ПЗ Проект горного автодорожного тоннеля (1204492), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Расчетпроизводится на основе методов строительной механики, теории упругости имеханики грунтов, с учетом инженерно-геологических особенностей горныхпород. При этом расчет подковообразных обделок из монолитного бетона обычновыполняется только по несущей способности материала. Это связано с тем, чтомонолитные обделки обладают большой жесткостью. Расчет обделкипроизводится по несущей способности на прочность и на основное сочетаниенагрузок, составляемое из постоянных нагрузок и воздействий, а именно:вертикальное и горизонтальное горное давление [3].Одной из особенностей расчета тоннельных обделок является учет упругогоотпора пород, окружающих конструкцию.
Упругий отпор возникает в породах,обладающих необходимыми упругими свойствами, обычно это породы, имеющиекоэффициент крепости по М. М. Протодьяконову более единицы, т есть f ≥ 1. Впородах, обладающих такими свойствами, окружающая среда рассматривается какупругая, способная противодействовать деформациям обделки в сторону породы[4].4.1. Определение нагрузок, действующих на тоннельную обделкуНагрузки, действующие на тоннельную обделку, определяются согласно[3], п.
5.5 «Нагрузки и воздействия». Величина этих нагрузок зависит от глубинызаложения тоннеля и размеров выработки, инженерно-геологических игидрологических, климатических, сейсмических условий, способа производстваработ, наличия других выработок вблизи тоннеля, а также вида транспорта [3].В данном проекте расчет обделки произведен на наличие основногосочетания нагрузок: совместное воздействие на обделку вертикального игоризонтального горного давления. Для практических расчетов вертикальное игоризонтальное горное давление принимается в виде равномерно распределеннойнагрузки.Схема к определению величины горного давления представлена на рисунке4.1.Лист25Рисунок 4.1 – Расчетная схема к определению горного давленияВеличины вертикальных и горизонтальных нормативных нагрузок,действующих на обделки тоннелей, сооружаемых закрытым способом,определяются с учетом возможности образования в породах самонесущего свода,при H ≥ h 1 (см.
рисунок 4.1).Кажущийся угол внутреннего трения грунтового массива в пределахсечения тоннельной обделки в градусах определяется по формуле: к = arctg,(4.1)где f – коэффициент крепости породы по шкале проф. М. М. Протодъяконова.Величина пролета свода обрушения L, м, определяется по выражению: = + 2ℎ �45° −где B – величина пролета выработки;h – высота выработки.к2�,(4.2)Высота свода обрушения h 1 , м, над верхней точкой обделки в условияхсводообразования в нескальных необводненных грунтах рассчитывается поформуле:ℎ1 =2.(4.3)Приведенное выше выражение справедливо для следующих горных пород:Листпорфирит трещиноватый (f = 4,0), разрушенный габбро с заполнением26суглинком (f = 1,5).
Для крепких скальных пород, таких как габбро трещиноватый(f = 5,0), андезит (f = 7,0), оказывающих вертикальное и горизонтальное горноедавление, высота свода обрушения вычисляется по формуле:ℎ1 =0,2,(4.4)где R – предел прочности грунта на сжатие «в куске», МПа; – коэффициент, учитывающий влияние трещиноватости горного массива,зависящий от R и категории массива по степени трещиноватости, в соответствии с[СП тоннели, табл. 6,7].Нормативная вертикальная равномерно распределенная нагрузка qн, кН/м2,в условиях сводообразования определяется по формуле: н = ℎ1 ,(4.5)где – нормативный удельный вес грунта, кН/м3.Нормативная горизонтальная равномерно распределенная нагрузка pн,кН/м2, вычисляется по формуле:н = (ℎ1 + 0,5ℎ)2 �45° −к2�.(4.6)Расчетные величины горного давления qр и pр, кН/м2, получаются врезультате умножения полученных нормативных величин на коэффициентнадежности по нагрузке , принимаемый в соответствии с рекомендациями табл.8 [3].
= н ∙ в , = н ∙ г .(4.7)(4.8)Результаты расчетов горного давления, возникающего в выработкахрассматриваемого тоннеля, сведены в таблицу 4.1.Таблица 4.1 – Результаты расчета горного давленияНаименованиепоказателя1fB, мПорфириттрещиноватый24,011,81Горная породаГабброРазрушенныйАндезиттрещиноватыйгаббро3457,05,01,511,3111,8111,81Лист27Продолжение таблицы 4.11h, мк , градγ, кН/м3L, мh1, мнq , кН/м2pн, кН/м2γ fвγ fгрq , кН/м2pр, кН/м2210,0176,02514,271,7844,612,571,61,253,533,0939,9081,92612,720,9123,620,771,61,228,340,92410,0178,72513,791,3834,481,561,61,241,381,88510,0156,31919,196,40121,5220,111,81,2145,8224,13Исходя из результатов расчета и запроектированных типов тоннельныхобделок, можно сделать о том вывод, что необходимо произвести следующиерасчеты прочности бетонных тоннельных обделок:1) Расчет тоннельной обделки типа 1 на действие нагрузок qр=41,38 кН/м2,pр=1,88 кН/м2;2) Расчет тоннельной обделки типа 1 на действие нагрузок qр=145,82 кН/м2,pр=24,13 кН/м2;3) Расчет тоннельной обделки типа 2 на действие нагрузок qр=28,34 кН/м2,pр=0,92 кН/м2.4.2.
