Результаты поиска по \"коэффициент отпора\". Расчет с учетом отпора грунта способом Метропроекта

Для расчета сооружений с учетом отпора грунта существует несколько различных методов отличающихся положенной в их основу расчетной моделью грунтовой среды и по форме.

Расчет с учетом отпора грунта способом Метропроекта

Сооружение рассматривается как круговое кольцо в сплошной упругой среде, механические свойства которой характеризуются коэффициентом постели: среда способна оказывать только однозначный отпор грунта, направленный в сторону сооружения.

Для расчета кольцо заменяется вписанным в него 16-угольником, а сплошная упругая среда – отдельными упругими опорами, расположенными во всех вершинах 16-угольника, кроме трех верхних, попадающих в безотпорную зону. Направления опорных реакций стержней принимаются по соответствующим радиусам кольца, а при учете сил трения – отклонением на угол трения между грунтом и обделкой.

При переходе к основной системе метода сил во все вершины многоугольника, кроме двух, вводятся шарниры, а в качестве неизвестных принимаются прикладываемые в этих сечениях изгибающие моменты М1, М3 …, М9. При этом моменты М3, М4 …, М8 приложенные в симметричных сечениях, будет групповыми неизвестными (рис 1).

Типовое каноническое уравнение метода сил, составленное для опоры n, имеет следующий вид:

Коэффициентами при неизвестных и свободными членами уравнений является перемещения основной системы по направлению этих неизвестных от единичных моментов и от заданной нагрузки соответственно. Для их определения нужно предварительно найти соответствующие усилия.

Верхняя часть основной системы (рис 2), находящаяся в безотпорной зоне и не подверженная действию упругого отпора грунта, рассматривается как трехшарнирная арка, опорные реакции которой от нагрузки и единичных моментов передаются с обратными знаками на нижележащую шарнирную цепь.

Усилия в звеньях шарнирной цепи определяются из условий равновесия последовательно вырезанных узлов (рис 3). Из условия равновесия n-го узла при действии заданной нагрузки определяются:

Окружная нормальная сила в звене между узлами n и n+1

реакция упругой опоры в узле n

где Yn – сосредоточенная вертикальная сила в узле n от заданной нагрузки; Xn – сосредотоенная сила в узле n от заданной нагрузки; ;- центральный угол, заключенный между вертикалью и радиусом, проведенным через точку n; ;- центральный угол, заключенный между радиусами, проведенными через соединение вершины многоугольника; для 16-угольника

От единичного момента , приложенного в узле n, возникают следующие усилия:

нормальные силы в звеньях

реакции упругих опор

В остальных элементах основной системы этот единичный момент усилий не вызывает. Единичный момент , приложенный на опоре трехшарнирной арки, вызывает следующие усилия:

нормальные силы в звеньях

реакции упругих опор

Определение перемещений основной системы производится с учетом влияния нормальных сил в перемещении упругих опор.

Так, например, перемещение по направлению от единичного неизвестного

Здесь и - изгибающие моменты в произвольном сечении звеньев от соответствующих единичных моментов; и - нормальные силы в звеньях от соответствующих единичных моментов; и - реакции в опорных стержнях от соответствующих единичных моментов; и - жесткости продольных сечений обделки на изгиб и сжатие; а – длина стороны многоугольника; b – выделенная для расчета ширина обделки кольца; k – коэффициент упругого отпора грунта.

После определения восьми неизвестных из системы восьми уравнений окончательные усилия определяются по формуле:

Здесь - усилия в основной системе от заданной нагрузки; - усилия в основной системе от единичных узловых моментов; - найденные значения неизвестных.

Правильность вычислений контролируется выполнением условий равновесия отдельных частей обделки и равенством нулю приведенной площади (т.е. деленной на El) площади окончательной эпюры изгибающих моментов.

Аналогичный метод расчета с использованием в качестве упругих характеристик грунта его модуля упругости L D и коэффициента Пуассона разработан С.А.Орловым.

Для приближенных расчетов трубопроводов обычно используется следующая зависимость между коэффициентом упругого сжатия k и модулем деформации грунта Г гр:

где - коэффициент Пуассона грунта.

Расчет с учетом отпора грунта способом О. Е. Бугаевой

Грунтовая среда, окружающая сооружение, характеризуется коэффициентом упругого отпора грунта k. Отпор принимается радиальным и действующим на нижнюю часть сооружения с центральным углом 270 0 . На протяжении верхней дуги с центральным углом 90 0 принимается безотпорная зона (рис 4).

