характерным; значения 10 и 20 - мало характерны, но возможны; значения < 9 и > 21 - совершенно не характерны. Информация о прочности апредставлена данными двух типов: оценочными - в виде округленных интервалов характерных значений; и результатами испытаний образцов скальных грунтов из разных месторождений. Данные второго типа приведены к данным первого типа, и обобщенные данные обработаны по аналогии с данными об т,.

Достаточным свидетельством характерности комбинации факторов скальному грунту, является характерность грунту комбинации характеристик т, и аа, определяемых го варьируемых факторов. Процедура идентификации скальных грунтов заключается в определении степени принадлежности заданного идентификационного параметра скальному грунту, для которого характерные значения параметра представлены нечетким числом. Например, для того же диабаза ш, =15 имеет степень принадлежности /¿=1,0; а при = 12 - получим ц = 0,5. Так как нет оснований считать одну из характеристик т, или ас, значимее при идентификации, то характерность их комбинации скальным грунтам покажут средние арифметические ненулевых значений функций принадлежности (если одна характеристика имеет нулевую функцию принадлежности, то комбинация нехарактерна априори).

Главное преимущество изложенного подхода, основанного на ТНМ, - в сохранении равной объективности при оценки характерности комбинаций факторов при любом количестве выполненных оценок Способ идентификации типов скальных грунтов реализован на ПЭВМ в среде Ма&сад.

Для достижения целей работы в качестве отклика эксперимента выбраны критерии статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов, являющееся наиболее емкими и информативными параметрами, имеющие четкий физический смысл и понятные для инженера. В качестве тако-

го критерия принят обобщенный коэффициент запаса прочности бетонной обделки ти„, равный минимальному из отношений пределов прочности бетона (на сжатие или растяжение) к соответствующим наибольшим нормальным напряжениям в обделке. Коэффициент т^ не позволяет объективно оценить необходимость применения обделки, поэтому дополнительно предложен обобщенный коэффициент запаса прочности незакрепленного скального массива тгь равный отношению прочности скального массива на сжатие к наибольшим эффективным сжимающим напряжениям в окрестности незакрепленного обделкой туннеля, показывающий степень загруженности вмещающего незакрепленный туннель скального массива в сравнении с несущей способностью.

Установлено, что отклики эксперимента не описываются с достаточной точностью функцией отклика первого порядка. Поэтому в соответствии с принципами ТПЭ построен план численного эксперимента второго порядка, позволяющий найти функцию отклика в виде квадратичного полинома из 28 членов:

ф(*)=А +£ А*, + ¿ДЛ2> О)

/=1 1=1 1=1 ]-1

где Ро, р„ Ри и Рц - коэффициенты регрессии, определяемые по методу наименьших квадратов; Х- варьируемые факторы.

Для оценки коэффициентов функции отклика второго порядка факторы должны варьироваться не менее чем на трех уровнях. Наиболее известны центральные композиционные планы второго порядка. Их недостатком является расположение звездных точек (точек на осях многомерного факторного пространства) на расстоянии а > 1 от центра эксперимента, то есть входные факторы в эксперименте принимают значения большие и меньшие соответственно верхнего и нижнего уровня фактора, что в данном случае недопустимо, так как звездные комбинации факторов не будут иметь геомеханического смысла. С учетом рекомендаций по планированию экспериментов при невозможности реализации опытов в удаленных звездных точках выбран план Бокса-Бенкена. При 6 варьируемых факторах он предусматривает 54 опыта.

В третьей главе рассмотрено проведение численного эксперимента на основе метода конечных элементов (МКЭ). В соответствии с планом эксперимента выполнено четыре серии по 54 численных опыта (включая дополнительную серию в рамках главы 4). Расчеты выполнены в двухмерной одно- и двухфазной (с учетом обводненности) постановке. Расчетная схема численного эксперимента! - туннель в квазисплошном, квазиизотропном массиве, эффективные характеристики которого формализованы по описанной выше методике. Статические 1$>аничные условия - стандартные, гидростатические - варьируются в зависимости от уровня параметра

Обделка туннеля моделируется специальными линейными (одномерными) конечными элементами, позволяющими на уровне свойств материала задавать характеристики поперечного сечения обделки, а также автоматизировано получать внутренние усилия в обделке, работающей совместно со скальным массивом, отдельно от данных о напряженном состоянии собственно массива

Модель материала скального массива в общем случае - упругопластиче-ская. Учитывая, что задача обобщенных коэффициентов запаса - оценить не

только запас прочности, но и недостаточность прочности, в опытах по определению коэффициента т!ш использована упругая модель бетонной обделки, а в опытах для тГк - упругая модель скального массива. В действительности (или при использовании упругопластической модели) при исчерпании несущей способности материала происходит не перенапряжение, а перераспределение напряжений - после достижения напряжениями предела прочности они более не возрастают (материал переходит в пластическую стадию работы), и обобщенные коэффициенты запаса будут равны единице. Поэтому для оценки недостатка несущей способности материал необходимо моделировать упругим

Расчеты показали, что функция отклика вида (1) недостаточно точно описывает отклик эксперимента. Способ повышения точности найден в применении нелинейных функций преобразования отклика, то есть в поиске функций отклика не для значений коэффициентов т, а для значений т' - функций от т.

Для определения коэффициентов тц„ для обделок толщиной 0.15г и ОДОг подобраны соответственно следующие функции преобразования:

<,=N»0 + 1,0]475;]

т'1м =[1п(«а,) + 1,2]4/5,| где тц„ - экспериментальное значение обобщенного коэффициента запаса.

Для промежуточных параметров т'т найдены функции отклика вида (1).

Как следует из формул (2), расчетное значение обобщенного коэффициента запаса бетонных обделок толщиной 0Д5г и ОДОг соответственно будет:

Таким образом, для обобщенного коэффициента запаса бетонных обделок найдены составные функции отклика вида (на примере обделки 0Д5г): Г/ п п п * у4 1

™ы=ехр л,+£ д*<+Х#л2+ХЕд,*^ -и> • <4)

^ 1-1 1=1 («1 )

Функция отклика для обобщенного коэффициента запаса незакрепленного скального массива найдена также в составной форме:

(да*); (5)

тгк =ехрЮ. (6)

Проведен сравнительный анализ влияния исходных факторов Х^-Х^ на коэффициенты т. Установлено, что основное влияние оказывают факторы Х\, Х2 и Х6, а влияние остальных факторов меньше более чем на порядок, и они являются второстепенными. Факторы Х3 и Х4 имеют приблизительно одинаковое влияние. Наименее значимым является фактор Х$ (пролет туннеля), и он исключен из дальнейшего рассмотрения (при построении номограмм) в целях упрощения методики Малое влияние фактора Х$ подтверждено теоретическим решением задачи о туннеле в сплошной среде, и достигнуто благодаря удачному выбору критериев взаимодействия, являющихся относительными величинами, а также назначением в эксперименте относительной толщины обделки.

Четвертая глава посвящена практическому использованию функций отклика для выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей.

Как видно, например, го формулы (4), входящие в состав найденных составных функций отклика квадратичные полиномы громоздки и неудобны для вычислений без ЭВМ Для обеспечения удобства практического использования разработанной методики построены номограммы.

С учетом исключения параметра Х5, составные функции отклика зависят от пяти исходных факторов Подходящим типом номограммы является приспособляемая циркульная номограмма, ее каноническое уравнение имеет вид:

/,2-Л =/«-/«. (7)

где /п, /п, /а5, и - функции двух переменных, порядковые номера которых указаны в индексе. Каждая функция задает одно бинарное поле на номограмме.

Для построения номограммы исходную функцию необходимо привести к каноническому уравнению номограммы В качестве номографируемых зависимостей приняты промежуточные функции отклика т'ип и т'^, так как преобразование составных функций отклика (например, 4) к виду (7) не представляется возможным. Использован метод выбранных точек, рекомендуемый для номографирования зависимостей с четырьмя и более переменными, заключающийся в нахождении функций двух переменных, входящих в канонические уравнения номограмм, при постоянном уровне остальных переменных.

Точки номограммы определяются в одной системе координат по формулам: полеа,а2: Х = тГа0 + /12 + й1 + 5,-Г1), У = 60 + 6+и-Г,; полеа,а3: Х = т(а0 + а+/п + Д, -Г,), Г = й0 + 6+я-7|; ^ поле а4а5: Х = т(а'0 + /45 + К4 + 32-Т4), У = Ь0+п-Т4; поле а4а6: X = т(а'0 + а + У = Ь0+и-Г„

где от, а0, а'0, Ь, Ьп и я, а также /?,, /?4, 7|, Т4, 8] и 32~ параметры преобразования множеств Р] и Рг, определяющие размеры и вид бинарных полей.

Конструирование номограмм выполнено на ПЭВМ, для чего разработана программа в среде Ма&саё.

Из формул (3 и 6) видно, что любому значению промежуточных параметров т[п или т'л соответствует единственное значение соответственно ты или тл. Следовательно, линии бинарного поля, обозначающие параметры т', можно переобозначить, записав соответствующие значения коэффициентов т. Таким образом, удалось найти номографическое представление составных функций отклика, которые не поддаются прямому номографированию.

В качестве примера на рис. 1 приведена номограмма для коэффициента ггцт при толщине обделки 0,15г. Алгоритм работы с номограммой следующий. Вначале на левом верхнем бинарном поле находится точка на пересечении линий, соответствующих заданным Х\ и Х3. Далее, аналогично, на правом верхнем поле находится точка, отвечающая заданным Х2 и Хъ. Расстояние между найденными точками измеряется (например, измерителем или циркулем, откуда получил название данный тип номограмм). Полученный отрезок откладывается горизонтально направо от точки левого нижнего бинарного поля, соответствую-

Рве. 1. Номограмма обобщенного коэффициента запаса бетонной обделки т^, (обделка 0,15г)

щей заданным Х4 и Х6. Конец отрезка укажет точку в правом нижнем поле, соответствующее которой значение коэффициента тт будет искомым.

Рассмотрим практическое использование номограмм на примере получения конкретных численных результатов для следующих исходных факторов: X, = 45,33; Х2 =2,70; X, =0,66; Х4 = 0,5; Хь = 10 м; Х6 = 150 м. Точки, соответствующие заданным парам факторов Х\~Хъ, Хг-Хз и Х4-Х6, отмечены на бинарных полях номограммы. Измерив расстояние между найденными точкам на верхних бинарных полях и отложив полученный отрезок направо от найденной точки на левом нижнем бинарном поле (факторы Х^-Х^), получим точку в ответном правом нижнем бинарном поле и определим результат: mlm= 3,4.

Необходимо подчеркнуть, что изменение расстояния между бинарными полями по горизонтали или какое-либо геометрическое изменение бинарных полей без использования метода конструирования номограммы недопустимо.

Важным преимуществом номограммы как графического представления функции является возможность оценить влияние изменения любого фактора (или их комбинации) на результат так же, как это позволяют простые графические представления - графики функций. Например, увеличение длины отрезка, получаемого по верхним бинарным полям, означает уменьшение результата (к увеличению длины ведут уменьшение X, и Х2, а также увеличение Х3). На левом нижнем поле смещение начальный точки отрезка влево означает увеличение коэффициента ты (к смещению точки ведут уменьшение Хб и Х3). Влияние варьируемых факторов на результат демонстрируют наклон и кривизна соответствующих линий сетки бинарных полей, а также градиент изменения результата в рассматриваемой области ответного поля.

Полученные обобщенные коэффициенты запаса прочности ти„ справедливы для неармироваиных обделок из бетона класса по прочности на сжатие В15. Для выбора рационального при заданной комбинации факторов конструктивного решения обделки необходима методика экстраполяции полученных коэффициентов на бетонные и железобетонные обделки из бетонов разной прочности.

В ходе численных опытов установлено, что с увеличением прочности бетона обобщенный коэффициент запаса как бетонных, так и железобетонных обделок увеличивается по линейному закону (коэффициенты корреляции аппроксимирующих прямых 0,985-0,999). Таким образом, для определения коэффициента mim бетонной обделки из бетона любой прочности, достаточно знать коэффициенты тц„ для обделок из бетонов каких-либо двух классов (при прочих равных условиях), например В15 и ВЗО. < Для задания увеличения коэффициента тц„ при увеличении прочности бе-

тона предложен обобщенный коэффициент перехода ть, равный отношению коэффициентов тц„ обделок толщиной 0,15г из бетонов классов ВЗО и В15 Для * его оЬределения выполнена четвертая серия численных опытов в соответс i нии

с планом эксперимента. Так как обобщенный коэффициент перехода ть заьисит от комбинации варьируемых факторов, он рассмотрен как функция отклика эксперимента. В отличии от коэффициентов тц„ и тгк, коэффициент ть хорошо описывается функций отклика вида (1). Для определения коэффициента ть построена номограмма, аналогичная номограммам тц„ и mrk-

Так как увеличение коэффициента от/ш при увеличении класса бетона носит линейный характер, то с помощью линейной интерполяции юти экстраполяции на основе коэффициента перехода тъ может быть определен коэффициент перехода от обделки из бетона В15 к обделке го бетона произвольного класса (обозначим последний переменный коэффициент тв). При экстраполяции коэффициента ти„ на обделки из бетона другого класса он умножается на коэффициент перехода тв, являющийся линейной функцией от коэффициента ть.

Для практического определения коэффициента перехода к произвольным классам бетона тв построена номограмма в форме абака Декарта (рис. 2а).

Для железобетонных обделок с 1 или 3% армирования рассчитаны коэффициенты перехода miB, аналогичные коэффициенту ть для бетонных обделок. Совместный анализ коэффициентов позволил найти линейную зависимость с корреляцией 0,986-0,997 между коэффициентами ть и т„в. Таким образом, увеличение коэффициента при увеличении прочности бетона железобетонных обделок может быть также определено коэффициентом ть-

Увеличение коэффициента тц„ при переходе от бетонной обделки к железобетонной (при одинаковой прочности бетона) учитывается коэффициентом перехода к армированию ms Анализ результатов расчетов показал, что коэффициенты т, следует принять постоянными при заданном проценте армирования (1 или 3%), равными соответственно 1,09 и 1,27.

Таким образом, установлено, что при переходе от бетонной обделки к железобетонной коэффициент запаса ггцт увеличивается в соответствии с независящим от варьируемых факторов коэффициентом ms, а при дальнейшем увеличении прочности бетона железобетонных обделок - увеличивается по линейному закону в зависимости коэффициента ть, определяемого по номограмме.

Задаваясь процентом армирования, для определения коэффициента перехода тв от бетонных обделок толщиной 0,15г из бетона В15 к железобетонным построены номограммы. Пример номограммы при 3% армирования приведен на рис. 26. Высота пересечения семейств линий с осью ординат определяется коэффициентом ms, а их наклон - коэффициентом msB. Вместе с тем, т, и msB -вспомогательные расчетные параметры, и при использовании номограммы непосредственно учитывается только обобщенный коэффициент перехода ть.

Хотя бетоны классов ниже В25 не применяются для железобетонных обделок, они включены в номограммы - для удобства совместного рассмотрения номограмм для железобетонных и бетонных обделок.

Установлена связь обобщенного коэффициента перехода тъ с возможностью превалирования в обделке растягивающих напряжений, которые развиваются в бетонных и железобетонных сечениях при некоторых соотношениях классов бетона и процентов армирования при ть < 1,4. Увеличение прочности бетона ведет к увеличению числа случаев превалирования растяжения, армирование сечения имеет обратный эффект. Малые значения коэффициента ть указывают только на возможность превалирования растяжения при неоптимальных конструктивных решениях, но не на обязательность превалирования.

