автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Особенности напряженно-деформированного состояния секций подводного автотранспортного тоннеля в строительный и эксплуатационный периоды

Введение.

I. АНАЛИЗ ПРОЕКТНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ И НАУЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО КАНОНЕРСКОМУ ПОДВОДНОМУ ТОННЕЛЮ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Подводно-тоннельные переходы как средство улучшения транспортной системы крупных городов.

1.2. Способы сооружения подводных тоннелей.

1.3. Особенности сооружения Канонерского подводного тоннеля.

1.4. Основные направления и методы исследования.

П. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НА СЕКЦИОННОМ УЧАСТКЕ КАНОНЕРСКОГО ТОННЕЛЯ В ПЕРИОД СТРОИТЕЛЬСТВА И

ЭКСПЛУАТАЦИИ.

2Л. Методика натурных исследований несущих конструкций тоннеля.

2.2. Результаты натурных исследований и их анализ.

2.3. Сравнительный анализ осадок, полученных в результате натурного исследования и физического моделирования.

2.4. Выявление характерных этапов работы секций в строительный и эксплутационный периоды.

III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ СЕКЦИЙ, ВЫБОР И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

3.1. Выбор и обоснование метода расчета.

3.2. Разработка математической модели секции и формирование расчетной схемы.

3.3. Методика формирования исходной информации для расчета секций на заданные нагрузки и перемещения.

3.4. Алгоритм и программная реализация оценки прочности, деформативности и грещиностойкости элементов секции.

IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СЕКЦИЙ В РАЗЛИЧНЫЕ ПЕРИОДЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОННЕЛЯ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ИХ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.

4.1. Исследование напряженно-деформированного состояния конструкций опускной секции №5.

4.2. Исследование напряженно-деформированного состояния конструкций опускной секции №4.

4.3. Сопоставление результатов расчетно-теоретических и натурных исследований.

4.4. Разработка мероприятий по совершенствованию методики наблюдений за взаимными перемещениями и осадками опускных секций и рекомендаций по сохранению их несущей способности.

К числу главных искусственных сооружений, позволяющих преодолевать водные препятствия и улучшать эксплутационные показатели транспортных магистралей, относятся подводные тоннели. Среди них особое место занимают тоннели из опускных секций, которые все более успешно конкурируют с мостовыми переходами. Особую ценность в связи с этим приобретает опыт сооружения Канонерского тоннеля в Ленинграде, а также работы отечественных ученых в области подводного тоннелестроения.

Изучению подводных тоннелей посвятили свою деятельность многие отечественные ученые: профессора: А.Н. Пассек, B.JI. и Л.В.Маковские, В.Г.Храпов, В.Е.Меркин, Е.А.Демешко, А.П.Ледяев, доценты: А.А.Богоро-децкий, А.И.Мазурчик и др. Ими систематизирован опыт строительства подводных тоннелей, сформулирован ряд проблемных задач, стоящих перед строителями, обобщены результаты отечественных и зарубежных исследований, в том числе по технико-экономическим показателям и способам сооружения подводных тоннелей.

Однако в основном исследования отечественных ученых выполнялись до или во время проектирования и строительства подводных тоннелей и, поэтому практически отсутствуют какие-либо материалы по исследованию несущей способности их основных конструкций за период длительной эксплуатации. В иностранной литературе, имеется много статей, посвященных описанию технологии сооружения отдельного объекта или общим вопросам по подводным переходам, однако отсутствуют труды, отражающие всю проблематику как строительства, так и эксплуатации тоннелей из опускных секций.

По истечении почти 20 лет возникла настоятельная потребность в обобщении и анализе данных, полученных в ходе многолетних исследований. Для обеспечения дальнейшей нормальной эксплуатации тоннеля необходимо разработать рекомендации для подготовки проекта капитального ремонта этого тоннеля. Актуальность темы подтверждается также прямыми хозяйственными договорами с Комитетом по дорожному хозяйству и благоустройству администрации С. Петербурга — организации, в чьем ведении находится исследуемый тоннель.

Целью исследований являются обобщение и анализ натурных исследований опускных секций Канонерского подводного тоннеля и разработка рекомендаций по обеспечению их несущей способности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- сравнительный анализ материалов натурных исследований, в том числе выполненных с участием автора, с данными ранее выполненного физического моделирования;

- выявление характерных этапов и особенностей статической работы секций за весь период эксплуатации тоннеля;

- разработка математических моделей железобетонных секций подводных тоннелей с последующим использованием их в расчетно-теоретических исследованиях;

- оценка несущей способности опускных секций Канонерского тоннеля после 20 лет эксплуатации;

- разработка эффективных технических решений с целью обеспечения несущей способности основных конструкций тоннеля.

