автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Совершенствование конструкций и методов расчета ребристых обделок транспортных тоннелей

г

и

тля

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

■На правах рукописи

САЛАСАР Эхтор

УЖ 624.191. 24

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА . РЕБРИСТЫХ'ОБДЕЛОК ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Специальность 05.23.13 - Носты и транспортные тоннели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992 . _I

Г7"/

I <

I > Ъ

I »

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте на кафедре мостов и транспортных тоннелей.

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор МАКОВСКИЙ Л. В.

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

голииынскии ДМ.

- кандидат технических наук, доцент СПЕМЗИН А Е.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строитель- . ства СИНИИО.

Защита состоится "_"_1992 г. в _ ч.

на заседании специализированного Совета К 053.30.03 в Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, ГСП, Ленинградский пр-т, д. 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в ученый совет института.

Автореферат разослан "_"_ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент (/¿'/и •' 0. В. ВОЛЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Непрерывное увеличение масштабов тоннелестроения приводит г необходимости более глубокого изучения и научного обобщения накопленного теоретического и практического опыта для создания эффективных конструкций" и технологии строительства тоннелей с целью уменьшения их себестоимости, увеличения темпов возведения и повышения надежности и долговечности.

В последние годы в тоннелестроении • расширяется область применения тонкостенных конструкций тоннельных обделок, работающих совместно с окружающим грунтом.

Конструкции таких обделок выполняют преимущественно из на-брызг-бетона, усиливая их в случае необходимости металлическими арками, анкерами различной конструкции, а также ребрами жесткости, что обусловливает более гибкую технологию возведения обделки в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий.

Перспективными являются ранее не исследование конструкции набрызг-бетонных обделок с усиливающими элементами в виде наружных ребер, которые бетонируются в прорезях в грунтовом массиве. Ребра призваны придать обделке дополнительную несущую способность и жесткость, а также закрепить часть грунтового массива, улучшая ее совместную работу с конструкцией.

Внедрению таких конструкций препятствует отсуствие иссле- . дований их работы совместно с грунтовым массивом, методики расчета, и связанное с этим отсуствие научно-обоснованных рекомендаций по назначению конструктивно-технологических параметров.

Актуальность диссертационной работы определяется расширением масштабов тоннельного строительства на основе использования более рациональных конструкций обделок, отвечающих новым тенденциям современной технологии строительства.

Целые диссертации является исследование работы ребристых

ч

обделок и создание4методики их расчета на статические и сейсми-

ческие воздействия с учетом изменения геометрических па:

та

' тров ребер и обдеяги, особенностей окружающего грунтового нас-' сива, а также разработка практических рекомендаций конструктивного и технологического характера.

Научнус новизну работы составляют:

- выявление эффективности облегченных конструкций тоннельных обделок из набрнзг—бетона с наружными ребрами и установление целесообразной области их применения;

- исследование работы ребристых обделок во взаимодействии с окружающим грунтовым массивом на статические и сейсмические воздействия;

- разработка методик определения оптимальных параметров наружных ребер с учетом аесткостных характеристик окружающего массива, материалов обделки, а также характера статических и сейсмических воздействий;

- рекомендации, касающиеся назначения конструктивно-технологических параметров ребристых обделок.

Достоверность полученных выводоз подтверждена совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность диссертации заключается в создании методик расчета обделок с наружными ребрами на статические и сейсмические воздействия, в разработке конкретных рекомендаций по назначению оптювльных параметров обделок с наружными ребра-' ми и технологии сооружения тоннелей с ребристыми обделками.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на научно-технических конференциях в НАДИ в 1939 - 1991 гг и на заседаниях кафедра "Мосты и транспортные тоннели" НАДИ.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 3 статьях.

Объем работы Диссертация состоит, из Введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и Приложения. Она включает 180 страниц текста, 75 рисунков и 3 таблицы. Огосок литературы содержит 124 наименования, из них 54 зарубежных авторов.

ОСНОВКЬЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В первоп главе диссертации проанализировано развитие тоннелестроения и перспективы увеличения объемов подземного строительства. Приведен обзор конструкций и методов расчета тоннельных обделок сводчатого очертания и тенденций их развития.

В последние годы в тоннелестроении наблюдается тенденция более рационального использования всех Факторов, влияющих на конструкции подэемннх сооружений, учет их работа совместно с округ-ающим грунтом, ведение работ в зависимости от поведения грунта з первое время после его разработки, что дает возможность применять конструкций облегченных обделок из набрызг-бе-^ тона. Указанные принципы находят отражение в новом австрийском тоннельном методе С НАТМ 3.

Как логическое продолжение развития конструктивных рекений облегченных тоннельных обделок с применением НАТМ можно выделить тоннельные обделки с усиливающими элементами в виде наружных ребер, забетонированных в грунтовом массиве, прилегающем . к контуру выработки. Ребса придают обделке дополнительную прочность и жесткость, а также закрепляют часть грунтового массива, улучшая совместную с ним работу конструкции. В зависимости от инженерно-геологических условий по трассе тоннеля, типа грунтов, характера их напластования, степени устойчивости и трещинова-тости, ребра могут располагаться вдоль или поперек продольной оси тоннеля.

Конструкция обделки с продольными ребрами состоит из оболочки и ребер высотой h , расположенных с определенным шагом а р р

по всему периметру выработки или только ее сводовой части Срис. 1). Оболочка может быть выполнена из монолитного бетона или набрызг-бетона, армированного стальной сеткой или фибрами. Ребра устраивают в грунтовом массиве путем образования прорезей шеленарезней машиной и последующего их заполнения набрызг-бето-ном. В случае необходимости ребра могут усиливаться арматурными каркасами, связанными с арматурной сеткой оболочки. Возможно

I U_j

I i

устройство ребер жесткости одинаковой или разной высоты h ,

р

причем вдоль оси тоннеля высота рэбер также может быть как постоянной, так и переменной.

Наиболее целесообразную область применения ребристых обделок составляют породы с коэффициентом крепости по М. Н. Протсг дьяконову Г - 2 - 5.

Процесс строительства тоннелей с возведением ребристых обделок аналогичен технологии НАТМ и состоит из следующих этапов: разработка грунта; образование щелей; установка арматуры; заполнение щелей бетоном или набрызг-бетоном; нанесение первого слоя обделки; возведение вторичной обделки.

Применение обделок с наружными ребрами внутри грунтозого массива позволяет сократить размеры поперечного сечения тоннельной выработки на 6 - уменьшить объем разрабатываемого грунта и устраивать тонкостенную оболочку, несущая способность и жесткость которой зависят, главным образом, от параметров ребер.

| б 1 I_

— I

Такая обделка оказывается рациональной при строительстве тоннелей в сейсмически активных районах, ввиду того, что наружные ребра повышают сейсмостойкость констругции. Расположение ребер оказывает влияние на работу обделки в зависимости от преобладающих направлений сейсмических волн.

Преимуществом ребристых обделок является также гибкая технология их возведения, позволяющая изменять параметры v.-öep и даже их направление з зависимости от встречаемых по г-'. 'л тоннеля горно-геологических условий.

Совершенствование методов расчета тоннельных обделок тесно связано с развитием их конструктивных решений. Существуют многочисленные методы расчета обделок от самых простых, где обделка рассматривается в виде отдельной конструкции, на которую действуют внешние нагрузки от грунта, до наиболее совершенных на данном этапе, где рассматривается совместная работа обделки и грунта с учетом большого количества Факторов, влияюаих на их взаимодействие.

