Определение крутизны откосов котлованов для разных грунтов с учетом дополнительного пригруза

2. