Головна Будівництво Будівельне виробництво РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ВОСЬМИШАРНИРНО-КОЛЬЦЕВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ
joomla
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ВОСЬМИШАРНИРНО-КОЛЬЦЕВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ
Будівельне виробництво - Будівельне виробництво

Аннотация

Получены закономерности распределения горных Давлений на элементах подземных сооружений при мяг-Ких грунтовых условиях, а также способы вычислений Внутренних усилий с целью уточнения габаритных разме-Ров поперечных сечений и армирования элементов конст-Рукций.

Ключевые слова: Горное давление, грунтовые условия, Подземное сооружение.

Анотація

Отримано закономірності розподілу гірничого Ти-Ску на Елементах підземних споруд При м'Яких ґрунтових умовах, А Також способи Оьчислення Внутрішніх зусиль з Метою Уточнення габаритних розмірів поперечних Пере-Різів і армування елементів конструкцій. Ключові Слова: Гірничий тиск, ґрунтові умови, підземна Споруда.

The summary

The regularity of distribution of rock pressures on the elements of underground structures under mild ground condi­Tions, and also methods of calculation of internal efforts with The purpose of refinement of critical dimensionss of cross sec­tions and reinforcement of elements of constructions are ob­Tained.

Keywords: Rock pressure, ground conditions, underground Structure.

При строительстве подземных сооружений глубокого заложения часто применяют конструк-цию из сборных кольцевых элементов. Рассмот-рим распределение горных давлений на поверх-ности элементов подземных сооружений шарнир-но-кольцевого сечения в сложных горногеологи-ческих и гидрогеологических условиях, в частно-сти, водонасыщенных пылеватых песках, супесях и суглинках, а также мягкоглинистых грунтах и плывунах.

В литературных источниках [1÷6] приведе-ны способы расчёта подземных сооружений кольцевого сечения. Однако нет данных по опре-делению распределения горных давлений на шар-нирно-кольцевых элементах подземных сооруже-ний, которые имеют существенное значение при расчёте этих сооружений.

Характер распределения горного давления на внешней поверхности элементов шарнирно-кольцевого сечения подземных сооружений су-щественно зависит от свойств горных пород, ко-торые находятся вокруг сооружений, и от под-вижности элементов кольцевого сечения. При этом элементы подземных сооружений, которые находятся со стороны действия максимальной величины горного давления, ведут себя наиболее активно и приводят в движение всю систему. Шарнирно-кольцевая система, которая обладает податливостью, имеет перемещения в результате чего возникает отпор горных пород по боковым сторонам, который уравновешивает отдельные элементы системы сооружений. Для определения размеров поперечных сечений и армирования конструкций элементов кольцевого сечения под­земного сооружения необходимо знать величины нагрузок на каждый элемент кольца с учетом ожидаемой величины активного горного давления и возможных перемещений конструкции (рис. 1).

Рис. 1. Схема шестиполосных двухъярусных ав­тодорожных магистральных тоннелей кольцево­го сечения

Для таких грунтов коэффициент бокового

Распора, который выражается R1 = QБ/QВ,

Обычно приближается к единице, т. е. Т, -> 1, где QВ - Интенсивность вертикального горного давле­ния; Qб - Интенсивность бокового горного давле­ния. Величины Qб и qв Можно определить из свода давлений, который имеет параболическое очер­тание (рис. 2).

Для вышеперечисленных грунтов и сыпучих пород можно принимать горное давление в вер­тикальном направлении в виде:

Q В H , КН /М2, (1)

Где Ysr - Средний удельный вес слоев грунта или сыпучих пород над подземным сооружени­ем;


image020


Свода давления параболического очертания (см. рис. 2);

DН - Внешний диаметр сооружения кольце­вого сечения, м;

(Р - Угол внутреннего трения грунта или горных пород, град.;

FK=Tgq> - Коэффициент крепости породы по М. М. Протодьяконову.

