Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. Цели и задачи исследования 8
2. Математическая модель формирования напряженного состояния трехслойной обделки коллекторного тоннеля, восстановленного способом «труба в трубе» 32
3. Метод расчета обделки коллекторного тоннеля, восстановленного бестраншейным способом 43
3.1. Переход к задаче теории аналитических функций комплексного переменного 43
3.2. Представления комплексных потенциалов 44
3.3. Аналитическое продолжение комплексных потенциалов cp0(z) yo(z) в верхнюю полуплоскость через прямолинейную границу LQ 46
3.4. Конформное преобразование. Представление комплексных потенциалов и формулировка граничных условий в отображен ной области 59
3.5. Решение краевой задачи теории аналитических функций комплексного переменного 65
3.6. Формирование разрешающей системы линейных алгебраических уравнений 77
3.7. Определение коэффициентов (s)( j) и величин q в зависи-Tkмости от вида рассматриваемой нагрузки 98
3.7.1. Действие собственного веса грунта (задача 1) 98
3.7.2. Действие внешнего давления грунтовых вод (задача 2) 101
3.7.3. Действие давления жидкости, заполняющей тоннель в период водосброса (задача 3) 105
3.7.4. Действие нагрузки, обусловленной весом зданий и сооружений на поверхности (задача 4) 106
3.8. Определение напряжений в среде и в слоях кольца 109
3.9. Алгоритм расчета 110
3.9.1. Задание исходных данных 111
3.9.2. Последовательность вычислительных операций 113
3.10 Проверка точности удовлетворения граничных условий 129
3.11. Сравнение результатов расчета с данными, полученными другими авторами 134
3.12 Пример определения напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленного бестраншейным способом 140
3.12.1. Результаты расчета обделки на действие гравитацион ных сил (собственного веса грунта) 141
3.12.2. Результаты расчета обделки на действие внешнего давления грунтовых вод 146
3.12.3. Результаты расчета обделки на действие внутреннего напора жидкости (в период водосброса). 149
3.12.4. Результаты расчета обделки на действие равномерно распределенной нагрузки на поверхности 150
3.12.5. Результаты расчета обделки на действие нагрузки, движущейся на поверхности 158
4. Исследование зависимости напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленного бестраншейным способом, от основных влияющих факторов 159
4.1 Исследование зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в обделке восстановленного тоннеля при действии собственного веса грунта от основных влияющих факторов 160
4.1.1. Исследование зависимости напряженного состояния обделки от положения центра протянутой трубы ПЭ 160
4.1.2. Исследование зависимости напряженного состояния от отношения модулей деформации пород и материала внешне го слоя обделки восстановленного коллекторного тоннеля 163
4.2 Исследование зависимостей напряженного состояния восстановленной обделки коллекторного тоннеля при действии давления грунтовых вод
4.2.1 Исследование зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений от уровня грунтовых вод 166
4.2.2 Исследование зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений от положения внутренней трубы ПЭ 167
4.3 Исследование зависимостей напряженного состояния восстановленной обделки коллекторного тоннеля при действии внутреннего напора жидкости 168
4.3.1 Исследование зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений от положения внутренней трубы 168
4.3.2 Исследование зависимости напряженного состояния восстановленной обделки коллекторного тоннеля от отношения модулей деформации тампонажного и внешнего слоев обделки 171
4.4 Исследование зависимости напряженного состояния обделки восстановленного коллекторного тоннеля при действии равно мерно распределенной нагрузки на поверхности 172
4.4.1 Зависимость напряженного состояния обделки от положения распределенной нагрузки относительно оси выработки
4.4.2 Зависимость напряженного состояния обделки от ширины нагрузки на поверхности 175
5. Использование разработанного метода расчета 179
5.1. Данные об объекте 179
5.2. Результаты расчета 180
Заключение 186
Литература 191
Приложение 211
- Конформное преобразование. Представление комплексных потенциалов и формулировка граничных условий в отображен ной области
- Пример определения напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленного бестраншейным способом
- Исследование зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в обделке восстановленного тоннеля при действии собственного веса грунта от основных влияющих факторов
- Зависимость напряженного состояния обделки от ширины нагрузки на поверхности
Введение к работе
Актуальность работы. Коллекторные тоннели кругового поперечного сечения, сооружаемые с помощью проходческих щитов на глубинах до нескольких десятков метров, в том числе - в условиях плотной застройки, являются неотъемлемой частью коммунальной инфраструктуры современных городов. Техническое состояние этих сооружений должно удовлетворять достаточно жестким требованиям, исключающим фильтрацию и прорыв сточных вод в окружающую среду, последствия которых оцениваются как экологические катастрофы.