В работе применен комплексный метод исследований, включающий: научный анализ и обобщение натурных данных, полученных на протяжении всего периода строительства и эксплуатации тоннеля; математическое моделирование статической работы конструкций секций методом конечных элементов (МКЭ); сравнительный анализ результатов натурных исследований, с данными математического и физического моделирования.

Результаты проведенных исследований позволили:

- дать качественные и количественные оценки напряженно-деформированного состояния всех пяти секций тоннеля;

- установить зоны концентрации напряжений с учетом трещинообра-зования. позволяющие разработать конструктивные мероприятия по улучшению технического состояния опускных секций;

- обосновать достаточный запас несущей способности секции №5, что позволяет произвести обратную засыпку до проектной отметки;

- предложить варианты усиления конструкций опускных секций с целью повышения их несущей способности.

L АНАЛИЗ ПРОЕКТНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ И НАУЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО КАНОНЕРСКОМУ ПОДВОДНОМУ ТОННЕЛЮ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Обобщены и проанализированы многолетние натурные исследования опускных секций Канонерского подводного тоннеля. Выявлено не предусмотренное проектом изменение условий статической работы всех пяти секций. Наиболее благополучными признаны секции №1, 2, 3, а наиболее значительные и неравномерные осадки, практически несопоставимые с ожидаемыми, получила секция №5, 4. Обоснована эксплуатационная надежность тоннеля при условии проведения рекомендованных автором технических мероприятий на секции №5 и №4.

2. Создан комплекс теоретических, методических и алгоритмических разработок и программных средств, позволяющий определить напряженно-деформированное состояние тоннельных секций в период строительства и эксплуатации, включающий: натурные исследования, математическое моделирование, с использованием модели "секция - основание" и модели изогнутой поверхности лотковой плиты, алгоритмы нахождения характерных этапов работы секции и учета трещинообразова-ния в элементах.

3. В элементах конструкции секций выявлено наличие значительных продольных усилий, вызванных неравномерной осадкой секций. Наличие в проектных решениях только конструктивной арматуры в продольном направлении не соответствует реальному характеру статической работы секций.

4. На основе разработанного алгоритма исследования трещино-образования в пластинчатых элементах секций определены зоны образования трещин по всей их поверхности, с определением углов наклона и глубины раскрытия, позволяющие разработать конструктивные мероприятия по улучшению технического состояния опускных секций.

5. Обоснована возможность засыпки секции №5 без потери ее несущей способности до предусмотренной проектом отметки с целью восстановления береговой части Морского канала.

6. Разработаны предложения, по увеличению несущей способности секций в основу которых положено усиление продольного армирования с целью обеспечения эксплутационной надежности тоннеля.

7. Для контроля напряженно-деформированного состояния конструкций опускных секций в период строительства и эксплуатации разработана рациональная схема установки деформационных марок на строящихся подводных тоннелях.

1. Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожков А.К. Тоннели и метрополитены. Изд. "Транспорт", 1964, 631с.

2. В.Г.Храпов, Е.А.Демешко, С.Н.Наумов и др., под ред. В.Г.Храпова Тоннели и метрополитены: Учебник для вузов. М: Транспорт, 1989

3. Волков В.П., ДорманЯ.А., Вахуркин К.А. Тоннели. Изд. "Транспорт", 1945, TI.-С. 351.

4. Богородецкий А.А. Способ погружных секций и возможность его применения для строительства подводных тоннелей в Ленинграде //Труды ЛИИЖТа. Л., 1962.-Вып. 195.-С, 230 -238.

5. Богородецкий А.А. Перспектива строительства в Ленинграде подводных тоннелей для городского движения //Труды ЛИИЖТа. Л., 1963. -Вып. 202.-С. 82 - 95.

6. Богородецкий А.А. Подводные тоннели в Ленинграде //Строительство и архитектура Ленинграда. 1965. - № 10. — С. 29 - 31.

7. Богородецкий А.А. Подводные тоннели для городского движения: Лекции для заочного обучения. Л.: Дор. НТО Окт. ж.д. и университет науки и техники при ЛИИЖТе, 1965. - С. 63.

8. Богородецкий А.А. Подводный тоннель как одно из решения задачи о переходе через водную преграду //Труды ЛИИЖТа. Л., 1966. -Вып. 252. - С. ! 1 - 28.