Упругая линия кольца аппроксимируется уравнениями:

где - угол наклона сечения к вертикали; и - ординаты упругой линии в сечениях А и Б.

(1) Коэффициент отпора грунта k s может быть определен по формуле

где Dр - выбранный диапазон применяемых контактных давлений;

Ds - изменение суммарной осадки в соответствии с выбранным диапазоном контактных давлений, включая осадки ползучести.

(2) При расчете k s необходимо указывать размеры плит (штампов).

К.4 Пример метода определения осадок ленточных фундаментов на песчаном грунте

(1) Данный пример описывает непосредственное определение осадок. Осадка оснований на песчаных грунтах может быть получена эмпирическими методами в зависимости от коэффициентов, приведенных на рисунке К.3, если грунты оснований под подошвой фундамента расположены на глубине больше двух его ширин, то ширина принимается такой же, как и под штампом (рисунок K.2).

b 1 - ширина штампа; b - ширина фундамента;

s - прогнозируемая осадка фундамента; s 1 - осадка, измеренная при проведении PLT;

1 - штамп; 2 - фундамент; 3 - зона влияния

Рисунок К.2 - Зона влияния под штампом и фундаментом

b /b 1 - отношение ширин; s /s 1 - отношение осадок;

1 - рыхлые грунты; 2 - средней плотности грунты; 3 - плотные грунты

Рисунок К.3 - График для расчета осадки фундаментов по результатам

Штамповых испытаний

Приложение L

(справочное)

Подробная информация о подготовке образцов грунта для испытаний

L.1 Введение

(1) Подробно порядок подготовки образцов изложен в тексте стандарта СEN/TC 341, который основан на методиках испытаний, рекомендованных Европейским техническим комитетом № 5 по лабораторным испытаниям (ETC 5) Международного общества механики грунтов и инженерной геологии. Основные требования изложены в настоящем приложении.

L.2 Подготовка нарушенных грунтов к испытаниям

L.2.1 Сушка грунта

(1) Обычно грунт не следует предварительно сушить для испытаний, кроме специально оговоренных случаев, и он должен использоваться в естественном состоянии. Когда требуется сушка грунта, следует использовать один из следующих способов:

Печную сушку до постоянной массы в вентилируемой камере при температуре (105±5) °С;

Печную сушку в вентилируемой камере при заданной температуре менее 100 °С (т. е. частичная сушка, поскольку при более низкой температуре она не должна быть полной);

Воздушную сушку (частичную) с выдержкой на воздухе при комнатной температуре, с вентилятором или без вентилятора.

L.2.2 Размельчение

(1) Степень необходимого размельчения и обработка какого-либо оставшегося сцементированного материала должны соответствовать конкретным требованиям и условиям, о чем должно быть указано в отчете. В частности, размельчение и обработка материала образца должны производиться при естественной влажности грунта.

(2) Слипшиеся частицы должны быть разъединены без разрушения отдельных частиц. Воздействие должно быть не более сильным, чем при ударе пестом с резиновой головкой. Особую осторожность следует проявлять, когда частички грунта рыхлые и слабокрепкие. Если необходимо приготовить большое количество грунта, то размельчение должно производиться порциями.

При этом контур и прилегающие к нему слои в радиусе r = (3-5)d получают деформации (смещения), а напряжения в этих слоях перераспределяются.

Когда деформирующийся контур выработки вступает в контакт с крепью, последняя включается в работу и начинает препятствовать деформациям. С этого момента к гравитационным силам добавляется действие напряжений, возникающих на поверхностях контакта массива с крепью.

В дальнейшем приконтурный массив и крепь деформируются совместно до момента стабилизации деформаций.

Установившееся к этому моменту давление на контакте массива с крепью рассматривается как .

В такой постановке задачи горное давление определяется не только свойствами горного массива и геометрией выработок, но и совместными деформациями массива и крепи .

Взаимодействие грунтового массива и крепи: а) схема нагружения модели; б) диаграмма взаимодействия: 1 – график равновесных состояний; 2 - график сопротивления крепи; 3 – развитие смещении во времени.

В реальных условиях крепь не сразу вступает в работу. К моменту ее установки контур получает смещение, а к моменту достижения равновесия – дополнительное смещение (кривая 2 на рис. б ).