Основными причинами выхода из строя коллекторных тоннелей являются износ обделок в лотке вследствие истирающего действия абразивных частиц стоков, а также разрушение в сводовой части, обусловленное коррозией бетона в агрессивной газовой среде выше уровня сточных вод. С целью предотвращения аварийных ситуаций и продления сроков эксплуатации существующих канализационных коллекторов в последние годы широкое применение получила бестраншейная технология восстановления изношенных участков тоннелей методом «труба в трубе», предусматривающая прокладку полиэтиленовой трубы (ПЭ) внутри действующего сооружения с заполнением образовавшейся полости между трубой и существующей обделкой специальными тампонажными растворами. Восстановленная таким образом подземная конструкция состоит из трех слоев, материалы которых обладают различными деформационными характеристиками, при этом два наружных слоя имеют, как правило, переменную толщину.
Существовавшие до настоящего времени предложения, связанные с обоснованием проектных решений по восстановлению коллекторных тоннелей бестраншейным способом, ограничивались рассмотрением вопросов обеспечения устойчивости внутренней протягиваемой трубы в процессе заполнительного тампонажа. При этом методов, позволяющих осуществлять геомеханический прогноз напряженного состояния реконструированных обделок как трехслойных подземных конструкций и определять их несущую способность при дальнейшей эксплуатации, не имелось. Этим обусловлена актуальность выполненного в диссертации исследования.
Целью работы является установление с использованием разработанного аналитического метода расчета основных закономерностей формирования напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей, реконструируемых методом «труба в трубе», в том числе – в условиях плотной городской застройки, использование которых позволит осуществлять геомеханический прогноз несущей способности восстановленных сооружений в процессе эксплуатации в различных горнотехнических условиях для обеспечения устойчивости выработок.
Идея работы заключается в математическом моделировании взаимодействия восстановленной методом «труба в трубе» обделки коллекторного тоннеля с окружающим массивом пород (грунта), что позволяет более полно учитывать влияние горно-геологических условий, внешних воздействий, а также основных конструктивных параметров трехслойной обделки, создаваемой в результате ремонта, на несущую способность и прочность реконструированного подземного сооружения в целом, и получении новых аналитических решений ряда плоских задач теории упругости, полагаемых в основу разрабатываемого метода расчета.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- оценку несущей способности обделки коллекторного тоннеля, создаваемой
в результате восстановительного ремонта методом «труба в трубе», следует производить на основе рассмотрения взаимодействия трехслойной подземной конструкции и окружающего массива пород (грунта) как элементов единой геомеханической системы с обязательным учетом локальных зон коррозионного нарушения и износа старой обделки, механических свойств применяемых в ходе ремонта материалов, а также положения и размеров сечения протягиваемой внутренней трубы;
разработка метода прогноза напряженного состояния и оценки несущей способности обделок отремонтированных коллекторных тоннелей должна осуществляться на базе математической модели, в основе которой лежат строгие решения ряда плоских задач теории упругости для трехслойного кольца (два наружных слоя которого имеют существенно переменную по периметру поперечного сечения толщину), подкрепляющего отверстие в полубесконечной линейно-деформируемой или вязкоупругой среде, при соответствующих граничных условиях;
использование традиционных цементных растворов при проведении тампонажа в ходе ремонта тоннеля с применением бестраншейной технологии приводит к формированию в протягиваемой внутренней полиэтиленовой трубе напряжений в 5 - 10 раз меньших по величине, чем в других слоях реконструированной подземной конструкции.