Полученные номограммы коэффициентов перехода тв (рис. 2) применимы для обделок различной толщины. При превалировании сжимающих напряжений коэффициент перехода к бетонным обделкам следует снижать на 2%, к же-

'23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Модуль упругости обделки Е, *1000МПа

23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 3» 40 41 Модуль упругости обделки Е, *1000 МПа

Рис. 2. Номограммы коэффициента перехода тв' а - для бетонных обделок, б - для железобетонных обделок с 3% армирования.

лезобетонным - на 4%. При превалировании растягивающих напряжений результаты экстраполяции корректировать не следует.

Разработанная методика позволяет при вероятных сочетаниях исходных факторов определить обобщенные коэффициенты тгк и ть, необходимые для оценки целесообразности применения обделки и возможности превалирования растягивающих напряжений в обделке, что позволяет определить оптимальное решение обделки между бетонным и железобетонным. Далее, на основе коэффициента та,, определяется запас прочности заданной бетонной или железобетонной обделки; или решается обратная задача - выбор рациональной обделки (из определенного класса бетона с определенным армированием), обладающей требуемым запасом несущей способности.

В ходе совместного анализа результатов всех четырех серий численного эксперимента на ЭВМ выявлена близкая к линейной зависимость между обобщенными коэффициентами запаса прочности бетонных обделок т/и и запаса прочности незакрепленного скального массива тгк. Существование такой взаимосвязи оказалось возможным благодаря удачному выбору критериев взаимодействия - коэффициентов тгк и т!т, имеющих четкий физический смысл и являющихся относительными величинами. Следует ожидать, что и при иных формах поперечного сечения и технологиях возведения туннелей между этими коэффициентами также существует хорошо аппроксимируемая взаимосвязь.

Представляется, что найденная линейная зависимость имеет практическое значение. Коэффициент тгк определятся без учета конструкций обделки и технологии возведения туннеля - трудоемкость его определения с помощью расчета значительно ниже, чем коэффициента т;,„, и коэффициент тгк справедлив для любого конструктивного решения обделки. Используя найденную взаимосвязь, на основе определенного расчетом коэффициента тгк может быть определен коэффициент тп!,„ для различных вариантов обделки (для которых построены аппроксимирующие зависимости). Точность такой оценки, что очень важно, будет сопоставима с точностью прямого численного расчета.

Таким образом, найденная взаимосвязь дает возможность разработки методики ускоренного анализа статического взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив» с помощью статических расчетов пониженной детальности. Дополнительное преимущество такого подхода в том, что для определения коэффициента тгк могут использоваться не только дорогостоящие геотехнические программные комплексы, но и универсальные общестроительные расчетные программы.

Использование найденной взаимосвязи коэффициентов тгк и ты представляется перспективным в экспертных системах и системах автоматизированного рабочего проектирования, активно создаваемых в настоящее время.

В работе также приведен алгоритм выбора рациональных конструктивных решений обделок на основе разработанной методики и даны примеры ее использования применительно к построенным туннелям.

В приложениях приведены программы для ЭВМ, разработанные для практического выполнения настоящей работы, которые, как представляется, могут быть востребованы в научной деятельности и инженерной практике.

Общие выводы

1. Разработана методика инженерной классификации скальных массивов, предназначенная для выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей, возводимых туннелепроходческими комплексами в широком диапазоне инженерно-геологических условий, на основе оценки их несущей способности.

2 Предложен подход к разработке инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном анализе (с использованием метода конечных элементов) статического взаимодействия туннелей и скальных массивов, проводимом на основе теории планирования эксперимента.

3. Разработан способ формализации количественных механических характеристик скальных массивов на основе выбранных качественных параметров путем совместного использования -системы инженерной классификации скальных массивов и методики Ноек-Вго\уп, а также способ идентификации типов скальных грунтов по полученным механическим характеристикам, основанный на теории нечетких множеств. Составлена база знаний (данных) о характерных механических характеристиках 35 петрографических типов скальных грунтов. Способы запрограммированы на ЭВМ.

4. Предложена система критериев для оценки статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов, включающая: обобщенный коэффициент запаса прочности бетонной обделки т;,„; обобщенный коэффициент запаса прочности незакрепленного скального массива тГк, обобщенный коэффициент перехода ть. Выбранные коэффициенты являются информативными хорошо интерпретируемыми величинами, с достаточной полнотой и с разных сторон характеризующими взаимодействующую систему «подземное сооружение - скальный массив».

5. Проанализированы особенности применения теории планирования эксперимента к решению задач подземного строительства. Для планирования численного эксперимента выбран план Бокса-Бенкена как наиболее отвечающий специфике решаемой задачи.

6. Найдены составные нелинейные функции отклика, позволяющие определить выбранные критерии статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов при любой комбинации исходных параметров разработанной методики инженерной классификации в пределах принятых интервалов варьирования. Для нахождения функций отклика на основе разработанного плана эксперимента второго порядка выполнен численный эксперимент по моделированию статической работы туннелей в скальных массивах с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

7. Количественно проанализировано влияние исходных параметров на обобщенный коэффициент запаса бетонной обделки тцп и определена значимость параметров. Установлено, что основное влияние оказывают параметры, учитывающие блочность скального массива и прочность контактов между блоками, а также заглубление подземного сооружения. Степень прочности скального грунта и гидрогеологические условия оказывают второстепенное влияние, приблизительно на порядок меньшее.

8. Разработаны циркульные номограммы для приближенного графического определения обобщенных коэффициентов запаса и перехода при любой комби-

нации исходных параметров. Сформулированы правила оценки влияния принятых исходных параметров методики на обобщенные коэффициенты запаса при использовании номограмм.

9. Установлена зависимость между обобщенным коэффициентом перехода ть и превалирующими в обделке туннеля напряжениями. Даны рекомендации по выбору между бетонным и железобетонным решением обделки исходя из уровня коэффициента ть.

10 Установлен линейный характер взаимосвязи между модулем упругости бетона и обобщенным коэффициентом запаса прочности бетонной (железобетонной) обделки mi,„. Определено, что изменение обобщенного коэффициента при изменении класса бетона зависит от исходных параметров методики, а при изменении процента армирования - не зависит.

11. Разработан метод экстраполяции обобщенных коэффициентов запаса прочности бетонной обделки mtm на бетонные и железобетонные обделки из бетонов разной прочности с различными процентами армирования, позволяющий выбрать рациональный вариант конструктивного решения обделки, обладающей требуемым запасом несущей способности. Для практического использования метода построены номограммы.

12 Выявлена хорошо аппроксимируемая зависимость между обобщенными коэффициентами запаса прочности незакрепленного скального массива тгк и бетонной обделки ю/,„, дающая возможность ускоренного анализа статического взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив». Показана перспективность использования зависимости в рамках экспертных систем и систем автоматизированного проектирования.

13. Разработанная методика не заменяет обоснования принятых конструктивных решений в соответствии с действующими нормами, а предваряет его, позволяя получить обоснованную оценку статической работы подземного сооружения и выбрать рациональное конструктивное решение обделки на предварительной стадии проектирования, сокращая таким образом трудоемкость проектирования в целом.

Опубликованные работы по теме диссертации:

1. Берлинов М.В., Дейнеко A.B. К вопросу определения напряженно-деформированного состояния системы «подземное сооружение - грунтовый массив»//Материалы IV научно-технической конференции факультета Реконструкции и строительства зданий и сооружений Московского института коммунального хозяйства и строительства. -М.: Монолит, 2003. С. 218-219.

2. Дейнеко AB. Идентификация скальных грунтов по группе параметров с использованием теории нечетких множеств//Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004: Сборник материалов. -М.: ОАО «ГАО ВВЦ», 2004. С. 127-129.