Этот момент изображен на рисунке точкой k пересечения кривых 1 и 2. Теперь крепь несет нагрузку, а контур получил смещение .

В случае применения более жесткой крепи (пунктирная линия на рис. б ) нагрузка на крепь будет больше, а смещение – меньше, чем в предыдущем случае.

Таким образом, используя принципы взаимодействия массива и крепи, можно управлять горным давлением.

На этом и основаны положения новоавстрийского способа проходки: применение податливых крепей (набрызгбетон, анкера) и доведение деформаций почти до критической величины, благодаря чему максимально используется несущая способность приконтурных слоев массива, а крепь получается более экономичной .

11. Активные нагрузки и реакции грунта. Гипотезы общих и местных деформаций.

В специальной тоннельной литературе употребляют термины:

активные и реактивные нагрузки.

Теперь мы говорим:

нагрузки и

реакции опор конструкции.

Нагрузки и воздействия подразделяются

на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

относятся:

1 -горное давление;

2 -гидростатическое давление;

3 -собственный вес конструкций;

4 -вес зданий и сооружений, находящихся в зоне их воздействия на обделку;

5 -сохраняющиеся усилия от предварительно обжатой обделки.

Нагрузки от внутритоннельного и наземного транспорта;

Нагрузки от нагнетания раствора за обделку в процессе ее возведения;

От усилий, возникающих при монтаже сборных обделок;

от веса и воздействия проходческого и другого стационарного оборудования.

и воздействиям относят:

Силы морозного пучения;

Вес стационарного оборудования;

Температурные климатические воздействия;

воздействия усадки и ползучести бетона.

относят: сейсмические и взрывные воздействия.

Сочетания нагрузок:

Основные сочетания нагрузок (постоянные + длительные + кратковременные);

Особые сочетания нагрузок (постоянные + длительные + некоторые кратковременные + 1 особая).

Таким образом, если на сооружение действуют какие-то постоянные нагрузки и две особые, то расчет делают 3 раза (пояснить!).

Нагрузки вводят в расчет в наиболее неблагоприятных для конструкции сочетаниях.

а) Гипотеза общих деформаций : совместные деформации конструкции и окружающей среды под действием гравитационных сил

В основе Теория упругости. (обобщенный модуль упругости Ео, коэф-т попер. деф. (ню))

б) Гипотеза местных деформаций : рассматривает деформации конструкции под действием активных сил и упругих реакций (коэфф. постели):

12. Коэффициенты упругого отпора: удельный, за стенами и под фундаментом конструкции.

Взаимодействие обделки с окружающим грунтом может быть описано с помощью теории общих деформаций или теории местных деформаций . (см. лекцию 4).

Если среда рассматривается, как упругая (или пластичная, вязкоупругая и т.п.) и характеризуется модулем общей деформации и коэффициентом поперечной деформации, взаимодействия описываются формулами: (теория общих деформаций)

Проще использовать теорию местных деформаций (гипотезу Фусса-Винклера).

В ее основе – прямая пропорцио-нальность между напряжениями и перемещениями на контуре:

где - коэффициент упругого отпора грунта, .

(Аналог: в теории общих деформаций)

Главный недостаток метода местн. деф. – это то, что «» зависит от размеров площадок, контактирующих с грунтом, и это необходимо учитывать в расчетах.

Определение коэффициентов упругого отпора

1) - удельный коэффициент отпора для выработки одиночного радиуса ()

или полупролета выработки ;

2) с его помощью вычисляют коэффициент отпора за стенами обделки и под обратным сводом:

Или ;

Где - средний радиус выработки, F – площадь поперечного сечения,м 2 ; В – пролет выработки, м.

3) под пятами разомкнутой обделки коэффициент отпора вычисляют по формуле: , где В П – ширина пяты, м.

Связь между К и Е устанавливает

формула Б.Г. Галеркина :

Значения в зависимости от коэффициента крепости приведены в СНиПе «Туннели гидротех-нические».

Для сложных и дорогостоящих объектов определяют экспериментально.

Находят:

13.Расчетные схемы обделки по методу конечных элементов (программа МИИТа).

Расчетной схемой называется условное изображение конструкции осевыми линиями с указанием основных размеров, условий закрепления опор и нагрузок.

Расчетная схема устанавливается в зависимости от конструкции обделки, крепости грунтов, условий работы конструкций и способов ее возведения.