Рис.2. Схема нагрузок на восьмишарнирный кольцевой тоннель глубокого заложения

Физико-механические показатели мягких грунтов:

γS = 26,2÷26,8 кН/м3; γ = 16,9÷17,2 кН/м3; W = 0,26ч0,28; С = 0,006÷0,01 МПа; <, = 24÷26°; Eo = 0,72÷0,82; µо = 0,3÷0,32; Ео = 4,0÷6 0 МПа;

- глины пластичные при влажности на
границе раскатывания Wp = 0,22÷0,26:

γS = 26,9÷27,4 кН/м3; γ = 18,9÷19,6 кН/м3; W = 0,42; С = 0,35÷0,45 МПа; = 12÷15°; Eo = 0,75÷0,85; µо = 0,42÷0,48; Ео = 5,0÷12 МПа;

- супеси:

γS = 26,6÷27,2 кН/м3; γ = 16,8÷17,6 кН/м3; W = 0,32; С = 0,034÷0,037 МПа; , = 18÷24°; Eo = 0,82÷0,95; µ О = 0,45÷0,5; Ео = 5,6÷7 8 МПа,

Где <; – угол внутреннего трения; С - сила сцепления Е - Модуль деформации; µо - Коэф­фициент Пуассона; γ S - Удельный вес частицы породы; γ - удельный вес породы; Eo - коэффици­ент пористости; W - Природная влажность

Если мощность покрывающих пород над подземным сооружением меньше двойной высоты свода H1, нагрузка на сооружение определяется весом вышележащего столба горных пород.

Средняя величина бокового давления На подземные сооружения определяется как давле­ние на вертикальную подпорную стенку высотой 0,5DН С учетом передачи на призмы сползания равномерно распределенной нагрузки QБ , Т. е.:

QБ=ysr ( H 1 + 0,5DH)tg2(45°-), (2)

В случае заложения подземных сооружений в мягкопластичных породах или в плывунах от действия нагрузок подземных сооружений проис­ходят пластические деформации или текучесть в этих породах. Тогда боковое давление породы на подземные сооружения зависит от горизонталь­ного распора породы, который определяется с помощью коэффициента Пуассона µ0 Или коэф­фициента бокового давления ζ По формуле:

М0

В

Q

(3)

В,

QБ = CqВ=

Где ζ - коэффициент горизонтального распора (или коэффициент бокового давления) породы.

При расчете шарнирно-кольцевых элемен­тов подземных сооружений в мягких горных по­родах или плывунах необходимо учитывать как активное, так и реактивное горное давление, при этом имея в виду, что от влияния собственного веса вышезалегающих слоев и от нагрузок назем­ных сооружений на элементах подземных соору­жений происходит перемещение в сторону поро­ды, возникает реактивное горное давление или отпор грунта.

Реактивное давление состоит из нормальной и тангенциальной составляющей. Нормальное реактивное давление может действовать в ради­альном направлении. Например, на участке ОАВ на поверхности элемента конструкции восьми-шарнирного подземного сооружения (рис. 3) ра­диальную и тангенциальную составляющие реак­тивного давления можно определить по следую­щим формулам:

А) радиальное давление:

(4)

2 Q В

Б) тангенциальное давление:

Qt(a) = 1QВ(1-ri)sIn2a, (5)

Где «– центральный угол, отсчитываемый от на­правления горного давления;

Т, = QБ/QВ - коэффициент бокового распора, который изменяется в пределах 0 ≤ η


С,.

І: і: і: і: у \ у ■ v у ■ ■■ \ у

image022


image024


Рис. 3. Схема распределения горных давлений на восьмишарнирный кольцевой элемент подземно-го сооружения в мягких грунтах

Каждый элемент восьмишарнирного под-земного сооружения имеет различные величины реактивного радиального давления отпора в мяг-ких грунтовых условиях и плывунах.