9. Богородецкий А. А. Под морским каналом. К сооружению Канонерского подводного тоннеля в Ленинграде //Строительство и архитектура Ленинграда. 1966. - № 2. - С. 28 - 30.

10. Богородецкий А.А. К предстоящему строительству транспортного перехода через Морской канал в Ленинграде //Труды ЛИИЖТа. Л.,1966.-Вып. 252.-С. 89 -98.

11. Богородецкий А.А. Подводные тоннели: Учебное пособие. Л: ЛИИЖТ,1967.-92 с.

12. Швачинский М. Исследование вопроса строительства транспортных тоннелей в условиях Польши. Дисс. канд.техн.наук: ЛИИЖТ. Л., 1966.-190 с.

13. Богородецкий А.А. Тоннельный вариант перехода через водную преграду//Транспортное строительство. 1968. — № 8. - С. 14 - 16.

14. Богородецкий А.А. Строительство тоннелей способом погружения готовых секций //Труды ЛИИЖТа. Л.: Транспорт, 1971. - Вып. 317. -С. 97-112.

15. Concrete in top heavyweight from at Baltimore tube tunnel // Blaha B. — Concrete Products, 1983, vol. 86, 39. p. 21-25 англ.

16. Immersed tube contract for Medway awarded // Tunnels and Tunnelling, 1992.-24, №5. p. 10-англ.

17. Casting starts for Greek epic // Ground Eng. 1996. - 29, №9. - p.6 - англ.

18. Храпов В. Г. Исследование работы резиновых уплотнителей стыков секций подводного тоннеля //Труды МИИТа. М., 1972. - Вып. 419. -С. 84 - 95.

19. О.О.Андреев, Храпов В. Г. Расчет конструкций из опускных секций /АГруды МИИТа. М., 1972.-Вып. 419.-С. 84 -95.

20. Храпов В.Г., В.А. Федорчук. Совместная работа секций подводного тоннеля и насыпного грунта г противодействию всплытию конструкций /Друды МИИТа М., 1974.-Вып. 463. -С. 158- 165.

21. Храпов В.Г. Меры по ликвидации заиливания стыковых устройств секций подводного тоннеля /Яруды МИИТа. M., 1974. - Вып. 463. -С. 173 - 178.

22. Исследование вопросов строительства подводного тоннеля под Морским каналом: Отчет о НИР. /МИИТ; Рук. В.Г. Храпов. -М.; 1971.-89 с.

23. Научные основы проектирования подземных протяженных транспортных магистралей в Ленинграде. Т. 1: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев УДК 624.194; № ГР 018300074471. - Л.; 1983. - 40 с.

24. Сооружение подводного транспортного тоннеля на Канонерский остров. Т. 2: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев.-Л.; 1973. 166 с.

25. Опытно-экспериментальные работы по технологии строительства и конструкциям подводных тоннелей из опускных секций. Т. 1: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев.-Л,; 1975. 88 с.

26. Исследование вопросов сооружения протяженного тоннеля в западной части г. Ленинграда: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев. Л.; 1976.-88 с.

27. Протяженные тоннели для движения транспорта: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ: Рук. А.П. Ледяев.-Л.; 1978. 154 с.

28. Протяженные тоннели для движения городского транспорта с освоением околотоннельного пространства: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев.-Л.; 1980.-68 с.

29. Научные основы проектирования подземных протяженных транспортных магистралей в г. Ленинграде. Т. 2: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев. Л.; 1983. - 45 с.

30. Сооружение подводного автотранспортного тоннеля на Канонерский остров в Ленинграде. Т. 1: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.П. Ледяев. -Л.; 1972.-71 с.

31. Богородецкий А.А. Строительство тоннелей в СССР//Труды ЛИИЖТа. -Л.: Транспорт, 1971. Вып. 317, - С. 9 - 20.

32. Богородецкий А.А, Проблема сооружения подводных транспортных тоннелей в Ленинграде//Интенсификация подземного градостроительства и перспектива его применения в Ленинграде: Сб. -Л., 1973.-С. 16-27.

33. Богородецкий А.А. Строительство подводных транспортных тоннелей в Ленинграде //Транспортное строительство. 1973. - № 1. - С. 12-14.

34. Маковский Л.В. Транспортные подводные тоннели плавающего типа //Инф. науч.-тех. сб. Л.: Метрострой, 1972. №4. - С. 29 - 30.