Метод расчета конструкции выбирают, исходя из ее схемы. До появления соврем. выч. техники на методы расчета накладывались ограничения в части объемов вычислительной работы, что вынуждало вводить в методику расчета упрощающие предпосылки и снижало точность результата.

Метод конечных элементов

5.9. Определение величины горного давления, а также естественного напряженного состояния грунтового массива необходимо выполнять согласно пп.5.10 - 5.15, а также на основании опыта строительства и эксплуатации туннелей в аналогичных инженерно-геологических условиях.

Для безнапорных туннелей I класса и напорных туннелей I и II классов значения горного давления должны быть уточнены на стадии рабочей документации на основании натурных исследований на участках с характерными инженерно-геологическими условиями.

Горное давление допускается принимать равным весу грунта в объеме нарушенной зоны, определенной геофизическими измерениями.

5.10. Нормативное вертикальное горное давление в грунтах с < 4 при расстоянии от кровли выработки до дневной поверхности больше удвоенной высоты свода обрушения следует принимать равным весу грунтов в объеме, ограниченном сводом обрушения. При меньшем заглублении туннеля горное давление принимается равным весу всей толщи грунта над ним.

5.11. Нормативное вертикальное горное давление , кН/кв.м, при сводообразовании в грунтах с коэффициентом крепости < 4 определяется по формуле

	коэффициент, принимаемый в зависимости от пролета выработки Равным: 0,7 при 5,5 м; 1,0 при 7,5 м; по интерполяции между 0,7 и 1,0 при 5,5< <7,5 м;

	плотность грунта, т/куб.м;


	высота свода обрушения, м; определяется по формуле

	пролет свода обрушения, м; определяется по формуле ;
	высота выработки, м;
	кажущийся угол внутреннего трения .

Распределение вертикального горного давления принимается равномерным по пролету обделки.

5.12. Нормативное вертикальное горное давление , кН/кв.м, в грунтах с 4 следует принимать равным весу грунтов в объеме нарушенной зоны, установленной по данным натурных исследований, а при их отсутствии- по формуле

Таблица 4

Коэффициент крепости	Коэффициент при грунтах
	слаботрещино-	среднетрещи-	сильнотрещи-



10 и более

Распределение вертикального горного давления по пролету обделки принимается с учетом напластования, систем трещин и других особенностей грунтового массива.

В слаботрещиноватых грунтах при глубине нарушенной зоны более 1,5 м нормативное вертикальное горное давление следует уменьшать на 20%.

При комбайновой проходке значение допускается уменьшать на 30%.

5.13. Нормативное горизонтальное горное давление , кН/кв.м, определяется:

при сводообразовании в грунтах < 4 - по формуле

; (3)

при заглублении кровли менее удвоенной высоты свода обрушения в грунтах с < 4 - по формуле (3) с заменой численного значения на расстояние от кровли выработки до дневной поверхности.

Распределение горизонтального горного давления должно быть равномерным по высоте обделки.

5.14. Нормативное горизонтальное горное давление в слабо- и среднетрещиноватых грунтах с при высоте туннеля менее 6 м допускается не учитывать, а при высоте более 6 м - определять из условия предельного равновесия отдельных скальных блоков, отсеченных трещинами.

Нормативное горизонтальное горное давление в сильнотрещиноватых грунтах с допускается учитывать по формуле

5.15. Для выработок глубокого заложения (свыше 500 м) величину горного давления следует определять с учетом пластического состояния грунтов и других специфических явлений.

При отсутствии необходимых данных допускается на начальных стадиях проектирования выработок глубокого заложения определять горное давление на основе опыта строительства туннелей в аналогичных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

5.16. В выработках глубокого заложения, расположенных в глинистых и других слабых грунтах с < 4, оказывающих значительное равномерное давление на конструкцию туннеля, нагрузку на обделку следует определять с учетом ожидаемых смещений грунта до устройства временной крепи и податливости этой крепи в соответствии с требованиями СНиП II-94-80, а также податливости самой обделки.

5.17. При расчете обделки горное давление необходимо определять по характеристикам грунтов с учетом условий эксплуатации (изменения свойств массива грунтов при их водонасыщении).