Изменение закономерностей реактивных радиальных давлений отпора для каждого эле-мента подземного сооружения, поделив их на 10 отрезков, можно определить, используя уравне-ние начальных параметров следующим образом:

А) для элемента АВ (рис.3):

P

P11

Cosα1 +

Sin α

(6)

V 2

Pn(α 1)

Б) для элемента ВС:

(7)

Pn ( α2) = P20cosα2+2 P21sin α2,

V 2

В) для элемента СD:

(8)

V 2

Где α 1, α 2, α3 - Угловые координаты произволь­ных сечений элементов, разделенных на 10 от­резков, которые отсчитываются от их начала в направлении обхода поверхности элемента от точки А к точке D (см. рис.3);

P10, P11 , P20, P21, P30 И P31 - Параметры, кото­рые характеризуют распределение реактивного давления на каждом участке элементов конст­рукций, которые зависят от величины F -коэффициента трения на контакте поверхности элементов с породой.

В слабых мягких породах и плывунах, где η →1, а касательные напряжения на контакте с элементами конструкций не проявляются (F = 0), распределение горных давлений приближается к равномерному радиальному обжатию конструк­ций подземных сооружений. При этом элементы подземных сооружений не подвергаются изгибу, работают в наиболее благоприятных условиях (рис. 4).

Рис. 4. Конструкции элементов подземных тон­нелей

При увеличении F Неравномерность распре­деления горных давлений на поверхности элементов увеличивается за счет уменьшения интенсивности давления в направлении A→B→C→D, как показано на рис. 3. При этом силы трения действуют по касательной в направ­лении обхода элементов от точки В к точке А, от точки С к точке В и от точки D к точке С. Так, например, при F < 1 интенсивность давления в шарнире D для различных величин η Будет со­ставлять всего (0,20÷0,35) Q В. Тогда приблизи­тельные величины параметров реактивных дав­лений при средних значениях 0 ≤ η ≤ 1 можно принимать: P10 = 0,12*; P11 = 0,16* Р20 = 0,18Q В; P21 = 0,21Q В ; P30 = 0,23 Q В ; P31 = 0Л2 Q В . _

После определения реактивных радиальных давлений отпора можно вычислить внутренние силовые факторы в элементах подземных соору­жений по следующим формулам:

_2_ 2

+ F


P 10F1

P \F


+


11 10

Qp = 1 R

А) для элемента ОА:

- Поперечная сила:

-Rj)SIn2C\; (9)

- Продольная сила:

(10)

(11)

N(A) = -N0sInA+1QВRx Х [(1 + r/)-(1-r/) Cos2a - 2R/ Cosa]; - Изгибающий Момент: M(a) = -N0R(1-cosa)+

X[(3^+1)-(1-^)cos2a-4^coscir];

Б) для элемента АВ:

(12) (13)

(14)

+ Np;

Q

N(a1) = N1cosa1-Q1sInA1+N

M(a1) = Q1 RSinci^ - N 1 R(1 - cosci^) +

+Mq+Mp;

Где Q 1=0,1 Q В R (7-1) - поперечная, а - Tj) - Продольная

А;

Щ - Центральный угол, отсчитываемый от точки А к точке В;

R - Радиус кривизны линии центров тяже­сти сечений элемента подземных сооружений;

Qq, Nq, Mq - Силовые факторы, которые за­висят от активного давления QВ И определяются формулами:

(15)

Qq = 2 QВR

X (cos A1 -cos 20^)

Nq= 1 qВ

R

(16)

(1+77)(1 - cosctT1)-(1-77)

X(sina1 -sin 2^)

(1 + 77)(1 - cos»1) - (1 - 77) >

; (17)

Mq= 2 QВR

Г

Силовые" факторы Qp , Np И Mp, Которые за­висят от реактивного давления, определяются по формулам:

(18)

2 FP11F3


10-FP 11 F 2

FP11

F


P


-


-


;

(19)

Np= 2 R

_2_ Л/2'

FP11F3-fP10 F 1


;

2 FP11\F2-42

(20)

;

MP= 1 R

-P 11 + FP10F 3+ 4 FP11F4

Где F1, F2, F3 и F4 - Функции влияния распреде­ленных горных давлений, которые определяются по формулам:

F2=a1 sinA1;

F3 =A1Cosa1-sInA1;

F4=1-Cosa1 .

