автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Прогноз деформаций оснований городских зданий при строительстве сооружений метрополитена

РГ6 ол

1 - САНКТ1- ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИКОТУ Т

На празах рукописи

Чжао Гуан-Цзянь.

ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЯ ОСНОВАНИЙ ГОРОДСКИХ ЗДАНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СООРУЖЕНИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА

Специальность 05.23.08 - "Основания и фундаменты"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени ' кандидата технических наук

Санкт,-Петербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском инженерно-строительном институте

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор А. Б. Фадеев

официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А. К. Бугров

кандидат технических наук, старший научный сотрудник • Е А. Лукин

Ведущая организация ' : Всесоюзный научно-иселедовательский

институт галургии Защита состоится: " 1993г. в/А^Вна заседании

специализированного совета К 063. 31.02 в Санкт-Петербургском инженерно-строительном'институте йо адресу: 198005, Санкт-Петербургу 2-я Красноармейская, д. 4, ауд.. 521С.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке

института

Автореферат разослан 1993

г..

Учений секретарь

специализированного созета,

кандидат технических наук,. Е.А.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Проходка тоннельных выработок при строительстве метрополитена в горной массиве нэ~уыает естественное напряженное состояние равновесия горного массива, вызывает сдвижение пород, и следовательно здания и сооружения, попадающие в мульду сдвк гния, претерпевают деформации. При строительстве метрополитенов в условиях плотной городской застройки, особенно в Санкт-Петербурге, большое значение с точки зрения сохранности наземных сооружения и подземных коммуникаций и уменьшения расходов на лх усиление имеет правильное прогнозирование сдвижения грунтов.

Несмотря ка многочисленные экспериментальные исследования и натурные наблюдения для выявления закономерности сдвижения массива при проходке тоннелей метрополитенов, многие вопросы в этой области еще не в полной мере изучены. Мето^л прогноза деформаций земной поверхности при строительстве станций метрополитена, разработанные с пс ющью аналитических методов на основе данных экспериментальных исследований и натурных наблюдений, мало отличаются от методов, используемых в горнодг^ываицей промышленности. Если для перегонных тоннелей мелкого заложения, сооружаемых з однородных грунтах, это вполне приемлемо, то для глубоких тоннелей это весьма сложно, "и в основном,используется метод экспертных -оценок (что связано такж с отсутствием систематических наблюдений за развитием , осадок при сооружении станет).

Основные ныне существующие методы прогноза деформаций земной поверхности от влияния сооружения метрополитенов являются эмпирическими или полузмпирическши, несовершенство которых состоит з том, что они не могут учитывать не только реальный механизм сдвижения массива при проходке подземных ' выработок, но и реальную

последовательность сооружения станций метро и взаимодействие обделки с окружающими грунтами. Использование этих методов чаете приводит к завышенным значениям поверхностных осадок.

Последовательность проходки в тоннелестроении имеет большей значение и требует особого рассмотрения. При выборе оптимально! очередности строительства подземных сооружений не только уменьшаются деформации поверхности, но и снижается . стойкость строи тельства объекта. Однако, существующие, методы прогноза осадо: непригодны для решения таких сложных задач.

В з""1й связи представляется актуальной разработка теорети ческих ;.;этодов прогнозирования деформаций поверхности с учето поэтапности сооружения станций метрополитена.

Делыз работы является исследование сдвижения массива при строительстве станций метрополитенов с учетом последовательност их сооружения при помовд численного моделирования.

Общая методика, исследования включала в себя:

1. Анализ по литературным источникам существующих экспери ментальных, натурных, аналитических и численных методов прогноз деформаций земной поверхности при проходке подземных выработок,

о

существующих мероприятий для защиты зданий и сооружений ох влия ния горно-проходческих рабог при строительстве ) ^трополитена.

2. Разработка программы, для автоматического разбиен* расчетной области на конечные элементы.

3.' Разработка контакт-злеменга и соответствующей програш для -нализа работы ослабленного контакта мевду сооружениями и о» рутаодми грунтами к работы трещиноватых сред.

