Основы расчета конструкции тоннелей

29.1. Нагрузки на обделки тоннелей

Тоннельные обделки рассчитывают по предельным состояни­ям (по несущей способности, деформациям и раскрытию трещин) в соответствии с действующими нормами.

В большинстве случаев применяют приближенные методы рас­чета на заданные нагрузки с использованием аппарата строитель­ной механики. При этом вначале определяют все действующие на обделку активные нагрузки, а затем рассчитывают ее как стерж­невую систему методом сил или перемещений. В последнюю оче­редь производят проверку прочности сечений обделки.

В настоящее время при расчете тоннельных обделок широко ис­пользуют вычислительную технику. Применение численных мето­дов, реализованных в компьютерных программных комплексах, по­зволяет значительно сократить трудоемкость расчетных операций, дает возможность учитывать многочисленные факторы, влияющие на статическую работу обделки, повышает точность результатов.

Тоннельные обделки рассчитывают на различные нагрузки и воздействия, характер распределения и интенсивность которых зависят от глубины заложения и размеров поперечного сечения тоннеля, инженерно-геологических и гидрогеологических усло­вий, конструктивных и технологических факторов и др.

Обычно расчет производят на наиболее неблагоприятные со­четания нагрузок: основные, состоящие из постоянных и времен­ных нагрузок, или особые — из постоянных, наиболее вероятных временных и одной из особых нагрузок.

К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструк­ции, давление грунта и воды, вес дорожного покрытия, давление от фундаментов зданий, усилия предварительного напряжения конструкции и др.

Временные нагрузки возникают от движущихся по тоннелю и над тоннелем транспортных средств, а также в процессе строи­тельства тоннеля. Временным воздействием характеризуются се­зонные колебания температуры, силы морозного пучения грун­тов, усадка и ползучесть бетона.

К особым относятся сейсмические нагрузки, а также нагруз­ки, вызванные неравномерными деформациями земной поверх­ности или оснований.

Нагрузку от собственного веса тоннельной обделки определя­ют по проектным размерам с учетом удельного веса конструкци­онных материалов и считают равномерно распределенной по про­лету тоннеля. Давление грунта на тоннельные обделки определя­ют по-разному: в зависимости от свойств грунтов и глубины зало­жения тоннеля.

Активное давление грунта на тоннели глубокого заложения — горное давление — определяют по методу сводообразования. При этом все грунты рассматривают как несвязные, характеризующи­еся коэффициентом крепости/ равным тангенсу угла кажущего­ся внутреннего трения (р_к:

/=1_Е(р_к = (1_Е(р#+С)/#, (29.1)

где N — нормальная сила; С — сила сцепления.

Для сыпучих грунтов С = 0 и кажущийся коэффициент трения совпадает с действительным: /= 1§ (р. Для скальных грунтов коэф­фициент крепости определяют в зависимости от прочности грун­та на сжатие К, МПа:

Коэффициент крепости положен в основу классификации грун­тов, которые подразделяются на 10 категорий. Сыпучие и плы­вунные грунты характеризуются коэффициентом крепости менее 1, а наиболее крепкие скальные грунты имеют коэффициент кре­пости до 15... 20.

В соответствии с методом сводообразования над тоннельной выработкой формируется свод обрушения, пролет и высота кото­рого определяются по формулам (рис. 29.1, а):

В = Ь + 2к1_ё(45°-<?_к/2);

где Ь и И — соответственно пролет и высота выработки, м.

Вертикальное и горизонтальное горное давление считаются равномерно распределенными по пролету и высоте выработки и определяются по формулам:

Р_н = К_рУН_св; (29.3)

<7н = У(К_РН_СВ + 0,5/г)ч, (29.4)

где К_р — коэффициент условий работы грунтового массива; у — нормативный удельный вес грунта, кН/м³; г| — коэффициент

нормативного бокового давления грунта, г| = 1§² (45° - ср/2).

При расстоянии от шелыги свода тоннеля до поверхности зем­ли или до границы со слабыми неустойчивыми грунтами менее удвоенной высоты свода обрушения, а также при залегании тонне-

• У/ У/У/ Уу Уу Уу/у У/У/У/ УуУ/'////////У, " УУ/У/У/У/У/У/У/У/У/У/У/У/У/У/У/у/' & ^/у/у///у/у/у/у/у/у/у///у/////у/у/у^

Рис. 29.1. Схемы для определения давления грунта на обделки тоннелей по сводообразованию (а), по весу вышележащей толщи грунта (б)

ля в неустойчивых грунтах, в которых сводообразование невоз­можно, вертикальное и боковое горное давление следует прини­мать от веса всей залегающей над тоннелем грунтовой толщи (рис. 29.1, б):

1=1

(29.5)

4У-|

(29.6)

где у, — нормативный удельный вес отдельного слоя грунта, кН/м³; /г, — мощность отдельного слоя грунта, м; п — количество слоев напластований.

При расчете тоннельных конструкций, заложенных в грунтах с упругими свойствами, помимо активного давления необходимо учитывать реактивное воздействие — упругий отпор грунта.

Действие упругого отпора облегчает условия статической рабо­ты тоннельных обделок, ограничивая их деформации, повышая нормальные силы и снижая изгибающие моменты. Силы упругого отпора действуют по наружной поверхности сводчатых и круго­вых тоннельных обделок, за исключением так называемой безот­порной зоны, ограниченной центральным углом Ч¹, в пределах которой имеется некоторая свобода деформаций обделки.

Действие упругого отпора по боковой поверхности обделок можно представить в виде радиальных составляющих о, направ­ленных нормально к поверхности выработки (сопротивления сжа­тию), и тангенциальных составляющих т, направленных по каса­тельной к контуру выработки (сопротивления сдвигу) (рис. 29.2).

Г *

Г

Рис. 29.2. Схема действия упругого отпора грунта на обделки сводчатого (а) и кругового (б) очертания

При расчете тоннельных обделок в большинстве случаев учи­тывают лишь нормальную составляющую сил упругого отпора, а тангенциальную составляющую не учитывают, что идет в запас прочности.

Для определения интенсивности и характера распределения сил упругого отпора в большинстве случаев пользуются гипотезой местных деформаций (Фусса—Винклера), которая исходит из предположения прямой пропорциональной зависимости между на­пряжениями а и перемещениями 5 грунта:

а = к5, (29.7)

где к — коэффициент упругого отпора грунта, кН/м³, определя­емый экспериментальным путем.

При этом считают, что деформации грунта происходят только в месте приложения нагрузки.

Гидростатическое давление учитывают при расчете тоннель­ных конструкций, расположенных ниже уровня подземных или поверхностных вод.

---

Дата добавления: 2015-08-17