5.18. При расчете обделок напорных туннелей, располагаемых в водопроницаемых грунтах, включение в одно сочетание нагрузок от внутреннего давления воды и наружного давления подземных вод не допускается. В исключительных случаях, когда во всех возможных (включая аварийные) эксплуатационных ситуациях гарантировано всестороннее равномерное наружное давление воды непосредственно на обделку, допускается включать в одно сочетание с внутренним давлением минимальное значение наружного давления подземных вод с коэффициентом надежности по нагрузкам, равным 1.

5.19. Давление подземных вод следует определять при установившемся уровне воды в водохранилище с учетом снижения давления подземных вод, предусмотренными для этих целей дренажными устройствами и цементационными завесами.

5.20. При проектировании гидротехнических туннелей, располагаемых в вечномерзлых грунтах, необходимо учитывать влияние изменений температурного режима грунтов на их несущую способность, а также устойчивость и сопротивляемость грунтов внешним нагрузкам.

6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ ОБДЕЛОК

6.1. Обделки гидротехнических туннелей, согласно СТ СЭВ 1406-78, следует рассчитывать по методу предельных состояний:

по несущей способности на прочность и в необходимых случаях с проверкой устойчивости формы конструкции (предельные состояния первой группы) в соответствии с обязательным приложением 1;

по образованию трещин (трещиностойкости), если трещины не допускаются, или по раскрытию трещин, если раскрытие их допустимо по условиям долговечности обделки туннеля, сохранности грунтового массива, а также по значению фильтрационного расхода воды из туннеля (предельные состояния второй группы) в соответствии с обязательными приложениями 2 и 3.

6.2. Сечения обделок по предельным состояниям первой и второй групп необходимо рассчитывать в соответствии со СНиП II-56-77 и СНиП II-23-81.

6.3. При расчетах сечений туннельных обделок необходимо вводить следующие коэффициенты:

коэффициенты надежности по назначению сооружения и сочетаний нагрузок , принимаемые согласно СНиП II-50-74;

коэффициент условий работы , принимаемый для бетонных, железобетонных и сталежелезобетонных обделок по табл.5, для стальных оболочек - по табл.6.

Таблица 5

	Коэффициент условий работы При расчете по предельным состояниям
	первой группы	второй группы

Бетонные (в том числе из набрызг-бетона и прессованного бетона)

Железобетонные (в том числе предварительно напряженные, из армированного набрызг-бетона и железоторкретные)

Сталежелезобетонные (при расчете на внутреннее давление)
Примечание. Значения коэффициентов, указанные в скобках, следует принимать при коэффициенте удельного отпора <2000 Н/куб.см (200 кгс/куб.см), в грунтах, подверженных суффозии, выщелачиванию, а также при гидрокарбонатной щелочности воды-среды менее 0,25 мг·экв/л.

Таблица 6

Давление	Участки стальных оболочек		Коэффициент условий работы При сочетании нагрузок
			основных

Внутреннее

	Фасонные эле- менты (колена и разветвления)

Наружное	Все участки
Примечания: 1. Значения коэффициента , указанные в скобках, должны приниматься: а) для комбинированных обделок с наружным монолитным железобетоном (сталежелезобетонных); б) для комбинированных обделок с наружным монолитным бетоном при одновременном выполнении следующих условий:
		Внутреннее давление воды в напорном туннеле, МПа;

		Кратчайшее расстояние от оси туннеля до поверхности земли, м;

		коэффициент трения грунта по грунту;

		Угол между нормалью к поверхности земли и горизонтом, град;

		Коэффициент удельного отпора грунта, Н/куб.см, определяемый по п.6.13;

в) при расчете на внутреннее давление, если отпор грунта не учитывается. 2. При использовании коэффициента по данной таблице коэффициент сочетаний нагрузок следует принимать равным 1.

6.4. Расчет обделок по несущей способности следует выполнять на возможные наиболее неблагоприятные основные и особые сочетания расчетных нагрузок с применением расчетных характеристик материалов обделок.

6.5. Расчет обделок по образованию и раскрытию трещин должен осуществляться на основные сочетания нормативных нагрузок без учета гидравлического удара с применением нормативных характеристик материалов обделок.

6.6. Расчет обделок гидротехнических туннелей всех типов (включая фасонные части комбинированных обделок) следует выполнять с учетом отпора грунтов. Исключения допускаются при расположении туннелей в слабых неустойчивых грунтах. При расположении туннелей на глубине менее трех диаметров (пролетов) над шелыгой свода величина давления, передаваемого на грунт обделкой туннеля, не должна превышать веса толщи грунта над туннелем.