Внутренние усилия в элементе ВС опреде­ляются также по выражениям типа (11), (12) и (13), если в них считать, что Nq = Qq = Mq = 0, переменный угол Щ Заменить углом А2 , вместо Р10 И Р11 Подставить соответственно Р20 И Р21 . Так же Q1 И N1 Необходимо заменить на Q2 и N2 - По­перечную и продольную силы в шарнире В, ко­торые определяются из выражений:

Q2 =0,12Q В R(^7-1) и

N 2=0,12Q В R(10-77)

При расчете внутренних усилий в элементе СD будут использоваться параметры давления Р30 И Р3 Вместо Р20 И Р21 , а вместо Q2 И N2 Под­ставить Q3 И N3, которые вычисляются по форму­лам:

Q 3 =0,09QR ( (7-1) и

N3 =0,0440-77)

Таким образом, с помощью формул (4)÷(8) можно определить распределение горных давле­ний от внешних нагрузок по периметру шарнир-но-кольцевых элементов и вычислить внутрен­ние усилия Q(A), N(а) И M(а) В любых произ­вольных сечениях подземных сооружений.


Из вышеприведенного можно сделать сле-дующие выводы:

1. Установлено, что закономерности рас-пределения горных давлений на шарнирно-кольцевых элементах подземных сооружений зависят от свойств горных пород и подвижности элементов конструкций. При мягкоглинистых грунтах и плывунах, для которых коэффициент бокового распора η → 1 и касательные напряже-ния на контакте с элементами конструкций не проявляются, т. е. коэффициент трения на кон-такте поверхности элементов с породой равняет-ся нулю (F = 0), распределение горных давлений приближается к равномерному радиальному об-жатию конструкций подземных сооружений. С увеличением коэффициента трения F Увеличива-ется неравномерность распределения горных давлений.

2. Определены равномерные радиальные давления отпора и внутренние усилия в отдель-ных элементах восьмишарнирно-кольцевого се-чения подземных сооружений при мягкоглини-стых и плывунных грунтовых условиях.

3. Используя внутренние усилия, можно уточнить габаритные размеры и процесс армиро-вания каждого элемента в отдельности или в унифицированном виде.

Литература

1. Горное давление на мощных крутых пла-
стах. Новосибирск, «Наука», 1967. – 212 с.

2. Давидов С. С. Расчет и проектирование
подземных сооружений. М.: Стройиздат, 1950. –
376 с.

3. Попов В. Л., Каретников В. Н., Ега-нов_В. М. Расчет крепи подготовительных выра-боток на ЭВМ. М.: «Недра», 1978. – 230 с.

4. Самедов А. М. Расчет и проектирование оснований и фундаментов. Учебник для вузов (на азерб. языке). – Баку : Маариф, 1992. – 496 с.

5. Самедов А. М. и др. Расчет монолитных подземных сооружений прямоугольного сечения на упругом и упруго-ползучем основании. Меж-ведомств. научно-технич. сборник "Строитель-ное производство", вып. 48/2007, К.: НДІБВ, 2007. С. 32-39.

6. Фотиева Н. Н. Расчет обделок тоннелей некругового сечения. М.: Стройиздат, 1974. – 176 с. УДК 624.012.25:539.431

Д. Я. Кислюк; Я. Д. Кислюк, Луцький націо-нальний технічний університет, м. Луцьк; В._І. Савченко; І. М. Сухоросов, ВАТ „ДБК-3” ХК „Київміськбуд”; В. Б. Шевельов, ВАТ „КиївЗНДІЕП

Похожие статьи