Обґрунтування геометричних параметрів конструкції пілонної станції метрополітену з урахуванням взаємодії кріплення з масивом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.191.8.042/.044

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ КОНСТРУКЦІЇ ПІЛОННОЇ СТАНЦІЇ МЕТРОПОЛІТЕНУ З УРАХУВАННЯМ ВЗАЄМОДІЇ КРІПЛЕННЯ З МАСИВОМ

Спеціальність 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

ТЮТЬКІН ОЛЕКСІЙ ЛЕОНІДОВИЧ

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України.

Науковий керівник:

Петренко Володимир Дмитрович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри "Тунелі, основи та фундаменти", Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України.

Офіційні опоненти:

Сєдін Володимир Леонідович, доктор технічних наук, професор кафедри "Основи і фундаменти" Придніпровської державної академії будівництва та архітектури Міністерства науки та освіти України;

Волкова Вікторія Євгенівна, кандидат технічних наук, доцент кафедри "Будівельні конструкції" Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України.

Провідна установа: Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва Міністерства освіти і науки України, м. Сімферополь.

Захист відбудеться "26" лютого 2004 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий 23 січня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Е.М. Кваша.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання трисклепінчастих станцій пілонного типу при будівництві метрополітенів глибокого закладення дуже поширене у великих містах України. Завдяки простоті спорудження та надійності експлуатації вони є достатньо розповсюдженим типом станцій у вітчизняній та зарубіжній практиці підземного будівництва уже десятки років. У той же час це найменш досліджений вид будівельних конструкцій.

Існуючі на даний час методики проектування, розрахунку та оптимізації конструктивних елементів трисклепінчастих станцій пілонного типу базуються на побудові плоских розрахункових схем конструкції та інтерпретації оточуючого масиву з деякими припущеннями, які спрощують його реальну поведінку. Даний підхід не дозволяє правильно визначити напружено-деформований стан цієї складної конструкції, оскільки не враховуються такий важливий фактор, як просторовість роботи та реальна взаємодія між обробкою станції та оточуючим масивом. У результаті конструкції пілонних станцій вважаються нераціональними та неекономічними. пілонна станційний тунель конструкція

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до тем науково-дослідних робіт ДІІТу "Розробка методики розрахунку і способів укріплення земляного полотна та штучних споруд залізниць на підроблених територіях" (номер державної реєстрації 0199U001430) та "Розробка тампонажних та ін'єкційних сумішей і технологій їх використання при ремонті тунелів" (номер державної реєстрації 0102U003584).

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної роботи є обґрунтування геометричних параметрів конструкції станції пілонного типу в умовах її взаємодії з оточуючим масивом.

Для досягнення поставленої мети у роботі сформульовані та вирішені такі задачі:

- обрано метод дослідження, який дозволяє врахувати просторову роботу конструкції станції, подано рекомендації щодо дискретизації конструкції при використанні методу скінченних елементів;

- проаналізовано роботу конструкції і проведено оцінку впливу фактору просторовості її роботи;

- проведено аналіз побудови спрощених розрахункових схем з пружним відпором ґрунту, розроблено методику більш точного визначення меж його дії;

- розроблено методику розрахунку конструкції пілонної станції із запропонованими способами врахування реальних властивостей і поведінки кріплення і масиву;

- розроблено методику оптимізації товщини обробки станційних тунелів;

- проведено техніко-економічне порівняння варіантів та здійснено впровадження авторських методик у виробництво.

Об'єктом дослідження є будівельні конструкції станцій метрополітену глибокого закладення.

Предметом дослідження є обґрунтування геометричних параметрів конструкції пілонної станції з урахуванням взаємодії кріплення з масивом.

У якості методу дослідження було обрано метод математичного моделювання із застосуванням методу скінченних елементів (МСЕ). Експериментальні дані являли собою результати досліджень, які отримано в галузевій науково-дослідній лабораторії механіки ґрунтів ДІІТу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- проведено чисельний аналіз просторової схеми та подібного до неї набору плоских схем;

- запропоновано враховувати просторовість конструкції трисклепінчастих станцій на основі авторської моделі методом скінченних елементів;

- розроблена методика розрахунку конструкції станції пілонного типу з оточуючим масивом, який має пружно-в'язко-пластичні властивості;

- проведені чисельні розрахунки на основі авторського алгоритму оптимізаційного процесу.