6.7. Расчет обделок произвольного очертания на любые внешние и внутренние нагрузки или их сочетания при изменяющихся по контуру деформационных характеристиках грунтов следует выполнять методами строительной механики.

Расчет необходимо выполнять в соответствии с пп.6.4. и 6.5 на каждое из сочетаний нагрузок. Сложение эпюр усилий от отдельных нагрузок для получения суммарной эпюры не допускается.

6.8. Бетонные обделки безнапорных туннелей следует рассчитывать на прочность в предположении образования в обделке пластических шарниров и проверять на трещиностойкость по предельным состояниям второй группы.

6.9. При расчете обделок по предельному состоянию второй группы предельную ширину раскрытия трещин обделок напорных и безнапорных туннелей I класса следует принимать по табл.7.

Таблица 7

Градиент напора

Предельная ширина раскрытия трещин,

мм, из условия

долговечности бетона при гидрокарбонатной щелочности воды-среды,

сохранности арматуры при суммарной концентрации

2,5 и более

Напорные туннели и незатопляемые части безнапорных туннелей

при наличии подземных вод

Незатопляемые части обделок безнапорных туннелей

при отсутствии подземных вод

Не ограничивается

Примечания: 1. Водой-средой, определяющей долговечность бетона и

арматуры в обделке, являются:

при - вода внутри туннеля;

при - подземная вода.

2. Для туннелей II, III и IV классов предельные значения раскрытия

трещин следует принимать соответственно в 1,3, 1,6 и 2 раза большими,

чем значения, приведенные в таблице, но не более 0,5 мм.

6.10. Градиент напора в обделках принимают в зависимости от коэффициента фильтрации грунта:

толщина обделки, м.

В интервале значение определяется по интерполяции.

6.11. Для затопляемых частей обделок безнапорных туннелей по условиям долговечности бетона и сохранности арматуры ширина раскрытия трещин не ограничивается.

6.12. Статические расчеты обделок следует выполнять с учетом трещинообразования и пластических деформаций:

обделки безнапорных туннелей и опорожненных напорных туннелей по предельным состояниям первой и второй групп рассчитывают с учетом жесткости бетонного сечения при модуле упругости бетона в конструкции ;

обделки напорных туннелей на эксплуатационные нагрузки по предельным состояниям первой группы рассчитывают с учетом жесткости арматурного сечения .

По предельным состояниям второй группы обделки напорных туннелей следует рассчитывать:

нетрещиностойкие - с учетом жесткости арматурного сечения ;

трещиностойкие - с учетом жесткости бетонного сечения при .

6.13. Расчет обделок туннелей следует выполнять с учетом взаимодействия их с грунтовым массивом. Деформационные свойства грунта характеризуются коэффициентом удельного отпора или приведенным (эффективным) модулем деформации грунта и коэффициентом Пуассона . Приведенный модуль деформации необходимо определять с учетом неоднородности свойств грунта от естественных и техногенных причин (закрепление грунтов цементацией или иными способами, появление нарушенной проходкой зоны и др.). Значения характеристик грунтов следует определять с учетом их свойств при водонасыщении на основании натурных исследований.

Наружный радиус обделки, см.

Для туннелей, располагаемых в анизотропных грунтах с отношением модулей деформации в разных направлениях более 1,4, расчеты необходимо выполнять с учетом анизотропии.

6.14. Деформационные характеристики грунтов или для туннелей I и II классов следует определять на характерных инженерно-геологических участках по данным натурных исследований, выполненных методом напорных выработок, с помощью установки центрального нагружения (УЦН) и цилиндрического гидравлического штампа (ЦГШ), а также штампов в сочетании с сейсмоакустическими и прессиометрическими методами.

Для туннелей III и IV классов надлежит предусматривать натурные исследования сейсмоакустическими и прессиометрическими методами. Допускается также использовать значения физико-механических характеристик грунтов, выявленных при проходке туннелей в аналогичных инженерно-геологических условиях.

6.15. Для проектирования гидротехнических туннелей, располагаемых в вечномерзлых грунтах, необходимо определять значения физико-механических характеристик грунтов в мерзлом и талом состоянии.

6.16. Для предварительных расчетов значения коэффициентов удельного отпора для среднетрещиноватых грунтов допускается определять по черт.2 или по аналогам.

