Диссертация (1173128), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Их применение позволяет лучше понять связи между взаимовлияющими параметрами. Аналитические методы дают возможность, решая задачи взаимодействия тоннельной конструкции и грунтового массива, представленного в виде сплошной или дискретной среды, применять теорию упругости, теорию пластичности, теорию предельного равновесия, а также стохастические методы.
Во многих случаях для решения задач с участием однородной изотропной полуплоскости применяется теория упругости [5, 30, 451. 60 Методики прогнозирования деформаций поверхности земли с аналитическим подходом разработали многие ученые, в том числе С.Г. Авершин, Ю.А.
Лиманов [29, 30], В.Ф. Подаков, 'Чегго[]1, Воо1~ег [109, 110], Оопка1еу, Яадаве1а [57, 70], СЬои и ВоЬе1 [77], Яа1п [104]. Для условий строительства Ленинградского метрополитена Ю.А. Лиманов и В.Ф. Подаков, опираясь на применение теории упругости и на работы С.Г. Авершина и С.Г. Гутмана [36], разработали специальные методики.
Бауазе1а [57, 70] представил решение задачи для изотропного и однородного несжимаемого грунта из-за потери грунта по контуру выработки. Ъ'его]]1 и Воо1сег [109, 110] представили обобщение решения Яадазега в однородных упругих полупространствах для случая потерь грунта, имеющего произвольные значения коэффициента Пуассона, учитывающие также влияние длительной деформации обделки тоннеля. Но их аналитическое решение не позволило добиться удовлетворительной согласованности между расчетными и измеренными значениями. В работах Ьодапа1Ьап и Рои1оз [93] с целью уточнить решение Уеггш]1 и Воо1ег, предусмотрено включение параметра потери глинистого грунта. Мелкодисперсный раствор улучшил результаты в жесткой глине, но привел к завышенным результатам в мягкой.
С[й и др. [76] предприняли попытку распространить эквивалентную модель потерь на грунт, 1.одапа1Ьап и Рои1оз попытались сделать это в отношении глинистых и песчаных грунтов. Аналитическое решение для тоннелей мелкого заложения в водонасыщенных грунтах предложили СЬоп и ВоЬе1 [77], исследуя деформации поверхности земли, выявили хорошую согласованность прогнозных и фактических величин, а также соотношение между характером грунта, способом производства строительных работ и геометрией тоннеля. Было показано, что максимальные деформации поверхности земли в основном зависят от величины строительного зазора.
Я1а1п основываясь на принципе суперпозиции, предложил следующее окончательное решение уравнения для горизонтальных и вертикальных деформаций грунта при продавливании тоннеля [104]: 61 (2.22) (2.23) где 5,. — горизонтальное смещение рассматриваемой точки, м; 5,, — вертикальное смещение рассматриваемой точки, м; Я вЂ” наружный диаметр ножевой части или щитовой машины, м; И вЂ” размер строительного зазора, м; х, у — рассматриваемые точечные координаты (начало системы координат лежит на оси тоннеля), м; Ь вЂ” глубина заложения тоннеля, м; г — расстояние рассматриваемой точки от оси тоннеля, м; а — фактор, который учитывает изменения объема грунта при продавливании тоннеля. Аналитические методы отличаются сложностью и громоздкостью математического аппарата и в настоящее время используются лишь в отдельных случаях.
2.2.4. Численные методы Отмечаемое в последнее время ускоренное развитие численных методов расчета предопределяет их применение для прогнозирования деформаций дневной поверхности при продавливании тоннелей, при описании всего процесса строительства тоннеля, в том числе при моделировании элементов тоннеля, их взаимодействия с окружающим грунтовым массивом и смежными сооружениями с учетом физико — механических и прочностно — деформационных характеристик грунта и других факторов. Методы численного моделирования, используемые в геотехническом анализе, обычно включают в себя системы узлов, элементы и граничные условия. В частности, элементы используются для моделирования геометрических и механических характеристик грунтового массива, а также конструкции в целом.
Узлы играют роль локализации и связывания элементов, в то время как граничные условия описывают характеристики модели, связывающие ее с остальной частью окружающего пространства. С помощью численных методов удается решать наиболее часто встречающиеся в тоннелестроении проблемы, которым присущи распределенные неоднородные начальные напряжения, нелинейное, зависящее от времени, или многофазное поведение среды 112, 84]. Различные численные методы, такие как МКЭ, МКР и МГЭ, помогают изучить поведение грунта при продавливании тоннелей 157]. МКЭ вЂ” самый распространенный численный метод оценки деформаций поверхности земли при строительстве тоннеля. При моделировании и прогнозировании развития деформаций поверхности земли специализированным геотехническим программным обеспечением используются разнообразные входные данные, такие как геометрические размеры, методы строительства, геологические условия и т.д.
