СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ КАФЕДРА: «Тоннели и метрополитены» КУРС ЛЕКЦИЙ ДИСЦИПЛИНА: Городские тоннели СОСТАВИЛ: профессор ТРЕТЬЯКОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
ЛЕКЦИЯ 5: РАСЧЕТ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК КРУГОВОГО ОЧЕРТАНИЯ. ВОПРОСЫ: 1. Порядок расчета тоннельных обделок кругового очертания. 2. Установление расчетной схемы. 3. Нагрузки на тоннельную обделку и способы их определения. 4. Расчет обделки в монтажной стадии. 5. Расчет обделки, как свободно деформирующегося кольца.
1. Порядок расчета тоннельных обделок кругового очертания. Особенностью щитовой проходки является использование ее для сооружения тоннелей в очень слабых неустойчивых породах. В таких условиях всестороннего давления наиболее целесообразной формой тоннельной обделки принято считать круговую в виде замкнутого кольца, как правило, с постоянной жесткостью. В соответствии с этим, в настоящее время при проектировании обделок при щитовой проходке применяют достаточно простые приближенные методы расчета, разработанные применительно к круговой форме обделок с использованием известного аппарата строительной механики и отдельных положений теории устойчивости и механики грунтов.
Расчеты тоннельных обделок должны производиться в соответствие с требованиями СНи. П 32 -04 -97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» с учетом указаний глав СНи. П 2. 03. 01 -84 «Бетонные и железобетонные конструкции» . Расчет обделок кругового очертания следует производить по следующей схеме: 1. Установление расчетной схемы обделки с заданием основных размеров: диаметра, толщины и количества элементов; 2. Определение нагрузок, действующих на обделку в монтажной и эксплуатационной стадиях; 3. Определение расчетных внутренних усилий (изгибающих моментов, нормальных сил) в элементах обделки; 4. Проверка прочности сечений обделки с определением несущей способности в зависимости от принятых размеров, расчетного сопротивления материалов, условий работы и т. д. ; 5. Проверка прочности стыков и усилий, полученных расчётом; 6. Определение величин деформации обделки и основания и сравнение их с допускаемыми величинами;
7. Проверка в необходимых случаях на трещинообразование элементов обделки. 2. Установление расчётной схемы Таким образом, следуя схеме расчета в первую очередь необходимо установить расчетную схему для запроектированной конструкции обделки. Расчетная схема – это конструкция обделки, выраженная её контурными или осевыми линиями с указанием формы, нагрузок, размеров и различных конструктивных особенностей. Основными факторами для выбора расчётной схемы являются: инженерно-геологические условия, конструктивные особенности обделки и виды соединений отдельных элементов, метод и порядок монтажа обделки. а) В зависимости от инженерно-геологических условий расчетные схемы можно разделить на две группы: 1 -я группа – расчетная схема кольца в податливой среде (или свободно деформирующегося кольца); 2 -я группа – расчетная схема кольца в упругой среде.
Расчетная схема кольца в податливой среде применяется в таких грунтах, которые не оказывают сопротивления деформациям обделки от внешних нагрузок. Представители таких грунтов: плывуны, илы, пески, суглинки, супеси, мягкие глинистые грунты. Эти грунты можно охарактеризовать как слабые с коэффициентом крепости f ≤ 1. Расчетная схема обделки, как кольца в упругой среде применяется в грунтах, которые оказывают противодействие перемещениям кольца обделки. В этом случае в расчетах учитываются упругие свойства грунтов, так называемый упругий отпор породы. К этим грунтам можно отнести плотные твердые глины, полускальные и скальные породы, т. е. такие грунты, коэффициент крепости которых f ≥ 1, 5.
б) Расчетная схема в зависимости от конструкции обделки и способа возведения Обделки кругового очертания возводятся как сборными, так и монолитными. В зависимости от этого изменяется и вид расчетной схемы. Если обделки возводятся из монолитно-прессованного бетона, а также с постоянными связями в стыках (например, чугунные тюбинги, крупные ж. б. блоки с омоноличенными стыками, а также преднапряженного бетона), то их следует рассчитывать как сплошное кольцо без учета сборности. Поэтому, в зависимости от инженерно-геологических условий, для таких обделок справедливы расчетные схемы, как кольца в податливой или упругой среде.
Сборные обделки без связей или с временными связями следует рассчитывать с учетом сборности. В этом проявляется влияние конструкции обделки и способа соединения элементов. В зависимости от количества элементов в кольце различают обделки из крупных или мелких блоков. Это деление носит условный характер и принимается из многолетнего опыта сооружения и эксплуатации обделок. Если в кольце содержится n ≥ 8 для тоннелей метрополитенов и n ≥ 10 элементов для железнодорожных и автодорожных тоннелей, то это обделка из мелких блоков. Если кольцо состоит из блоков n≤ 7 для тоннелей метро, и n≤ 9 для ж. д. и автодорожных тоннелей, то это обделка из крупных блоков. При назначении расчетной схемы для обделки из мелких блоков следует учитывать конструкцию стыков, которые, как уже отмечалось ранее, могут быть плоскими или центрированными. От этого зависит и расчетная схема. Обделки из крупных блоков рассчитываются с учётом или без учёта упругого отпора породы.