Определение усилий, возникающих в сечениях тоннельной обделкиОпределение усилий, возникающих в характерных сечениях тоннельныхобделок, выполнено с применением лицензионного программного комплексаЛИРА-САПР 2013, предоставленного кафедрой ДВГУПС «Мосты, тоннели иподземные сооружения».Расчетная схема тоннельной обделки, выполненная в ПК ЛИРА-САПР,представляет собой свод, расположенный в упругой среде, в которой возникаетотпор породы.При деформациях под нагрузкой верхняя часть свода подковообразнойтоннельной обделки выходит из упругого контакта с окружающей породой. Наостальном протяжении обделка вдавливается в породу, вызывая упругий отпор состороны породы, пропорциональный радиальным деформациям и величине силытрения. Форма и длины участков эпюр этих усилий неизвестны и подлежатопределению в ходе расчета [6].Лист28Подошвы стен тоннельной обделки не смещаются в горизонтальномнаправлении вследствие наличия сил трения, но имеют возможностьповорачиваться относительно низшей точки подошвы.
Напряженное состояниеобделки в значительной степени определяется величиной и характеромраспределения упругого отпора [6].В ПК ЛИРА-САПР плавное очертание оси тоннельной обделки заменяетсявписанной ломаной линией, состоящей из отдельных стержней. Каждый стерженьзадается в программе как конечный элемент типа 10 (КЭ10). В пределах каждогоэлемента жесткость присваивается постоянной, соответствующей жесткостиодного погонного метра тоннельной обделки. В пяте тоннельной обделкиприменяется одноузловой конечный элемент КЭ56, моделирующий упругий отпорпо вертикальной оси.На систему накладываются следующие связи:- в подошве тоннельной обделки запрещены горизонтальные ивертикальные перемещения, а также поворот относительно оси Z (т.е. наложенысвязи X, Y, UZ);- в замковом сечении накладывается связь, запрещающая перемещение погоризонтальной оси (связь Y);- во всех остальных случаях между стержнями наложены связи,запрещающие перемещение по горизонтальной оси Y и поворот относительновертикальной оси Z (связи Y, UZ).Совместная работа обделки с упругой средой может быть учтена разнымиспособами.
В данной расчетной схеме для стержней, в которых возможновозникновение отпора породы, задается коэффициент постели C1 z , учитывающийвеличину упругого отпора на всем протяжении стержня. Его величина условнопринимается равной коэффициенту упругого отпора породы за стеной (см.табл.2.12 «Физико-механические характеристики горных пород»).Нагрузка, действующая на тоннельную обделку, задается в качестверавномерно-распределенной нагрузки, величина которой равна рассчитанному впункте 4.1 значению горного давления.Пример расчетной схемы, реализованной в ПК ЛИРА-САПР для расчетатоннельной обделки типа 1 в породах крепостью f = 1,5 (разрушенный габбро сзаполнением суглинком, зона тектонических нарушений) (далее – «тип 1б»),приведена на рисунке 4.2.Лист29Рисунок 4.2 – Расчетная схема тоннельной обделки, реализованная в ПКЛИРА-САПР 2013 (тоннельная обделка - тип 1б)В ходе расчета необходимо произвести контроль правильности назначениязоны отливания и зоны упругого отпора в расчетной схеме.
Для этогопроизводится проверка эпюры реакций Rz. По ней видно, как сильно упругийотпор действует на тоннельную обделку. Расчет будет выполнен неверно, еслибудет возникать реакция Rz внутри контура тоннельной обделки (отрицательнаярекция), так как внутри не может существовать отпора ввиду отсутствия породы.Вид эпюры реакций Rz для расчета типа 1 тоннельной обделки в породахкрепостью f = 1,5 приведен на рисунке 4.3. В случае, если реакции Rz возникаютвнутри контура тоннельной обделки, необходимо разбить конечный элемент сотрицательной реакцией на два элемента и выполнить перерасчет.Лист30Рисунок 4.3 – Вид эпюры реакций Rz – реакций от упругого отпора породы(тоннельная обделка - тип 1б)Эпюры изгибающих моментов и нормальных сил, возникающих втоннельной обделке типа 1 в породах крепостью f = 1,5, приведены на рисунках4.4, 4.5.Лист31Рисунок 4.4 – Эпюра изгибающих моментов (тоннельная обделка – тип 1б)Лист32Рисунок 4.5 – Эпюра нормальных сил (тоннельная обделка - тип 1б)Лист33Определенные в результате расчетов в ПК ЛИРА-САПР 2013 усилия,возникающие в характерных сечениях тоннельной обделки, сведены в таблицу 4.2.Таблица 4.2.
