close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Критериальная оценка устойчивости незакрепленных подземных сооружений при различной их форме поперечного сечения

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ПОДЛИНЕВ МАКСИМ ОЛЕГОВИЧ
КРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ НЕЗАКРЕПЛЕННЫХ
ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ИХ ФОРМЕ
ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
Специальность: 05.23.02 - Основания фундаменты, подземные сооружения
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2016
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель:
Богомолов Александр Николаевич
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Готман Наталья Залмановна
доктор технических наук, профессор
ООО «СпецГеотехПроект»,
технический директор (г. Уфа)
Маковецкий Олег Александрович
кандидат технических наук, доцент
ОАО «Нью Граунд», заместитель директора
по научно-техническому сопровождению
проектов (г. Пермь)
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный
исследовательский политехнический
университет» (г. Пермь)
Защита состоится 19 апреля 2016 года в 13-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.026.04 в ФБГОУ ВПО Волгоградском
государственном архитектурно строительном университете по адресу:
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 ауд. Б-203
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО
«Волгоградский государственный архитектурно строительный университет»
Автореферат разослан «____» ______________2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Акчурин
Талгать Кадимович
3
Общая характеристика работы
В настоящее время освоение подземного строительства развивается быстрыми темпами. Это объясняется постоянным ростом численности городского населения, дефицитом территорий, пригодных для строительства, перегруженностью
надземных транспортных магистралей и т.д. Все эти факторы стимулируют ускорение темпов освоения подземного пространства, повышают объемы строительства подземных сооружений: транспортных коммуникаций, складов, различного
рода хранилищ. Под землей размещают парковки, офисы, магазины, объекты
промышленного назначения.
Совсем недавними примерами ввода в эксплуатацию транспортных коммуникаций является открытие подземного автомобильного тоннеля в г. Волгограде,
который связал Ворошиловский и Советский районы города.
Буквально недавно открыт для движения автомобильного транспорта Алабяно-Балтийский тоннель в Москве, который поражает своими характеристиками:
длина сооружения равна 1565м, а глубина заложения 25м. Тоннель позволил разгрузить автомобильное движение на Ленинградском и Волоколамском шоссе на
20-25%.
В РФ проектирование и строительство подземных сооружений любого типа
отраслевого назначения выполняется в соответствии с положениями нормативных
документов СП 91.13330.2012 «Подземные горные выработки», СП
120.13330.2012 «Метрополитены», СП 102.13330.2012 «Тоннели гидротехнические» и др.
Стоимость строительства подземных сооружений достаточно высока и продолжает увеличивается с приращением величины ее глубины заложения, так как
это усложняет способ доставки элементов конструкции крепления. Имеются
предложения об использовании в строительстве неподкрепленных подземных выработок, однако это напрямую зависит от способности подземной выработки сохранять свое устойчивое состояние, обеспечивающее ее безопасную эксплуатацию на протяжении запланированного срока.
Устойчивость подземных выработок зависит от ряда факторов: численных
значений физико-механических свойств вмещающего грунтового массива (удельное сцепление с, угол внутреннего трения φ, приведенного давления связности σ св
и коэффициента бокового давления ξо), геометрических параметров подземной
выработки (форма и размер поперечного сечения b, ее глубина заложения Нз),
наличия или отсутствия элементов обделки и т.д.
Поэтому решение задачи об оценке устойчивости подземной выработки различного поперечного сечения, отрабатываемой в связных глинистых и скальных
грунтах с учетом всех перечисленных факторов, является весьма актуальной.
Цель диссертационного исследования: разработать инженерный метод
оценки длительной устойчивости подземных выработок различного поперечного
сечения на основе анализа напряженного состояния вмещающего массива грунта.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие
задачи:
4
1.
Выполнен анализ наиболее известных методов оценки устойчивости выработок, положений нормативных документов, упорядочивающих расчет устойчивости подземной выработки; критериев прочности вмещающего грунтового массива. Показано, что для достижения поставленной цели необходимо использовать
результаты анализа напряженного состояния вмещающего грунтового массива и
процесса образования и развития областей неупругих (пластических) деформаций
и зон разрушения (дробления или разрыхления) на контуре подземной выработки.
2.
Установлен перечень основных расчетных параметров, влияющих на устойчивость подземной выработки; определены их предельные численные значения.
Выполнена оценка их влияния на напряженное состояние и на процесс формирования зон неупругих деформаций на контурах выработок различного поперечного
сечения.
3.
Использована усовершенствованная механико-математическая модель системы «грунт-подземная выработка»; составлены расчетные схемы МКЭ, определены граничные условия.
4.
Выполнено численное моделирование процесса формирования и развития
зон неупругих (пластических) деформаций, а также зон дробления или разрыхления на контурах подземных выработок различного поперечного сечения, отработанных в связных глинистых и скальных грунтах, для всех возможных и имеющих физический смысл вариантов сочетаний численных значений переменных
расчетных параметров.
5.
На основе результатов, полученных при обработке и анализе данных компьютерного моделирования, предложены инженерные методы оценки длительной
устойчивости незакрепленных подземных выработок; введено понятие о рациональной форме поперечного сечения выработки и предложен подход к ранжированию формы выработки по этому принципу. Эти методы включают графические
зависимости вида σсв*=f(ξo), σθ=f(Нз), 3D-поверхности вида σсв*=f(ξo;φ), соответствующие аппроксимирующие выражения и данные о численных значениях их
коэффициентов.