Новизна основных научных и практических результатов:
разработана математическая модель формирования напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленного методом «труба в трубе», реализующая базовое представление геомеханики о подземном сооружении и массиве пород (грунта) как элементах единой деформируемой системы, позволяющая учитывать наряду с внешними воздействиями, реальную некруговую форму, переменную толщину и механические свойства материалов слоев создаваемой конструкции;
получены аналитические решения соответствующих плоских задач теории упругости о напряженном состоянии трехслойного кольца переменной толщины, подкрепляющего круговое отверстие в линейно-деформируемой полубесконечной среде, при действии гравитационных сил, равномерного давления на внутреннем контуре кольца, а также вертикальной нагрузки, распределенной на произвольном участке прямолинейной границы полуплоскости;
разработан метод расчета восстановленной обделки коллекторного тоннеля, представляющей собой трехслойную конструкцию переменной толщины, позволяющий определять ее напряженное состояние при действии собственного веса пород, давления подземных вод, внутреннего напора, веса зданий и сооружений (как возводимых над уже отремонтированным тоннелем, так и существовавших до восстановительных работ) и нагрузок от подвижного транспорта;
установлены закономерности формирования напряженного состояния трехслойной обделки коллекторного тоннеля, создаваемой в результате восстановительного ремонта методом «труба в трубе».
Методы исследований включают получение строгих решений плоских задач теории упругости с использованием теории аналитических функций комплексного переменного, аппарата аналитического продолжения комплексных потенциалов, регулярных в полуплоскости, моделирующей массив пород, через ее границу, метода конформных отображений, свойств интегралов типа Коши, полиномов Фабера и комплексных рядов; выполнение многовариантных расчетов с целью изучения закономерностей формирования напряженного состояния обделок восстановленных коллекторных тоннелей; сравнение результатов расчетов с решениями частных
задач, полученными другими авторами.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследований, высокой точностью удовлетворения граничных условий решаемых задач теории упругости, практически полным совпадением результатов расчетов с данными, полученными другими авторами при решении частных задач.
Практическое значение работы заключается в разработке алгоритма определения напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля мелкого заложения, восстановленного методом «труба в трубе», при различных нагрузках и воздействиях, а также в создании программного обеспечения, позволяющего производить многовариантные расчеты обделок восстановленных коллекторных тоннелей.
Реализация результатов работы. С использованием разработанного метода выполнены проверочные расчеты обделки Главного Левобережного коллекторного тоннеля ливневой канализации в г. Воронеже, восстановленного способом «труба в трубе». Полученные результаты расчета подтвердили эффективность реализованных проектных решений. Разработанный метод расчета принят к дальнейшему внедрению ООО «СпецПодземСтрой» (г. Тула). Результаты исследований внедрены в ряд учебных курсов, в том числе - «Геомеханика», «Новые аналитические методы расчета подземных сооружений». Разработанное программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно - практической конференции «Форум горняков» (г. Днепропетровск, НГУ, 2012 г.), на IV Международной научно-технической конференции «Энергетика. Экология. Человек». (Киев, 2012 г.), на VII Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов. «Перспективы развития строительного комплекса» (Астрахань, АИСИ, 2013 г.), на IV Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (г. Екатеринбург, ИГД УроРАН РФ, 2013 г.), на научно-практических конференциях профессор-ско - преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011 -2014 г.г.), на региональной студенческой конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (г. Тула 2011), на VIII, IX, X Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула 2011, 2012, 2013), на VI молодежной научно-практической конференции ТулГУ «Молодежные инновации» (г. Тула, 2012), на выставке научно-технического творчества молодежи Тульского региона, посвященной Дню российской науки (г. Тула 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 212 с., включая 47 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 153 наименований и одно приложение.
