Добро пожаловать на официальное интернет-представительство Некоммерческого Партнерства "Союз производителей бетона"
Союз создан в 2003 году с целью координирования, регулирования и управления разрозненными отраслями, нормальное функционирование которых необходимо для общего развития рынка бетона. Мы заинтересованы в формировании и укреплении здоровой экономической политики на строительном рынке.






ПРИГЛАШАЕМ ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ


МЫ СОТРУДНИЧАЕМ



НАШИ ПАРТНЕРЫ







АВТОРИЗАЦИЯ
Логин:
Пароль:
Регистрация
Забыли свой пароль?


 

БЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН - СТАТЬИ

Прислать свою статью


25.07.2012

Исследования взаимодействия головной секции и грунтового массива при производстве работ по продавливанию тоннелей

Комментариев: 0 | Количество просмотров: 4169

Автор: Г.В.Мосолов мл. науч. сотрудник ОАО ЦНИИС

Рассматриваются основные положения методики определения усилий продавливания крупногабаритных секций в пространственной постановке задачи. Проводится сравнительный анализ результатов расчета с измерениями, полученными в натурных условиях.

При строительстве тоннелей методом продавливания и, особенно, крупногабаритных секций под защитой экрана из труб всегда встаёт задача определения усилий сопротивления продавливанию, которые необходимы для последующего выбора технологии, механических устройств и их проектирования.

Одним из основных расчётных параметров для метода продавливания является полное усилие продавливания, которое состоит из усилий для преодоления сил трения по наружной поверхности секций и усилий для преодоления лобовых сопротивлений.

Рисунок 1. Вид на ножевую часть продавливаемого тоннеля

Методики определения лобовых сопротивлений внедрению в грунт ножевой части (рисунок 1) тоннельных секций можно разделить на 2 вида: аналоговая и расчетно-теоретическая методика.

Аналоговая методика расчёта лобового сопротивления базируется на использовании полученного опыта продавливания тоннелей в сходных условиях. Такой подход является сугубо ориентировочным и может приводить к серьёзным просчётам.

Расчётно-теоретическая методика базируется на расчёте по удельным сопротивлениям внедрения в грунт ножевых элементов, полученным на основе опытных работ. В ней имеют место эмпирические данные, игнорирующие многие факторы, влияющие на конечные результаты лобовых сопротивлений. Данная методика описана в рекомендациях по производству работ при сооружении тоннелей метрополитена методом продавливания [2]. Этот подход часто не отвечает реальным ситуациям.

В филиале ОАО ЦНИИС НИЦ ТМ была разработана методика расчета усилий продавливания секций, базирующаяся на теории предельного равновесия грунтовой среды, развитой в окончательном виде В.В. Соколовским [4]. Расчёты по данной методике подтверждаются как обобщёнными теориями механики грунтов, так и широким спектром практического опыта, а также экспериментальными исследованиями поведения грунтов под воздействием внешней нагрузки.

Особенностью процесса внедрения в грунт ножевых элементов головной части продавливаемых секций является принудительный сдвиг грунтовых масс, что описывается в механике грунтов пластическим напряженным состоянием (теорией предельного равновесия сыпучей среды). При глубинном сдвиге образуются замкнутые области предельного равновесия, вызывающие местное уплотнение грунтов. В этом случае имеет место упруго-пластическое напряжённо-деформируемое состояние грунтового массива.

Процесс расчета усилий продавливания условно можно разделить на 3 отдельные задачи для козырька, лотка и боковых стен ножевой части. Общее усилие находится суммированием полученных значений усилий для каждого отдельного элемента ножевой части. Для всех задач задаются одинаковые исходные данные, а именно:

– физико-механические характеристики грунта (угол внутреннего трения; сцепление; плотность; угол трения грунта по металлу);

– параметры ножевой части (угол заострения клина для: лотка, козырька, боковых стен; толщина клина, длина ножевой части, наружная и внутренняя ширина секции, текущая глубина внедрения элемента ножевой части);

– параметры забоя (угол наклона забоя).

Рисунок 2. Расчетная схема для козырька ножевой части

lк – длина клина; l – текущая глубина внедрения клина; μ – угол раствора пассивной области; β – угол раствора активной области; θ – угол раствора переходной области, P – пригрузка от откосного забоя

Цветовые обозначения:

При расчете усилия козырька ножевой части применяется плоская задача предельного равновесия. С помощью теории Соколовского В.В. строятся области предельного равновесия грунта - минимальная, максимальная и переходная (рисунок 2). Границы области зависят от физико-механических характеристик грунта, от угла заострения козырька и от глубины его внедрения. Откосный забой заменяется распределенным боковым давлением P (рисунок 2), нарастающим с увеличением глубины.

Рисунок 3. Расчётная схема области сдвига (AOD) при внедрении лотка секции в грунт:

α – угол заострения клина лоткового элемента ножевой части.

Для вычисления усилия продавливания лотка ножевой части, ввиду его малого (около 15%) влияния на общее усилие, целесообразнее применить метод сдвига грунта по граничной круглоцилиндрической поверхности, широко применяемый в практике проектирования для расчета реальных задач устойчивости сооружений и грунтовых массивов.

Основной компонентой общего усилия продавливания является усилие внедрения вертикальных элементов (боковых стен) ножевой части. Для расчета применяется осесимметричная задача предельного равновесия грунта [1].

Для её решения откосный забой делится на расчетные слои грунта, в которых рассматриваются только горизонтальные предельные напряжения. Собственный вес учитывается в горизонтальных направлениях в соответствии с удельным сцеплением как элемент касательных напряжений по границе слоев. Это позволяет рассматривать задачу в такой постановке, как для невесомой среды, решение для которой существует [1].