6.
Составлена компьютерная программа-калькулятор, позволяющая выполнить предварительную оценку устойчивости незакрепленной подземной выработки и отыскивать наиболее рациональную форму ее поперечного сечения. Базу
данных программы составляют результаты компьютерного моделирования, графических 2D и 3D зависимостей, аппроксимирующих выражений и таблиц численных значений соответствующих коэффициентов.
7.
Выполнены сопоставительные расчеты, показавшие, что результаты, полученные при использовании предложенных инженерных методов, формализованных в компьютерную программу-калькулятор, с точностью не меньшей 92% совпадают с результатами, полученными при помощи компьютерной программы
«Устойчивость. Напряженное состояние», которая являлась инструментом исследования при выполнении диссертационной работы.
8.
Выполнено экспериментальное определение предельной глубины заложения незакрепленной выработки на моделях из эквивалентных материалов. Установлено, что результаты моделирования с достаточной для инженерной практики
степенью точности совпадают с результатами вычислений.
5
Достоверность полученных результатов обеспечена:
- использованием фундаментальных положений теории упругости (метод конечных элементов), теории пластичности (условие прочности Кулона), геотехники, механики грунтов и инженерной геологии;
- использованием в качестве инструмента исследования компьютерной программы «Устойчивость. Напряженно-деформируемое состояние», которая зарегистрирована в государственном реестре компьютерных программ и баз данных
(свидетельство о регистрации программы для ЭВМ: патент Российской Федерации №2009613499) и имеет многостороннюю и широкую апробацию;
- результатами экспериментов исследования на моделях из эквивалентных материалов в лабораторных условиях;
- результатами внедрения выводов и рекомендаций диссертационной работы в
строительную практику.
Научная новизна диссертационной работы определена тем, что:
1. Получены новые данные о процессе формирования и развития зон неупругих (пластических) деформаций на контурах подземных выработок различного поперечного сечения, отрабатываемых в связных глинистых грунтах, и зон разрушения (дробления или разрыхления) на контурах выработок, отрабатываемых в
скальных грунтах.
2. Установлено, что для оценки длительной устойчивости выработки, отработанной в связном или скальном грунте, может быть использован один критерий
прочности, качественным признаком которого является отсутствие областей пластических (неупругих) деформаций или зон разрушения (дробления или разрыхления) на контурах выработок, отрабатываемых соответственно в связных и
скальных грунтах. Количественным показателем в первом случае служит величина приведенного давления связности св, а во втором – величина нормального
тангенциального напряжения , вычисляемая в контрольных точках контура.
3. Установлены качественные и получены количественные зависимости
предельной глубины заложения выработки Нз от численных значений переменных
расчетных параметров, построены соответствующие графические зависимости,
записаны их аналитические аппроксимации, определены численные значения аппроксимирующих выражений. На этой базе разработан инженерный метод расчета Нз, который формализован в компьютерную программу-калькулятор «ДС-1»,
позволяющую проводить предварительную оценку устойчивости подземной выработки.
4. Введено понятие о рациональной форме поперечного сечения подземной
выработки, предложена методика проведения ранжирования подземных выработок по этому признаку.
5. Получены экспериментальные данные о предельной глубине заложения
подземной выработки в массиве эквивалентного материала, которые с достаточной для инженерной практики степенью точности совпадают с результатами теоретических расчетов.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования. Диссертационная работа является частью научных исследований выполнен-
6
ных на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения» Волгоградского
государственного архитектурно-строительного университета в 2012-2015г.г.
Основные положения и выводы диссертационной работы могут быть использованы для:
- предварительной оценки устойчивости подземных выработок различной формы
поперечного сечения, отработанных в связных глинистых и скальных грунтах;
- определения численных значений геометрических параметров системы «грунт –
подземная выработка», которые обеспечивают ее устойчивость и безопасную эксплуатацию;
- определения численных значений безопасной глубины заложения подземной
выработки Нз отработанной в связном и скальном грунте;
- отыскания рациональной формы сечения подземной выработки, которая обеспечивает при всех прочих равных условиях максимальное значение величины Нз;
- курсового и дипломного проектирования студентов строительного направления
подготовки и специальностей вузов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2012-2015г.г.); X и XI Всероссийских научно-практических конференциях с
международным участием «Экология и научно-технический прогресс» (Пермь,
2013-2014г.г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Геонауки – 2013: актуальные проблемы изучения недр» (Иркутск
2013г.), научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» по проблемам строительной науки, техники и технологии (Пермь, 2013г.), международной научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного и
строительного комплексов и освоение стратегически важных территорий Сибири
и Арктики: вклад науки» (Омск, 2014г.).
Личный вклад автора заключается в:
- адаптации к условиям поставленной в диссертационной работе цели и использовании механико-математической модели метода конечных элементов, составлении расчетных схем и определении граничных условий;
- проведении компьютерного моделирования, целью которого является фиксация
момента зарождения областей пластических деформаций и зон разрушения на
контуре выработок различного поперечного сечения;
- анализе и обработке полученных результатов, на основе которых построены параметрические зависимости, записаны соответствующие аппроксимирующие выражения, определены численные значения их коэффициентов, составивших в совокупности базу данных предложенных в диссертационной работе инженерных
методов;
- личном участии в разработке инженерных методов оценки устойчивости подземных выработок, составлении блок-схемы, написании и отладке компьютерной
программы-калькулятора;
- выполнении сопоставительных расчетов и анализе их результатов;
7
- проведении эксперимента на моделях из эквивалентных материалов и сопоставлении полученных результатов с расчетными данными.