3. Дейнеко А В Формализация выбора типа скального грунта с применением теории нечетких множеств // Юбилейная научно-техническая конференция аспирантов и студентов института. Часть 2. - М/ ИПЦ МИКХиС, 2004. С. 25-26.

4. Zertsalov M.G., Deineko A.V. Formalization of rock mass mechanical characteristics and rock type identification on the basis of the Q-system // Proc. of the 10th ACUUS Int. Conf. & of the ISRM Regional Symp. January 24-28, 2005. Moscow, Russia. Ed. S.A. Yufin. - Pp. 277-280.

Принято к исполнению 18 05 2005 Исполнено 19 05 2005

Заказ № 875 Тираж 100 экз

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 www autoreferat ru

№13 5 4/.

РНБ Русский фонд

2006-4 9690

Содержание.

Введение.

Глава 1. Анализ инженерных классификаций скальных массивов.

1.1. Принципы инженерной классификации скальных массивов.

1.2. Инженерная классификация скальных массивов К. Терцаги.

1.3. Обобщенная система классификации скальных массивов URCS.

1.4. Система оценки структуры скального массива RSR.

1.5. Геомеханическая классификационная система RMR.

1.6. Q-система инженерной классификации скальных массивов.

1.7. Взаимосвязь параметров Q и RMR. Использование искусственных нейронных сетей.

1.8. Инженерные классификации скальных массивов на основе коэффициентов структурного ослабления.

1.9. Классификации устойчивости обнажений скальных грунтов.

1.10. Оценка механических характеристик скальных массивов на основе инженерной классификации.

1.11. Шкала качества скальных массивов.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Планирование численного эксперимента.

2.1. Выбор входных факторов и интервалов их варьирования.

2.2. Существование неявной информации в комбинации варьируемых факторов.

2.3. Теория прочности скальных грунтов и массивов Hoek-Brown.

2.4. Формализация неявной информации в параметрах Q-системы.

2.5. Особенности учета параметров Q-системы при вычислении механических характеристик скального массива.

2.6. Взаимосвязь параметра SRF с варьируемыми факторами.

2.7. Расчет механических характеристик скального массива.

2.8. Идентификация скальных грунтов по их механическим характеристикам.

2.9. Теория нечетких множеств.

2.10 Базовые положения теории нечетких множеств.

2.11. Нечеткие числа.

2.12. Идентификация скальных грунтов по механическим параметрам с использованием теории нечетких множеств.

2.13. Реализация метода идентификации скальных грунтов.

2.14. Выбор откликов эксперимента.

2.15. Построение плана численного эксперимента.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Анализ результатов численного эксперимента.

3.1. Проведение численного эксперимента.

3.2. Нахождение функции отклика для обобщенного коэффициента запаса прочности бетонной обделки.

3.3. Нахождение функции отклика для обобщенного коэффициента запаса прочности незакрепленного скального массива.

3.4. Статистический анализ уравнений регрессии.

3.5. Оценка влияния варьируемых факторов на обобщенные коэффициенты запаса прочности.

3.6. Исследование влияния факторов на обобщенный коэффициент запаса прочности бетонной обделки.

3.7. Исследование влияния факторов на обобщенный коэффициент запаса прочности незакрепленного скального массива.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Анализ статической работы и выбор рациональных конструктивных решений обделок с использованием обобщенных коэффициентов запаса.

4.1. Построение номограмм для обобщенных коэффициентов запаса прочности.

4.2. Использование обобщенных коэффициентов запаса для выбора рациональных конструктивных решений обделки.

4.3. Выбор бетонных обделок на основе обобщенных коэффициентов запаса.

4.4. Выбор железобетонных обделок на основе обобщенных коэффициентов запаса.

4.5. Учет толщины обделки при экстраполяции коэффициентов запаса,.

4.6. Взаимосвязь обобщенных коэффициентов запаса.

4.7. Алгоритм использования инженерной классификации.

Выводы по главе 4.

Строительство подземных сооружений в скальных грунтах имеет большое значение для экономического развития в целом и играет решающую роль в решении стоящих перед человечеством экологических проблем. Туннели в скальных грунтах предназначены для транспорта, энергетики (подземные и надземные гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие и атомные электростанции, хранилища для радиоактивных отходов), водного хозяйства и мелиорации (особенно в региональных масштабах), а также для промышленности, научно-исследовательских комплексов и сооружения объектов оборонного назначения.

Проектирование туннелей и других видов протяженных подземных сооружений в скальных массивах является особенно трудоемким и дорогостоящим видом строительного проектирования, что вызвано сложностью строения скальных массивов и изменчивостью их механических свойств. Одновременное влияние множества факторов на взаимодействие подземных сооружений и скальных массивов не позволяет объективно сравнивать инженерно-геологические условия по их благоприятности для строительства и предварительно оценивать требуемое конструктивное решение обделки без расчета взаимодействующей системы «подземное сооружение — скальный массив».

Значительное снижение объемов расчетных работ при поиске оптимальных решений, особенно при сравнении вариантов трассировки туннелей, может быть достигнуто благодаря использованию метода инженерной классификации скальных массивов, то есть методики принятия рациональных инженерных решений при проектировании подземных сооружений на основе максимально общей (качественной, нечеткой) информации о скальном массиве.

Инженерные классификации, основанные на обобщении опыта строительства подземных сооружений в скальных массивах, использовались преимущественно в зарубежной практике проектирования с начала 1970-х гг., в основном для туннелей, возводимых новоавстрийским способом. Однако широкое признание метода инженерной классификации скальных массивов как способа повышения эффективности проектирования оставалось невозможным благодаря общим значимым недостаткам существующих классификаций. Прежде всего, имеющиеся классификационные показатели и способы их определения являются сугубо эмпирическими и основаны, во многом, на инженерной интуиции, что не позволяет прогнозировать степень достоверности получаемых результатов. Не решена также проблема корректности обобщения опыта строительства подземных сооружений, учитывая его принципиальную ограниченность по сравнению с многообразием инженерно-геологических условий и проектов туннелей.

В работе предложен альтернативный подход к разработке инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном моделировании взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив» при специально выбранных сочетаниях свойств скальных массивов и параметров туннелей, что дает возможность получить оптимальные для дальнейшего обобщающего анализа результаты расчетов и позволяет найти наилучшее (с математической и инженерной точек зрения) описание изменения напряженно-деформированного состояния системы «подземное сооружение - скальный массив» при вероятных изменениях свойств скальных массивов и параметров туннелей. Выбор комбинаций оптимальных условий осуществлен на основе теории планирования эксперимента.

Принимая во внимание тенденцию к расширению использования при строительстве туннелей в скальных массивах механизированных туннелепро-ходческих комплексов (комбайнов), предлагаемый метод инженерной классификации разработан применительно к современной технологии строительства.

Цель работы - разработка метода инженерной классификации скальных массивов с использованием теории планирования эксперимента и метода математического моделирования, предназначенного для выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей, возводимых туннелепроходческими комплексами в скальных массивах в широком диапазоне инженерно-геологических условий, на основе анализа их несущих способностей.

Концепция метода инженерной классификации - получение выбранных критериев статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов как функции отклика от параметров скального массива и подземных сооружений, позволяющей в дальнейшем определить критерии при любой комбинации исходных параметров.

Форма практического использования метода - на основе аналитических и графических представлений функций отклика.

Задачи исследования. Для достижения цели необходимо разработать следующие основные вопросы:

- выбрать исходные параметры методики, назначить интервалы их варьирования и определить область применимости методики;

- разработать план численного эксперимента, подходящий для изучения статической работы обделок туннелей;

- предложить критерии для использования в разрабатываемой методике, характеризующие статическую работу обделок туннелей и статическое взаимодействие подземных сооружений и скальных массивов в целом;

- разработать способ преобразования используемых в инженерных классификациях так называемых качественных параметров скальных массивов в количественные характеристики, необходимые для задания свойств скального массива в численном эксперименте;

- на основе теории планирования эксперимента получить функцию отклика, связывающую предложенные критерии с исходными параметры разрабатываемой методики;

- изучить влияние отдельных факторов на предложенные критерии;

- разработать способ представления функций отклика, отвечающий практическим требованиям по удобству применения результатов работы;

- разработать рекомендации по практическому применению инженерной классификации скальных массивов.