Практичне значення отриманих результатів. Використання отриманих результатів у інженерній практиці дозволяє:

- створювати раціональні конструкції на основі дослідження нових конструктивних рішень на імітаційних моделях та впроваджувати їх у виробництво;

- розробити основу розрахунку станцій метрополітену пілонного типу глибокого закладення з можливістю подальшої її модернізації та вирішенням деяких вузлових проблем на рівні сучасних світових досягнень механіки підземних споруд;

- зменшити матеріальні витрати залізобетону обробки станційних тунелів на 20-25 % в середньому без будь-якого зниження несучої здатності конструкції.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором проведені аналіз стану питання, сформульована постановка задачі, розроблені методики розрахунку та оптимізації конструкції пілонної станції з пружно-в'язко-пластичним масивом, розроблена уточнена скінченно-елементна модель пілонної станції, проведені практичні розрахунки і лабораторні випробування ґрунтів та моделі станції в лотку.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати даної дисертаційної роботи викладалися на всеукраїнських та міжнародних наукових конференціях, симпозіумах та семінарах: Міжнародна наукова конференція "Proceedings of the International Symposium on Geotechnological Issues of Underground Space Use for Environmentally Protected World", Дніпропетровськ, НГАУ, 26-29 червня 2001 р.; Семінар "Диагностика в строительстве", Дніпропетровськ, ПДАБА, 15-16 травня 2002 р.; Всеукраїнська науково-технічна конференція "Сучасні проблеми бетону та його технологій", Київ, НДІБК, 18-21 червня 2002 р.; Форум гірників, Дніпропетровськ, НГУ, 16-19 жовтня 2002 р.; Міжнародна науково-практична конференція "Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: Опыт и перспективы", Росія, Москва, 28-31 жовтня 2002 р.

Робота обговорювалася на засіданнях кафедр "Тунелі, основи та фундаменти" Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна та "Залізобетонні та кам'яні конструкції" Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, у тому числі: статей у фахових виданнях - 9, тезисів конференцій - 5.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг - 187 сторінок, з них 161 сторінка основного тексту, 57 рисунків на 51 сторінці, 10 таблиць на 9 сторінках, список використаних джерел з 182 назв на 16 сторінках та 2 додатки на 10 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено аналіз виконаних раніше досліджень в області теоретичних основ визначення навантажень та існуючих методів розрахунку на міцність конструкцій трисклепінчастих станцій пілонного типу. Також проаналізовано переваги та недоліки сучасних конструкцій станцій метрополітену глибокого закладення. Результати аналізу свідчать про те, що найбільш доцільне та економічно доречне використання збірної залізобетонної обробки.

Аналіз гіпотез гірського тиску та механічних моделей взаємодії кріплення з масивом порід довів, що дотепер не вироблена загальна система описання його проявів, критеріїв застосування існуючих гіпотез, використання теоретичних засад для потреб практики, особливо в сфері розрахунків підземних споруд.

Як відомо, основною проблемою при використанні механічної моделі взаємодії порід та кріплення для практичних розрахунків підземних споруд є проблема їх вибору. Важливою стороною цієї проблеми є співвідношення математичного апарату моделі та міри її ідеалізації, а також точність вихідної інформації. Доведено, що теоретичні засади врахування взаємодії у системі "кріплення-масив" з допомогою механічних моделей дуже важко реалізуються на практиці, наприклад, для врахування навантажень на кріплення при розрахунках станцій метрополітенів та інших підземних споруд.

Розгляд існуючих методів розрахунку на міцність станційних конструкцій фундаментально викладених у роботах Ю.М. Айвазова, І.В. Баклашова, В.Ш. Барбакадзе, С.М. Беркіної, О.О. Богородецького, Б.П. Бодрова, О.Ю. Бугаєвої, М.С. Буличова, С.С. Давидова, Ж.С. Єржанова, Б.А. Картозії, Ю.М. Лібермана, Л.М. Насонова, С.О. Орлова, А.К. Поправко, О.М. Проценко, К.В. Руппенейта, Н.Н. Фотієвої та інших вчених дав можливість осмислення задачі та показав можливі шляхи її розв'язання.

Встановлено, що методи, які базуються на врахуванні пружного відпору чи взаємодії системи "кріплення-масив", не можуть бути повністю використані в розрахунках станцій метрополітену. Застосування чисельних методів будівельної механіки, особливо МСЕ, дає можливість врахування конструктивних особливостей станцій метрополітену, але при цьому необхідні додаткові дослідження деяких важливих факторів поведінки станційної конструкції та оточуючого масиву.