Конформное преобразование. Представление комплексных потенциалов и формулировка граничных условий в отображен ной области
Достоинствами описанных выше аналитических методов расчета являются удобство подготовки и задания исходных данных, возможность быстро и эффективно производить расчеты с высокой степенью точности, рассматривая на единой методологической основе различные виды воздействий, невысокие требования к ресурсам используемых ЭВМ. Кроме того, компьютерные программы, реализующие эти аналитические методы расчета могут быть включены в качестве соответствующих компонентов в САПР и использованы в целях практического многовариантного проектирования. Позволяя решать широкий круг задач, связанных с расчетом и проектированием подземных сооружений различного назначения, указанные методы, тем не менее, не предназначены для оценки напряженного состояния и несущей способности трехслойных обделок коллекторных тоннелей, создаваемых в результате ремонта бестраншейным способом методом «труба в трубе», два наружных слоя которой имеют переменную толщину.
В общей механике имеется ряд работ [89, 143, 62, 98 и др.], посвященных решению ряда контактных задач теории упругости для кольца, подкрепляющего отверстие в полубесконечной весомой среде, которые могут быть использованы при расчете подземных конструкций мелкого заложения.
В работе [33] автором предлагается приближенное решение задачи о тонком кольце, подкрепляющем круговое отверстие в весомой полуплоскости, которое находится из условия равенства напряжений и смещений кольца и полуплоскости в биполярных координатах. Для определения напряжений в полуплоскости и кольце автор рассматривает ряд задач об определении напряженного состояния весомой полуплоскости, ослабленной круглым отверстием, напряжений и деформаций в полуплоскости от сил, приложенных к контуру отверстия, а также усилий и перемещений в кольце, подкрепляющем отверстие. Так как толщина кольца мала по сравнению с размерами отверстия, оно считается нагруженным системой распределенных сил. Полученные автором приближенные формулы для нормальной силы и изгибающего момента в кольце позволяют с достаточной точностью производить расчеты для глубин заложения тоннелей не менее двух радиусов.
Особо следует выделить работу [148], в которой рядом авторов был предложен итерационный процесс получения решения, при этом в каждом последовательном приближении используется замкнутое решение задачи о кольце, подкрепляющем отверстие в полной плоскости, при наличии в граничных условиях на линии контакта дополнительных членов, отражающих влияние границы полуплоскости, представляемых в форме рядов Фурье. Основные положения этой работы были успешно развиты Л.Н. Анциферовой [4] при рассмотрении многослойного кольца в упругой полуплоскости, а также Т.Г. Сам-маль [122 – 125] при расчете кольца переменной толщины, моделирующего обделку коллекторного тоннеля, подвергшуюся разрушительному влиянию газовой коррозии.
Из приведенного выше обзора существующих методов расчета подземных сооружений, в том числе с учетом влияния земной поверхности, следует, что до настоящего времени не имелось аналитического метода расчета трехслойных обделок тоннелей мелкого заложения c учетом особенностей статической работы таких конструкций, создаваемых в результате восстановительного ремонта методом «труба в трубе», равно как не имелось научных работ, посвященных оценке несущей способности обделок коллекторных тоннелей, восстановленных бестраншейным способом. При этом можно отметить, что в приведенных выше работах имеются предпосылки для разработки такого метода.
Таким образом, проведенный анализ состояния теоретических подходов геомеханики и механики подземных сооружений показал, что поставленная в диссертации задача разработки нового аналитического метода расчета обделок коллекторных тоннелей, восстановленных бестраншейным способом «труба в трубе» с применением труб ПЭ, является актуальной, поскольку предлагаемый подход открывает новые возможности в моделировании различных размеров нарушенной зоны старой обделки и учете расположения внутренней полиэтиленовой трубы относительно центра тоннеля, а также расчетным путем дать оценку несущей способности восстановленной конструкции. Целью настоящего исследования является математическое и компьютерное моделирование взаимодействия трехслойной обделки коллекторного тоннеля, создаваемой в результате восстановительного ремонта методом «труба в трубе», с окружающим массивом грунта, позволяющее производить оценку несущей способности подземной конструкции. Реализация сформулированной модели предполагает получение нового аналитического решения плоской задачи теории упругости для трехслойного кольца, два наружных слоя которого имеют переменную толщину, в линейно - деформируемой весомой полубесконечной среде из материалов, моделирующих соответственно слои обделки и массив грунта, при граничных условиях, отражающих наличие в среде начальных напряжений, линейно изменяющихся по вертикальной оси поля, моделирующих собственный вес грунта или давление подземных вод, а также нагрузок на внутреннем контуре кольца (при рассмотрении обделок ливневой канализации в режиме водосброса) и на поверхности (при моделировании влияния зданий и сооружений на напряженное состояние подземной конструкции).