Существенный вклад в теорию расчета подгемных конструкций внесли советские ученые. Расчетам, основанным на строительной механике, посвящены работы О. Коммереля, С. Н. Розанова, С. С. Давыдова, Т. Г. Зурабова, О.Е.Бугаевой, Б. П. Бодрова, Б. Ф. Натери, В. В. Синельникова, С Н. Наумова, В. Г. Храпова, H.H. Шапошникова, С. Н. Беркиной, Б. 3. А1-1усина, И. Г. Ипиро и др: Вопросы расчета тоннельных конструкций на основе механики сплошных сред отражены в ■ трудах Б. Г. Галеркина, Г. Н. Сазкна, Г. В. Колосова, Н. И. Нусхелишви-ли, С. Г. Лехкицкого, А Н. Динника, Н. С Булычееа, Н. Н. фотиевой, Ю. Н. Айзазоза и др.

При расчете тоннельных обделок по теория оболочек, находят применение работы советских ученых В.З.Власова, А. Л Гольденвейзера, К. Е. Низ^ейкозского, В. 3. Назсжилоза, О. Д. Ониашвили, Н. П. Абовского, Д. В. Еайнберга, С. Н. » «р.

В последние десятилетия резко возросло применение численных методоз для расчета подземных сооружений, звиду того, что

Г -

они позволяют рассчитывать сооружения произвольной Формы, учитывать неоднородность пассива, нелинейные свойства горных пород и материала обделки. Применению метода конечных элементов для решения геомэханичгских задач посвящены работы Б. 3. Амусина,-А. Б. Фадеева, Ж. С. Ерганова, О.К.Зенкевича, А. С. Городецкого, Л. А. Розина, С. Б. Ухова, С А. ЮФина и др.

На основе проведенного анализа для изучения работы ребристых обделок на статические и сейсмические воздействия признано целесообразным проведение теоретических и экспериментальных исследований с использованием методов математического и Физического моделирования.

Во второй главе приведены содержание и результаты теоретических исследований работы обделки с наружным: ребрами на статические воздействта Проанализирована работа ребристых обделок в зависимости от изменения геометрических характеристик ребер, жесткостных характеристик грунта, материала обделки и ребер и др.

Работа обделок с наружными ребрами имеет ряд существенных отличий от гладких сбделох, поэтому для их исследования необходимо учесть следукгие обстоятельства:

- обделки с наружными ребра™ являются конструкциями сложной конфигурации;

- ребра устрашаются непосредственно в. - грунтовых прорезях, что существенно изменяет характер взаимодействия обделки с грунтовым массивом;

- ребра изменяют жесткостные характеристики обделки, а также ее несущую способность;

- технология возведения обделок с наружными ребрами предусматривает несколько этапов;

- в технической литературе отсуствуют упоминания об исследованиях работы тоннельных обделок с наружными ребрами.

При исследовании ребристых обделок аналитическими методами наиболее целесообразно применять разработки . в области теории

I 8 | 1_!

оболочек, включающие математический аппарат для предварительной

оценки работы данных обделок на сосредоточенные нагрузки.

В большинстве работ по расчету ребристых оболочек принят

упрощающих необходимый математический аппарат. Таким образом, ребристые оболочки рассматривают как гладкие • конструктивно-ор-тотропныэ, т. е. жесткость дискретных ребер . усредняется по всей поверхности оболочки по так называемой "размазызземой теории".

В работах Д. В. Вайнберга принят другой подход, где выбор расчетной схемы зависит от соотношения исходных параметров рассчитываемой системы: частоты расположения ребер и относительной жесткости стенки оболочки и ребер. В этом случае жесткость ребер не усредняется по поверхности оболочки.

В случае малого числа сравнительно зкестких ребер вопрос сводится к исследовании напряженного состояния прямоугольной панели цилиндрической оболочки, контур которой опирается на упругие ребра С рис. 23. п

ряд допущений, изменяющих действительную расчетную схему и

j9

Рис. 2 Осема расчета ребристой обделки

Для случая, когда Р

const получены окончательные Формулы

для перемещений:

I_I

œ 1-C—1D uCa.ß) - ф1 £

sin ■

m=l m

4 4

m + s

4

1 - f>m

SmC/33

„ Г 2 <-4 .Г- 4>П -4

œ Cm n 3 Cl+C-13 3 cos ' -где, SmCßi - £ -

2224 Л Л

п=о ССю +г П э + m s 3 С1+ 6 3

on

PR*

2a

S4 =

1-v

Ф m Sm(O)

4

H

. C13

С 23

С 33

E^I^ - изгибная жесткость ребер,

D - цилиндрическая жесткость оболочки, Eil 1

Di - -- приведеная жесткость ребра на изгиб,

BR п.