4. Проведе—ю численного моделирован.-! сооружения станщ метрополитена в геологических условиях Санкт-Петербурга с учете последовательности их строительства и сопоставление --»зультат' чтешкнэго расчета с данным). натурного наблюдения.

Научная новизна работы:

1. Разработана программа для автоматического составлена се-и конечных элементе, для сплошных и трещиноватых с{. д.

2. разработан новый контакт-элемент, который в частности шитирует двухмерную Бинклеровскую упругую постель, для анализа заботы ослабленного контакта- меэду сооружениями я окружающими, -рунтами и работы трещиноватых сред.

3. Установлен модуль общей деформации как подходящей для анализа напряженно-деформированного состояния массива при проходке подземных выработок.

4. Осуществлено численное моделирование сооружения однсс1 >д-чатой и трехсводчатой колонной станций метрополитена методом конечных элементов с учетом последовательности их строительства.

Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемый способ моделирования строительства станций метрополитена с помощью метода конечных элементов дает достовс.ный прогноз деформаций земной поверхности от влияния подземных выработок. Разработанная программа "ЗЕбЕЯ" существенно экономит время подготовки исходных информация для работы с методом'конечных элементов. .Разработанный- контакт-элемент повышает точность моделирования взаимодействия обделки станций и тоннелей с массивом/ и может быть использован для решения других задач геотехники.'

На защиту выносятся:

1. Алггжгы' автоматического составления сети конечных элементов для сплошных и трешдаоватых сред.

2. Алгоритм нового контакт-элемента.

3.. Результаты численного моделирования сооружения одноезод-чатой и трехсводчатой колонной станций метрополитена, с учетом последовательности их строительства.

Апробация. Результаты исследования докладывались на 50-ой

научной конференции СШИСИ ( Санкт-Петербург, 1993 г.), международном симпозиуме "Реконструкция - Санкт-Петербург 2005" (Санкт-Петербург, 1992 г.).

Публикации. Основные почожения дисг чртации изложены в двух работах.

Объем работы. Диссертация состоит- из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 135 страниц, в том числе 111 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 3 таблицы и список использованной литературы из 111 наименований.

»

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложено состояние вопроса, ■ обоснована актуальность диссертации,' сформулированы цель и задачи исследований, основные научные положения и практические результаты, вы-несе .ные на завдту.

В первой главе рассмотрены современное сост. дние вопроса, анализ ранее проведенных экспериментальных исследований и натур-

г,

ных наблюдений, анали.- существующих методов расчёта ожидаемых деформаций .земной"'поверхности при строительстве танций метрополитенов, а также анз^ лз существующих мероприятий по усилению зданий и сооружений от влияния строительства метрополитена.

Многочисленные экспериментальные исследования и натурные набслюдышя для выявления закономерности сдвижения массива при проходке тоннелей метрополитенов, проведенные К1 А. Лимановым, В. Л !,!аковским, С. С. Михайловским, С. Е Силъвестровьм, В. Ф. Подако-вым, Г. а Сазоновым , Е И. Антоновым, Е. А. Демешко . и друг ими, способствовали раскрытию механизма сдвижения массива ппи проходе тоннелей метрополитенов. • Пс результатам этих исследований и наб-

оодений были установлены основные факторы, влияющие на деформации «мной поверхности при строительстве станций метро. Эти факторы югут быть разделены 1а три группы. К первой следует тнести инже-1ерно-геологические условия проходки и физико-механические' ¡войства грунтов. Вторая группа включает факторы, связанные с ге-)метрическими размерами щитак толщной хвостовой оболочки, вели-шной строительного зазора Третья отражает производственно-тех-¡ические особенности проходки тоннеля.

На основе изучения данных экспериментальных исследований и натурных наблюдений, различные инженерные методы прогноза дефор-мацяй -земной поверхности при строительстве станций метрополит на Зыли разработаны с помощью аналитических методов К1 А. Лимановым, В. Ф. Подаковым, Ж. С. Ержановым, К П. Матвеевой и другими. В ряде работ отмечено ¿лияние последовательности сооружения тоннелей на деформирование массива и обделки тоннелей.