Примечание. В слаботрещиноватых грунтах с а также при комбайновой проходке туннеля значения , полученные по черт.2, следует увеличивать на 30%.

6.17. В расчетах обделок туннелей необходимо учитывать совместную работу устанавливаемой при проходке туннеля крепи с обделкой.

6.18. При назначении расчетной схемы обделки туннеля и грунтового массива следует учитывать последовательность разработки грунта и возведения элементов обделки.

Черт.2. График зависимости коэффициента удельного отпора

от коэффициента крепости грунта для трещиноватых грунтов

6.19. При параллельном расположении нескольких туннелей в расчете обделки на прочность необходимо учитывать изменения напряженного состояния и прочностных свойств грунтового массива, вызванных проходкой соседних туннелей.

6.20. Расчет бетонных и железобетонных обделок туннелей на температурные воздействия следует выполнять при расчетной разности температур более 30°С с учетом набухания и ползучести бетона.

6.21. При расчете обделок напорных и безнапорных туннелей противодавление воды в швах бетонирования и в сечениях между швами бетонирования не учитывается.

6.22. Толщину лотка туннеля, подверженного воздействию влекомых наносов, следует назначать с учетом возможности истирания лотка.

Приложение 1

Обязательное

РАСЧЕТ ОБДЕЛОК ТУННЕЛЕЙ

ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ ПЕРВОЙ ГРУППЫ

1. Расчет бетонных и железобетонных обделок

произвольного очертания

В расчетной схеме, как правило, предполагается, что нагрузки, в том числе и горное давление, заданы, а отпор грунта определяется как реакция упругого основания. Возможные простейшие расчетные схемы обделок как стержневых систем в упругой среде с односторонними связями показаны на черт.1.

Черт.1. Расчетные схемы обделок туннелей

Расчет прочности следует выполнять на расчетные нагрузки (с учетом коэффициентов надежности по нагрузкам) в соответствии с разд.5, жесткость принимать в соответствии с п.6.12, коэффициенты отпора грунта - в соответствии с пп.6.13-6.16.

Расчет сечений обделок и определение необходимой площади сечения арматуры следует производить по СНиП II-56-77.

расчетное внутреннее давление воды с учетом гидравлического удара в период нормальной эксплуатации, МПа;

расстояние от шелыги свода туннеля до поверхности земли, см;

расчетное сопротивление арматуры на растяжение и модуль упругости арматуры, МПа;

плотность грунта, кг/куб.см;

Если по формулам (2) или (3) < 0 (т.е. расчетной арматуры не требуется и внутреннее давление воды полностью воспринимается грунтом), следует принимать значение по минимальному проценту армирования согласно п.4.19.

Для некоторых частных случаев конструкций и нагрузок величина коэффициента упругого отпора может быть выражена через физико-механические характеристики породы Е 0 и μ 0 и размеры выработки по формулам, полученным на базе теории общих деформаций. Так, при воздействии на круговую тоннельную обделку радиуса r внутреннего равномерно распределенного радиального давления коэффициент упругого отпора определяют по формуле акад. Б.Н. Галеркина

В остальных случаях при проектировании пользуются данными, часто носящими случайный характер и изменяющимися в широких пределах.

Подобная приближенная оценка деформативной способности горных пород не соответствует современному уровню развития методов расчета и проектирования подземных конструкций и допустима лишь в стадии разработки проектного задания. Поэтому большое значение имеют исследования деформаций горных пород в условиях естественного залегания при нагрузках, близких к тем, которые создаются в основании реальной конструкции.

Наиболее простым способом экспериментального определения коэффициента упругого отпора является метод штампов . Сущность его заключается в установке на выровненных площадках в кровле и подошве (или стенах) выработки жестких плит (штампов), распираемых мощными гидравлическими или масляными домкратами. Изменение расстояния Δ между штампами связывается с величиной созданного на штампы давления σ , что дает возможность определить значение коэффициента к ш упругого отпора, соответствующее данной форме и площади F ш штампа:

При увеличении площади передачи нагрузки до величины F значение коэффициента упругого отпора уменьшается. В соответствии с аналитической зависимостью для осадки жесткого штампа

Справедливость приведенной формулы подтверждается опытными данными, если F ≤ 10 м 2 .