На защиту выносятся:
- адаптированная механико-математическая модель системы «грунтовый массив –
подземная выработка», расчетные схемы МКЭ и граничные условия;
- результаты компьютерного моделирования процесса зарождения областей пластических деформаций и зон разрушения на контурах подземных выработок, отработанных в связных и скальных грунтах, которые представлены в виде 2D и 3D
параметрических зависимостей, аппроксимирующих выражений и численных
значений их коэффициентов;
- база данных и разработанная на ее основе компьютерная программакалькулятор, позволяющая проводить оценку устойчивости подземной выработки
различного поперечного сечения;
- предложения по определению рациональной формы сечения подземной выработки и способ ранжирования выработок по этому принципу;
- результаты модельного эксперимента и внедрение результатов диссертационной
работы в строительную практику.
Результаты диссертационного исследования использованы:
- при работе над дипломными и курсовыми проектами на кафедрах «Гидротехнические и земляные сооружения» и «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений» Волгоградского государственного архитектурностроительного университета;
- в ООО «НПФ ИЦ «Югстрой» при оценке устойчивости грунтового массива, вмещающего подземный пешеходный переход на площади им.
Ф.Э.Дзержинского в Тракторозаводском районе г. Волгограда.
Публикации. Автор имеет 11 опубликованных работ, 4 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 143 наименований и приложений. Общий объем диссертации 197 страниц, которые включают
140 страниц основного текста, 97 рисунков и 19 таблиц.
Работа выполнена на кафедре «Гидротехнические и земляные сооружения»
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автор выражает благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры
ГТиЗС за помощь и поддержку при работе над диссертацией.
Особую признательность автор выражает научному руководителю заслуженному работнику ВШ РФ доктору технических наук, профессору А.Н. Богомолову за ценные советы, замечания, помощь и поддержку, оказанные во время работы над диссертацией.
Краткое содержание работы
Во введении приводится обоснование актуальности темы диссертационного исследования, определены основные цели работы и задачи, решение которых
обеспечивает ее достижение; отражена научная новизна и степень апробации ис-
8
следования; указана практическая значимость и представляемые к защите положения; приведена информация о практической значимости и внедрении результатов проведенного исследования.
В главе I выполнен обзор наиболее часто используемых методов оценки
устойчивости подземных выработок, которые приведены в работах российских и
зарубежных ученых: Амусина Б.З., Богомолова А.Н., Булычева Н.С., Гапеева
С.Н., Деева П.В., Демина В.Ф., Дрибан В.А., Ильичева В.А., Картозия Б.А., Клыкова А.Е., Кургозова В.Д., Максимова А.П., Маслова Н.Н., Мосткова В.М., Протодьяконова М.М., Ушакова А.Н., Улицкого В.М., Фотиевой Н.Н., Цветкова В.К.,
Шапиро Д.М., Шашенко А.Н., Berger Y., Cook R.D., Henn R.W., Kaiser P.K., Lambe
T.W., Lungren H., Nixon J.F., Wilson A.H.
В качестве рабочего выбран критерий длительной устойчивости, предложенный А. Н. Богомоловым с соавторами. Качественным признаком этого критерия
является отсутствие на контуре выработки зон неупругих деформаций. Если вмещающий массив сложен связным грунтом, то для определения областей пластических деформаций используется условие прочности Кулона(1):
 1   2  ( 1   2  2 св ) sin  ,


или


2
2
2
2
( x   z )  4 xz  ( x   z  2 св ) sin  ,
(1)

или

tg max  tg ,

где σ1 и σ2 – главные нормальные напряжения в точке; σx, σz, τxz – компоненты
напряжения в точке; θ – угол максимального отклонения;  св  c(htg ) 1 – приведенное давление связности; с и γ – удельное сцепление и удельный вес грунта; h –
характерный размер рассматриваемой области.
Количественным показателем выступает величина приведенного давления
*
связности  св , обеспечивающая присутствие качественного признака.
Если вмещающий массив представлен скальным грунтом, то для отыскания
зон нарушения сплошности (зон дробления или разрыхления) используется выражение (2)
 р      сж
(2)
где σр и σсж – пределы прочности грунта на растяжение и сжатие; σθ – нормальное
тангенциальное напряжение, вычисляемое в точках контура поперечного сечения
выработки.
В этом случае количественным показателем является величина нормального
тангенциального напряжения σ, возникающая в точках контура поперечного сечения выработки.
В главе II определен перечень переменных расчетных параметров, оказывающих влияние на напряженное состояние вмещающего массива и устойчивость
выработки, определены интервалы изменения их численных значений. Проводит-
9
ся анализ влияния этих параметров на процесс формирования областей пластических деформаций на контуре подземной выработки в системе «грунт – подземная
выработка». Все расчетные параметры разделены на три группы: 1) геометрические параметры основных элементов системы; 2) физико-механические свойства
связного глинистого грунта; 3) физико-механические свойства скального грунта.
