Введение к работе
Актуальность работы, В настоящее время при проектирования туннелей широко применяются методы расчета обделок, основанные на современных представлениях механики подземных сооружений о взаимодействии подземной конструкции и окружающего массива пород-кок элементов'единой деформируемой системи, испытывающей дейотвиэ собственного веса пород, тектонических сил в массиве, давлення подземных вод, внутреннего напора и пр. Эти методу, базирующиеся на аналитических решениях соответствующих плоских контактних задач теории упругости, реализованные з виде програма для ЭВМ, позволяют производить многовариантные расчеты обделок туннелей в целях практического проектирования. Однако в боль-с-шотвэ указанных методов расчета маосиз пород, как правило, моде лируется однородной изотропной средой, что ограничивает приме-наїше втих методов в случаях, когда окружающий туннель массив обладает существенной анизотропией или сложен ' трещиноватыми либо слоистыми породами, что может оказывать значительное влияние на напряженыээ состояние обделка.
Для расчета подземных конструкций в указанных случаях используется численный метод конечных элементов, позволяющий детально учесть реальные особенности массива горных пород. Однако свойственные методу конечных элементов значительная трудоемкость подготовка.исходных данных для расчета, необходимость достаточно подробного разбиения на элементы как области, моделирующей массив пород, так и тонкого, по оравнеиию о ней, кольца, моделирующего обделкуs большие объемы требуемой памяти ЭВМ и машинного времена затрудняют применение этого метода в многоварианткоч практическом проектировании и в САПР.
В связи с этик! разработка аналитических методоз расчета обделок туннелей, в том числе - многослойных, в анизотропном массиве 1'0р:шх пород остается актуальной.
Работа выполнена в рамках темы ІГ56-91 плана научно-исследовательских работ Тульского государственного университета.
Цель работы состоит в разработке аналитических методоз расчета обделок круговых туннелей, в том числе - многослойных, в трансворсально-изотропнсм массиве горных пород с наклонной в общем случае плоскостью изотропии па действие собственного веса пород, тектонических сил в пассиве, внешнего давления подзв&ашх
вод и внутреннего напора, основанных на решениях соответствующих плоских контактных задач для трансверсалыю-изотрошюА среда, мэ-двлирущей массив пород, ослабленной круговим отверстием, подкрепленным изотропным кольцом, в общем случае - многослойным, мо-делирупцим обдэлку, составляющую с массивом единую деформируемую систему, что позволяет в полной мере использовать несущую способность массива пород н в рядэ случаев облегчить конструкция, снизив ее толщину или ковффкциент армирования,
Идея работы заключается в получзідаї нових аналитических решений соответствующих плоских контактных задач теории упругости для изотропного кольца, в общем случав - многослойного, моделирующего обделку, подкрепляющего круговое отверстие в трекс-веревльно-изотропной среде с наклонной плоскостью изотропии, мо-двлируюцеп анизотропный трещиноватый массив; при атом нзпрянонно-даформированное состояние кольца описывается комплексными потенциалами Колосова-Муохелиавили, а'трансверевльно-изотропной среда - комплексішми потенциалами С.Г.Лехницкого.
Методы исследования включают аналитические решения плоских контактных вадач теоріш упругости с использованием комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили и С.Г.Лехнкцкого и аппарата комплексных рядов, разработку программного обеспечения для ПЭВМ, выполнение многовариантных расчетов с целью псслодови-ішя зависимости напряженного состояния обделки туннеля от основных влияздих факторов, сравнение результатов расчете о данным;-!, полученными численным методом конечных элементов.
Научные поло ж єни я, разработай и це лично соискателем, и их н о в и з и а*.