Результаты расчета, помимо деформаций поверхности земли, также включают внутренние усилия в конструкции тоннеля и диаграммы распределения напряжений. Конечные элементы должны быть выбраны так, чтобы их можно было максимально приблизить к фактической работе грунта, без излишних сложностей, помимо возможностей обычных вычислительных инструментов. При прогнозе НДС (в том числе деформаций поверхности земли), вызываемого строительством тоннелей методом продавливания, МКЭ используют применительно к строительству разнообразных тоннелей (например, проект В16 Р1О в г. Бостоне, США 185], тоннели Чегпоп и Мачагго в Техасе, США [70], тоннель под автомобильной дорогой на о.
Тайване 192]). Более подробно метод конечных элементов рассмотрен в главе 3. Выводы по главе 1. Широкое применение метода продавливания при проходке тоннелей под различными препятствиями требует научного обоснования ряда конструктивных и технологических параметров: сопротивлений при продавливании, усилий продавливания, деформаций грунтового массива и поверхности земли и др. 2. При проектировании тоннеля необходимо определение предельного усилия продавливания для назначения рациональной схемы строительства и 63 выбора эффективного оборудования.
Предельное усилие продавливания зависит от многих факторов: технологии строительства, инженерно-геологических условий, глубины заложения тоннеля и т.д. Предельное усилие продавливания определяется, исходя из необходимости преодоления общего сопротивления продавливанию. 3. Сопротивление продавливанию включает лобовое сопротивление вдавливанию головной ножевой секции в грунт (И',,) и сопротивление трения грунта или материала окружающей тоннель среды по наружной поверхности обделки (И',р).
Между составляющими И'„и И',„есть различие: если И~,,— величина постоянная (при неизменных условиях продавливания), то И", величина переменная, нарастающая по мере увеличения длины участка продавливания. При этом необходимо отметить, что основную часть общего усилия составляет сопротивление трения. 4. При сооружении тоннеля методом продавливания возникает изменение естественного напряженно-деформированного состояния грунтового массива, результатом чего в нем формируется вокруг тоннеля затухающее поле деформаций, и процесс этот протекает без разрыва сплошности, а в случае сравнительно слабых грунтов в верхних слоях кровли, на земной поверхности образуется мульда деформаций. 5.
Для прогнозирования ожидаемых деформаций грунтового массива и поверхности земли применяют как теоретические, так экспериментальные методы исследования соответственно в лаборатории и в полевых условиях. Описанные эмпирические, полуэмпирические и аналитические методы обладают существенными недостатками, обусловленными преимущественно невысокой точностью и математическими трудностями.
В связи с этим, в настоящее время при решении задач взаимодействия конструкций тоннеля с грунтом на различных этапах строительства применяют в основном численные методы. 6. Современные численные методы (в том числе метод конечных элементов) позволяют моделировать достаточно сложные в геометрическом в технологическом отношении горнотехнические ситуации. Решение 64 соответствующих задач в ЗР постановке указанными методами и с применением имеющихся программных комплексов, таких как РЬАХ15 ЗР— Т1Л~ПЧЕЬ, МААК вЂ” ОТЯ, Х вЂ” Я01Ь, 'о1АЯТКАо1, А1чЯУБ и др. дает результаты оценки прогнозных деформаций при продавливании тоннеля, характеризуемые высокой степенью соответствия материалам полевых измерений. Задачи исследований 1.
На основе анализа современного опыта проектирования и строительства тоннелей методом продавливания а также существующих методов определения необходимых усилий продавливания и деформаций грунтового массива и поверхности земли, предусмотрено разработать методику исследований НДС грунтового массива и конструкции тоннеля на различных этапах его строительства. 2. Создать математическую конечно-элементную модель системы «грунтовый массив — тоннель» с использованием программного комплекса «РЬАХ1Б 30 — Т1Л~ПЧЕЬ» и выполнить тестирование ее работоспособности.
3. Разработать матрицу планирования численных экспериментов для установления зависимостей характера распределения и интенсивности деформаций поверхности земли от рассматриваемых факторов и их совокупности. 4. На математической модели исследовать НДС конструкции тоннеля и грунтового массива и учесть влияние геометрических, инженерно-геологических и конструктивно-технологических факторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