С 43

- относительная жесткость ребра и стенки оболочки,

0 il при п - О * on ~ (.0 при п * О .

С 53

С63

'В оп (.0 при п * О

Аналитические исследования, проведенные с помощью вышеуказанного подхода, показали, что деформированное состояние оболочки изменяется при введении в работу ребер следующим образом: деформации уменьшаются по мере приближения к местам расположения ребер; при увеличении длины ребер деформации оболочки в этих местах существенно уменьшается по сравнению с оболочками без ребер ¿до 25Х при длине ребер 2/5.R, где R - радиус оболочки} ; при увеличении расстояния между ребрами уменьшается их влияние на деформированное состояние оболочки.

Исследования ребристых оболочек с помощью данной методики имеют ценность только с позиции качественной оценки благоприятного влияния ребер на работу части конструкции. Однако ряд допущений не дают возможности оценить работу самих ребер в тоннельных конструкциях, где одновременно имеется большое количес-ство ребер, причем их расположение достаточно произвольное, а нагрузка не является постоянной по всей площади контакта с

Ю 1 I

грунтовым массивом.

Для получения более точной картины работы ребристых обделок на статические воздействия применено математическое моделирование с помощью программных комплексов ЛИРА и SAP-80, реализующих метод конечных элементов.

При определении расчетной модели были учтены: размеры минимальной исследуемой области шириной 2В С где В - пролет выработки 3; нагрузка от "снимаемых" напряжений по контуру выработки; необходимая разбивка сетки для моделирования изменения таких параметров как длина, толщина и шаг ребер, толщина обделки, место расположения ребер как по наружному так и по внутреннему контурам обделки и др.

Сетка состоит из 640 элементов треугольной формы и 340 узлов для расчетов ПК ЛИРА и из 401 элемента четырехугольной Формы и 433 узлов для расчетов ПК SAP-80. Применение ПК SAP-80 принято для исследования части факторов и для оценки правильности результатов, полученных с помощью ПК ЛИРА.

Планирование исследований обделок с наружными ребрами на статические воздействия включало математическую модель исследования, в которой параметрами оптимизации являются напряжения в обделке, как в верхних С контактных} так и нижних С внутренних} Фибрах, а также напряжения, моменты и продолные силы по ее оси.

Были выбраны несколько Факторов, при изменении которых можно судить об их влиянии при совместной работе ребристой об. делки с грунтовым массивом:

- нагрузка на ребристую обделку;

- длина ребер;

- место расположения ребер;

- шаг ребер;

- толщина ребер;

- толщина обделки;

- наружные и внутренние ребра;

- жесткостные характеристики обделки и ребер;

I—I Li!'

- жесткостные характеристики грунта;

- сочетание ребер различной длины С оптимальное расположение по результатам учета предыдущих Факторов).

В общей сложности были проведены более 60 рзсчетов, составляющих более £5 М5 выходной информации. Для обработки такого количества результатов автором диссертации была разработана программа "Analisis", а также был использован программный ком-• плекс "REFLEX", позволяющие проводить математическую, текстовую и графическую обработку больших баз данных.

По каждому Фактору исследования была проведена серия расчетов и получены эпюры напряжений С контактные, по оси и внутренние} в 25 различные сечениях обделки. Получены также графики изменения напряженного состояния обделки в местах расположения ребер для разных «акторов исследования. Для некоторых Факторов получены эпюры деформаций оси обделки, а также эпюры моментов и продольных сил.

