Введение к работе
Актуальность работы. Подземное строительство осуществляется, как правило, с использованием комплексов достаточно массивного технологического оборудования. Нагрузки, обусловленные весом проходческого и строительно-монтажного оборудования и транспортных средств, размещенных внутри тоннеля, вызывают при определенных условиях существенное изменение напряженного состояния подземных конструкций, сформировавшегося от действия постоянных нагрузок – собственного веса грунта, давления грунтовых вод, веса объектов на поверхности, что требует совершенствования теории и методов расчета подземных конструкций, позволяющих учесть временные внутренние локально распределенные нагрузки.
В настоящее время при проектировании подземных сооружений применяются аналитические методы определения напряженного состояния обделок тоннелей кругового и некругового поперечного сечения глубокого и мелкого заложения при действии постоянных нагрузок, а также метод расчета обделок тоннелей некругового очертания глубокого заложения на действие веса объектов, размещенных внутри тоннеля.
Аналогичного метода расчета обделок тоннелей мелкого заложения, сооружаемых закрытым способом, на действие внутренних локально распределенных нагрузок до настоящего времени не имелось. Этим обусловлена актуальность выполняемого исследования, заключающегося в разработке аналитического метода расчета, применение которого будет способствовать повышению прочности подземных сооружений за счет выбора обоснованных параметров обделок и характеристик используемых материалов.
Целью работы является установление с использованием разработанного метода расчета новых и уточнение известных закономерностей формирования напряженного состояния обделок кругового поперечного сечения тоннелей мелкого заложения при действии нагрузок, обусловленных весом массивных объектов, расположенных внутри тоннеля.
Идея работы заключается в учете влияния на напряженное состояние обделок веса массивного оборудования путем применения на этапе проектирования нового аналитического метода расчета, базирующегося на рассмотрении совместной работы обделок тоннелей мелкого заложения и массива грунта как элементов единой деформируемой системы.
Методы исследований базируются на использовании теоретических положений геомеханики и механики подземных сооружений; математическом моделировании процесса формирования напряженного состояния системы «обделка тоннеля - массив грунта»; математической теории упругости и аппарата теории функций комплексного переменного для получения аналитического решения соответствующей задачи теории упругости; современных компьютерных технологий.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. В тоннеле мелкого заложения при несимметричном расположении
нагрузки, обусловленной весом оборудования, максимальные сжимающие и
растягивающие напряжения на наружном и внутреннем контурах обделки воз
никают между центром участка действия нагрузки и вертикальным диаметром;
при симметричном расположении - в лотке и в своде тоннеля, а также на грани
цах участка.
2. Максимальные растягивающие напряжения, возникающие в лотке об
делки тоннеля мелкого заложения от действия веса оборудования, могут пре
вышать максимальные сжимающие напряжения.
3. При увеличении глубины заложения тоннеля выявлено возрастание
максимальных растягивающих и уменьшение максимальных сжимающих
напряжений, возникающих в обделке от действия веса оборудования.
Новизна научных результатов работы:
разработана математическая модель формирования напряженного состояния обделок тоннелей, сооруженных закрытым способом вблизи земной поверхности, позволяющая учитывать основные влияющие факторы, в том числе - расположение и интенсивность нагрузки от веса оборудования внутри тоннеля;
получено решение задачи теории упругости для линейно-деформируемой полубесконечной среды, ослабленной круговым отверстием, подкрепленным кольцом, моделирующим массив грунта и обделку тоннеля мелкого заложения, при соответствующих граничных условиях;
разработан аналитический метод расчета обделок кругового очертания тоннелей мелкого заложения на действие веса оборудования;
- установлены зависимости максимальных растягивающих и сжимаю
щих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в обделках тон
нелей, от основных влияющих факторов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным использованием теоретических положений геомеханики и механики подземных сооружений; применением адекватной математической модели геомеханической системы «обделка тоннеля мелкого заложения – массив грунта»; высокой точностью выполнения граничных условий решенной задачи теории упругости; удовлетворительным совпадением результатов с данными, полученными другими авторами в частных случаях.
Личный вклад автора заключается в разработке математической модели взаимодействия обделок тоннелей мелкого заложения и массива грунта; постановке задачи теории упругости; получении ее решения с использованием математического аппарата теории комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили; составлении алгоритма и компьютерной программы расчета; установлении на основе результатов компьютерного моделирования закономерностей изменения напряженного состояния обделок тоннелей.
Практическое значение работы заключается:
- в разработке алгоритма расчета обделок тоннелей кругового попереч
ного сечения, сооружаемых закрытым способом вблизи земной поверхности,
при действии внутренней локально распределенной нагрузки;
- в создании программы, позволяющей выполнять многовариантные
расчеты обделок тоннелей при практическом проектировании;
- в установлении закономерностей формирования напряженного состоя
ния системы «обделка тоннеля - массив грунта» при действии веса объектов
внутри тоннеля.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ТулГУ (Тула, 2013 - 2018); VII Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов (Астрахань, 2013); Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие современной науки» (Уфа, 2014); региональной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2014); XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистров, аспирантов и молодых учёных «Техника XXI века глазами молодых учёных и специалистов» (Тула, 2015), XI магистерской научной конференции ТулГУ (Тула, 2016), 12 и 13 международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2016, 2017), Х Международной конференции по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте» (С. - Петербург, 2017); 17-ой Международной молодёжной научно-практической конференции «Моделирование. Фундаментальные исследования, теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2017), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 2017), Международной научно-практической конференции «Повышение качества образования, современные инновации в науке и производстве» (Экибастуз, 2017), научном семинаре "Неделя горняка" МИСИС (Москва, 2018), Третьем Российско-Китайским симпозиуме по геотехнике и подземному строительству (С. - Петербург, 2018 г.).
Публикации. По теме научно-квалификационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 8 в рецензируемых изданиях, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 142 странице машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, 36 рисунков, заключения, списка литературы и приложения.