3. Нагрузки на тоннельную обделку и способы их определения Особенностью расчетов тоннельных обделок является расчет их на заданные нагрузки. При этом величина и характер нагрузок зависят от целого ряда факторов: глубины залегания, инженерногеологических условий, размеров выработки, способов производства работ. Все нагрузки можно разделить на постоянные, которые оказывают на конструкцию регулярное воздействие и временные, которые характеризуются периодическими длительными или кратковременными воздействиями.
К постоянным нагрузкам относятся: собственный вес, вертикальное и горизонтальное горное давление, давление воды, вес зданий и сооружений над тоннелем. К временным нагрузкам относят динамическую нагрузку от транспортных средств, воздействия колебания температуры и усадки бетона, давление раствора при нагнетании за обделку, давление щитовых домкратов и механизмов при сооружении тоннелей, силы морозного пучения. Эти нагрузки могут действовать одновременно или в различных сочетаниях. Поэтому для статического расчета обделки необходимо выявить наиболее невыгодные сочетания, при действии которых в конструкции возникнут наибольшие внутренние усилия. В связи с этим, расчеты производят на основные и особые сочетания. Основные сочетания включают постоянные нагрузки и временные воздействия (например: собственный вес, горное давление, гидростатическое давление + усилия от температурных колебаний, давление раствора и т. д. ).
Особые сочетания складываются из некоторых постоянных и временных нагрузок и особых воздействий: сейсмической нагрузки, ударные воздействия и другие нагрузки аварийного или случайного характера. В большинстве случаев расчет производят на основные сочетания нагрузок, а на особые выполняются только проверочные расчеты. Помимо расчетов на заданные нагрузки в настоящее время разработаны методы расчета путем решения контактной задачи механики сплошной среды. Такие методы расчета, основанные на теории упругости, пластичности или предельного равновесия позволяют более полно учесть взаимодействие обделки с окружающей средой, но требуют привлечения специального математического аппарата, достаточно сложного и громоздкого и используются в основном при решении ограниченного круга задач.
Задача состоит в том, чтобы ознакомиться с методами определения нагрузок, регламентируемых строительными нормами и правилами при расчете тоннельных конструкций (СНи. П 32 -04 -97). Нагрузки от горного давления. При определении нагрузок от горного давления следует различать два случая: 1 Случай – когда над тоннелем возможно образование свода давления. 2 Случай – когда из-за физико-механических свойств грунтов или небольшой глубины заложения тоннеля образование свода невозможно.
Схема свода обрушения и формирования нагрузок от горного давления
В первом случае величина нагрузки принимается равной весу грунта, заключенной между образовавшимся сверху сводом давления и с боков плоскостями обрушения. Пролет свода давления определяют с учетом образования призм обрушения под углом к вертикали Высоту свода давления, в котором должны действовать только сжимающие напряжения, находят по формуле: Для практических расчетов вертикальное горное давление принимается равномерно распределенным по диаметру выработки с интенсивностью
Горизонтальное горное давление для упрощения расчетов также считают равномерно распределенным по высоте выработки и определяют по формуле: где - коэффициент бокового давления. Для всех грунтов, кроме пластичных, величину коэффициента бокового давления определяют по формуле: где - нормативный угол внутреннего трения грунта.
Для пластичных грунтов - коэффициент Пуассона. Необходимо отметить, что при увеличении крепости грунта величина угла φ превышает 70 -750 и величина η близка к нулю. Поэтому в грунтах с f ≥ 3 боковое давление очень мало и его в расчетах не учитывают. Однако, теория проф. Протодьяконова не всегда применима. Условия применимости: 1) H≥ 2 h 1 ; 2) в породах с очень малым φ (ил, плывуны, водонасыщенных песчаные породы; 3) при глубине более 400 м.
В тех случаях, когда гипотеза сводообразования не применима, величину вертикального горного давления принимают равной весу всей толщи грунта над тоннелем и определяют по формуле: а горизонтальное где γi – объемный вес пород соответствующих слоев напластования; Н - толщина слоев напластований над тоннелем; n - число слоев напластований.
Нагрузку от собственного веса обделки принимают равномерно распределенной и определяют в соответствии с проектными размерами и объемным весом материала. Для сведения: объемный вес бетона γб=2, 3 -2, 5 тс/м 3; γж. б. =2, 6 -2, 7 тс/м 3 γчуг=7, 25 тс/м 3. Для чугунных тюбингов нагрузку от собственного веса можно вычислить по элептическим формулам: g=0, 14 RH – для глинистых пород; g=0, 19 RH- для песчано-глинистых пород; g=0, 24 RH – для плывунных пород. Величина нормативной нагрузки, к. Н/м 2, от собственного веса вычисляется по формуле: где G — вес кольца обделки шириной b, к. Н.
Скачать презентацию СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ КАФЕДРА Тоннели и
5. Расчёт тон обд круг очерт.ppt