Метод штампов в изложенном виде дает лишь грубое представление о деформативности пород, окружающих выработку, так как условия передачи нагрузки через штамп сильно отличаются от существующих в натуре. Тоннельная конструкция имеет жесткость, отличающуюся от жесткости штампа, и создает давление на породу не по плоской площадке, а по криволинейной поверхности. Ограниченные размеры штампа затрудняют обоснованный переход к действительной площади контакта обделки с породой и создают возможность влияния на результаты испытания местных нарушений основания.

В экспериментах, проведенных ЦНИИСом Минтрансстроя, в качестве штампов, вдавливаемых в породу, использовались элементы обделки кругового очертания. В этом случае были получены более достоверные результаты, так как учитывались кривизна и жесткость конструкции с размерами, соответствующими натуре.

Методика, разработанная и испытанная ЦНИИСом Минтрансстроя, состоит в следующем. Коэффициент упругого отпора определяют на опытных участках тоннеля кругового очертания, в состав верхней половины обделки которого входят измерительные элементы с наружной полостью, заполненной пластичным битумом (см. рис. 41). Задавливая в полости двух элементов, смежных с замковым сечением (рис. 77), дополнительное количество битума, можно обеспечить контролируемое увеличение нагрузки на обделку и измерить соответствующее ему изменение Δd горизонтального диаметра, а также приращение Δσ интенсивности упругого отпора на боковые части конструкции.

Рис. 77.

Отсюда коэффициент упругого отпора для выработки диаметром d

Для выработки другого диаметра D величина коэффициента упругого отпора может быть приближенно определена по формуле

При расчете обделок, очертание которых отличается от кругового, в эту формулу может быть подставлено среднее значение диаметра выработки , где F — площадь сечения выработки.

Расчет конструкции подземного сооружения с применением коэффициента упругого отпора, определенного из описанного опыта, следует производить без учета бокового активного давления породы, так как его действие уже учтено в коэффициенте отпора.

Величины коэффициентов упругого отпора по боковой поверхности и в подошве стен подковообразной обделки различны даже при расположении последней в однородных породах. Передача нагрузки осуществляется в обоих случаях под разными углами. Площадь F п подошвы стены, через которую давление передается на породу, обычно значительно меньше площади F контакта боковой поверхности стены с породой. Наибольшее значение имеет последний фактор. В соответствии с формулой (52) коэффициент упругого отпора под стенами можно увеличивать по формуле

где к — коэффициент упругого отпора, определенный для выработки среднего диаметра;

s — протяжение участка контакта породы с боковой поверхностью стены;

h п — ширина подошвы стены.

Проведение массовых измерений коэффициентов упругого отпора в различных геологических условиях, анализ и обобщение полученных материалов являются наиболее обоснованным направлением для подведения прочной базы под применяемые методы статического расчета.

Наряду с радиальным отпором по поверхности обделки в общем случае действуют силы трения и сцепления. Предельные значения сил трения связаны с интенсивностью σ отпора породы выражением τ = μσ , где μ — коэффициент трения между обделкой и породой.

Величина сил сцепления зависит от степени неровности выработки и состава окружающих пород. В скальных породах, проходка в которых осуществляется взрывным способом с установкой арочной или анкерной крепи (см. § 57), обделка работает в две стадии. В первой стадии вес свежеуложенной в инвентарную опалубку бетонной смеси полностью передается через подошвы стен и касательные усилия между обделкой и породой отсутствуют.

После достижения бетоном проектной прочности и нагнетания за обделку цементно-песчаного раствора наступает вторая стадия ее работы. В этой стадии мобилизованное нагнетанием горное давление передается с обделки на стены выработки через выступы, заполняющие неровности контура, неизбежные при взрывных работах, т.е. полностью воспринимается касательными усилиями.

В мягких породах, проходку в которых ведут обычно с расчленением сечения на части и применением деревянной крепи, нарастание нагрузки происходитв течение более длительного периода и после нагнетания за обделку возможно возникновение сил трения между обделкой и породой. Тем не менее под действием подземных вод и сотрясений, возникающих при движении подвижного состава, а также в результате релаксации в пластичных породах возможно уменьшение и даже полное исчезновение возникших сил трения. Силы сцепления в этом случае не имеют такого значения, как в скальных породах. Поэтому при расчете на длительно действующие (основные) нагрузки в мягких породах в запас прочности конструкции можно касательные усилия между обделкой и породой не учитывать.

При проверке на кратковременное действие сил (строительные нагрузки) рекомендуется учитывать силы трения.