Введение к работе
Актуальность темы исследования: Станции
метрополитена, являясь выработками большого поперечного сечения и сложной геометрической формы, представляют собой наиболее сложный и дорогостоящий элемент городского подземного строительства. При сооружении метрополитенов технология строительства в значительной мере влияет на развитие напряженно-деформированного состояния системы "обделка - грунтовый массив".
Конструктивное и технологическое совершенствование несущих элементов подземных сооружений, с целью сокращения материалоемкости станций метрополитена, является одним из главных направлений технического прогресса в подземном строительстве.
Существующие методы расчета обделок подземных сооружений метрополитена, применительно к условиям Санкт-Петербурга, не в полной мере отражают особенности статической работы конструкций, а также многообразия условий и факторов, влияющих на ее напряженное состояние. Учесть переменное сечение колонной станции по ее длине, можно только используя объемную модель расчета.
Большой вклад в разработку методов расчета нагрузок на обделки тоннелей и исследования процессов деформирвания грунтовых массивов вокруг подземных сооружений внесли Айвазов Ю.Н., Баклашов И.В., Безродный К.П., Булычев Н.С., Ваучский Н.И., Го-лицинский Д.М., Картозия Б.А, Кулагин Н.И., Меркин В.Е., Прото-сеня А.Г., Скобенников Г.А., Степанов П.В., Фотиева Н.Н., Фролов Ю.С., Черников А.К. и др.
Данные натурных исследований в условиях Петербургского метрополитена свидетельствуют о существенном влиянии, как технологии строительства, так и условий контакта обделки с грунтовым массивом на величину и характер распределения нагрузок по обделке станций.
В связи с этим становится очевидным актуальность разработки методов расчета напряженно-деформированного состояния
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ|
^ БИБЛИОТЕКА |
03 №0 7***'''^J
системы "обделка - грунтовый массив" с учетом конструктивных особенностей станций и влияния этапов их сооружения.
Цель диссертационной работы: разработать метод расчета нагрузок на колонные станции метрополитенов и напряжений в их конструктивных элементах.
Идея работы.
Напряжения и деформации в грунтовом массиве и конструкциях станций метрополитена должны определяться на основе объемной численной модели, отражающей свойства массива, конструктивные особенности обделки и технологию ее возведения, с учетом результатов натурных экспериментов деформирования несущих элементов станции.
Основные задачи работы:
проведение натурных исследований изменения напряженно-деформированного состояния несущих элементов станции метрополитена;
разработка геомеханической модели взаимодействия массива и обделки станций метрополитена глубокого заложения;
создание объемной численной модели, учитывающей конструктивные особенности станции и технологию ее возведения, а также структурные и реологические свойства грунта;
сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработка практических рекомендаций.
Методы исследований: натурные наблюдения за напряженно-деформированным состоянием станций метрополитена; математическое . моделирование с использованием метода конечных элементов и ПЭВМ; численные эксперименты; сравнительный анализ результатов исследований с натурными данными.
Научная новизна работы:
установлены закономерности формирования пространственного напряженно-деформированного состояния обделки станций метрополитена колонного типа в зависимости от технологии их строительства и конструктивных особенностей несущих элементов;
обосновано неравномерное распределение вертикальной нагрузки на колонную станцию метрополитена в поперечном и продольном
направлениях, достигающей наибольших значений в плоскости колонн и боках станции.
Защищаемые научные положения;
-
Характер деформирования и закономерности распределения напряжений в колонно-прогонных комплексах станций колонного типа определяется материалом и размерами поперечных сечений колонн, вертикальные напряжения в металлических колоннах концентрируются на гранях, а в железобетонных распределяются более равномерно.
-
Геомеханическая модель взаимодействия обделки станций с грунтовым массивом должна учитывать пространственный характер распределения напряжений и перемещений в массиве, конструкции и технологию их строительства при проходке боковых тоннелей, раскрытии верхнего свода и сооружении лотковой части.
-
Расчет нагрузок на обделки станций метрополитена колонного типа необходимо выполнять по методике, основанной на объемной численной модели и учете типа станций, конструктивных элементов, технологии строительства, этапов раскрытия поперечного сечения станции и структурных, прочностных и деформационных характеристик вмещающих пород и материала несущих элементов.
Практическая значимость работы:
-
Разработан алгоритм и численная модель метода расчета нагрузок на обделку станций колонного типа, глубокого заложения, основанные на пространственном взаимодействии системы «обделка-грунтовый массив»;
-
Разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров конструктивных элементов станции:
предложена замена стальных колонн железобетонными при использовании бетона класса В50 и выше или полимербетонов с более высокими прочностными характеристиками;
подтверждена расчетами возможность увеличения шага расстановки стальных колонн на ширину 2 колец обделки.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: обеспечивается натурными исследованиями работы колонных станций, использованием современных методов геомеханики, численных экспериментов, статистических методов обработки данных с применением ЭВМ, достаточной сходимостью величин расчетных нагрузок с натурными данными.
Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов 2001-2003 г.г. (СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова, С.-Петербург); Международной конференции «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (Тульский государственный университет, Тула, 2003); на заседаниях кафедры Строительства горных предприятий и подземных сооружений СПГГИ (ТУ) и получили одобрение.
Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, участии в проведении натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для расчета нагрузок на обделку станций колонного типа, численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 185 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из ПО наименований, 60 рисунков и 4 таблицы.