Научную новизну составляют:

- метод инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном анализе статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов с использованием теории планирования эксперимента;

- составные нелинейные функциональные зависимости для нахождения используемых критериев статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов при любых сочетаниях параметров скальных массивов и подземных сооружений;

- методика выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей на основе анализа их несущей способности с учетом оценки целесообразности применения обделки, основанная на выбранных критериях статического взаимодействия, включающая методику экстраполяции полученных критериев на бетонные и железобетонные обделки (из бетонов любых классов с различными процентами армирования);

- способ формализации количественных механических характеристик скальных массивов на основе используемых качественных параметров, а также способ идентификации типов скальных грунтов по полученным механическим характеристикам, основанный на теории нечетких множеств;

- установление зависимости между обобщенными коэффициентами запаса прочности незакрепленного скального массива и бетонной обделки, дающей возможность разработки нового способа анализа статического взаимодействия системы «подземное сооружение — скальный массив» с помощью расчетов пониженной детальности, особенно в рамках экспертных систем автоматизированного рабочего проектирования.

Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и пяти приложений.

В первой главе проведен анализ существующих инженерных классификаций скальных массивов.

Вторая глава посвящена планированию численного эксперимента. В рамках главы рассмотрено применение теории планирования эксперимента, теории нечетких множеств и методики Hoek-Brown к настоящей работе. Разработаны способ формализации количественных механических характеристик скальных массивов на основе используемых качественных параметров, а также способ идентификации типов скальных грунтов по полученным механическим характеристикам. Выбрана система исходных параметров разрабатываемой методики и система критериев для оценки статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов. Разработан план численного эксперимента.

В третьей главе изложена методика нахождения составных нелинейных функций отклика, связывающих выбранные критерии статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов с исходными параметрами предлагаемой методики. Проведен сравнительный анализ влияния исходных параметров на каждый из выбранных критериев, составлен рейтинг параметров.

Четвертая глава посвящена практическому использованию найденных функций отклика для выбора оптимальных конструктивных решений обделок туннелей. Для нахождения каждого из предложенных критериев построены номограммы. Разработана методика экстраполяции найденных критериев на бетонные и железобетонные обделки из бетонов разной прочности с различными процентами армирования, реализованная также в форме номограмм. Даны рекомендации по выбору рационального конструктивного решения обделки туннеля с использованием выбранных критериев статического взаимодействия. Обнаружена взаимосвязь между используемыми критериями, дающая возможность ускоренного анализа статического взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив», особенно в рамках экспертных систем и систем автоматизированного проектирования. Приведен алгоритм выбора рациональных конструктивных решений обделок на основе разработанной методики и даны примеры ее использования применительно к построенным туннелям.

В приложениях приведены программы для ЭВМ, разработанные для практического выполнения настоящей работы, которые, как представляется, могут быть востребованы в научной деятельности и инженерной практике.

Работа выполнена на кафедре Подземного строительства и гидротехнических работ Московского государственного строительного университета под научным руководством доктора технических наук, профессора М.Г. Зерцалова.

Общие выводы

1. Разработана методика инженерной классификации скальных массивов, предназначенная для выбора рациональных конструктивных решений обделок туннелей, возводимых туннелепроходческими комплексами в широком диапазоне инженерно-геологических условий, на основе оценки их несущей способности.

2. Предложен подход к разработке инженерной классификации скальных массивов, основанный на численном анализе (с использованием метода конечных элементов) статического взаимодействия туннелей и скальных массивов, проводимом на основе теории планирования эксперимента.

3. Разработан способ формализации количественных механических характеристик скальных массивов на основе выбранных качественных параметров путем совместного использования Q-системы инженерной классификации скальных массивов и методики Hoek-Brown, а также способ идентификации типов скальных грунтов по полученным механическим характеристикам, основанный на теории нечетких множеств. Составлена база знаний (данных) о характерных механических характеристиках 35 петрографических типов скальных грунтов. Способы запрограммированы на ЭВМ.

4. Предложена система критериев для оценки статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов, включающая: обобщенный коэффициент запаса прочности бетонной обделки тц„\ обобщенный коэффициент запаса прочности незакрепленного скального массива тГк, обобщенный коэффициент перехода ть. Выбранные коэффициенты являются информативными хорошо интерпретируемыми величинами, с достаточной полнотой и с разных сторон характеризующими взаимодействующую систему «подземное сооружение — скальный массив».

5. Проанализированы особенности применения теории планирования эксперимента к решению задач подземного строительства. Для планирования численного эксперимента выбран план Бокса-Бенкена как наиболее отвечающий специфике решаемой задачи.

6. Найдены составные нелинейные функции отклика, позволяющие определить выбранные критерии статического взаимодействия подземных сооружений и скальных массивов при любой комбинации исходных параметров разработанной методики инженерной классификации в пределах принятых интервалов варьирования. Для нахождения функций отклика на основе разработанного плана эксперимента второго порядка выполнен численный эксперимент по моделированию статической работы туннелей в скальных массивах с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

7. Количественно проанализировано влияние исходных параметров на обобщенный коэффициент запаса бетонной обделки тц„ и определена значимость параметров. Установлено, что основное влияние оказывают параметры, учитывающие блочность скального массива и прочность контактов между блоками, а также заглубление подземного сооружения. Степень прочности скального грунта и гидрогеологические условия оказывают второстепенное влияние, приблизительно на порядок меньшее.

8. Разработаны циркульные номограммы для приближенного графического определения обобщенных коэффициентов запаса и перехода при любой комбинации исходных параметров. Сформулированы правила оценки влияния принятых исходных параметров методики на обобщенные коэффициенты запаса при использовании номограмм.

9. Установлена зависимость между обобщенным коэффициентом перехода ть и превалирующими в обделке туннеля напряжениями. Даны рекомендации по выбору между бетонным и железобетонным решением обделки исходя из уровня коэффициента ть.

10. Установлен линейный характер взаимосвязи между модулем упругости бетона и обобщенным коэффициентом запаса прочности бетонной (железобетонной) обделки тц„. Определено, что изменение обобщенного коэффициента при изменении класса бетона зависит от исходных параметров методики, а при изменении процента армирования - не зависит.

11. Разработан метод экстраполяции обобщенных коэффициентов запаса прочности бетонной обделки тц„ на бетонные и железобетонные обделки из бетонов разной прочности с различными процентами армирования, позволяющий выбрать рациональный вариант конструктивного решения обделки, обладающей требуемым запасом несущей способности. Для практического использования метода построены номограммы.

12. Выявлена хорошо аппроксимируемая зависимость между обобщенными коэффициентами запаса прочности незакрепленного скального массива тГк и бетонной обделки тцт дающая возможность ускоренного анализа статического взаимодействия системы «подземное сооружение - скальный массив». Показана перспективность использования зависимости в рамках экспертных систем и систем автоматизированного проектирования.

13. Разработанная методика не заменяет обоснования принятых конструктивных решений в соответствии с действующими нормами, а предваряет его, позволяя получить обоснованную оценку статической работы подземного сооружения и выбрать рациональное конструктивное решение обделки на предварительной стадии проектирования, сокращая таким образом трудоемкость проектирования в целом.

1. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов. /С.Н. Власов, J1.B. Маковский, В.Е. Меркин и др. -2-е изд., доп. - М.: ТИМР, 2000. - 200 с.

2. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1968. -155 с.

3. Алтунин А.Е., Семухин М.В. Модели и алгоритмы принятия решений в нечетких условиях: Монография. Тюмень: Изд-во Тюменского гос. ун-та, 2000.-352 с.

4. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология: Учеб. для строит, спец. вузов 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. ппс., 2002. - 511 с.

5. Антонов А.В., Чепуренко В.А. Планирование эксперимента: Учеб. пособие Обнинск: ИАТЭ, 1999. -100 с.

6. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1983. - 248 с.

7. Атлас номограмм / С.Н. Борисов, С.И. Гусев, Д.Г. Лаптева, Г.С. Хованский. -М.: Вычислительный центр РАН, 2000. 76 с.

8. Аугустин Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании / Пер. с англ. Ю.Д. Сухова. М.: Стройиздат, 1988. - 584 с.

9. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс: Учеб. для вузов. 5-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1991. - 767 с.

10. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепи: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1992.-543 с.

11. Барон Л.И. Коэффициенты крепости горных пород. М.: Наука, 1972. -176 с.

12. Бартон Н. Проектирование подземных сооружений в скальных породах с использованием Q-системы и программы UDEC-BB // Энергетическое строительство за рубежом. 1992. № 8. С. 11-17.

13. Башмаков В.М., Мостков В.М. Высокие технологии строительства тоннелей: Информационный обзор / Подземное пространство мира. Приложение к журналу. Вып. 2. М.: ТИМР, 1996. - 52 с.

14. Бикинеев М.Г., Сергеев В.К. Автоматизация проектирования туннелей: Учеб. пособие. -М.: МИИТ, 2000. 196 с.

15. Бок X. Введение в механику скальных пород/Пер. с англ. Под. ред. X. Бока.-М.: Мир, 1983.-276 с.

16. Бондаренко В.М., Суворкин Д.Г. Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. для вузов М.: Высш. шк., 1987. - 384 с.

17. Борисов С.Н. Алгоритмы конструирования номограмм. М.: Вычислительный центр РАН, 1999. - 136 с.

18. Борисов С.Н., Ляшенко О.Н. Номографические методы нахождения начальных приближений при решении некоторых нелинейных уравнений. М.: Вычислительный центр РАН, 2001. - 84 с.

19. Бровкова М.Б. Системы искусственного интеллекта. Нечеткие множества: Учеб. пособие Саратов: Саратовский гос. техн. ун-т, 2000. - 40 с.

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

21. Виттке В. Механика скальных пород. / Пер. с нем.; Под ред. В.М. Мосткова и С.Б Ухова М.: Недра, 1990. - 439 с.

22. Герасимов В.А. Методы решения проблемы нечеткости в задачах управления Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1999. - 240 с.

23. Гитман М.Б. Введение в теорию нечетких множеств и интервальную математику. Часть 1: Применение лингвистической переменной в системах принятия решений. Пермь: Пермский гос. техн. ун-т, 1998. - 46 с.

24. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М.: ИПК Издательство стандартов, 1997.

25. ГОСТ 27751-88*. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003.

26. Гудман Р. Механика скальных пород / Пер. с англ.; Под ред. С.Б. Ухова М.: Стройиздат, 1987.-232 с.

27. Гусев С.И., Козлова Е.Г., Хованский Г.С. Примеры номограмм для решения экстремальных задач. М.: Вычислительный центр РАН, 1997. - 98 с.

28. Дейнеко А.В. Идентификация скальных грунтов по группе параметров с использованием теории нечетких множеств // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2004: Сборник материалов. М.: ОАО «ГАО ВВЦ», 2004. С. 127-129.

29. Дейнеко А.В. Формализация выбора типа скального грунта с применением теории нечетких множеств // Юбилейная научно-техническая конференция аспирантов и студентов института. Часть 2. М.: ИПЦ МИКХиС, 2004. С. 25-26.

30. Джегер Ч. Механика горных пород и инженерные сооружения / Пер. с ант. М.: Мир, 1975. - 256 с.

31. Дуцлер И.В. Классификация грунтов: Учеб. пособие. М.: МГСУ, 1995. - 63 с.

32. Ермаков С.М., Жиглявский А.А. Математическая теория оптимального эксперимента: Учеб. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 320 с.

33. Зерцалов М.Г. Механика скальных грунтов и скальных массивов: Учебник. -М.: ИД «Юриспруденция», 2003. 184 с.

34. Зерцалов М.Г., Юфин С.А. Научное обоснование проектов подземных сооружений на современном этапе //Гидротехническое строительство. 2000. №11. С. 36-41.

35. Картозия Б.А., Котенко Е.А., Петренко Е.В. Строительная геотехнология: Учеб. пособие. М.: МГГУ, 1997. - 97 с.

36. Колганов А.В., Питерский А.И., Лисконов А.Т. Планирование эксперимента в гидромелиоративных исследованиях. -М: Мелиоводинформ, 1999. -214 с.

37. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств / Пер. с франц. — М.: Радио и связь, 1982. 432 с.

38. Кузьменко А.С. Механика горных пород. М.: МГГУ, 2003. - 242 с.

39. Латышев О.Г. Физика горных пород: Учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГТА, 2001.-103 с.

40. Левнер Е.В., Птускин А.С., Фридман А.А. Размытые множества и их применение. -М.: ЦЭМИ РАН, 1998. 108 с.

41. Любимов Н.И., Носенко Л.И. Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов. М.: Недра, 1978. - 285 с.

42. Меркин В.Е., Маковский Л.В. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения. М.: ТИМР, 1997. - 192 с.

43. Механика грунтов, основания и фундаменты / Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н.; Под. ред. С.Б. Ухова М.: АСВ, 1994. - 527 с.

44. Мирошникова Л.С. Шкала качества как экспресс метод прогнозирования строительных характеристик скальных массивов // Гидротехническое строительство. 1998. № 6. С. 23-29.

45. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра, 1982. - 248 с.

46. Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения. 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Недра, 1974. - 320 с.

47. Мостков В.М., Дмитриев Н.В., Рахманинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений большого сечения: Справочник. М.: Недра, 1993.-320 с.

48. Мюллер JI. Инженерная геология. Механика скальных массивов / Пер. с нем.; Под. ред. М.М. Протодьяконова. М.: Мир, 1971. - 256 с.

49. Некрасов В.И. Многофакторный эксперимент. Планирование и обработка результатов: Учеб. пособие. Курган: Изд-во Курганского ун-та, 1998. -146 с.

50. Новикова Н.М., Поспелова И.И. Многокритериальные задачи принятия решений в условиях неопределенности. М.: Вычислительный центр РАН, 2000.-64 с.

51. Орехов В.Г., Зерцалов М.Г. Механика разрушений инженерных сооружений и горных массивов. Учеб. пособие — М.: Изд-во АСВ, 1999. 330 с.

52. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. М.: Наука, 1981. - 208 с.

53. Очков В.Ф. Mathcad 8.0 Pro для студентов и инженеров. М.: КомпьютерПресс, 1999.-523 с.

54. Петрофизика: Учеб. для вузов / Г.С. Вахромеев, Л.Я. Ерофеев, B.C. Канай-кин, Г.Г. Номоконова. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1997. - 462 с.

55. Пивкин В.Я., Бакунин Е.П., Кореньков Д.И. Нечеткие множества в системах управления. Метод, пособие. -Web: http://www.idisys.iae.nsk.su/fuzzybook.

56. Планирование эксперимента / Адлер Ю.П. и др. Отв. ред. Г.К. Круг. М.: Наука, 1966.-424 с.

57. Подземные гидротехнические сооружения: Учеб. для вузов / В.М. Мостков, В.А. Орлов, П.Д. Степанов, Ю.Е. Хечинов, С.А. Юфин; Под. ред. В.М. Мос-ткова. М.: Высш. шк., 1986. - 464 с.

58. Подземные сооружения гидроэлектростанций / В.JI. Куперман, В.М. Мостков, В.Ф. Ильюшин, Г.Я. Гевирц М.: Энергоатомиздат, 1996. - 320 с.