В первую группу характеристик входят: форма поперечного сечения контура выработки, ее размеры b=h и глубина заложения Нз (рис. 1а).
а)
б)
Рис. 1. Геометрические характеристики элементов системы «грунт-подземная выработка» (а) и
механико-математическая модель (б)
Во вторую группу входят: удельный вес γ, угол внутреннего трения φ,
удельное сцепление с, приведенное давление связности σсв, модуль общей деформации Ео и коэффициент бокового давления ξо.
Численные значения физико-механических свойств грунта определены в
соответствии с положениями нормативного документа СП 22.13330.2012 «Основания и фундаменты». Величина удельного веса грунта γ принята постоянной и
равна среднему значению 19,62кН/м3 (2т/м3). Среднее значение модуля общей деформации принято равным Ео=22МПа.
В физико-механические свойства скального грунта входят: удельный вес γ,
модуль упругости Ео, коэффициент бокового давления ξ о, пределы прочности при
сжатии σсж и растяжении σp. Принято, что в качестве скального грунта выступает
аргиллит со следующими физико-механическими характеристиками γ=26кН/м3
(2,65т/м3), Ео=27МПа, ξо=0,2, σсж=12МПа, σp=1МПа.
В работе использована адаптированная к условиям исследования механикоматематическая модель «грунт – подземная выработка», особенностью которой
является то, что в расчетной области «вырезается» отверстие, имеющее одну из
четырех перечисленных форм: квадратного сечения, корытообразного сечения с
полуциркульным сводом, подковообразного сечения расширяющегося книзу и сечение, выполненное в виде половины квадрата со сводом в виде половины астроиды, которое имитирует подземную выработку. На ее основе в среде AutoCAD
составлены расчетные схемы МКЭ, которые импортированы в среду компьютерной программы «Устойчивость. Напряженно-деформированное состояние» для
проведения компьютерного моделирования.
10
В зависимости от геометрических параметров расчетных схем и степени их
дискретизации количество треугольных конечных элементов может изменяться от
6300 до 46144, количество узлов сопряжения – от 3372 до 24704, а ширина матрицы жесткости системы меняется от 106 до 748. Размеры расчетных схем выбраны
таким образом, чтобы граничные условия оказывали минимальное влияние на результаты вычислений.
Подсчитано, что для достижения поставленной цели необходимо выполнить
минимум 1920 вычислительных циклов.
В качестве примера на рис. 2 показаны картины безразмерных (в долях γh)
изолиний напряжений вблизи контуров выработки при b=h=4м; Нз=45м; ξо=0,5.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 2. Картины изолиний безразмерных (в долях γh) изолиний горизонтальных σx (а, г) вертикальных σz (б, д) и касательных τxz (в, е)
напряжений вблизи выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом при
Hз=45м, ξo=0,75 и b=4м (а-в); 8м (г-е); схема
расположения контрольных точек на контуре
(ж)
ж)
При оценке влияния расчетных параметров на напряженное состояние в
окрестностях выработки, на ее контуре выбраны три контрольные точки (см. рис.
2ж), в которых проводилось определение численные значений компонент напряжения.
11
а)
б)
Рис. 3 Графические зависимости вида σх=f(b)
(а); σz=f(b) (б); τxz=f(b) (в) - для точек 1-3 полученные вблизи выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом при Hз=45 м,
ξо=0,75
в)
На рис. 3. приведены графические зависимости вида σх=f(b); σz=f(b); τxz=f(b),
полученные при Нз=45м, ξо=0,5 в соответствии с полученными напряжениями в
контрольных точках.
При трехкратном увеличении значения поперечного размера подземной выработки квадратного сечения, при всех прочих равных условиях, влечет за собой
изменения в контрольных точках №1-3 горизонтальных σх на 87,2-124,9%, вертикальных σz на 15,4-194,6% и касательных τxz на 136-169,3%. Для выработок корытообразного, подковообразного сечений и квадрата, свод которого выполнен в виде половины астроиды соотношения напряжений в контрольных точках изменяются σх на 69,6-128,3%, σz на 71,5-117,4%, τxz на 16,2-94,7%.
Для оценки влияния расчетных параметров на степень развития ОПД на
контуре выработки введен коэффициент n. Величина этого коэффициента определяется отношением длины участка контура выработки, на котором имеет место
развитие ОПД, к периметру сечения выработки: n  S p / S ,где Sp – длина участка
поперечного сечения подземной выработки, подверженного действию областей
пластических деформаций; S – периметр контура подземной выработки.
В случае, когда весь контур выработки охвачен зоной неупругих (пластических) деформаций, то величина n=1, если пластические области отсутствуют, то
n=0.
В качестве примера на рис. 4 представлены картины ОПД, полученные для
выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом при b=h=4м;
Нз=45м; ξо=0,75; σсв=4; и φ=10˚, 20˚, 30˚. В соответствии с полученными картинами ОПД построена графическая зависимость вида n=f(φ) (рис.4г).
12
а)
б)
в)
г)
Рис.4. Картины ОПД (а-в) на контуре выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом и графическая зависимость вида n=f(φ) (г), построенные при b=h=4м; Hз=45м;
ξо=0,75; σсв=4; φ=10˚(а); 20˚(б); 30˚(в)
Наиболее рациональной формой является сечение, выполненное в виде половины квадрата со сводом в виде половины астроиды, так как области пластических деформаций отсутствуют на контуре выработки уже при φ=31˚, что на 7˚, 5˚,
2˚ меньше чем для выработок квадратного, корытообразного и подковообразного
поперечного сечения.