35. Маковский Л,В. Особенности сооружения подводных тоннелей методом заводных секций //Метрострой. 1967. - № 5. - С. 24 - 26.

36. Ледяев А.П. автотранспортные тоннели в дельте реки Невы. Дисс. доктора техн.наук: 05.23.15/ПГУПС. С-Пб., 1996. - 343 с.

37. Клорикьян В.Х., Ходош В.А. Горнопроходческие щиты и комплексы:-М.: Недра, 1977.-С. 110-112.

38. Компанией С.А., Поправке А.К., Богородецкий А.А. Проектирование тоннелей. М.: Транспорт, 1973. - С. 104 - 160.

39. Дорман Я. А. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов. —М.: Транспорт, 1981. 303 с.

40. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. М.: Стройиздат, 1985. - 439 с.

41. Туренский Н.П, Ледяев А.П. Строительство тоннелей и метрополитенов. Организация, планирование, управление: Учебник для вузов /Под ред. Н.Г. Туренского М.: Транспорт, 1992. — 264 с.

42. Возведение сооружений методом "стена в грунте" /А.Г. Абызов, А.А. Зазуминский, Н.В. Писаренко и др.; Под ред. А.Д. Филахтова. -Киев: Будивельник, 1976. 204 с.

43. Le tuunel routier de Boom sous le canal maritime et sous le Rupel //Excavator Belgique. 1972, juin. - p. 1 - 37.

44. Маковский Л.В. Подводное тоннелестроение- М.: Транспорт, 1985. -231 с.

45. Храпов В.Г. Исследование конструкций подводных транспортных тоннелей из опускных секций. Дисс. доктора техн.наук: ЛИИЖТ. Л., 1974.-365 с.

46. Андреев О.О., Храпов В.Г. Расчет конструкций подводных тоннелей из опускных секций //Совершенствование конструкций тоннельных обделок: В-сб. Труды МИИТа. М., 1972. - Вып. 419.-121 с.

47. Исследование статической работы конструкций Канонерского тоннеля в процессе строительства. Т. 1: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.А. Богородецкий. Л.; 1974. - 96 е.: Отв. исполн. А.П. Ледяев.

48. Богородецкий А.А., Ледяев А.П. Роль засыпки в статической работе погружных тоннельных секций //Труды ЛИИЖТа. Л., 1973. -Вып. 350. - С. 6.

49. Исследование подводного автотранспортного тоннеля под морским каналом: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.А. Богородецкий. Л.; 1975. -257 е.: Отв. исполн. А.П. Ледяев.

50. Исследование подводного автотранспортного тоннеля под морским каналом: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.А. Богородецкий. Л.; 1972. -71с.: Отв. исполн. А.П. Ледяев.

51. Научно-исследовательские и опытно-экспериментальные исследования по Канонерскому подводному тоннелю: Отчет о НИР. /ЦНИИС; Рук. Е.А. Демешко,-М; 1975. 89 с.

52. Исследование статической работы конструкций Канонерского тоннеля в процессе строительства: Отчет о НИР. /ЛИИЖТ; Рук. А.А. Богородецкий. Л.; 1977, - 169 е.: Отв. исполн. А.П. Ледяев.

53. Ледяев А.П. Исследование характера статической работы конструкций подводного тоннеля на участке со шпунтовым ограждением //Труды ЛИИЖТа. Л., 1976. - Вып. 372. - С. 6.

54. Ледяев А.П., Казимов А.К. К вопросу о величине бокового давления на подземные конструкции, возводимые открытым способом //XIX Республиканская науч.-тех. конф.: Тез. докл. — Тбилиси, 1975. С. 5.

55. Мазурчик А.И. Испытание стыковых уплотнений опускных секций подводных транспортных тоннелей/ МИИТ. Рукопись деп. в ЦНИИТЭИ МПС, №1700/81.-М„ 1981.-15 е., ил. - Библиограф.

56. КлещеваГ.Н. Оценка влияния отдельных типов связей на работу системы перекрестных балок. Тр. ЛИИЖТ, вып. 284. Л., Транспорт, 1968.-С. 97-109.

57. Колкунов ИВ. Основы расчета упругих оболочек, изд. 2-ое. М. Высшая школа, 1972. 296 с.

58. Константинов И.А. Динамика гидротехнических сооружений, ч. 2. Расчет плотин на сейсмические воздействия. Л., 1976. С. 193.