59. Попов Е.А. Планирование и организация регрессионных экспериментов: Учеб. пособие Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, 2002. -88 с.

60. Потапова JI.A. Основы номографии: Конспект лекций. Томск: Изд-во ТПУ, 1997.-40 с.

61. Представление и использование знаний/Пер. с япон.; X. Уэно, Т. Кояма, Т. Окамото и др.; Под ред. X. Уэно, М. Исидзука. М.: Мир, 1989. - 220 с.

62. Привалов А.А. Выбор рациональной формы поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей с слабых скальных породах: Дис. канд. техн. наук. М.: МГСУ, 2004. -140 с.

63. Прикладные нечеткие системы / Пер. с япон.; К. Асаи, Д. Ватада, С. Иван и др.; под редакцией Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сучено. М.: Мир, 1993. - 368 с.

64. Рахман Неджад Р. Выбор форм поперечного сечения безнапорных гидротехнических туннелей. Дис. канд. техн. наук. М.: МГСУ, 2000. - 146 с.

65. Решетников М.Т. Планирование эксперимента и статистическая обработка данных: Учеб. пособие. — Томск: Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2000. 231 с.

66. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей / Всесоюз. проект.-изыскат, и н.-и. ин-т «Гидропроект» им. С.А. Жука. — М.: Стройиз-дат, 1982. 287 с.

67. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. — М.: Недра, 1975.-223 с.

68. Руппенейт К.В., Долгих М.А., Матвиенко В.В. Вероятностные методы оценки прочности и деформируемости горных пород. М.: Изд-во литературы по строительству, 1964. - 84 с.

69. Рыжов А.П. Элементы теории нечетких множеств и измерения нечеткости. — М.: Диалог-МГУ, 1998. 116 с.

70. Саушев А.В. Планирование эксперимента: Учеб. пособие. СПб.: СПГУВК, 2001.-97 с.

71. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2003. - 44 с.

72. СНиП 2.02.02-85*. Основания гидротехнических сооружений / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. - 48 с.

73. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР. М.: АПП ЦИТП, 1992. - 80 с.

74. СНиП 2.06.09-84. Туннели гидротехнические / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 19 с.

75. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. -М: ФГУП ЦПП, 2004. 26 с.

76. СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные / Госстрой России М.: ГУЛ ЦПП, 1997.

77. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород/Под общ. ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. М.: Недра, 1975.-279 с.

78. Справочник инженера-тоннельщика / Г.М. Богомолов, Д.М. Голицынский, С.И. Сеславинский и др.; Под ред. В.Е. Меркина, С.Н. Власова, О.Н. Макарова. М.: Транспорт, 1993. - 389 с.

79. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра, 1992. - 224 с.

80. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра, 1979.-301 с.

81. Ставрогин А.Н., Сапунова В.П., Андреева Т.В. Атлас механических свойств горных пород. Л.: ВНИМИ, 1968. 90 с.

82. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб.: Наука, 2001. - 343 с.

83. Тоннельные конструкции. Обзорная информация. / Под. ред. Н.П. Селиванова. М.: ВНИИПИ, 1990. - 80 с.

84. Фадеев А.Б., Прегер А.Л. Решение геотехнических задач методом конечных элементов. Часть 1. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1994. -194 с.

85. Филиппов В.Н. Планирование эксперимента в примерах и задачах: Учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2001. - 92 с.

86. Хечумов Р.А., Кеплер X., Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций: Учеб. пособие для технических вузов / Под общ. ред. Р.А. Хечумова М.: АСВ, 1994. - 353 с.

87. Электронный учебник по промышленной статистике. М.: StatSoft. - Web: http://www.statsoft.ru/home/portal/textbookind/default.htm.

88. Юфин С.А., Постольская O.K. Некоторые актуальные вопросы проектирования и строительства туннелей в комплексах сооружений электростанций // Энергетическое строительство за рубежом. 1988. № 5. С. 23-29.

89. Юфин С.А., Харт Р.Д., Кюндалл П.А. Сравнительный анализ современных численных методов решения задач геомеханики//Энергетическое строительство. 1992. № 7. С. 4-8.

90. Barton N. Deformation moduli and rock mass characterization//Tunnelling and Underground Space Technology. 2002. Vol. 17. No. 2. Pp. 221-222.

91. Barton N. Failure around tunnels and boreholes and other problems in rock mechanics // International Society for Rock Mechanics. News Journal. 2004. Vol. 8. No. 2. Pp. 12-18.

92. Barton N. General report concerning some 20th century lessons and 21st century challenges in applied rock mechanics, safety and control of the environment // Proc. of 9th ISRM Congress. Paris, 2000. Pp. 1659-1679.

93. Barton N. Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design // International Journal of Rock Mechanics & Mining Science. 2002. Vol. 39. No. 2. Pp. 185-216.

94. Barton, N.} Grimstad E. The Q-System following twenty years of application in NMT support selection //Felsbau. 1994. Vol. 12. No. 6. Pp. 428-436.

95. Barton N., Lien, R., Lunde J. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support // Rock Mechanics. 1974. Vol. 6/4. Pp. 189-236.

96. Chang C.T. et al. Extension of RMR and Q-system in Taiwan//Proc. of World Tunnel Congress and 13th ITA Assembly. May 22-27, 2004. Singapore. Section E20, Pp. 1-7 (CD-ROM edition).

97. Cox E. The fuzzy system handbook. A practitioner's guide to building, using and maintaining fuzzy systems. 2nd ed. - Academic Press, 1999. - 716 p.

98. Hoek E. A brief history of the development of the Hoek-Brown failure criterion. 2002.4 p.- Web: http://www.rocscience.com/library/pdf/hoek-brownhistory.pdf.

99. Hoek E. Estimates of rock mass strength and deformation modulus. Discussion paper No. 4. 2004. 8 p. Web: http://www.rocscience.com/hoek/ DiscussionPapers.asp.

100. Hoek E. Practical rock engineering. Balkema, 2000. - 313 p. - Web: ht1p://www.rocscience.com/hoek/PracticalRockEngineering.asp.

101. Hoek E. Putting numbers to geology an engineer's viewpoint // Felsbau. 1999. Vol. 17. No. 3. Pp 139-151.

102. Hoek E., Brown E.T. The Hoek-Brown failure criterion a 1988 update // 15th Canadian Rock Mechanics Symposium. 1988. Ed. J.H. Curran.- Pp. 31-38. — Web: http://www.rocscience. com/library/pdf/RL2.pdf.

103. Hudson J.A., Harrison J.P. Engineering rock mechanics. An introduction to the principles. Pergamon, 1997. - 444 p.

104. Karlaftis A.G Classifying rock masses using artificial neural networks // Proc. of the third Int. Conf. of Advances of Computer Methods in Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. February 1-4, 2000. Moscow. Ed. S.A. Yufin. -Pp. 273-278.

105. Palmstrtim A., Milne D., Peck W. The reliability of rock mass classification used in underground excavation and support design // International Society for Rock Mechanics. News journal. 2003. Vol. 7, No. 1. Pp. 40-41.

106. PalmstrOm A., Singh R. Response to Dr Nick Barton's comments to our paper on deformation modulus of rock masses in Vol. 16, 2001, pp. 115-131 // Tunnelling and Underground Space Technology. 2002. Vol. 17, No. 2. Pp. 223-225.

107. PalmstrOm A., Singh R. The deformation modulus of rock masses comparisons between in situ tests and indirect estimates // Tunnelling and Underground Space Technology, 2001. Vol. 16, No. 2, Pp. 115-131.

108. Poisel R., Zettler A.H., Bach, D., Lakovits D., Kastner W. Rock Mass Rating based on tunnel boring machine data//Felsbau. 1999. Vol. 17. No. 3. Pp. 168-174.

109. Riedmuller G, Schubert, W. Critical comments on quantitative rock mass classifications // Felsbau. 1999. Vol. 17. No. 3. Pp 164-167.

