Введение к работе
Актуальность работы. При проектировании тоннелей различного назначения, особенно в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся наличием слабых, нарушенных и сильно обводненных пород, возникает необходимость учета специфики статической работы подземных конструкций, в том числе - связанной с локальным приложением внутренних нагрузок, обусловленных весом проходческого оборудования, транспортных средств, усилиями подъемных устройств, домкратов и распираемых в обделку механизмов.
В настоящее время общепринятым является подход к расчету обделок тоннелей, базирующийся на рассмотрении взаимодействия подземной конструкции с окружающим массивом пород (грунта) как элементов единой деформируемой системы и использовании строгих решений соответствующих задач механики сплошной среды. Имеющиеся аналитические методы позволяют производить расчет обделок кругового и некругового поперечного сечения на основные виды статических воздействий, в том числе - нормального давления, локально распределенного по наружному контуру подземной конструкции, моделирующего давление нагнетаемого за обделку связующего раствора при инъекционном укреплении пород. Аналогичных методов, предназначенных для расчета обделок тоннелей на действие внутренних вертикальных локальных нагрузок, до настоящего времени не имелось.
Численное моделирование, как универсальный расчетный инструмент, в принципе, позволяет получать соответствующие результаты для конкретных подземных сооружений в каждом случае нагружения, однако его применение при проведении многовариантных расчетов в процессе решения практических инженерных задач, а также в научных целях для выявления общих закономерностей распределения напряжений и усилий в конструкциях с учетом влияния различных факторов, сопряжено с преодолением ряда существенных трудностей.
В связи с этим разработка нового аналитического метода расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения на действие внутренней локальной нагрузки является актуальной научной задачей, решение которой открывает новые возможности для совершенствования проектирования подземных сооружений различного назначения, способствуя повышению их надежности, а в ряде случаев - обоснованному принятию более экономичных проектных решений.
Диссертационная работа выполнена при поддержке грантом Президента РФ МК-164.2009.5, в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-20Юг.г.)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. конст-ракт №02.740.11.0319).
Целью работы являлось установление на базе разработанного аналитического метода расчета основных закономерностей формирования напряженного состояния обделок тоннелей произвольного поперечного сечения при действии внутренней вертикальной локальной нагрузки, использование которых обеспечит повышение надежности проектируемых подземных сооружений и обоснованное облегчение конструкций за счет уменьшения их толщины или процента армирования.
Идея работы заключается в учете особенностей формирования напряженного состояния обделки тоннеля, обусловленных локальным действием внутренней нагрузки, на основе исследования взаимодействия подземной конструкции и массива пород как элементов единой деформируемой системы и аналитического решения соответствующей плоской задачи теории упругости, полагаемого в основу разрабатываемого метода расчета.
Методы исследования включают решение плоской задачи теории упругости с использованием аналитических функций комплексного переменного, аппарата конформных отображений и рядов Лорана; разработку компьютерного программного обеспечения; выполнение многовариантных расчетов с целью выявления и исследования зависимостей экстремальных нормальных тангенциальных напряжений в обделках двух типовых форм поперечных сечений от основных влияющих факторов; сравнение результатов расчетов с решениями частных задач, полученными другими авторами.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
При проектировании и расчете обделок тоннелей различного назначения, особенности статической работы которых обусловлены размещением в них тяжелого проходческого и технологического оборудования, домкратов, подъемных устройств и механизмов, распираемых в обделку, а также движением транспортных средств, необходимо учитывать локальный характер приложения вертикальных нагрузок, распределенных по части внутреннего контура поперечного сечения подземной конструкции.
-
На основании выполненных исследований, связанных с изучением взаимодействия обделки тоннеля и массива пород как элементов единой деформируемой системы, нагруженной внутренним локальным вертикальным давлением в лотковой части обделки, моделирующим вес тяжелого оборудования, установлено, что в своде подземной конструкции возникают существенные растягивающие напряжения, которые могут привести к её разрушению.
-
На формирование напряженного состояния обделки тоннеля, нагруженного внутренним вертикальным локальным давлением, оказывают влияние следующие основные факторы: форма и размеры выработки, отношение модулей деформации пород и материала обделки, толщина обделки, положение и поперечный размер нагруженного участка.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: - разработана математическая модель взаимодействия обделки тоннеля произвольного поперечного сечения с окружающим массивом пород, позволяющая учитывать особенности статической работы подземной конструкции,
обусловленные локальным характером внутреннего нагружения;
получено новое аналитическое решение плоской задачи теории упругости о напряженном состоянии кольца произвольной формы (с одной осью симметрии) в линейно-деформируемой среде при действии внутренней вертикальной локальной нагрузки;
на основе полученного решения разработан новый метод расчета, реализованный в виде полного алгоритма и компьютерной программы;
установлены зависимости максимальных сжимающих и растягивающих нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в точках внутренних контуров поперечных сечений обделок двух типовых форм, от основных влияющих факторов: отношения модулей деформации массива пород и материала обделки, толщины обделки, коэффициента Пуассона пород, а также положения и поперечного размера участка нагружения.
Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается высокой точностью удовлетворения граничных условий задачи, положенной в основу разработанного метода расчета (погрешность не превышает 3%); полным совпадением результатов, получаемых в частном случае для обделки кругового тоннеля, с имеющимися в научной литературе данными аналитического решения соответствующей задачи, а также удовлетворительным согласованием (расхождение менее 20%) с данными численного моделирования непод-крепленной выработки квадратной формы.
Практическое значение диссертации состоит в разработке алгоритма и компьютерного программного обеспечения, позволяющего производить многовариантные расчеты обделок тоннелей произвольного поперечного сечения на действие внутренних вертикальных локальных нагрузок, обусловленных весом тяжелого проходческого и технологического оборудования, усилиями от домкратов, подъемных устройств и механизмов, распираемых в обделку, в целях практического проектирования.
Реализация результатов работы. Результаты диссертации переданы ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» (г. Санкт-Петербург) и использованы для обоснования конструктивно-планировочных решений проектируемых автодорожных тоннелей в г. Сочи.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международных научно - практических конференциях «Форум горняков» (г. Днепропетровск, НГУ, 2009, 2010 г.), на III, IV, V Международных конференциях «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (г. Тула, 2009, 2010, 2011 г.), на VII Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (г. С.-Петербург, Санкт-Петербургский университет путей сообщений, 2011 г.), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (г. Тула, 2008, 2009, 2010, 2011 г.г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (г. Тула, ТулГУ, 2008 г.), на IV Международной конференции «Теория и практика геомеханики, направленные на повышение эффективности
горной разработки и строительства» (Варна, Болгария, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Струюура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 138 с, включая 55 рисунков, список литературы из 98 наименований и одно приложение.