Наибольшее влияние на процесс образования и развития ОПД на контуре
выработки оказывают физико-механические свойства вмещающего массива грунта: угол внутреннего трения φ, приведенное давление связности σсв, коэффициент
бокового давления ξо.
Аналогичные построения и вычисления выполнены и для других переменных численных значений физико-механических свойства и геометрических параметров системы «грунт-подземная выработка».
В главе III представлены результаты компьютерного моделирования процессов формирования и развития областей пластических деформаций (ОПД) и областей разрушения на контуре подземных выработок, отрабатываемой в связных
глинистых и скальных грунтах.
Целью компьютерного моделирования является определение минимальных
численных значений количественных показателей, принятого в работе критерия
устойчивости, которые обеспечивают отсутствие областей пластических дефор-
13
маций и разрушений на контуре подземной выработки.
Как отмечено выше, если выработка отрабатывается в связных глинистых
грунтах, то используется условие прочности Кулона (1), количественным показателем в этом случае принята величина приведенного давления связности – σсв*.
Если выработка отработана в скальных грунтах, то используется условие
прочности (2), предложенное проф. А.Н. Богомоловым с соавторами. В роли количественного показателя при этом выступает величина нормального тангенциального напряжения σθ, вычисляемая в точках контура выработки.
Результаты компьютерного моделирования представлены в виде таблиц,
графических зависимостей вида σ св*=f(ξo), и 3D-зависимостей вида σсв*=f(ξo; φ),
которые приведены в приложении к диссертационной работы.
а)
б)
Рис.5. Графические зависимости вида
σсв*=f(ξ0) при φ=15˚, Нз=60 м, b=4м (а); 8м
(б); 12м (в), построенные для четырех типов
поперечных сечений: квадратного (квадрат);
корытообразного с полуциркульным сводом
(круг); подковообразного расширяющегося
книзу (эллипс) и половины квадрата свод которого выполнен в виде половины астроиды
(астроида).
в)
Соответствующие графические зависимости вида σсв*=f(ξo) приведены на
рис. 5. Они аппроксимированы полиномом второй степени (3), точность аппроксимации составляет 96-98%:
 св*  a o2  d o  c
(3)
где а, d, c–безразмерные коэффициенты аппроксимирующего выражения; ξо – коэффициент бокового давления. Ниже, на рис. 6, приведены 3D-зависимости вида
а=f(ξo; φ) (а); d=f(ξo; φ) (б); c=f(ξo; φ) (в), определенные для выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом при b=h=4м.
14
а)
б)
в)
Рис. 6. 3D-зависимости вида а=f(ξo; φ) (а); d=f(ξo; φ) (б); c=f(ξo; φ) (в); полученные для
выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом при b=h=4м
Коэффициенты аппроксимирующей зависимости (3) а, d, c можно определить при помощи выражения (4).
a  k 2  m  n

* 2
*
*
(4)
d  k   m   n
c  k ' 2  m '  n '

где k, k*, k'- коэффициенты, имеющие размерность [град-2]; m, m*, m' - коэффициенты, имеющие размерность [град-1]; n, n*, n' – безразмерные коэффициенты аппроксимирующего выражения (4).
а)
б)
в)
Рис. 7. 3D-зависимости вида k=f(Hз;b;h) (а); m=f(Hз;b;h) (б); n=f(Hз;b;h) (в); полученные для
выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом
а)
б)
в)
*
Рис. 8. 3D-зависимости вида σсв =f(ξo;φ) полученные для выработки корытообразного сечения при b=h=4м; Нз=45м (а); 60м (б); 80м (в)
15
Выше на рис. 7 приведены 3D-зависимости вида k=f(Hз;b;h) (а); m=f(Hз;b;h)
(б); n=f(Hз;b;h) (в), полученные для выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом.
Аналогичные вычисления и построения выполнены и для других значений
переменных расчетных параметров системы «грунт – подземная выработка».
Результаты моделирования, представленные в виде таблиц, графических зависимостей, 3D-зависимостей, аппроксимирующих выражений легли в основу
разработанного инженерного метода оценки устойчивости подземной выработки
различной формы поперечного сечения.
На рис. 9 представлена блок-схема вычислительного алгоритма для оценки
устойчивости выработки, ставшая основой программы-калькулятора ДС-1.
Результаты тестовых вычислений, выполненных на основе предложенного
алгоритма, с погрешностью, не превышающей 8%, совпадают с результатами, полученными при помощи компьютерной программы «Устойчивость. Напряженнодеформированное состояние».
Рис. 9. Блок-схема программы-калькулятора ДС-1
Для анализа результатов компьютерного моделирования процессов трансформации напряженного состояния вмещающего массива скального грунта и образования на контуре выработки зон дробления и разрыхления, близ контура выработок выбраны несколько контрольных точек, схема расположения которых,
представлена на рис. 10.
В результате вычислений, выполненных для всех форм сечения подземной
выработки, построены графические зависимости вида σθ=f(Hз), позволяющие
определить значение σθ во всех контрольных точках контура подземной выработки, расположенной на разных глубинах.