Большой вклад в развитие численных методов для анализа напряженно-деформированного состояния массива при проходке подземных выработок внесли ученые 0. Зенкевич, С. К Ухов, А. К Фадеев, а С. Зриетов, С. А. Юфин, Е Виттке и другие российские и зарубежные ученые'. ..

Приведены тагаке обзор работ по автоматизации прогноза ожидаемых деформаций земной поверхности от влияния горно-проходческих работ и обзор существующих мероприятий по усилению зданий и сооружений от влчяния' строительства метрополитенов.

На основании сделанных выводов были поставлены цель и задачи исследований. ' '

Во второй главе диссертации приводится методика численного моделирования геомеханических задач с помощью метода конечных элементов, алгоритм автоматического составления сети конечных элементов для сплошньйс или трещиноватых сред, а также описание и

алгоритм нового контакт-элемента.

На основе идеи Сегерлинда с добавлением кривых линий и кон такт-элементов была разработана программа "SEGER" для автомати ческого разбиения расчетной области сплошных или трещиноваты сред на треугольные элементы и контакт-элементы. До начала работ с программой "SEGER" проводится предварительное разбиение расчет ной области на четырехузловые или трехузловые зоны. Затем введен основные информации по зонам. Для каждой зоны программа "SEGEF выполняет следующие операции :

1. Разбиение зоны на четырехугольники (для четырехузловс зоны ) и треугольники ( для трехузловой зоны ).

2. Вычисление координат всех узлов в зоне.

3. Нумерация узлов в зоне.

4. Выполнение необходимой перенумерации при наличии ко; такт-элементов. '

5. образование треугольных элементов..

После завершения работы с зонами проводятся общая перенуме рация узлов в расчетной области с целью минимизащ.л ширины ленч глобальной матрицы жесткости и введение механических свойст грунтов. .

В резу-ътате программа "SEQER" автоматичен i составляет i файлы, которые не .¡бходими для работы с программным комплексе "GEOMDD". -

На рис. ' i п б показаны примеры разбиения четырехузловой 30i и тр*х>^ловой зоны на треугольные элементы и контакт-элементы.

Для анализа работы трещиноватых массивов, сооружений, име] щих ослабленный контакт с окружающим грунтов, был разработан » вый контакт-элемент, который в частности реализует двухмерн, винклеровскую упругую постель.

Для отдельного контакт-з::емента (рис. 2а), узлы i и з, к и

'ис. 1'. Разбиение зон на конечные элементы.

I — IV-первоначальные номера узлов;

1-30-новые номера узлов после разбиения;

©- -номера элементов;-'-^—— контакт-элемент.

попарно имеют одинаковые координаты. Уравнение связи узловых си и узловых перемещений, касательных и нормальных к плоскости кон такта, для элемента при сделанных допущениях относительно жест кости межузловых пружин в локальных к ор,г -натах | и % будет имет вид :

т. - сю, <б>1. (1)

где {р>-{р*,5 .Р^.Р^.^.д.Р^.Ря.^Рх.^.Р^Г — вектор узловых сил;

1

- —

2

к$ 0 -к$ 0 0 0 0 0

0 ч 0 -к ^ 0 0 0 0

0 Ч 0 0 0 0 0

■ 0 -К ^ 0 к^ 0 0 0 0

0 0 0 0 0 -к, 0

'0 0 0 0 0 ч 0 -К,

0 0 0 0 0 ч 0

0 0 0 0 0 -ч 0

— матрица жесткости элемента;

= Д8|,5 , 5/,г . , •>, .

■ — вектор перемещений узло^ по касательному и нормальному направлениям к плоскост контакта; и — длина элемента;

удельные коэффициенты жесткости единицы пло щади контакта.

При произвольном положении контакта в плоскостг координа X,У, характеризуемым углом'й (; ис. 26), связь между силами и переме

К} и К^-

а)

б) VI

Ч, » 1

Рис.2. Контакт-элемент - ._____

а -— контакт-элемент в локальных координатах; • б-контакт-элемент в глобальных координатах.

Рис.

3.;. Зависимость нормальных и касательных напряжений от нормальных (а) и сдвиговых (б) деформаций.

щениями в локальных и глобальных координатах имеет вид

6(1

8,

СОБр/ БШй

-31ПЛ С03о<

б,

Рх

Ру

БШаС СОБС<

(3)

Шдставляг. уравнения (2) в уравнения (1), а далее в уравнения (3), получим уравнения связи узловых сил и перемещений в глобальных координатах :

т -[К] <5> ■ (4)

где т-Ш, х,П, у.Рз, х, Р;|. у, Рк, х, П-с, у,Р1, х, Р1,уГ

Ш

А с -А -с 0 С О 0

С в -с -в 0 0 О О

-А -С А с О О О 0

-С -в С в О О 0 О

о О О О А ■ с -А -с

О О О О с в -с -ь

0 О 0 О -А -с А' с

0 О О 0 -С -в с в

А «• К^ соей + К^ 31п Ы ; В - К^ соэ^; ,

С - ( К5 - вШс* СО£о< . ■

<

Среднее нормальное и касательное .напряжение в плоскости контакт-элемента определяется выражениями :

£ ■ к?г * " , (5)

X, - К| * - . (6)

Коэффициенты матриц жесткости контакт-элементов используются при формировании матрицы жесткости системы обычным образом.

Характерные графики .связи нормальных и касательных сил и переведений в плоскости контакта приведены на рис. 3 (а и б). Удовлетворение условий прочности по отношению к растяжению и сдвигу в контакт-элементах может осуществляться с помощью метода начальных напряжений пря соединении подпрограммы с программным комплексом "бЕОМСЮ".

При анализе 'способа численного моделирования проходки подземных' выработок с учётом последовательности проходки установлено, что вынимаемым элементам следует присваивать низкий (но не равный нулю) модуль упругости, а узлы в вынимаемой зоне не следует фиксировать.

В третьей главе приведены, математические модели и результаты численного моделирования сооружения односводчатой и трехсводчатой колонной станций метрополитена с учетом последовательности их строительства

При выборе подходящего модуля деформации для «ишиза напряженно- деформированного состояния ' массива при проходке подземных выработок рассматривалась проходка одиночного тоннеля в геологических условиях Петербурга Решение проводилось в дча шага с использованием модуля общей деформаций и модуля, упругой деформации в два шага : I - естественное напряженное состояние; П - вы-

емка тоннеля.

Анализ результатов расчётов показал, что при проходке тонне ля не все элементы расчетной области претерпевают разгрузку, некоторых областях происходи? разгрузка, л в некоторых областях ■ дополнительное пагружение.

Однако, несмотря на разнообразные изменения нормальных напряжений, касательные напряжения в большинстве элементов, находящихся в зоне влияния тоннеля на сдвижение земной поверхности, увеличиваются.- А область"снижения касательных напряжений находится в зоне, которая не имеет большого влияния на сдвижение земной поверхности. Поэтому можно считать, что пги проходке подземных выработок происходит сдвиговое нагружение грунтов. Оседанш поверхности, полученные численными расчетами с использованием модуля общей, деформации, более близки к результатам расчета по методу ¡й А. Лиманова. Таким образом, именно модуль общей деформации должен быть выбран в качестве расчетного для анализа напряженно-деформированного состояния горных пород при строительстве подземных сооружений.

На основе анализа способов и последовательности сооружения односводчатых станций метро глубокого заложения и с учетом особенности работы конструкций для численного моде ирования процесса строительства ста..ции метрополитена "Садовая" было выделено пять стадий (рис.4) : ' О - естественное напряженное состояние; П - бетонирование опорных тоннелей и разработка калотты; Ш - монтаж вер^е»о свода, разработка ядра и лотковой части и демонтаж временного заполнения ; IV' - завершение проходки и монтаж обратного свода.

Станция метро "Садовая" сооружается в мощных кембрийских глинах. Глубина заложения станции от в°рхнего свода до переход! -го слоя кембрийских глин •оставляет 10,5 _м. Кад .кембрийскими г ли-

Рис. 4 . Последовательность моделирования сооружения одкосьод-чатой станции метро. ■ '

I -проходка опорных тоннелей;

II -бетонирование опорных тоннелей и разработка

калотты;

II I--монтаж верхнего овода, разработка ядра и лот-

ковой части и демонтаж временнего заполнения;

IV -—завершение проходки и монтаж обратного свода.1

нами залегает переходной слой кембрийских глин мощностью 3 м. Выше переходного слоя находятся четверти1: ые отложения мощностьк 30,5 м.