Пример определения напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленного бестраншейным способом
В качестве иллюстрации предлагаемого метода приводятся результаты расчета обделки коллекторного тоннеля, восстановленной с применением метода «труба в трубе». Принимается, что по окончании ремонтных работ обделка тоннеля включает три слоя с разными деформационными характеристиками. Внешний слой моделирует старую бетонную обделку с модулем деформации Е1 = 20 000 МПа и коэффициентом Пуассона v1=0,2. Протянутая внутри тоннеля труба ПЭ «Спиро-лайн» имеет деформационные характеристики Е3= 400 МПа, v3=0,4 и является внутренним слоем обделки. Образующееся в процессе ремонта пространство между старой обделкой и новой протягиваемой трубой заполняется тампонажным раствором, таким образом создается промежуточных слой с деформационными характеристиками Е2= 10 000
МПа; v2=0,2. Коллекторный тоннель располагается вблизи от земной поверхности в слабых породах с Е0= 50 МПа; v0=0,35.
На рис. 3.4 представлено сечение рассматриваемой подземной конструкции, имеющее следующие геометрические параметры: внешний радиус выработки составляет R0=1 м, радиусы протянутой трубы
ПЭ R2= 0,8 м, R3= 0,705 м, при этом ее центр смещен вниз на величину а = 0,1 м. Форма внутреннего контура старой обделки описывается аналогично разделу 3.10 Длины лучей приведены в таблице 3.11.2.
Расчеты производились на действие гравитационных сил (собственный вес грунта), давления грунтовых вод, внутреннего напора жидкости, заполняющей тоннель в период водосброса, веса здания, как существовавшего до ремонта тоннеля, так и возводимого вблизи восстановленной подземной конструкции, а также на действие нагрузок от железнодорожного транспорта. При рассмотрении действия гравитационных сил (собственного веса грунта) дополнительно задается коэффициент бокового давления в ненарушенном массиве А, =0,4. Расчеты проводились в долях у 0а при глубине заложения тоннеля #=10 м (эпюры изображены сплошными линиями) и # =5 м (эпюры изображены пунктирными линиями, соответствующие значения в скобках). Результаты расчетов представлены в виде эпюр нормальных тангенциальных напряжений (рис. 3.5), а также радиальных и касательных напряжений (рис. 3.6).
Из рис. 3.5 следует, что значения напряжений увеличиваются пропорционально глубине заложения тоннеля. В таблице 3.12.1 приведены значения максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений в долях уR0а для глубины 10 м и соответствующие им значения для 5 м (данные в скобках).
При этом максимальные растягивающие напряжения a0mx /(YRoa ) возникают в лотковых частях внешнего слоя и внутренней трубы, а также в сводовой части тампонажного слоя. Максимальные сжимающие напряжения JQn X /(yR0a ) возникают на участках контуров слоев обделки, примыкающих к горизонтальному диаметру.
Существенное влияние на распределение напряжений в слоях восстановленной конструкции оказывает некруговая форма внутреннего контура старой обделки, обусловленная коррозионным повреждением. При этом напряжения во внутренней трубе существенно ниже, чем в наружных слоях обделки.
Для сравнения на рис. 3.7 приведены эпюры напряжений, возникающих на контурах старой обделки, до ремонтных работ (изображены сплошными линиями) и после восстановления тоннеля (изображены пунктирными линиями).
Ниже в таблице 3.12.2 приведены значения максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на контурах слоя старой обделки до ремонта, и соответствующие значения после реконструкции (значения в скобках).