На основании проведенных исследований статической работы обделок с наружными и внутренними ребрами установлено, что введение ребер в работу обделки уменьаает уровень' напряжений в местах их расположения.

При работе обделки с наружными ребрами их оптимальная длина составляет примерно СО.02 - 0.03) В, что дает в среднем уменьшение напряжений в обделке на 21-22У. в . местах их расположения.

При определении оптимального расположения одного ребра выяснилось что ребро дает больнее уменьшение напряжений в обделке Сдо ЗО'/О в местах, где возникают наибольшие напряжения в гладкой обделке.

Влияние ребер является местным при их одиночном расположении, а при работе совместно с другими 'ребрами, местное влияние переходит в общее по мере уменьшения шага между ними.

Влияние наружных ребер на работу обделки возрастает по мере уменьшения модуля упругости грунта С рис.3), что дает основа-112 ! i_

10 5 0

-5-

0

ШСШШЬШЕ КОНТА1С'ГНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ОТ СТАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ГРУНТАХ С РАЗНЫМ МОДУЛЕМ УПРУГОСТИ МПа '¿О

YY ^

—[

Чу/

jZl__и_т

=ы

15

20

НОМЕР СЕЧЕНШ

N

„л_ОБДЕЛКА БЕЗ РЕБЕР ОБДЕЛКА С РЕБРАМИ _х_ ОБДЕЛКА С РЕБРАМИ ОБДЕЛКА С РЕБРА1ЛИ

! Егр= 200 МПа ' Ец,= 200 МПа Е¥= 4000 МПа Егр= 20000 МПа ,

Рис. 3

'ние считать, что обделки с наружными ребрами лучше всего устра- ' ивать в грунтах средней крепости С Г - 2 - 5 Э.

Толщина ребер не играет существенной роли в работе обделки с наружными ребрами, а их оптимальная толщина составляет 0,02 В. ■ Наличие ребер улучшает условия работы обделки в большей степени, чем увеличение ее толщины, особенно в сводовой части.

Наружные ребра влияют на работу обделки в большей степени, чем внутренние, что свидетельствует об их совместной работе с окружающим грунтовым массивом.

По результатам исследований рекомендуется следующая схема расположения ребер: в месте, где появляются наибольшие напряжений в гладкой обделке, следует устраивать наружные ребра различной длины и с разным шагом между ' ними таким •образом, чтобы самые длинные ребра оказались в области максимальных напряжений, а по мере удаления их длина может быть уменьшена, а шаг увеличен.

В рамках диссертации разработана методика расчета ребристых обделок на статические воздействия, предусматривающая:

- построение расчетной модели;.

- определение минимальнь&с размеров и границ области расчета;

- разбивка области на сетку конечных элементов с учетом особенностей ребристых обделок;

- определение значений "снимаемых" напряжений;

- назначение параметров обделки;

- расчет гладкой обделки;

- определение характера изменения напряженного состояния обделки;

- назначение оптимального расположения наружных ребер;

- расчет обделки с наружными ребрами и определение степени улучшения работы обделки от их введения.

В третьей главе приведены содержание и результаты • теоретических исследований работы обделки с наружными ребрами на сейсмические воздействия. Проанализирована работа ребристых обделок 114 ! 1_1

'в зависимости от изменения геометрических характеристик ребер, жестуостньк характеристик грунта, материала обделки и ребер.

Прогнозные оценки характера поведения конструкций тоннельных сооружений при динамических воздействиях в реальных условиях строительства и эксплуатации определяются напряженно-деформированным состоянием сооружения во взаимодействии с грунтовым массивом. Среди динамических воздействий особое место • занимают сейсмические. Многие тоннели сооружаются в районах повышенной сейсмической активности: на Кавказе, в Средней Азии, Японии. США, Колумбии и др.