Усилия, возникающие в сечениях тоннельной обделкиТип обделки (коэф.крепости породы f)Тип 1а (f = 5,0)Тип 1б (f = 1,5)Тип 2(f = 7,0)Изгибающие моменты,кНмM maxM minM пята29,9324,420,88144,88 127,941,4311,3410,990,21Нормальные силы, кНN замок158,11528,30115,38N (Mmin)231,11776,20155,22N пята278,94907,26195,334.3. Проверки прочности бетонной тоннельной обделкиПроверка прочности тоннельной обделки должна выполняться повычисленным усилиям (изгибающим моментам и нормальным силам) всоответствии с требованиями [3].Достаточно выполнить расчет для трех наиболее характерных сечений:для замкового сечения;для сечения с наибольшим отрицательным моментом;для сечения в пяте обделки.-Тоннельная обделка может рассчитываться как внецентренно сжатаяконструкция при выполнении следующего условия:где 0 =0 ≤ 0,9 ,(4.9)- величина эксцентриситета продольной силы относительно центратяжести сечения;М и N – соответственно изгибающий момент и нормальная (продольная) силав рассматриваемом сечении; – коэффициент, учитывающий влияние прогиба на значениеэксцентриситета продольного усилия.
Для монолитных обделок коэффициент принимается равным 1;y – расстояние от центра тяжести сечения до наиболее сжатого волокна, в см.Учитывая, что расчет ведется на 1 погонный метр тоннеля, поперечноесечение обделки имеет прямоугольный вид. Проверка прочности привнецентренном сжатии производится по формуле:Лист34 ≤ ∙ ∙ ∙ ∙ ℎ �1 −20 ∙ℎ�,(4.10)где N – продольная сила, действующая в рассчитываемом сечении; – коэффициент, для тяжелого бетона принимается равным 1,0; – коэффициент, учитывающий неточность в назначении расчетной схемытоннельной обделки, согласно СП 122.13330.2012 равен 0,9; – расчетное сопротивление бетона осевому сжатию [7];b – ширина сечения (1 п.м);h – высота сечения, м.Внецентренно сжатые тоннельные обделки, возникновение трещин вкоторых не допускается по условиям эксплуатации, так же проверяются с учетомсопротивления бетона растянутой зоны по формуле:≤1,75∙∙ ∙∙ℎ60 ∙−ℎ,(4.11)где – расчетное сопротивление бетона осевому растяжению [7]; – величина, определяемая согласно [3].При невыполнении условия 4.9, тоннельная обделка так же проверяется какработающая на изгиб конструкция по формуле: ≤ ∙ ∙ ∙∙ℎ2Результаты выполненных расчетныхтоннельных обделок приведены в таблице 4.3.3,5.(4.12)проверокзапроектированныхТаблица 4.3 – Проверки прочности в сечениях бетонной тоннельной обделкиТипобделки1e, см2M расч ,кНм3M нес ,N расч , кНкНм45Замковое сечениеN нес , кНПримечания67Тип 1а18,829,9359,88158,11451,53Тип 1б27,8144,8859,88528,3271,14УдовлетворяетусловиямпрочностиНеудовлетворяетусловиямпрочностиЛист35Продолжение таблицы 4.3123456Тип 29,811,3436,23115,38643,687УдовлетворяетусловиямпрочностиСечение с наибольшим отрицательным изгибающим моментомТип 1а11,724,4265,32231,111066,7Тип 1б16,5127,9469,56776,20656,31Тип 27,410,9936,23155,221101,1Сечение в пяте тоннельной обделкиТип 1а3,20,88-278,9410307,45Тип 1б1,61,43-907,2610355,8Тип 21,10,21-195,336545,31УдовлетворяетусловиямпрочностиНеудовлетворяетусловиямпрочностиУдовлетворяетусловиямпрочностиУдовлетворяетусловиямпрочностиУдовлетворяетусловиямпрочностиУдовлетворяетусловиямпрочностиПримечание: e – эксцентриситет приложения нормальной силы;M расч – изгибающий момент, возникающий в сечении обделки;M нес – несущий момент в бетонной тоннельной обделке;N расч – нормальная сила, возникающая в сечении обделки;N нес - несущая нормальная сила в бетонной тоннельной обделке.Анализируя результаты расчетов видно, что тоннельная обделка - Типа 1а, впородах габбро трещиноватый (f = 5,0) и порфирит трещиноватый (f = 4,0)удовлетворяет условиям прочности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