Средние механические характеристики грунтов приведены в табл.1

Таблица 1.

Слой грунта Модуль деформации В, МПа -------- — Коэффициент Дуассона 0 Удельный вес У.КН/м* Сцепление С, Ша Угол внутреннего трения Ц

Четвертичные отложения 17 0,35 20 0,015 23 •

Переходный слой 100 . 0,35 21,4 0,08 21

Кембрийские глины 200 0,35 21,2 0,15 23.

Как показали результаты расчетов (рис.5), при проходке перегонных тоннелей в горном массиве происходит в общем упругое деформирование. Разработка породы в калотте среднего свода вызвала значительные деформации породы вокруг выработки. В некоторых элементах над ' оннельньши выработками развиваются пластические деформации. Над боковыми тоннелями перемещения увеличились более

1. 2.

3.

4.

5.

А-• -

- I стадия строительства;

- 11 стадия; -III стадия;

- от горного давления;

- от влияния ползучести;

■ фактические;

■ по про» нозу ВНИИГ.

Рис. 5 . Деформации зеиноП.поверхности при сооружении o.i~ косводчатоЯ l ;анщш "Садовая".

чем в 3 раза Вертикальная деформация земной поверхности в оси станции метро в этой стадии разработки ув; пичивается на 51 мм.

Дальнейшая разработка ядра,. лотковой части и демонтаж временного заполнения тюбингов опорных тоннелей вызвать увеличение перемещений породного массива как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Вертикальная деформация земной поверхности в оси станции метро увеличивается на 4 мм, перемещение опорных тоннелей внизу - тоже на 4 мм. При этом не наблюдаются перемещения опорных тоннелей в сторону среднего свода.

Проблема влияния горного давления на деформации поверхности была решена путём использования переменного модуля деформации железобетонной обделки.

Наблюдение за деформированием обделки станции "Садовая выполненное СМУ 13. Ленмегростроя, показывает, что перемещение ше-лыги свода составляет от '90 мм до 164 мм.

Проведена серия решений с модул ми деформа-даи железобетонной обделки Е, 0,5Е, 0.025Е, 0,1Е, 0.05Е. Получены перемещения шелыги свода 22 мм, 38 :лм, 190 мм, 110 мм, 140 мм соответственно. Путём вычисления разницы деформаций земной поверхности при использовании переменного модуля деформации ОДЕ и О, ОБЕ и при фиксировании об дежи, получена соответствующая вертикальная деформация земной поверхности в оси станции метро 12 мм и 24 мм.

Сдвижение массива при сооружении станции метро от влияния ползучести грунтов исследовано при помощи переменных механических характеристик. Длительные значения модуля общей деформации и сцепления кембрийских глин и переходного слоя при t-> «*» составляет половину начальной величины. Отдельно реиаются задачи с разными свойствами грунтов. Из разниц деформаций этих решений получены деформа.и земной поверхности от влияния ползучести грунтов, которые изображены на рис.5. •

Из рис. 5 вг^но, что деформации земной поверхности, полученные при численном моделировании, близки к результатам фактических наблюдений. Максимальная вертикальная деформация п^ч численном моделировании составляет от 126мм до 137мм, фактическая — 125мм, а по прогнозу, выполненному ВНИИГ, — 200 мм. Следует отметить, что результаты прогноза, выполненного МКЭ с учетом последовательности сооружения станций метро, более соответствуют данным фактических наблюдений.

С це.;,ью выявления влияния глубины заложения станций метро на деформации поверхности была приведена серия расчетов при постоянных геологических условиях (табл. 1)

Численная модель принята как вышеописанная для односводчатой станции метго. Глубины шелыги свода до переходного слоя принимаются 15,5 м, 12,5 м, 10,5 м, 7,5м, 4,5 м.