Применительно к оценке динамического воздействия на напряженное "состояние подземных сооружений в СНГ выделяются разные подходы. Первый - сейсмодинамический, основы которого заложены А. А. Ильюшиным и' Т. Р. Рашидовым, развитый далее Г. X. Хожметовым, Я. Н. Мубакаровым, А. А. Ишанходжаевым и др. Второй - квазистатический, предложений Ш. Г. Напетваризе и существенно развитый Н. Н. Фотиевой, использован в работах Н. С. Булычева, И. Я. Дормана, А. П. Козлова, А. С Саммаля и др. Этот подход обобщен на анизотропный породный массив в работах 1С Ержанова, ULM. Айталиева, X К. Масанова и др. Третий подход, учитывающий дифракцию, преломление и отражение сейсмических волн на подземных сооружениях и конструкциях, развивается Л. А. Алексеевой, а также В. В. Шершневым, В. Н. Украинцем и др.

Применением метода конечных элементов для расчета влияния сейсмических воздействий на работу подземных сооружений совместно с окружающим грунтовым массивом занимаются X К. Масанов, И. Б. Баймаханоз, Н. И. Махметова, И. Я. Дорман, А.В.Кузьмин и др.

Использование численных методов, в том числе и метода конечных элементов, при решении задач, связанных с работой подземные сооружений на динамические воздействия, можно встретить в работах D. J. Bathe, Е. L. Wilson, ■ R. Е. Goodman, С.М. St John, Н. В. Seed и др.

Метод конечных элементов дает большие возможности для ис-

II [Л

1 i следования ребристых обделок, т.к. он в полной мере позволяет

учесть многие особенности их работы и получить картину напряженно-деформированного состояния ребристых обделок при их работе на сейсмические воздействия.

При использовании МКЭ, для определения сейсмических нагрузок, действующих на ребристую обделку с учетом окружающего грунтового массива, применен спектральный метод, требующий изучения динамического поведения системы, которое в момент времени t описывается системой диференциальных уровнений:

CM) CuCOJ + [С] [uCt3] + СКЗ tuCO] = [К] [и ] ,

g

где: [uCt3] ,£йСО] и СиСО] - векторы узловых ускорений, скоростей и перемещений соответсвенно;

СМ] - матрица масс системы;

[Ki - матрица жесткости системы;

СС1 - матрица демпфирования системы;

[и ] - вектор ускорения сейсмического воздействия.

Э

Для решения системы уравнений использован метод разложения перемещений по Формам свободных колебаний.

В проводимых исследованиях были учтены два направления сейсмического воздействия при количестве учитываемых Форм собственных колебаний, равном пяти. Границы области грунтового массива находились в удалении от тоннельной обделки более чем на 3 В СБ - пролет выработки).

Расчеты проводились с помощью программного комплекса SAP-80, который реализует спектральный метод определения • сейсмических нагрузок по Формуле динамического поведения системы ' конечных элементов. Ускорение грунтового массива вводится в виде табулированной кривой спектрального отклика С спектральное ускорение расчетного землетрясения}.

Были проведены расчеты 18 вариантов, причем параметрами оптимизации исследований приняты напряжения в обделке, как в верхних С контактные} так и в нижних Фибрах С внутренние}, а также U.6J . !_1

I i

главные напряжения по оси обделки.

Исследовано влияние таких Факторов как длина и толщина ребер, толпина обделки, наружные и внутренние ребра, • жесткостные характеристики грунта, сочетание ребер разной длины.

По каждому Фактору проведена серия расчетов и получены эпюры напряжений в обделке С контактные, по оси и внутренние 3, в 25 сечениях. Получены также графики изменения напряжений в зависимости от разных секторов в кастах расположения ребер.

На основании проведенных исследований работы ребристых обделок на сейсмические воздействия установлено, что влияние наружных ребер оказывается в большей степени чем при работе обделки на статические воздействия, причем уровень напряжений в обделке уменьшается особенно в местах их расположения в ■ среднем Нсь.3054.