У другому розділі проведене обґрунтування вибору розрахункового методу - методу скінченних елементів (МСЕ). Наведене врахування особливостей його застосування у розрахунках трисклепінчастих станцій. Також автором проведене дослідження адекватності плоских та просторової розрахункових схем. Як встановлено, недостатня вивченість статичної роботи трисклепінчастих станцій метрополітену глибокого закладення, а також відсутність розроблених методик дослідження призвели до того, що для розрахунків конструктивних елементів застосовувалися плоскі схеми.

Виконання просторових розрахунків станційних конструкцій та аналіз результатів показав недосконалість й неточність застосування плоских схем. Проведений аналіз методологічних принципів їх побудови виявив ряд неточностей, які могли призвести до зміни результатів розрахунку і при застосуванні просторових схем.

Автором проведено критичний аналіз врахування пружної основи Фуса-Вінклера і запропоновано рекомендації та методика визначення меж зон "відлипання" та пружного відпору для симетричних конструкцій з несиметричним навантаженням. У співавторстві з В.Д. Петренком була розроблена нова пропозиція щодо визначення меж зон "відлипання" та пружного відпору, яка не базується на апріорних даних, а виходить з попереднього розрахунку (рис. 1.).

Ключовою залежністю для еквівалентного пружного стержня, який моделює основу Фуса-Вінклера, є:

, (1)

де - площина пружного еквівалентного стержня; - приведений по довжині коефіцієнт пружного відпору; - довжина стержня; - модуль пружності матеріалу стержня (ґрунт); - кількість стержнів.

Приведений коефіцієнт пружного відпору визначається як:

(2)

де - коефіцієнт пружного відпору; - довжина, на якій проявляється його дія.

Рис. 1. Схема заміни пружної основи стержнями еквівалентної жорсткості за пропозицією Петренка-Тютькіна.

В роботі показана некоректність плоскої постановки задачі розрахунку станційних конструкцій. Чисельний аналіз запропонованої автором просторової схеми та подібного до неї набору плоских схем довів, що неврахування просторовості конструкції трисклепінчастих станцій призводить до серйозної зміни дійсної картини силових факторів: при розрахунках плоских схем значення моментів та нормальних сил збільшується у 3-8 разів.

У третьому розділі розглянуті особливості взаємодії системи "кріплення-масив" у масиві глинистих ґрунтів. Переосмислені класичні положення механіки гірських порід та підземних споруд, реології та засад МСЕ дали змогу урахування фізичної нелінійності поведінки глинистих ґрунтів під навантаженням та у часі. На практиці це реалізується за допомогою даних, які отримані з тривісних (стабілометричних) досліджень. Процес врахування фізичної нелінійності у ході формування НДС можна проілюструвати за допомогою схеми, яка показана на рис. 2. (поведінка ґрунту в стабілометрі при швидкому навантаженні).

Рис. 2. Графік : а) при тривісному стиску; б) практичне використання в методі пружних рішень.

У точці А зразок починає пластично деформуватися, умовою початку пластичної деформації є умова Кулона-Мора:

, (3)

де - максимальне дотичне напруження; - нормальне напруження на площадці; - кут внутрішнього тертя; - зчеплення.

Відповідно, визначивши точки (площадки), у яких виконується умова (3), можна визначити зону пластичних деформацій. Практично за допомогою МСЕ, реалізованого у комплексі SCAD, цю зону можна визначити за значеннями ізоліній та ізополів максимальних дотичних напружень .

В основу методики розрахунку конструкції пілонної станції з пружно-в'язко-пластичним масивом покладено моделювання МСЕ із застосуванням спеціальних "ґрунтових" елементів. При цьому імітація пружного-в'язко-пластичного масиву на основі "ґрунтових" елементів безпосередньо зв'язана з контролем НДС у ході інкрементальних навантажень.

Автором запропонована методика урахування реологічних явищ типу повзучості і релаксації із застосуванням характеристики, названої "тимчасовий" модуль деформації і коефіцієнт Пуассона , що узяті з лабораторних дослідів на повзучість чи релаксацію. Знайшовши зони повзучості і визначивши напруження, що встановилося, можна поставити йому у відповідність криву повзучості із сім'ї кривих. Застосовуючи принцип дискретних станів, знайдемо у визначений проміжок часу як:

, (4)

де - деяке збільшення деформацій; - стале напруження.