16
а)
б)
в)
г)
Рис. 10. Схема расположения расчетных точек на границе контура: квадратного сечения (а),
корытообразного сечения с полуциркульным сводом (б), корытообразного сечения, свод которого выполнен в виде полуэллипса (в), корытообразного сечения свод которого выполнен в
виде половины астроиды (г)
В качестве примера на рис. 11 приведены графические зависимости вида
σθ=f(Hз), построенные для выработки квадратного сечения при b=4м (а); 8м (б);
12м (в).
Установлено, что значение нормального тангенциального напряжения σ θ
для любой контрольной точки, расположенной на контуре выработки, с глубиной
увеличивается по линейному закону и может быть определено при помощи выражения (5). Точность аппроксимации составляет 96,3-98,7%.
а)
б)
17
Рис. 11. Графические зависимости вида
σθ=f(Hз), построенные для выработки квадратного сечения при b=h=4м (а); 8м(б); 12м (в)
в)
   a H з  b
(5)
где aθ – коэффициент, имеющий размерность [кН/м3]; bθ – безразмерный коэффициент; Нз [м] – глубина заложения подземной выработки.
Для определения этих коэффициентов составлены таблицы 1 и 2, позволяющие определить значения σθ для любого значения Нз.
Таблица 1
Таблица 2
Коэффициенты аθ и bθ для выработки Коэффициенты аθ и bθ для выработки
квадратного сечения в точке №1
квадратного сечения в точке № 2
b, м
4
8
12
Коэффициенты
аθ
bθ
-10,58
-11,172
-11,823
41,24
37,62
33,23
b, м
4
8
12
Коэффициенты
аθ
bθ
-8,01
-11,172
-11,823
35,41
37,62
33,23
На рис. 12а приведены эпюры напряжения σθ действующего в точках контура выработки квадратного сечения, построенные при b=8м и Нз=120м, а также
пределов прочности σр и σсж, которые постоянны в любой точке контура выработки и соответственно равны 1МПа и 12МПа.
а)
б)
Рис. 12. Эпюры напряжений σθ (МПа) и пределов прочности σр=1МПа и σсж=12МПа подземной выработки прямоугольного сечения, построенные при b=8м Нз=120м (а), образование зон
разрыхления на участке АВ, в потолочине контура подземной выработки (б).
18
Из рис. 12 видно, что на контурах выработок имеются участки, на которых
напряжения σθ превосходят по величине значения σр (например, участок АВ (рис.
12б)), вследствие чего возникают зоны разрыхления. Развитие таких зон на контуре выработки свидетельствует о потери ею устойчивости.
При рассмотрении вопроса об отыскании наиболее рациональной формы
подземной выработки, выполнены расчеты по определению предельной глубины
заложения Нз для выработок, имеющих четыре рассмотренные выше формы поперечного сечения. При расчетах принято, что b=h=8м, грунт вмещающего массива представлен аргиллитом со следующими характеристиками: коэффициент
бокового давления ξо=0,2; пределы прочности при сжатии и растяжении соответственно равны σсж=12МПа и σр=1МПа, удельный вес γ=26кН/м3.
В результате расчетов установлено, что предельные глубины заложения Нз
незакрепленных выработок, при которых на контурах выработок отсутствуют зоны дробления или разрыхления, оказались равными Нз=86,14м – для выработки
квадратного сечения; Нз=153,7м – для выработки корытообразного сечения с полуциркульным сводом; Нз=162,8м – для выработки подковообразного сечения и
Нз=182,66м для выработки, сечение которой представляет собой половину квадрата со сводом в виде половины астроиды.
Учитывая определение рациональной формы подземной выработки, данное
в диссертационной работе, можно утверждать, что наиболее рациональной, из
рассмотренных, является форма выработки, состоящей из половины квадрата со
сводом в виде половины астроиды.
В главе IV представлены результаты серии экспериментов на моделях из
эквивалентных материалов, целью которых является определение предельной
глубины заложения подземного сооружения и сравнение ее с соответствующим
значением, полученным при помощи расчета.
Под предельной глубиной заложения понимается такая максимальная глубина, когда в точках вмещающего грунтового массива, расположенных на контуре подземного сооружения, отсутствуют области пластических деформаций.
Рис. 14. Фотография экспериментального лотка
19
Лабораторная установка (рис. 14) представляет собой прямоугольный короб
размерами 1,0м  1,79м  0,121м, боковые грани которого выполнены из листов
прозрачного акрила толщиной 8мм, состыкованных между собой стальными
уголками размером 30  30мм.
В качестве эквивалентного материала использована песчано-масляная
смесь, которая имеет следующие физико-механические свойства: объемный вес
=14,7кН/м3; угол внутреннего трения φ=14о; удельное сцепление c=1,225кПа; величина коэффициента бокового давления о=0,75.
Формирование модели выработки в лотке проводили послойно. Первый
слой укладывался на высоту от дна лотка до нижних границ отверстий, расположенных на стенках из акрила. Последующие слои укладывались толщиной равной
примерно 10см с последующей выдержкой в 30 минут.
После достижения запланированной глубины заложения выработки все работы прекращались на три часа для обеспечения равномерного уплотнения эквивалентного материала силами гравитации. После этого приводилось полное осторожное извлечение короба-шаблона, что влекло за собой полное обрушение свода
выработки, т.е. полную потерю выработкой устойчивости.