Исследование зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в обделке восстановленного тоннеля при действии собственного веса грунта от основных влияющих факторов
С целью исследования влияния положения внутренней трубы относительно центра выработки на напряженное состояние трехслойной обделки, создаваемой в результате восстановительного ремонта, выполнены многовариантные расчеты на действие собственного веса пород при глубине заложения тоннеля H/R0 = 5 и различных отношениях модулей деформации материалов тампонажного слоя и старой бетонной обделки Е2/Е1= 1,5; 1; 0,5; 0,15. Рассматривались следующие варианты расположения внутренней трубы ПЭ, характеризующиеся параметром a/R3 = -0,14; -0,1; -0,04; 0; 0,04 (отрицательные значения соответствуют смещению центра сечения трубы вниз по оси относительно начала координат). Результаты приведены на рис. 4.1 - 4.4.Из приведенных результатов следует, что положение внутренней трубы при различных отношениях модулей деформации внешнего и тампонажного слоев Е2/Е1 в значительной степени влияет на напряженное состояние обделки реконструированного коллектора. Так, при Е2/ Е1 = 0,15 и a/R3 =0,04 (рис. 4.1.) значения максимальных сжимающих нормальных тангенциальных напряжений в обделке снижаются на 27%; при Е2/Е1 = 0,5 и a /R3 =0,04 (рис. 4.2.) также наблюдается снижение напряжений на 33%; при Е2/Е1=1 (рис. 4.3.) нормальные тангенциальные напряжения принимают наименьшие значения при a/R3 =0,04 (снижение до 35%); в случае, когда Е2/Е1 = 1,5 (рис. 4.4.) значения напряжений имеют минимум при a/R3 = 0 (снижение до 37%). При этом значения напряжений, возникающих на внутреннем контуре трубы ПЭ, малы по сравнению с соответствующими значениями на контурах других слоев.
В целом анализ результатов выполненного исследования показал, что при Е2/Е1 1 внутреннюю трубу ПЭ целесообразно располагать ближе к своду, а в случае при Е2 / Е1 1 по оси тоннеля.
. Исследование зависимости напряженного состояния от отношения модулей деформации пород и материала внешнего слоя обделки восстановленного коллекторного тоннеля
С целью исследования зависимости напряженного состояния обделки коллекторного тоннеля, восстановленной бестраншейным способом, от отношения модулей деформации пород и материала внешнего слоя обделки, были произведены многовариантные расчеты при отношениях Е0/Е1 =0,05; 0,025; 0,005; 0,001 для различных глубин заложения тоннеля H/R0=3;5;9. Соответствующие зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений приведены на рис. 4.5 - 4.7.
Очевидно, что во всех рассматриваемых случаях зависимости имеют одинаковый характер. С ростом отношения модулей деформации пород и материала внешнего слоя обделки Е0/ Е1 при всех предлагаемых глубинах заложения значения экстремальных нормальных тангенциальных напряжений убывают. При этом напряженное состояние внутренней трубы в меньшей степени зависит от отношения Е0/Е1.
Исследование зависимостей напряженного состояния восстановленной обделки коллекторного тоннеля при действии давления грунтовых вод
Ниже приводятся результаты исследования максимальных (экстремальных) сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутренних контурах слоев обделки тоннеля, от уровня грунтовых вод и положения внутренней трубы ПЭ. Значения напряжений найдены в долях ywR0.
Исследование зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений от уровня грунтовых вод
С целью исследования влияния уровня грунтовых вод Hw / R0 на напряженное состояние обделки коллекторного тоннеля, восстановленного методом «труба в трубе», были выполнены многовариантные расчеты при глубине заложения тоннеля Н/R0=10 и различных отношениях модулей деформации пород и материала внешнего слоя обделки. Результаты приведены на рис.4.8.