- разработана математичеокая модель взаимодействия обделки (В общем случае - многослойной) о анизотропным массивом, в которой обделка моделируется изотропным кольцом, в общем случоо -многослойным, подкрепляющим отверстие в трансворсальнО'-изотропкой среде с наклонной в общем случве плоскостью изотропии, моделирующей массив пород. Модель позволяет учесть осноенцэ факторы, влкя-вдиа на напряженное состояние конструкцій - геометрические характеристики обделки, деформационные характеристики материалов слоев обделки и трансворсалыю-изотропного массива пород, угол наклона плоскости изотропна массива к горизонтали, характеристики начального поля напряжений в массива (величніш главных начальних пепря-юэний-и угол наклона их главных осей к вертикали и горизонтали),
ОСУСЛОБЛОЕНОГО СОООТЕОІІЇШМ ЕЄСОМ ПОРОД ІІЛ'Д Де.ІСЇЗЦЄЬ! ТЄКТОНИЧЄС-
tciz сил, a tsk::g давлением подземных вод, шутреяшй напор воды;
о целью реализации разработанной модели получены конца аналитические рзиедая плоских контактных задач теории упругости для трэневзреально-изотропной среды о наклонной плоскостью изотропия, ослабленной круговим отверстием, подкрепленным однослой-шл,5 или многослойным'кольцом из изотропных материалов, при граничных условиях, отражающих действие внутреннего напора и наличие з массиве начальных напряжений, обусловленных действием гравитационных пли тектонических сил и давлением подземных вод;
на основе полученных решений разработаны методу расчета конолзтннх и многослойных обделок круговых туннелез в трансвер-сально-изотропиом мессизэ пород на действие собственного веса пород, тектонических сил в массива, внешнего давления подземных вод и внутреннего капора;
исследованы зависимости нормальных тангенциальных напряжения, возникающих на внутреннем контуре поперечного сечения бетонной обделки, от основных влияющих факторов - относительной толщины обделки, модуля деформации материала обделки, угла наклона плоскости изотропия массива, отношения главных начальных напряжений з массиве, угла наклона главных осей начальных напряжений, относительного расстояния между трещинами.
Достоверность 'научных положений, выводов и ре-ксглендаций подтверждается достаточно высокой точностью удовлетворения граничных условий контактных задач (погрешность не провыиа-от 8 %) и хорошим согласованием с результатами расчета методом конечных элементов (отличия не превышают'5 Ж).
Научное значение диссертационной работы состоит в разработке математической модели взаимодействия обделки (в общем случае - многослойной) с трансвэрсально-изотропкым массивом, в которой обделка моделируется МНОГОСЛОЙНЫМ КОЛЬЦОМ КЗ изотропных материалов, подкрепляющим отверстие в трапсверсально-лзотропной среде с наклонней в, общем случае плоскостью изотропии, коделирующей массив пород; з получении новых аналитических реше-юя ряда плоских контактных задач теории упругости для изотропного кольца, в общем случае - многослойного, подкрепляющего круговое отверстие в трансверсалько-изотропной среде, и в разработка на их основе методов расчета монолитных и многослойных» обделок круговых туннелей в, тренсверезльно-изотропном массиве пород; в
устаиоалютш зависимости нвпряа',енкй, возникающих в обделка туїща-ля при действии собственного взса пород, тектонических сил, внешнего давления подземных вод и внутреннего напора, or ооноешх елиящих факторов.
Практическое о и а ч в н и е диссертации состоит в разработке алгоритмов и составлении программ для ПЭВМ, поз-Еслявдшс производить шоговариантные расчета обделок круговых туннелей, в том числе - многослойных, о учетом анизотропии и трэ-Е^нюнатости окруяавцего наосава пород в целях практического проектирования.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы АО "Институт Гид-роспецпроект" при проектировании обделок туннелей напорио-стшщиошюго узла Рогунской ГЭС на р. Baxuu
Апробация работы, основные положения диссерта-цлонной работы докладывались на XXVII Пленарной научной сессии Международного Евро по мэхашжэ горных пород Всемирного горного itojzrpscca (г. Турин, Италия, 1995 г.), на заседаниях секции расчета и проектирования конструкцій подземных сооружений Тоннельной ассоциации (г. Тула, 1991,1996 гг.), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского і осударственного университета. (1991, 1992, 1993, 1994, 1995, !996 ГГ.).
Публикации. По тема диссертации опубликовано б печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести раздэлов, заключения, содержит 81 стр., включая .73 рис., 'Л табл., список литературы из 272 наименований и одно приложение.