При воздействии сейсмических нагрузок на обделку как и при статических воздейстиях наружные ребра создают лучшие условия ее работы, чем при увеличении ее толщины, оптимальная длина составляет СО,02 - 0,033 В, а изменение их толщины не играет большой роли.

Обделки с наружными ребрами работают лучше, чем обделки с внутренними ребрами, что свидетельствует о повышении сейсмостойкости обделки при совместной работе наружных ребер с' окру-жающкм грунтовым массивом.

Введение в работу наружных ребер . улучшает напряженное состояние обделки при сейсмических воздействиях по мере уменьшения модуля упругости окружающего грунтового массива С рис. 43, достигая в грунтах с Е - 200 МПа до 4СЯ уменьшения напряжений по сравнению с гладкой обделкой.

Рекомендуется следующая схема расположения ребер для сейсмостойкой конструкции ребристой обделки: в зонах появления мак-

\

симзльных напряжений следует устраивать ребра с разным шагом таким образом, чтобы они чаще распологались в области наибольших напряжений, а по мере удалении их шаг может быть увеличен.

I uzJ

со

Максимальные контактные напряжения от сейсмических воздействий в грунтах с разный модулем упругости

К Па 5

j

номер сечения

N

. ОБДЕЛКА БЕЗ РЕБЕР_ ОБДЕЛКА с РЕБРАМИ „ ОБДЕЛКА с РЕБРАМИ Егр= 200 МПа . Ejj>= 200 МПа Exp = 4000 мпа

Рис. 4

ОБДЕЛКА С РЕБРАМИ 20000 МПа

В рамках диссертации разработана методика расчета ребристых обделок на сейсмические воздействия, предусматривающая:

- построение расчетной модели;

- определение размэроз и границ расчетной области;

- разбивку области на сетку конечнь&с элементов;

- определение предполагаемой кривой спектрального отклика и количества учитываемых Форм собственных колебаний;

- расчет гладкой обделки;

- определение характера напряженного состояния обделки;

- назначение оптимизированного расположения наружных ребер;

- расчет обделки с наружными ребрами и определение степени улуч-иання работы обделки от их введения.

В четвертой глагэ описаны лабораторные экспериментальные исследования моделей обделок с наружными ребрами на статические воздействия, проведенные на объемном силовом стенде. Проанализированы закономерности формирования напряженного состояния в моделях обделки, влияние ввода в работу наружных ребер. Результаты экспериментальных исследований сравнивались с данными математического моделирования моделей НКЭ.

Подели обделки из стеклопластика помещались в объемном си-лозом стенде длиной 110 см, шириной 93 см и высотой 54 см. Масштаб геометрического подобия модели составлял 1.- 50. Давление грунта моделировалось прессом 1МС-100, создающим усилие до 1000 Хн. Для передачи давления на модель использовалась песчаная засылка. Изменения напряженно-деформированного состояния модели во внутренних и наружных Фибрах Фиксировались при помощи 160 тензодатчик оз.

Б^та исследованы 3 модели обделки: гладкая, с Э ребрами одинаковой длины, с 9 ребрами различной длины. По результатам измерений определены картины напряженного состояния обделки зо внутренних и наружных Фмбрэх. выявлены особенности изменения напряженного состсянмг; сбдэлки в зависимости от введения в работу наружных ребэр одинаковой или разной длины. Подтверждено,

I Цэ]

что наружные ребра уменьшают уровень напряжений в обделке и что ' обделка с ребрам-: разной длины работает лучше, чем обделка с ребрами одинаковой длины.

Сценка результатов экспериментальных исследований проведена с помощью расчетов моделей методом конечных элементов, результаты которых показали, что характер изменения контактных и внутренних напряжений одинаков, однако при Физическом моделировании зафиксировано большее влияние наружных ребер, что связано с реальным поведением моделируемых конструкций и грунта.

На основании экспериментальных; исследований установлено, что ребристая обделка работает лучше гладкой, т.к.. взедение наружных ребер уменьшает уровень напряжений, особенно в замке свода С в среднем на 20 - ЗОЮ.