При разбиении откосного забоя на горизонтальные слои, каждый слой получает свои собственные граничные условия в виду непрерывного изменения глубины внедрения. Изменение граничных условий в расчетных схемах слоев приводит по всей высоте забоя (от козырька к лотку) к одной из трех стадий (рисунок 4) развития зон выпирания грунта (областей предельного напряженного состояния грунта).

На первой стадии для расчета предельного усилия внедрения используется классическая расчетная схема плоской задачи предельного равновесия грунта для решения устойчивости грунтовых оснований подпорных стен, земляных откосов [4].

В предельном состоянии в грунтовом массиве образуется зона сдвига, состоящая из трех областей ПНС (рисунок 4). Сдвиг грунта осуществляется от активной области к пассивной при минимальном превышении предельных тангенциальных напряжений со стороны грунтового массива, действующих вдоль граничной линии скольжения.

Для каждой из трех стадий установлен критерий их существования. Для первой стадии это:

В третьей стадии прямолинейная граница забоя совместно с пассивной областью ПНС перемещается от наклонных граней НЧ во внутреннее пространство секции. Оно ограничено параллельными гранями стен. Внутри секции ширина забоя не меняется. Особенностью данной стадии является перелом контактного профиля в активной области ПНС (рисунок 4, в).

Рисунок 4. Три стадии развития предельного напряженного состояния (ПНС) при внедрении боковых стен ножевой части (НЧ) секции в грунт:

а) первая стадия ПНС (стандартная модель);

б) вторая стадия ПНС;

в) третья стадия ПНС

Цветовые обозначения:

Основной задачей расчета предельного напряженного состояния (ПНС) является вычисление максимального значения предельного давления q на контактной линии активной области ПНС.

Предельное давление q является функцией от угла раствора переходной области:

, т.е. изменение q является следствием изменения переходной области ПНС. Получив эпюру распределения напряжений на поверхности клина определяется полное усилие продавливания для каждого расчетного элемента конструкции ножевой части (лоток, козырек и боковые стены). Суммировав найденные усилия для каждого элемента (для боковых стен предварительно требуется суммировать усилия, найденные для каждого расчетного слоя грунта) найдем искомое полное усилие продавливания ножевой части.

Натурные исследования проводились в 2007 году на строительстве транспортного тоннеля под железнодорожными путями Курского направления МЖД, сооружаемого закрытым способом методом продавливания. Тоннель состоит из шести железобетонных секций в виде двух соседних рядов по трем секциям с четырьмя полосами движения по 3,75 м в ряду. Ряды смещены относительно друг друга на, примерно, половину секции. Таким образом, конструкция подземного автотранспортного перехода представляет собой двухочковый тоннель коробчатого сечения протяженностью от портала до портала 121,74 м (пикеты ПК 132+38,80 и ПК 133+59,67).

Продавливание производилось поэтапно по принципу червячной передачи усилий, т.е. первая секция отталкивалась с упором во вторую, вторая – в третью, а третья – в упорную стенку. Длина рабочих заходок составила 80 см. Грунт в забое разрабатывался экскаватором «обратная лопата» сверху вниз под углом 450 [3].

В течение проходки тоннеля было зарегистрировано 152 показания манометра. Для оценки усилий продавливания по всей длине трассы был построен общий график полных усилий продавливания (рисунок 5).

Рисунок 5. Общий график изменения полного усилия продавливания:

Вертикальная ось – зарегистрированные показания усилий, кН;

горизонтальная ось – длина пройденного участка тоннеля, м.

Исходя из анализа графика (рисунок 5), можно выделить два основных режима работы ножевой части:

– режим начального внедрения ножевой части (постепенное внедрение ножевой части в насыпь, режим А на графике);

– режим основной работы ножевой части (циклическое повторение основных этапов работы с величиной усилия продавливания, зависящего от грунтовых условий, режимы Б-1, Б-2, Б-3 на графике).

Полученные максимальные усилия по участкам продавливания приведены в таблице 1.

Полученные усилия, рассчитанные по новой уточненной методике Таблица 1

Проведенные сравнительные расчеты показали, что погрешность результатов, полученных с помощью разработанной методики определения усилий продавливания крупногабаритных секций, не превышает 10% от натурных и дает близкие к натурным усилия.

Разработанная методика исполнена в виде программы для ПК. Она позволяет с достаточной точностью проводить расчеты полного усилия продавливания. Это поможет ускорить и минимизировать погрешность расчетов как при проектировании ножевой части, так и при строительстве.

ЛИТЕРАТУРА

1. Березанцев В.Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М.: Гостехиздат, 1952. 120 с.

2. Демешко Е.А. Рекомендации по производству работ при строительстве тоннелей метрополитенов методом продавливания. – М.: ЦНИИС, 1988. 47 с.

3. Сазонов О.В. Сооружение автодорожного тоннеля на пересечении Варшавского шоссе с курским направлением МЖД методом продавливания. Метро и тоннели. 2009. №4. с.14-15

4. Соколовский В.В. Статистика сыпучей среды. М.: Физматгиз, 1960. 243 с.

Для связи с автором: Мосолов Георгий Владимирович

Тел. +7 (499) 189-87-61; факс +7 (499) 180-10-75; MosolovGV@tsniis.com.


Возврат к списку

Для того чтобы оставить комментарий, Вам необходимо авторизоваться.
3.151534367795

Реклама на портале


Rambler's Top100 Яндекс цитирования
Некоммерческое партнерство "Союз Производителей Бетона",2003-2011
Все права защищены. Публикация информации с сайта без активной гиперссылки на www.concrete-union.ru и согласования с руководством запрещена
Адрес электронной почты info@concrete-union.ru
Размещение рекламы на портале НП "Союз Производителей Бетона"