После этого эксперимент повторяли, но с той лишь разницей, что слой
грунта, расположенного над сводом выработки, устраивался на 2см меньше, чем в
первый раз.
Эксперимент повторялся до тех пор, пока после извлечения коробашаблона, выработка либо оставалась устойчивой (отсутствовали вывалы эквивалентного материала) либо вывалы эквивалентного материала по контуру выработки были минимальными.
По три серии экспериментов проведено для двух форм сечений подземной
выработки: прямоугольное сечение со сводом в виде полуокружности и сечение в
виде полуэллипса, причем, нижнее основание и высота обеих фигур одинаковы и
равны 10см. В результате оказалось, что среднее значение безопасной глубины
заложения, измеряемой от дневной поверхности до свода выработки, для эллипсоидального свода равно 39см, а для круглого свода – 36см.
На рис. 15 приведены фотографии моделей подземных сооружений в устойчивом состоянии и при потере устойчивости.
а)
б)
20
в)
г)
Рис. 15. Фотографии моделей подземных сооружений корытообразного сечения с полуциркульным сводом, расположенных на глубине 33см (а) и 36см (б), и полуэллиптического сечения, расположенных на глубине 36см (в) и 39см (г)
Для проверки результатов экспериментов при помощи компьютерной программы «Устойчивость. Напряженное состояние» выполнен расчет напряженного
состояния и построены области пластических деформаций на контурах моделей
подземных сооружений для условий, соответствующих условиям эксперимента
(см. рис. 16).
а)
б)
в)
г)
Рис. 16. Области пластических деформаций в окрестностях модели подземного
сооружения полуэллиптического сечения,
построенные на основе условия прочности Кулона (а) и на основе решения смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунта (б); то же для
подземного сооружения корытообразного
сечения со сводом в виде половины
окружности соответственно (в) и (г)
Анализ полученных изображений показывает, что для обеих моделей подземных сооружений непосредственно на их контурах наблюдаются области пластических деформаций, что предопределяет их разрушение, которое наблюдалось
при проведении эксперимента. Следует отметить, что размеры пластических областей, построенных на основе решения смешанной задачи теории упругости и
теории пластичности грунта, в большей степени отвечают результатам эксперимента.
21
Таким образом, можно утверждать, что результаты эксперимента с достаточной для инженерной практики степенью точности совпадают с результатами
расчетов устойчивости моделей подземных сооружений, выполненных на основе
анализа напряженного состояния вмещающего массива.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. На основе анализа наиболее известных методов оценки устойчивости подземных выработок показано, что для решения, поставленной задачи, может быть
использован критерий длительной устойчивости, предложенный проф. А.Н. Богомоловым. Положение областей пластических деформаций в связных грунтах и
областей разрыхления и дробления в скальных грунтах может быть найдено соответственно на основе условия прочности Кулона и условия, при котором значения
нормального тангенциального напряжения в точках контура выработки не превышают по величине пределов прочности скального грунта при сжатии и растяжении.
2. Определены расчетные параметры, оказывающие существенное влияние на
процесс образования областей предельного состояния грунта на контуре подземной выработки. К ним отнесены: глубина заложения выработки Нз, величина угла
внутреннего трения φ и коэффициента бокового давления о вмещающего грунта,
поперечные размеры выработки b=h и ее форма. Установлено, например, что увеличение Hз от 10 до 120м влечет за собой изменение горизонтальных напряжений
в контрольных точках контура σх на 84,4-106,9%, вертикальных напряжений σz на
81,7-90,6%, касательных напряжений τхz на 66,2-97,8%; увеличение численного
значения φ от 5о до 40о при ξо=0,2 уменьшает предельное значение предельной
давления связности σ*св на 85,1%, 62,7% и 68,9% для выработок квадратного, подковообразного сечения и составного сечения со сводом в виде половины астроиды.
3. Разработаны алгоритмы расчета количественных показателей критерия длительной устойчивости выработки, обеспечивающих присутствие качественного
признака – отсутствия областей пластических деформаций в связных и областей
дробления и разрыхления в скальных грунтах. Эти алгоритмы и, составленная в
результате компьютерного моделирования база данных, являются основой компьютерной программы-калькулятора «ДС-1». Результаты поверочных расчетов с
точностью не меньшей 92% совпадают с соответствующими результатами, полученными при помощи принятого в диссертационной работе инструмента исследования
4. Предложен подход к оценке степени рациональности формы подземных
выработок, который позволяет ранжировать подземные выработки по степени их
устойчивости при различной форме их поперечного сечения. Установлено, что
для связных и скальных грунтов наиболее рациональным в смысле прочности и
устойчивости является составное сечение со сводом в виде половины астроиды,
что согласуется с результатами, полученными проф. В.К.Цветковым.
5. Результаты численного эксперимента качественно и количественно подтверждаются данными экспериментальных исследований, выполненных на
22
моделях из эквивалентных материалов. Установлено, что предельные глубины
заложения моделей выработок со сводами в виде полуокружности и полуэллипса, полученные опытным путем, отличается от соответствующих значений,
полученных при помощи компьютерной программы «Устойчивость. Напряженное состояние», на 5,55% и 7,69%. Кроме того, анализ результатов экспериментов позволяет утверждать, что расположение зон локальных разрушений
практически совпадает с положением областей пластических деформаций, построенных на основе условия прочности Кулона. Области пластически х деформаций, построенные на основе решения смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунта, имеют гораздо меньшие размеры, чем
ОПД, построенные на основе условия прочности Кулона, хотя расположение
их в грунтовом массиве практически совпадает.