На цих авторських аналітичних побудовах розроблена методика розрахунку пілонної станції з пружно-в'язко-пластичним масивом, алгоритм якої подано нижче.

1. Модель завантажена частиною повного навантаження. СЕ ґрунту надаються значення і , а СЕ кріплення - і . Проводиться розрахунок напружень і деформацій у масиві й для кріплення.

2. Знаходять СЕ, у яких виконується умова Кулона-Мору (границя текучості):

, (5)

де - межа текучості для породи.

Елементи, у яких виконується умова (5), піддані пластичній течії. Умова (5) в області напружень розтягнення має інший вигляд:

, (6)

де - мінімальне головне напруження; - міцність на розтяг, прийнята рівною ( - зчеплення в породі).

Вираз (6) може вважатися досить правильним, якщо використовувати його у випадку слабких нескельних ґрунтів.

Після виникнення розриву в СЕ ґрунту (умова (6) виконується), скінченний елемент виключається зі схеми.

3. Модель завантажена частиною навантаження. СЕ ґрунту надаються змінені значення і , що відповідають отриманим напруженням. СЕ кріплення надаються значення і . Проводиться розрахунок напружень і деформацій у масиві й кріпленні.

4. Процедура кроків 2-3 повторюється.

Для знаходження змінених під дією навантаження і скористаємося одним з ітераційних методів рішення нелінійних задач - методом пружних рішень. У додатку до нашого випадку потрібно рішення ряду пружних задач із змінними і , що беруться з графіків лабораторних випробувань ґрунтів.

Автором пропонується уточнена СЕ-модель для врахування неоднорідності масиву та гірського тиску (рис. 3).

Рис. 3. Уточнена СЕ-модель пілонної станції метрополітену.

Порівняння результатів розрахунків пілонної станції з пружним, пружно-пластичним та пружно-в'язко-пластичним масивом свідчить про те, що застосування пружно-в'язко-пластичної моделі масиву підвищує точність розрахунків у 1,2-1,35 рази на відміну від інших моделей масиву.

У четвертому розділі наведені результати фізичного моделювання та порівняння їх із результатами моделювання МСЕ. Наведені автором методики випробування дали змогу отримати міцнісні та реологічні параметри ґрунту. Проводилося випробування трьох моделей, метою якого було знаходження закономірності між параметрами деформування у ньому та ще двох видах дослідження: тривісному стиску на повзучість та моделюванні методом скінченних елементів.

При точності визначення переміщень, яка дорівнювала 0,01 мм, можлива похибка у визначенні зміщень моделі Дl_м=0,01n, де n - число масштабу, що відповідає похибці у натурі Дl_н=0,01nб_l. При масштабі знімку 1:n=1:10 та масштабі моделі 1:б_l=1:100, досягнуто точності у моделі Дl_м=0,1 мм, а у натурі - Дl_н=10 мм, що співпадає з точністю інструментальних досліджень (від 5 до 20 мм) і може вважатися доказом достовірності проведених лоткових випробувань (рис. 4).

Рис. 4. Схема проведення лоткових випробувань: 1 - шток домкрата; 2 - індикатори годинникового типу; 3 - верхні точки вимірювання переміщень (замкові, точки 2, 4, 6); 4 - нижні точки вимірювання переміщень (зона повзучості, точки 1, 3, 5); 5 - нерухомі точки лотка (марки); 6 - лоток; а ₁, а ₂, а ₃ - переміщення, які вимірювалися штангенциркулем.

Порівняльний аналіз лабораторних випробувань (лоткових та стабілометричних) з результатами моделювання МСЕ проводився таким чином. Так як в теоретичних авторських побудовах, які доводяться за допомогою експериментальних даних, уведено можливість екстраполяції результатів лабораторних випробувань на реальний масив, то першим проводилося порівняння подібних даних, отриманих при експериментальних дослідженнях. При другому порівнянні розглянуто та проаналізовано картини переміщень у моделі (розрахунок моделі МСЕ, яка ідентична за геометричними розмірами моделі в лотку з оточуючим масивом, властивості якого отримано із стабілометричних випробувань на повторну повзучість) і моделі в лотку.

Зробимо порівняння відносних деформацій випробування зразків з моноліту М-3 на повторну повзучість та переміщень у лотковій зоні моделі. Для наочності подамо їх у вигляді діаграми (рис. 5.).

