Определение несущей способности обделки

(по указанию руководителя проектирования).

Расчетная схема тоннельной обделки должна соответствовать условиям работы сооружения, технологии проходки, возведения обделки, учитывать характер ее взаимодействия с окружающим грунтом. В зависимости от степени влияния перечисленных факторов на напряженно-деформированное состояние конструкции, расчетными моделями могут служить модели с заданной нагрузкой, основанные на положениях строительной механики, или модели, основанные на положениях механики сплошной среды. Этим двум моделям соответствуют два режима работы обделки: работа в режиме заданных нагрузок и работа в режиме взаимовлияющих деформаций.

В курсовом проекте обделка рассчитывается в плоской постановке задачи в предположении ее работы в режиме заданных нагрузок с учетом упругого взаимодействия с грунтом.

Определение нагрузок

Расчет конструкций обделок следует производить на наиболее невыгодное, но реальное, сочетание нагрузок и воздействий, которые могут действовать одновременно при строительстве или эксплуатации сооружения. При этом следует рассматривать основные и особые сочетания нагрузок.

Основные сочетания состоят из постоянных нагрузок и воздействий (нагрузок от горного давления, наружного гидростатического давления, собственного веса конструкции и насыпного грунта, сохраняющихся усилий от предварительного обжатия обделки); длительно действующих временных нагрузок (нагрузок от морозного пучения грунта, от температурных деформаций, от усадки бетона и так далее) и кратковременных нагрузок (от веса транспортного и монтажного оборудования, давления щитовых домкратов, нагнетания раствора за обделку и т.п.).

Особые сочетания состоят из постоянных нагрузок и воздействий, наиболее вероятных временных и одной из особых нагрузок (сейсмического или взрывного воздействия; нагрузок, вызванных неравномерными деформациями основания и т.п.).

Все нагрузки, входящие в состав основных и особых сочетаний, являются нормативными. В соответствии с действующими нормами статический расчет тоннельных обделок по первой группе предельных состояний (на прочность и устойчивость) производят на расчетные нагрузки, которые определяются умножением их нормативных значений на коэффициенты надежности по нагрузке (таблица 5.1).

Таблица 5.1.
Виды нагрузок	Коэффициенты надежности по нагрузке
Вертикальная от веса всей толщи грунтов над тоннелем:
в природном залегании	1,1
насыпных	1,15
Вертикальная от горного давления при сводообразовании для грунтов:
скальных	1,6
глинистых	1,5
песчаных и крупнообломочных	1,4
Вертикальная от давления грунта при вывалах	1,8
Горизонтальная от давления грунта	1,2 (0,7)
Гидростатическое давление	1,1 (0,9)
Собственный вес конструкций:
сборных железобетонных	1,1 (0,9)
монолитных бетонных	1,2 (0,8)
металлических	1,05
изоляционных, выравнивающих, отделочных слоев	1,3
Сохраняющиеся усилия от предварительного обжатия и щитовых домкратов	1,3
Примечание: значения коэффициентов надежности по нагрузке, указанные в скобках, принимают в случае, когда уменьшение нагрузки приводит к более невыгодному загружению обделки.

В курсовом проекте допускается расчет только на основные сочетания нагрузок.

Нагрузки от горного давления являются главным внешним силовым фактором. При расчете конструкций, работающих в режиме заданных нагрузок, величина нагрузки от горного давления определяется как вес грунта в объеме возможной зоны разрушения грунта в окрестности незакрепленной выработки и, в значительной степени, зависит от несущей способности вышележащих грунтов. При этом горное давление представляется в виде внешней вертикальной q и горизонтальной p нагрузок на конструкцию обделки. Эти нагрузки, в зависимости от глубины заложения тоннеля и свойств окружающих грунтов, определяют либо в соответствии с гипотезой сводообразования, от веса отдельных вывалов, либо от веса всей толщи грунтов над тоннелем.

Значение нормативных равномерно распределенных вертикальной q^н и горизонтальной p^н нагрузок от горного давления в условиях сводообразования для однородной толщи грунта определяют по следующим формулам:

; (5.1)

; (5.2)

где	hв	–	высота свода обрушения над верхней точкой обделки hв= h1;
	g	–	объемный вес грунта;
	В	–	пролет выработки.
	φк	–	кажущийся угол внутреннего трения грунта в пределах сечения тоннельной обделки, принимаемый по данным исследования грунта.

При курсовом проектировании расчетные характеристики грунтов можно принимать в соответствии с Приложением 2.

Величину пролета L в условиях сводообразования определяют по формуле (рис. 5.1):

. (5.3)

Рис. 5.1. Схема к определению горного давления по гипотезе сводообразования.

Высота свода обрушения h_в при расположении тоннеля в нескальных необводненных грунтах при глубине заложения тоннеля Н ₁ < 45м определяется по формуле:

, (5.4)

где	f	–	коэффициент крепости грунта, f=tgφк.

Высоту свода обрушения грунта h_в для тоннелей, сооружаемых в глинистых грунтах на глубине более 45м, следует принимать с коэффициентом К₁=Н₁/45, где Н₁ – глубина заложения тоннеля от поверхности земли до низа обделки в метрах.