Моделирование сооружения станций пр .водится в 4 шага. Высота разработки калотного профиля принята 2,5 м. Влияние горного давления и ползучести грунтов на деформации 'эмной поверхности не учитывается. Суммарная вертикальная деформация в оси станции метро при глубинах иелыги свода до переходного слоя 15,5 м, 12,5 м, 10,5 м, 7,5 м, 4,5 м, соответственна 56 мм, 57 мм, 58 мм, 60 мм, 63 мм. Видно,- что глубина шелыги свода до переходного слоя при сооружении, односзодчатых станций метро в подобных геологических условиях больше 10,5 м не имеет значительного влияния на деформации земной поверхности. При глубине иелыги свода до переходного слоя кембрийских глин 4,5 м, при раскрытии калотты зона пластических деформаций, охватывает очень большую область. Деда в некоторых элементах вышележащего приходного слоя и четвертичных отложений возникают пластические деформации. Таки:.: образом, од-косводчатые станции метро в подобных геологических услЬз.чкх целесообразно сооружаться в пределах глубин от 5 м до. 1.0 м.

Дня изучения влияния высоты разработки калоттного профиля на деформации земной поверхности также была проведена' серия расчетов с высотам;, разработки калоттного профиля 2,5 м, 3,5 м, 4,5 м.

При высоте 2,5 м, 3,5 м, 4,5 м, соответствующие суммарные деформации земной поверхности, полученные численным моделированием 1, П, Ш стадий сооружения станции метро, составляют 58мм, 64 мм, 81 мм.

Следует отметить, что высота раскрытия калоттного профиля сильно влияет на деформации земнс..< поверхности при сооружении од-носводчатых станций метро. Поэтому при проектировании схемы разработки калоттного профиля с учетом технических возможностей следует обеспечить минимальную высоту раскрытия.

С помощью разработанных контакт-элементов был исследован характер работы контакта между обделкой тоннелей и окружающими грунтами.

Механические характеристики контакта для численного расчета приняты следующие: Ек - 2000 Шэ, 6к -80МПа, Ск-0,05 Ш1а, ^-15?

При использовании принятых механических свойств контакта в результате расчетов не наблюдается.ни сдвигов , ни раскрытия контактов. Возможные места сдвигов находятся между обделками опорных тоннелей и обделками станционных тоннелей, где касательные напрз- • жения наибольшие. ■ .

Результаты приведенной серии расчетов для анализа влияния механических свойств контактов на распределение нормальных и касательных напряжений на контакте показали, что механические характеристики контактов сильно влияют на распределение напряжений на контакте.

В аналогичных геологических условиях было исследовано сдвижение массив^ от сооружения трехсводчагой колонной станции метро "Достоевская". ; ■ - ' .

- г\ -

С учетом последовательности строительства трехсводчатых станций метро колонного типа и особенности работы конструкций выделено пять стадий (рис. б) для численного моделирования: О - естественное напряженное состояние; I - проходка боковых тоннелей; П - монтаж обделки боковых тоннелей и колонн, проходка верхней части среднего зала; Ш - монтаж свода среднего зала V проходка лоткоьой части среднего зала, демонтаж временного заполнения; IV - монтаж обратного свода среднего зала и завершение проходки.

При проходке'боковых тоннелей вертикальное оседание земной поверхности в оси станции метро составляет 45 мм. Наблюдается пластическое деформирование вокруг выработки, особенно в элементах, находящихся между двумя боковыми тоннелями.

Дальнейшее раскрытие верхней части среднего зала не вызывается большого увеличения деформаций земной поверхности и расширения пластической зоны, разработка ядра " демонтаж временного заполнения увеличивают вертикальную деформацию земной поверхности на 1 мм.

Вопрос сдвижения массива от горного давления решается путем приложения перемещений, полученных от натурным наблюдений,.к обделке в два шага. Сначала прикладываются те перемещения, которые получены после сооружения боковых тоннелей, потом перемещения, полученные от строительства среднего зала. Максимальное оседание поверхности от горного давления составляет 23 мм.

Проблема влияния ползучести на деформации земной пове^/ности решается вышеописанным способом.