110. Rock classification systems for engineering purposes / Special Technical publication; Ed. L. Kirkaldie; Symp. on rock classification systems for engineering purposes. June 25, 1987. Cincinnati, Ohio.

111. RockLab. Rock mass strength analysis using the Hoek-Brown failure criterion. User's Guide. Rockscience Inc., 2002. - Web: http://www.rocscience.com/ products/RocLab.asp.

112. Romana R.M. Rock masses by means of geomechanical classification // Proc. of the ISRM International symposium on rock foundation for mountain region Eurock 2002; Ed. C. Dinis da Gama and L. Ribeiro e Sousa. Pp. 317-325.

113. Singh В., Goel R.K. Rock mass classification: a practical approach in civil engineering Elsevier, 1999. - 268 p.

114. Stypulkowski J. Development of GSI index for an underground project // Proc. of 28th ITA general assembly and World Tunnel Congress. March 2-8, 2002. Sydney, Australia. Pp. 1-5. (CD-ROM edition).

115. Stypulkowski J.B. Development of Q for an underground project, probabilistic approach//Proc. of World Tunnel Congress and 13th ITA Assembly. May 2227, 2004. Singapore. Section E22. Pp. 1-5 (CD-ROM).

116. ZJSoil.PC 2003. User manual. Zace Services Ltd. Software engineering. -Lausanne, Switzerland. 2003. - Web: http://www.zace.com.

117. Zertsalov M., Privalov A. Optimal cross-section shape for non-pressurized water tunnels in soft rocks // Proc. of the ISRM regional symp. Eurorock 2004 & 53rd geomechanical colloquy. October 7-9, 2004, Salzburg, Austria. Ed. W. Schubert. Pp. 729-732.

118. Программа преобразования механических характеристик скального массива из параметров методики Ноек и Brown в принятую систему параметров

119. Программа записана в среде Mathcad 11 и основана на формулах методики

120. Ноек и Brown 103, 108. Пояснения по составу и размерностям исходных и результирующихданных приведены в п. 2.3.

121. Программа определения интервала возможных значений прочности на сжатие ненарушенного скального грунта при заданных уровнях варьируемых факторов

122. Программа формализации механических характеристик скального грунта на основе комбинации варьируемых факторов

123. Программа записана в среде Mathcad 11. Алгоритм программы, а также состав и размерности исходных и результирующих данных описаны в п. 2.7.

124. HR HOEKROCK2002(oci, GSI, mi)rem <— "Определение коэффициента Пуассона"linterp30 0.338 0.251. GSI65 0.2575 0.2100, ,0.2,rem "Формирование вектора результатов" ' cci ^ mi HRo GSI Е v1. HRfi HR7 ocmQ1. HR4

125. Программа идентификации типов скальных грунтов с использованиемтеории нечетких множеств

126. Программа записана в среде Mathcad 11. Идентификация ведется на основе баз знаний "mibase" и "sigmabase". Алгоритм идентификации, описание структуры баз знаний, исходных и результирующих данных приведены в п. 2.13.

127. RES2 <- reverse(csort(RES2,1)) if rows(RES2) > 1n<-0rem <- "Выбор грунтов, характерных по обоим параметрам" for ie0.rows(RESl)- 1 for j е 0. rows(RES2) 1if RESli,o = RES2j,o1. RES3n,0<-RESli,0

128. RESli 1+RES2, 1 RES3n,1<--^-hin<-n + 1rem <- "Сортировака результатов по убыванию принадлежности" RES3 <- reverse(csort(RES3,1)) if rows(RES3) > 1 rem "Выбор варианта результатов для отображения"1. RES.

129. RES1 if key ■ "mi" RES2 if key = "sigma" RES3 if key = "mi&sigma" return "Check key value" otherwise

130. Программа конструирования номограмм для определения обобщенныхкоэффициентов запаса прочности

131. Программа приведена на примере конструирования номограммы для параметра ттцп. Программа записана в среде Mathcad 11 в развернутой форме.

132. Pl6,1-х1-х5 + Р17,1-х1-хб + Pig, 1-х2-хЗ + Pl9,1-х2-х4 + Р20,1-х2-х5 + Р21,1-х2-х6 + Р22,1-хЗ-х4 .1+ Р23,1-хЗ-х5 + Р24,1х3х6 + Р25,1-х4-х5 + Р26,1-хФх6 + Р27,1-х5-х6О

133. Определение параметров компановки чертежа номограммы: высота и ширина чертежа, высота верхних и нижних бинарных полей, отступы от края рамки чертежа до бинарных полей, расстояниие между левой и правой парой бинарных полей (мм):

134. Н := 140 Н1 := 60 А := -20 d := 401.:= 240 Н2 := 601. Aj := 40

135. Определение вспомогательных функций и параметров, определяющих вид бинарных полей (параметры преобразования множества Р2). Функции R\ и R4 опеределяются как -/i2 и -/45 при фиксированном уровне переменных а^ и сц соответственно:

136. Нахождение параметров преобразования, определяющих размеры и взаимное расположение бинарных полей (параметры преобразования множества Р{).

137. Определение параметра а0: FL2(aL'a2) := fl2(al'a2)+Rl(al)+5rTl(al) F812:=i<-0for ai e (aln a'l alk)tmpi <- min(F12(a {,a2n) ,F,2(a {,a2k))i<-i+ 1 min(tmp)ад := -F8J2 ад = 1.073

138. Определение параметра arQ: F45(a4,a5) f45(a4,a5) + R4(«4) +52-T4(a4)i<-0for a4e(a4n a'4 a4k)tap; <- min(F45(a4,a5n) ,F45(a4,a5k))i<- i+ 1 min(tmp)1. F812 = -1.0731. F845 = -0.794a0 ~F845a'0 = 0.794

139. Определение параметров щ и Ь0: Г4 := min(T4(a4n) ,T4(a4k))1. T'4:=max(T4(a4n),T4(a4k))1. Но1. T1I1. Г'4-Г41. Ь0 -п,-Г4nj = 100b0 = -201. Т4 = 0.2 Г4 = 0.8

140. Определение параметров п и Ь: Ti := ^(Ti(ain)>Ti(aik))1. Tj -шах^а^Т^)) «1n :=1. Т'ГТ1b := -n-Tj + Hj + Ajn = 89.552b = 70.448

141. Определение параметров а и nr. Fi3(ai'аз):= fi3(ai'аз)+ Ri(ai)+ srTi(ai)1. F8131. F8812i<-0for aie(«ln a', a,k)tmpi<-min(F13(al,a3n),F13(al,a3k)) i<- i+ 1 min(tmp)i<-0for a,e(aln a'! alk)tmpi max(F12(a, ,a2n) ,F12(a j ,a2k))i<-i+ 1 min(tmp)

142. В окончательном виде уравнения бинарных полей с учетом параметров преобразования имеют вид:3Q = 1.073 Ь0 = -20 82 = -0.138 п = 89.552a'Q = 0.794 b = 70.448 Sj = -0.131 nL = 100

143. Х12(а1'а2) := m'(a0+f12(al'a2) + Rl(al) +5l Tl(al)) X13(al>аз) '•= m"(a0 + a+%(а1 >аз)+ Rl(al) + 8rTi(ai))

144. X45(oc4tct5) := m (a,0 + f45(a4,a5) +R4(a4) +52-T4(a4)) Х4б(а4'«б) m (a,0 + a + f46(a4,a6) +R4(a4) +52-T4(a4))m = 48.015 a = 2.099

145. Y12(al)"b0 + b + nTl(al) Yl2(al):=b0 + b + nTl(al)

146. Y45(a4) := Ь0 + пГТ4(а4) Y45(a4) :=b0 + nrT4(a4)

147. Рабочая визуализация номограммы (цифры по осям координат соответствуют миллиметрам на чертеже):150 140 130 120 по 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -101—I—I—I—I—I—1—I—I—I—1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—Г+ + + +- 4- +