Рис. 5. Діаграма порівняння відносних деформацій різних видів випробувань.

Як видно, для семи діб витримки тиску деформації розходяться до 10 %, для чотирнадцяти діб - до 6 %, для двадцяти однієї доби - на 10 %. При всіх недоліках, які характерні для порівняльного аналізу, можна зробити висновок, що результати тривісних випробувань зразків на повзучість можна з достатньою точністю екстраполювати на процеси взаємодії станційної обробки з оточуючим масивом.

Порівняно також переміщення замкових і лоткових точок (1, 2, 3, 4, 5 та 6), переміщення отриманих із випробування на повторну повзучість та у ході моделювання МСЕ для моделі, наведеної на рис. 4, з геометричними розмірами моделі в лотку з інтерпретацією масиву як пружно-в'язко-пластичного. На рис. 6. показано діаграму порівняння переміщень.

Рис. 6. Порівняння переміщень замкових і лоткових точок, отриманих різними методами дослідження.

Як видно із графіка, розбіжність переміщень для лоткових точок (1,3 та 5) становить від 13 до 15 %, а для замкових точок (2,4 та 6) - від 12 до 15 %. Цей факт також доводить, що результати, отримані у ході моделювання МСЕ, у якому використані реальні характеристики поведінки ґрунтів, можуть з припустимою точністю вважатися адекватними реальним процесам.

У п'ятому розділі автором розроблена методика оптимізації геометричних розмірів станційних тунелів пілонної станції. Постановка задачі для оптимізації геометричних розмірів (товщини) обробки бокових і середнього тунелів станцій метрополітену пілонного типу автором подається у вигляді:

; (7) ; (8)

, (9) , (10)

де - змінна товщина обробки; - напруження у перерізі, який характеризується товщиною ; - міцність бетону на розтяг; - деякий набір блоків із заданими перерізами, який належить множині блоків (а точніше, є підмножиною множини ); - нижня межа у випадку проектування блоків (тюбінгів) приймається 0,10-0,15 м із умови армування; - верхня межа, у загальному випадку обмеження на неї не накладається, але із раціональних міркувань, які не дозволяють звести задачу оптимізації до абсурду, = 1,0 м..

Вербально постановка задачі оптимізації ставиться так: треба знайти таку товщину блока , яка б була найменша і у той же час виконувалися б умови (8) та (9), тобто напруження у блоці було б допустимим, а товщина блока не виходила за межі та . Застосуємо для рішення задачі послідовний аналіз варіантів (ПАВ), як пошук із зменшенням області пошуку.

Проаналізувавши діаграми ексцентриситетів нормальних сил у характерних точках, можна зробити висновок про непряму залежність між розмірами поперечного перерізу і моментами й нормальними силами у ньому. Варіація товщини у бік збільшення не завжди веде до зменшення моментів, а точніше, погіршує картину силових факторів через зменшення нормальних сил.

Можна виділити і той факт, що характер розподілу ексцентриситетів у залежності від товщини обробки, практично в усіх точках має дві максимальні величини, які відповідають товщинам 500 мм та 800 мм. За результатами, які отримані після послідовного аналізу зі зменшенням області пошуку, можна зробити висновок, що стандартна обробка з товщиною Н=500 мм має не зовсім оптимальні розміри. Із порівняльного аналізу варіантів оптимальною прийнята обробка з товщиною Н=400 мм.

Проведене техніко-економічне порівняння варіантів. Економічний ефект від впровадження авторських методик у виробництво становить близько 70 тис. грн. на одну пілонну станцію, яка знаходиться у процесі проектування та будівництва.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено нове рішення актуальної науково-технічної задачі, яка полягає в обґрунтуванні геометричних параметрів конструктивних елементів станції пілонного типу з урахуванням взаємодії кріплення з масивом.

Основні рекомендації та загальні висновки, у яких відображені головні наукові та практичні результати, такі:

1. На основі аналізу сучасної науково-технічної інформації про розрахунки підземних споруд зі спробами врахування дійсної поведінки оточуючого масиву зроблено висновок, що кількість підходів до вирішення цієї проблеми дуже велика і на сьогоднішній час не існує єдності у виборі якогось одного.