59. Корнеев В.Г. Схемы метода конечных элементов высоких порядков точности. Л. Изд-во ЛГУ, 1977.

60. Корнеев В.Г., Розин Л.А. О численной реализации метода расчленения на примере изгиба пластинки. "Инженерный журнал. Механика твердого тела", 1967, №2 с. 106-114.

61. Hrennikoff A.n Solution of problems of elasticity by the Framework Method. J. of Appl. Mech., ASME, 1941, v.8, pp.A169-A175.

62. Филин А.П. Современные проблемы использования ЭЦВМ в механике твердого деформируемого тела. Л. Стройиздат, 1974.

63. Розин JT.А. Метод расчленения в теории оболочек. Прикладная математика и механика, т. XXV, ВЫП. 5, 1961.

64. Филин А.П. Расчет оболочек произвольного очертания на основе дискретной расчетной схемы. Тр. конф. по теории пластин и оболочек. -Казань: изд-во КазГУ, 1961.-С. 388-398.

65. Исследование статической работы конструкций Канонерского тоннеля в процессе строительства. Ледяев А.П. и др.: отчет о НИР тЛ/ЛИИЖТ, 1974 г. с. 96.

66. Тананайко О.Д., Ледяев А.П. Расчет береговых конструкций подводного тоннеля с использованием пространственной стержневой модели. "Строительная механика". М.: 1982 г. №2 с. 75-77.

67. Тананайко О.Д. Об одной стержневой модели в теории тонких оболочек. Труды ЛИИЖТа Л.: 1973 г. вып. 349 с.З.

68. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1974. - 342 с.

69. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и механике сплошных сред. М.: Недра, 1974. -240 с.

70. СегерлнндЛ. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-392 с.

71. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1971.

72. Карпенко Н И. Общие модели механики железобетона. М. Стройиздат, 1996.- 416 с.

73. Гвоздев А.А. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. М.: Госстройиздат, 1949. - 280 с.

74. Берг О.Я, Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1962. - 96 с.

75. Гениев Г.А., Киссюк В Н., Тюпин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1974,- 316 с.

76. Филоненко-Бородич М.М. Механические теории прочности. М.: изд-во МГУ, 1961.-90 с.

77. Лукша Л.К, Гиперболический критерий прочности // Докл. АН БССР, 1983, ч, XXVII, №6. с. 528-531.

78. Козачевский А. И. Модификация деформационной теории пластичности бетона и плоское напряженное состояние железобетона с трещинами.// Строительная механика и расчет сооружений., 1983, №4. с. 12-16

79. Круглов В.М., Зенин А.В. Предельные секущие модули бетона./ Изв. ВУЗов. Серия «Строительство и архитектура», 1985, №11.-с. 1-5.

80. Яшин А.В, Рекомендации по определению прочностных и деформационных характеристик бетона при неодноосных напряженных состояниях/НИИЖБ. -М. 1985 72 с.

81. Балан Т.А. Вариант критерия прочности структурно-неоднородных материалов при сложнонапряженном состоянии (Киев), 1986, №2. с. 21-26.

82. Холмянский М.М., Шифрин Е.И. К прочности трещиноватых пород и бетона при трехосном равномерном напряжении.// Физико-технические проблемы развития полезных ископаемых, 1981, №3— С.52-61.

83. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прогнозы бетона методами механики разрушения. М.: Стройиздат, 1982, -196 с.

84. Александров П.Е. Техническая теория прочности для хрупких материалов типа бетона // Проблемы прочности материалов и конструкций па транспорте. -М.: Транспорт, 1990. С.49-59.

85. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СниП 2.03.01-84). М.: ЦИТП Госстроя СССР 1986. -192 с.

86. Карпенко Н И, Теория деформирования железобетона с трещинами. -М.: Стройиздат, 1976. 208 с.

87. Банков В Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс. -М. Стройиздат, 1977-783с.

88. Александров П.Е., Елизаров С.В., Тананайко О.Д., Чернева И.М. О возможности нелинейного решения задач механики разрушения: Публикация в сети Интернет, //www.geocities.com/PE Alexsandrov/index.htm. 2001. -10 с.

89. Пособие по проектированию жилых зданий. Выпуск 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85)/ЦНИИЭП Жилища. М.: Стройиздат, 1989. - 304 с.

90. СниП 2.05.03-84. Мосты и трубы/Госстрой СССР. М: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-200с.

91. Гуща Ю.П. Исследования ширины раскрытия нормальных трещин // Прочность и жесткости железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1971. - С.72-97.