Для скальных грунтов, оказывающих вертикальное и горизонтальное горное давление (при f<4) высота свода обрушения h_в определяется по формуле:

, (5.5)

где	f	–	коэффициент крепости грунта, f=0,1R;
	R	-	предел прочности грунта на сжатие в образце, МПа
	К0	–	коэффициент, принимаемый в зависимости от категории грунтов по трещиноватости и от предела прочности грунта на сжатие в образце по табл.5.2;
	а	-	коэффициент, учитывающий ряд неблагоприятных факторов; а =0,8 – при притоке воды в выработку, для случая заполнения трещин рыхлым глинистым материалом; а =0,9 – при расположении трещин наиболее развитой системы под углом к оси тоннеля менее 45о; а =1,2 – при проходке выработок без применения буровзрывных работ.

Для скальных грунтов, оказывающих вертикальное, но не оказывающих горизонтального давления (при f ≥ 4) высота свода обрушения h_в определяется по формуле:

, (5.6)

где	f	–	коэффициент крепости грунта, f=0,1R;
	В	-	пролет выработки, принято L=В.

Таблица 5.2

Категория скальных грунтов по степени трещиноватости	Коэффициент К0 при пределе прочности грунта на сжатие в образце R в МПа
I – практически не трещиноватые	1,7	1,4	1,2	1,1	1,0
II - малотрещиноватые	1,4	1,2	1,0	0,9	0,8
III - среднетрещиноватые	1,2	0,9	0,7	0,6	0,5
IV - сильнотрещиноватые	0,9	0,7	0,5	0,4	0,3
V - раздробленные	0,7	0,4	0,3	0,2	0,1

Для скальных грунтов с коэффициентом крепости f ≥ 4, либо в случае h_в ≤ В/ 6, расчет подземных конструкций следует производить на воздействие от веса отдельных вывалов. При этом, вертикальное горное давление интенсивностью, полученной из условия сводообразования (5.1), следует распределять по площади, соответствующей четверти пролета выработки в наиболее невыгодном для статической работы обделки положении.

Если глубина заложения тоннеля Н менее двойной высоты свода обрушения (Н < 2h_в), либо толща устойчивых грунтов над тоннелем h < 2h_в, а выше залегают грунты, не обладающие способностью к сводообразованию, а также при расположении тоннеля в слабых глинистых грунтах, в песках, илах и плывунах, переходящих в условиях эксплуатации в разжиженное состояние, нормативную вертикальную нагрузку от горного давления принимают равной нагрузке от веса всей толщи грунтов над тоннелем.

Значения нормативных равномерно распределенных вертикальной q^н и горизонтальной p^н нагрузок от давления всей толщи грунтов над тоннелем определяют по следующим формулам:

; (5.7)

; (5.8)

где	hi	–	толщина слоев напластований;
	gi	–	объемный вес грунтов напластований;
	n	–	число слоев напластований.

Значения нормативных нагрузок на обделку тоннеля, расположенного в водонасыщенных слабосвязных грунтах, содержащих свободную воду, принимают, обычно, от совместного действия гидростатического давления воды q_w^н и давления грунта во взвешенном состоянии, определяемом по формулам (5.7) и (5.8) с учетом взвешенности грунта в воде.

Объемный вес грунта с учетом взвешенности в воде:

, (5.9)

где	γ	–	объемный вес грунта в сухом состоянии;
	γу	–	удельный вес грунта в сухом состоянии;
	γb	–	удельный вес воды, γb =10 кН/м3;
	ε	–	коэффициент пористости грунта.

Интенсивность горного давления на обделки двух или трех параллельных тоннелей определяют в зависимости от расстояния между ними либо как для одиночных тоннелей, либо с учетом образования общего свода обрушения над тоннелями.

Нагрузки от гидростатического давления на конструкцию отнесены к числу постоянных, хотя они в различные периоды существования обделки могут изменяться от нулевого до максимального значения в зависимости от гарантированной герметизации обделки.

При полной герметизации обделки гидростатическое давление достигает максимальных значений. Причем, учет гидростатического давления может улучшать условия статической работы, поскольку создает в сечениях обделки значительную нормальную силу, передающуюся с небольшим эксцентриситетом. Поэтому при расположении обделки в водоносных грунтах конструкцию необходимо рассчитывать как на максимальное гидростатическое давление, так и на минимальное. Второй случай практически означает отсутствие гидростатического давления, что возможно при нарушении герметичности обделки.

Нагрузка от гидростатического давления q_w^н действует по нормали к наружной поверхности обделки. Ее интенсивность зависит от расстояния точек контура обделки до уровня грунтовых вод h_w:

. (5.10)

При учете гидростатического давления, горное давление следует определять с учетом веса грунта во взвешенном состоянии (см. формулу (5.9)).

Нагрузка от собственного веса обделки q_св^н определяется из соотношения:

, (5.11)

где	G	–	вес свода обделки;
	В	–	ширина обделки.

Нагрузка от собственного веса принимается равномерно распределенной по пролету выработки и суммируется с расчетной нагрузкой от вертикального горного давления.

Нагрузку от веса подвижного состава, как правило, не учитывают при расчете конструкций глубокого заложения, так как эта нагрузка невелика и распределяется по значительной поверхности обделки и подстилающего грунта благодаря устройству жесткого бетонного основания пути.