2. В якості методу для дослідження та аналізу системи "кріплення-масив" було обрано метод математичного моделювання на основі методу скінченних елементів (МСЕ). У ході проведення чисельних розрахунків застосування МСЕ дозволило достатньо повно, точно і просто врахувати майже всі особливості досліджуваної конструкції та її роботи, провести варіацію пружно-в'язко-пластичних властивостей масиву, конструктивних параметрів станційної обробки у ряді оптимізаційних розрахунків, дозволив проведення розрахунків із шаруватим та порожнистим масивом, надати отриманим результатам наочний вигляд. Чисельна реалізація МСЕ проводилася на основі професійного розрахункового комплексу Structure CAD for Windows, version 7.29 R.3 (SCAD).

3. На основі теоретичного та чисельного аналізу доведено, що неврахування просторовості конструкції трисклепінчастих станцій призводить до серйозної зміни дійсної картини. Чисельний аналіз запропонованої автором просторової схеми та подібного до неї набору плоских схем показав, що у плоских схемах, на відміну від просторової, значення моментів та нормальних сил збільшено у 3-8 рази, що приводить до проектування неекономічної конструкції. У роботі наведено рекомендації побудови просторових схем на основі МСЕ.

4. Проведено критичний аналіз застосування спрощених розрахункових схем на основі пружного відпору. Показано, що визначення меж його дії у стандартних методиках не зовсім правильне, наведено алгоритм їх пошуку на основі МСЕ та методику спрощеного розрахунку з урахуванням взаємодії масиву у вигляді пружного відпору.

5. Розроблена авторська концепція імітаційного моделювання на основі дискретних станів, яка стала теоретичним підґрунтям методик розрахунку та оптимізації. Її розробка дозволила провести узагальнення та переосмислення класичних положень суцільного середовища і механіки підземних споруд з позицій імітаційного моделювання та чисельного аналізу МСЕ, що призвело до уведення теоретичних положень в інженерні методики. Розроблений автором та застосований надалі "ґрунтовий" елемент, поведінка якого визначається із лабораторних досліджень і потім екстраполюється на масив, дозволяє імітувати реальний оточуючий масив у моделях, наведено врахування реальної поведінки матеріалу конструкції.

6. Вперше на основі теоретичних положень розроблена методика розрахунку станції пілонного типу з оточуючим масивом, який має пружно-в'язко-пластичні властивості. Порівняння результатів пружних, пружно-пластичних та пружно-в'язко-пластичних розрахунків пілонної станції, яка знаходиться у глинистому масиві, свідчить про те, що застосування пружно-в'язко-пластичної моделі масиву підвищує точність розрахунку у 1,2-1,35 рази на відміну від інших моделей масиву. Проведені розрахунки із шаруватими масивами та масивами з порожнинами доводять важливість урахування цих випадків для інженерної практики.

7. Розглянуто існуючі методи оптимізації та запропоновано авторський алгоритм оптимізаційного процесу. Вперше проведені чисельні розрахунки дозволяють зробити висновок, що при взаємодії підземної споруди з середовищем зі складними властивостями оптимальною не є конструкція з більшими геометричними розмірами перерізу. Чисельні розрахунки довели, що можливе зниження товщини обробки станційних тунелів до 25 % без втрати несучої здатності.

8. На основі проведених експериментів доведено той факт, що результати лабораторних випробувань можна з достатньою точністю екстраполювати на поведінку реального масиву, що у свою чергу, також доводить і можливість їх використання у імітаційному моделюванні МСЕ.

9. Проведене техніко-економічне порівняння варіантів. Економічний ефект від впровадження авторських методик у виробництво становить близько 70 тис. грн. на одну пілонну станцію, яка знаходиться у процесі проектування та будівництва.

10. Проведені наукові дослідження дозволяють удосконалювати подальші роботи в області розрахунків станцій метрополітену пілонного типу глибокого закладення. Також існує можливість для рішення на основі отриманих результатів вузлових задач механіки підземних споруд і обґрунтування розвитку підземної урбаністики.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Гузченко В.Т., Куприй В.П., Тютькин А.Л. Учет упругих свойств породы в расчетах подземных сооружений / Зб. наук. праць "Будівництво", ДІІТ, Дніпропетровськ, 2000. - Вип. 8 - С. 313-316.

2. Тютькин А.Л. Анализ пространственной и плоских расчетных схем станции пилонного типа метрополитена глубокого заложения / Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2001. - Вип. 2/2001 (11). - С. 337-340.

3. Петренко В.Д., Тютькин А.Л. К вопросу о дискретизации конечно-элементных моделей / Сб. научн. тр. ПГАСиА "Строительство. Материаловедение. Машиностроение", Днепропетровск, 2002. - Вып. 18. - С. 123-128.