Зависимость напряженного состояния обделки от ширины нагрузки на поверхности
С целью изучения влияния ширины нормальной нагрузки на поверхности на напряженное состояние обделки коллекторного тоннеля построены зависимости максимальных (экстремальных) нормальных тангенциальных напряжений в долях величины Р от величины L/R0. Результаты представлены на рис. 4.19 - 4.21.Из рис. 4.17 следует, что при Н/ R0= 3 значения максимальных растягивающих нормальных тангенциальных напряжения, возникающих на контурах старой обделки и в тампонажного слоя, интенсивно убывают до отметки/,/ =50, в тоже время зависимости соответствующих максимальных сжимающих нормальных тангенциальных напряжений имеют экстремальный характер и принимают наибольшее значение при L/R0 =10. Зависимости экстремальных нормальных тангенциальных напряжений, представленные на рис. 4.20 и 4.21, в обоих случаях имеют экстремальных характер. При этом при глубине заложения тоннеля Я / =5 наибольшие значения напряжений возникают при L/R0 = 10 (рис. 4.20), а в случае, когда Я/і =10, наибольшие значения наблюдаются при L/R0=20. 178 Стоит также отметить, что во всех рассмотренных случаях влияние ширины поверхностной нагрузки на напряженное состояние внутренней трубы оказывается незначительным. С целью апробации разработанного метода и выявления возможностей его применения в практическом проектировании, выполнен расчет обделки главного Левобережного коллекторного тоннеля г. Воронеж на реконструированном участке.
В 2013 г. организацией ООО «СпецПодземСтрой» была произведена реконструкция главного Левобережного коллектора в г. Воронеж. Трасса реконструируемого участка коллектора располагается на территории района Левобережный от камеры на пересечении ул. Брусилова - Ленинский проспект до ГКНС (ул. Лебедева, 6Б) (рис. 5.2).
Реконструкция канализационного коллектора, проложенного в стесненных условиях городской застройки, произведена без остановки сточных вод методом протяжки плети ПЭ CВ труб 1600х95 мм ( 1600х110 мм) внутри существующего ж/б коллектора 2000 мм. Межтрубное пространство заполняется тампонажным раствором М200 (В15). Трубы прокладыва ются в коллекторе с таким расчетом, чтобы низ трубы оставался на уровне существующего лотка тоннеля. Поперечное сечение коллектора после реконструкции представлено на рис. 5.2.
По заказу ООО «СпецПодземСтрой» был выполнен проверочный расчет обделки восстановленного коллектора в опасном сечении на участке то камеры 32 до камеры 33, пересекающем проезжую часть ул. Героев стратосферы. При расчете принималось, что на поверхности действует вертикальная нагрузка от подвижного состава типа АБ-151. В соответствие со СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы» рассматривалось два случая:
- имеет место вынужденная остановка транспорта и динамическое воздействие не возникает, при этом рассматривается наиболее неблагоприятный вариант одностороннего несимметричного нагружения до вертикальной оси симметрии выработки;
- по поверхности движутся автомобили, создающие динамическое воздействие.
Рассматриваемый участок тоннеля располагается на глубине 5 м. Горный массив представлен слабыми породами - глинами дислоцированными твердыми, деформационные характеристики которых Е0=150МПа,
При расчете принималось, что реконструированная обделка коллекторного тоннеля состоит из трех слоев, выполненных из разных материалов с деформационными характеристиками, представленными в таблице 5.2.1 [25].
В виду негативного воздействия биохимической коррозии бетона внутренний контур старой обделки принимает форму существенно отличающуюся от круговой, которая задается также как в разделе 3. При этом принималось, что остаточная толщина обделки в своде составляет 6 см, а в лотке 7 см. Длины лучей, задающих конфигурацию и размеры внутреннего контура старой обделки, приведены в таблице 5.2.2.
В качестве результатов расчетов обделки коллекторного тоннеля на действие нагрузки от транспортных средств при временной остановке, приводятся эпюры нормальных тангенциальных напряжений в долях Pk (рис. 5. 3).
Для оценки несущей способности рассматриваемой конструкции приведенные на рис. 5.4 результаты необходимо умножить на величину Pk , где Р – интенсивность нагрузки, принимаемая согласно СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы» 92,5 k - коэффициент приведения, определяемый согласно главе 2 настоящей работы. Ниже в таблице 5.2.3 приводятся расчетные (максимальные по абсолютной величине) значения сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений в МПа.