Суммарная максимальная вертикальная деформация .земной поверхности при численном моделирование составляет,124 мм. Как видно из рис.7, расчетнь'" деформаци поверхности очен-*- близки к фактическим. Это еще раз доказывает эффективность применена МКЯ с учетом последовательности сооружения стыишй' мс-тро;дды г.г-ог »г-ч

III

IV

Рис. 6 . Последовательность моделирования сооружения трехсвод-чатой колонной станции метро.

I -проходка боковых тоннелей;

II -т—монтах обделки боковк.: тоннелей и колонн, раск-

рытие верхней части среднего зала;

II I-монтаж обделки верхнего свода, разработка яд-

ра и лотковой части, и демонтаж временнего заполнения; ■ '

I V-завершение проходки и монтаж обратного свода.

Рис. 7 . Деформации земной поверхности при сооружении трехсводчатой колонной станции "Достоевская".

деформации поверхности.

На основе анализа деформаций поверх.гостных зданий и существующих мероприятий по усилению поврежденных зданий и сооружений при строительстве метрополитена были предложены типе вые меры для защиты зданий и сооружений в зависимости от их степени повреждения.

В четвёртой главе представлены примеры применения разработанного простого контакт-элемента при решении других задач геомеханики.

Был проведен анализ устойчивости слоистых горных пород в откосах и анализ сдвижения слоистой налегающей толщи при подземной разработке крутопадающего угольного пласта. Результаты расчетов показал: эффективность использования разработанного контакт-элемента для решения таких сложных задач.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная программа " ЗЕЭЕИ " позволяет автоматически разбить расчетную область на треугольные элементы и контакт-элементы для сплошных, слоистых и блочных сред. ,

2. Простой контакт-элемент, в частности реализующий двухмерную винклеровскую упругую постель, позволяет'анализировать работу ослабленного контакта между сооружениями'и окружающими грунтами, и работу слоистых и блочных сред.

3. На основе анализа численного моделирования проходки подземных выработок с помощью МКЭ установлено, что при моделировании проходки подземных выработок вынимаемым элементам следует присваивать низкий (но не равный нулю)' модуль упругости, а узлы в вынимаемой области не следует фиксировать.

4. По анализу результатов численного расчета при проходке

одиночного тоннеля 'остановлено, что при проходке не во всем окружающем массиве происходит разгрузка: в некоторых областях — разгрузка, а в других областях — дополнительное нагружение. Но в большинстве элементов, находящихся в зоне влияния сдвижения массива происходит сдвиговое нагружение. Поэтому при моделировании проходки подземных выработок именно модуль общей деформации должен быть выбран в качестве расчетного для анализа напряженно- деформированного состояния массива.

5. Сопоставление результатов численного моделирования сооружения односводчатой и трехсводчатой колонной станций метро с учетом последовательности их строительства с данными фактических наблюдений свидетельствует о высокой точности численного прогноза деформаций земной поверхности.

6. Результатами серии расчетов установлено, что в условиях Санкт-Петербурга станции метро целесообразно сооружать при глубине свода до переходного слоя кембрийских глин не больше 10 м и не меньше 5 м, а высота раскрытия калотты имеет большое влияние на деформации поверхности. •

7. При анализе взаимодействия обделки 1' окружающего грунта выявлено, что мехапческие характеристики контакта сильно влияют на распределение напряжений на контакте. При выбранных механических свойствах не наблюдаются сдвигов между обделками и окружающими грунтами. . •

8. Разработанный простой контакт-элемент позволяет эффективно решить проблемы анализа напряженно-деформированного состояния трещиноватых сред.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Деформации поверхностных сооружений при строительстве метрополитене/ А .Б.Фадеев, Чкао Гуан-Цзянь//тр. Международно: симпозиума "Реконструкция - Санкт-Петербург 2005". Санкт-Петербург, 1992.

2. Моделирование геомеханичесхих задач с помощью программ ного комплекса "(rEOMOD " /А.Б.Фадеев, П.И.Репина, Чжао Гуан-Цзянь, Л .А .Глыбин//тр. 1У Российской конференции с иностранш участием "Нелинейная механика грунтов". Санкт-Петербург, 199J