4. Петренко В.Д., Тютькин А.Л. Особенности работы конструкции как основа оптимизации ее конструктивных элементов / Міжвід. наук. -тех. зб. наук. праць "Будівельні конструкції". - Київ: НДІБК, 2002. - Вип. 56. - С. 134-141.

5. Петренко В.Д., Тютькин А.Л. Практическое применение реологических моделей в расчетах подземных сооружений / Зб. наук. праць "Будівництво", ДІІТ, Дніпропетровськ, 2002. - Вип. 10. - С. 13-15.

6. Тютькин А.Л. Имитационная модель системы "крепь-массив" на основе принципа дискретных состояний / Сб. науч. тр. НГА Украины № 13, том 1. - Днепропетровск: РИК НГА, 2002. - С. 45-50.

7. Петренко В.Д., Тютькін О.Л. Оцінка впливу порожнин та шарів на напружено-деформований стан системи "кріплення-масив" / Міжвід. зб. наук. праць "Геотехнічна механіка", ІГТМ НАНУ ім. М.С. Полякова, Дніпропетровськ, 2003. - Вип. 42. - С. 198-204.

8. Петренко В.І., Петренко В.Д., Тютькін О.Л. Урахування взаємодії системи кріплення-масив у розрахунках трьохсклепінчастих станцій метрополітену / Вісник Національного технічного університету "Київський політехнічний інститут", серія "Гірництво". - Київ: НТУУ "КПІ": ЗАТ "Техновибух", 2002. - Вип. 7. - С. 22-26.

9. Тютькін А.Л. Методика визначення напружено-деформованого стану трьохсклепінної станції пілонного типу з урахуванням пружно-в'язко-пластичних властивостей оточуючого масиву / Зб. наук. праць "Будівництво" - Дніпропетровськ: Видавн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна, 2002. - Вип. 11. - С. 42-47.

10. Тютькин А.Л. Расчет бокового станционного тоннеля методом конечных элементов / Тезисы докладов региональной студ. науч.-техн. конференции, ДонГТУ, Донецк, 2000. - С. 28-29.

11. Гузченко В.Т., Тютькин А.Л. К методике расчета станций метрополитена глубокого заложения / Тезисы докладов региональной студ. науч.-техн. конференции, ДонГТУ, Донецк, 2001. - С. 58-59.

12. V.D. Petrenko, A.L. Tutkin, V.N. Palchik The Investigation of the Interaction between Rock Mass and Support in Calculations of the Depth Contour Interval Underground Stations / Сб. научн. трудов междунар. конф. "Proceedings of the International Symposium on Geotechnological Issues of Underground Space Use for Environmentally Protected World", Dnipropetrovsk, NMUU, 26-29 June 2001, pp. 37-39.

13. Петренко В.И., Петренко В.Д., Тютькин А.Л. Методология расчетов подземных сооружений МКЭ на основе новых принципов моделирования системы "крепь-массив" / Труды Междунар. научн.-пр. конф. "Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: Опыт и перспективы", Россия, Москва, 28-31 октября 2002 г. - С. 343.

14. Петренко В.Д., Тютькин А.Л., Цепак С.В. Двухсторонняя телеметрия как процесс прогнозирования и изменения напряженно-деформированного состояния системы "крепь-массив" / Мат. V Всеукр. наук.-практ. конф. "Наука і освіта'2002", Дніпропетровськ-Донецьк, 5-7 березня 2002 р. - Том. 19. Технічні науки. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2002. - С. 34-35.

АНОТАЦІЯ

Тютькін О.Л. Обґрунтування геометричних параметрів конструкції пілонної станції метрополітену з урахуванням взаємодії кріплення з масивом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена обґрунтуванню геометричних розмірів конструкції пілонної станції метрополітену глибокого закладення з урахуванням взаємодії кріплення з масивом.

Порівняльний аналіз плоских схем із просторовою свідчить, що неврахування просторовості конструкції пілонної станції призводить до збільшення моментів та нормальних сил в 3-8 разів у плоских схемах.

Була розроблена авторська методика розрахунку пілонної станції з пружно-в'язко-пластичним масивом. Встановлено, що застосування пружно-в'язко-пластичної моделі масиву у випадку глинистого ґрунту підвищує точність розрахунку конструкції станції у 1,2-1,35 рази у порівнянні з пружною та пружно-пластичною моделлю масиву.

Проведені чисельні розрахунки на основі авторського алгоритму оптимізації засвідчили, що можливе зниження товщини обробки станційних тунелів до 25 % без втрати несучої здатності.

Ключові слова: станція, метрополітен, конструкція, обробка, просторовість, напруження, деформація, пружно-в'язко-пластичний масив, оптимізація, геометричні розміри.

АННОТАЦИЯ

Тютькин А.Л. Обоснование геометрических параметров конструкции пилонной станции метрополитена с учетом взаимодействия крепления с массивом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена обоснованию геометрических параметров конструкции пилонной станции метрополитена глубокого заложения с учетом взаимодействия крепления с массивом.

Проведены исследования построения плоских схем пилонной станции на основе упругого отпора. Результаты анализа показывают, что в этих схемах допущены некоторые ошибки, влияющие на точность расчетов пилонных станций. Предложен алгоритм более полного учета упругого отпора в упрощенных расчетах на основе его замены стержнями эквивалентной жесткости с точным поиском границ его действия и интенсивности. Приведенный алгоритм возможно применять и при расчетах станций, взаимодействующих с массивом, имеющим сложное строение.

Сравнительный анализ плоских схем с пространственной свидетельствует, что неучет пространственности конструкции пилонной станции ведет к серьезному искажению картин силовых факторов. При расчетах с помощью плоских схем значения моментов и нормальных сил увеличиваются в 3-8 раз по сравнению с пространственной.

Разработана методика прочностного расчета конструкции пилонной станции с массивом, который имеет упруго-вязко-пластические свойства. Установлено, что применение упруго-вязко-пластической модели массива в случае глинистого грунта повышает точность расчета конструкции станции в 1,2-1,35 раза по сравнению с упругой и упругопластической моделью массива.

Проведены численные расчеты слоистых и неоднородных массивов. Полученные практические результаты дали возможность анализа напряженно-деформированного состояния массивов с пустотами и слоистостью. На их основе даны рекомендации по учету рассмотренных вариантов на практике.

Поставлена и решена задача оптимизации геометрических размеров обделок станционных тоннелей, предложен авторский алгоритм на основе последовательного анализа вариантов. Проведенные численные расчеты с использованием авторского алгоритма оптимизации показали, что возможно снижение толщины обделки станционных тоннелей до 25 % без снижения несущей способности.

На основе проведенных экспериментов доказано, что результаты лабораторных исследований можно с достаточной точностью использовать для имитации реальных свойств конструкции и массива в расчетах методом конечных элементов.

Разработанная автором методика прочностного расчета пилонной станции метрополитена прошла проверку в государственном институте "Укрметротоннельпроект" и получила положительную оценку. При внедрении авторских методик расчета и оптимизации конструкции пилонных станций экономический эффект составляет около 70 тысяч гривен на одну станцию в процессе проектирования и эксплуатации.

Ключевые слова: станция, метрополитен, конструкция, обделка, пространственность, напряжение, деформация, упруго-вязко-пластический массив, оптимизация, геометрические размеры.

SUMMARY

Tutkin A.L. The substantiation of geometrical parameters of a construction underground pylon station with allowance for interplays of support with a massif. - Manuscript.

The dissertation on completion of a scientific degree of a candidate of engineering on the specialty 05.23.01. - Constructions, building and structures. - Pridneprovsk State Academy of Construction and Architecture, Dnepropetrovsk, 2003.

The dissertation is devoted to the substantiation of geometrical parameters of a construction pylon station of deep contour interval with allowance for interplays of lining with a massif.

The comparative analysis of the flat schemes with a spatial one testifies, that the ignoring of spatiality of pylon station construction results in significant distorting of the force factors schemes.

The procedure of strength calculation of the pylon station construction with a massif, which has elastic-viscous-plastic properties, has been done. It has been established, that the application of the elastic-viscous-plastic model of the massif in case of clay soil increases accuracy of the calculation of the station construction on 1,2-1,35 times in comparison with the elastic and elastic-plastic model of massif.

The numerical calculations done on the basis of an author's algorithm of optimization have demonstrated, that the decrease of lining thickness of the station tunnels up to 25 % without a decrease of lift capability takes place.

The key words: station, metro, construction, lining, spatiality, stress, deformation, elastic-viscous-plastic massif, optimization, geometrical parameters.

Размещено на Allbest.ru

...