Результаты экспериментальных исследований также подтвердили вызоды теоретических исследований о том, что введение в работу наружных ребер улучшают напряженнее состояние обделки, однако в экспериментах наблюдалось несколько больше влияние,. ребер что связано с реальным поведением моделируемых конструкций и грунта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫЗОДЫ

1. Выполнен анализ современного состояния в области проектирования монолитных бетонных обделок сводчатого очертания. Выявлена эффективность облегченных конструкций из набрызг-бетона с наружными ребрами, забетонированными в прорезях в грунтовом массиве, и установлена целесообразная область их применения: в грунтах средней крепости с / - 2-5, а также в условиях повышенной сейсмической активности. Применение обделок с наружными ребрами позволяет на 6 - 8Н сократить площадь поперечного сечения выработки, на 40 - 5054 расход монолитного бетона и на 20 -25% стоимость по сравнению с гладкими монолитными обделками.

2. Установлено, что для исследования работы ребристых об-¿дзлок наиболее целесообразно использование метода конечных эле- |

мантов, позволяющего учесть совместную работу конструкции с ' грунтовым массивом на различных этапах ее возведения при широком варьировании геометрических и конструктивных параметров.

3. ПроЕедены расчетао-теоретаческие исследования работы ребристых обделок во взаимодействии с окружающим грунтовым массивом на статические воздействия методом математического моделирования, на основании которых установлено:

- введение наружных ребер в работу обделок уменьшает уровень напряжений особенно в местах их расположения и среднем на 1530%;

- оптимальная длина ребер составляет С 0,02 - 0,03 5 В, С где В -пролёт выработки}, а их влияние увеличивается по мере уменьшения шага между ними;

- влияние наружных ребер на работу обделки возрастает по мере уменьшения модуля упругости грунтового массива;

- наружные ребра влияют на работу обделки в большей степени, чем внутренние;

- ребра уменьшают уровень напряжений в болыаей степени в зонах, где возникают наибольшие контактные напряжения. Поэтому ребра

следует распологать в зонах где в гладких обделках возникают . наибольшие контактные напряжения.

4. Выполнены расчетно-теоретические исследования работы ребристых обделок во взаимодействии с окружающим грунтовым массивом на сейсмические воздействия с применением спектрального метода, на основании которых установлено:

- обделки с наружными ребрами представляют собой сейсмостойкие конструкции, работающие совместно с грунтовым массивом;

- введение наружных ребер в работу обделки при воздействии на нее сейсмических нагрузок уменьшает уровень напряжений на 20 -40Я, причем характер изменения напряжений такой же, как при воздействии статических нагрузок.

5. На основе теоретических исследований предложены оптимальные параметры ребристых тоннельных обделок при их работе во

[_] '

- I

взаимодеиствии с грунтовым массивом и разработаны методики их

расчета как на статические так и на сейсмические воздействия.

6. Проведены экспериментальные исследования обделок с наружными ребрами на объемном силовом стенде, с помощью которых выявлены основные закономерности Формирования напряженного •состояния во внутренних и наружных фибрах ■ обделки в - зависимости от изменения длины" и расположения наружных ребер и подтверждены основные результаты теоретических исследований.

7. Разаработаны рекомендации конструктивно-технологического характера, направленные на повышение эффективности ребристых обделок и регламентирующие места расположения и геометрические характеристики ребер, толщины обделки, а также жесткост-ные характеристики материалов ребер, обделки и грунта. Предложена технологическая схема сооружения тоннелей с ребристыми обделками.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Саласар Э. Исследование МКЗ напряженно-деформированного состояния грунтового массива при проходке тоннеля. Сборник научных трудов НАДИ. -М , 1987. ;

2. Саласар Э. Рациональные конструкции тоннельных обделок. Сборник научных трудов НАДИ. -М , 1989.

3. Саласар Э. Исследование статической работы ребристых тоннельных обделок. Нетро. -М , 1992. N 1. Св печати)

I 221