6. Удовлетворительное совпадение результатов модельного эксперимента с
результатами поверочных расчетов, использование рекомендаций диссертационной работы при проведении оценочных расчетов устойчивости и нормальной эксплуатации в ходе обследования на объекте подземного пешеходного перехода на площади им. Ф.Э.Дзержинского в Тракторозаводском районе г. Волгограда, позволяет рекомендовать предложенные инженерные методы для проведения предварительной оценки устойчивости выработок, отрабатываемых в
связных и скальных грунтах, и определения рациональной формы их поперечного сечения.
Работы по тематике диссертации, опубликованные в рецензируемых
научных журналах и изданиях:
1. Подлинев, М. О. Отыскание рационального контура подземной выработки
на основе условия прочности Кулона [Текст] / М. О. Подлинев, А. Н. Богомолов,
О. А. Богомолова, А. Н. Ушаков // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. – Волгоград : ВолгГАСУ, 2014. Вып.35 (54). – С. 20-26.
2. Подлинев, М. О. Определение предельной глубины заложения горизонтальных выработок различного поперечного сечения [Электронный ресурс] / М. О.
Подлинев [и др.] // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.:Политематическая. – 2013.
Вып. 2 (27). – Режим доступа: URL http://www.vestnik.vgasu.ru/.
3. Подлинев, М. О. Экспериментальное определение предельной глубины заложения горизонтальной выработки на моделях из эквивалентных материалов
[Текст] / М. О. Подлинев, А. Н. Богомолов, О. А. Богомолова, А. С. Статун //
Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. – Волгоград : ВолгГАСУ, 2014. Вып.
37(56). – С.48-57.
4. Подлинев, М. О. Условие устойчивости горизонтальной выработки устраиваемой в связном грунте вблизи активной зоны ленточного фундамента [Текст] /
М.О. Подлинев [и др.] // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит-ра. – Волгоград:
ВолгГАСУ, 2014. Вып.36 (55). – С. 15-23.
Публикации по тематике диссертации в других изданиях, материалах
конференций:
5.
Подлинев, М. О. Обеспечение устойчивости горизонтальной выработки
устраиваемой в связном грунте вблизи активной зоны ленточного фундамента
[Текст] / М. О. Подлинев [и др.] // Вестн. ПНИПУ. Сер.: Стр-во и архит.
23
– Пермь: ПНИПУ, 2014. Вып. 2. – С. 207-218.
6.
Подлинев, М. О. Задача об отыскании рациональной формы свода горизонтальной подземной выработки [Текст] / М. О. Подлинев [и др.] // Инженерные
подходы к решению геотехнических задач: сб. науч. тр., посвящ.
80-летию Константина Шагеновича Шадунца. – Краснодар : КубГАУ, 2013.
– С. 9-21.
7.
Подлинев, М. О. Определение рациональных форм сечений неподкрепленных выработок при строительстве тоннелей [Текст] / М. О. Подлинев [и др.] //
Материалы международ. научно-практич. конференции «Развитие дорожнотранспортного и строительного комплексов и освоение стратегически важных
территорий Сибири и Арктики: вклад науки», – Омск : СибАДИ, 2014. – С. 131138.
8.
Подлинев, М. О. Постановка задачи о «восстановлении сечения контура»
подземной выработки [Текст] / М. О. Подлинев [и др.] // Материалы Всероссийской научно-технич. конференции с международным участием «Геонаука – 2013:
актуальные проблемы изучения недр». – Иркутск : ИрГТУ, 2013. Вып. 13. – С.
381–385.
9.
Подлинев, М. О. Влияние формы сечения подземной выработки на устойчивость безнапорного гидротехнического тоннеля, находящегося под действием сил
гравитации [Текст] / М. О. Подлинев [и др.] // Науч.-технич. конф. и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными орг-ми ЮФО в рамках
участия в реализации федеральных целевых программ и внепрограммных мероприятий, заказчиками которой являются Минобрнауки России: сб. матер. конф. –
Новочеркасск : Лик, 2014. – С.325–328.
10. Подлинев, М. О. Сравнительный анализ форм поперечных сечений тоннелей транспортного назначения [Текст] / М. О. Подлинев, Д. В. Павлов, С. А. Богомолов // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика : материалы ХI
Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (с междунар.
участием). – Пермь : ПНИПУ, 2014. – С. 323–331.
11.
Подлинев, М. О. Устойчивость системы «Основание заглубленного ленточного фундамента – выборка» во вмещающем объеме связного грунта [Текст] /
М. О. Подлинев [и др.] // Стр-во и архит. Опыт и современные технологии. – 2014.
– Вып. 3. – Режим доступа : sbornikstf.pstu.ru
Подлинев Максим Олегович
КРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ НЕЗАКРЕПЛЕННЫХ
ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ИХ ФОРМЕ
ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 11.02.2016 г. Заказ №17.
Тираж 100 экз. Печ. л. 1,4. Формат 60х84 1/16.
Бумага писчая. Печать плоская.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1
Отдел оперативной полиграфии
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа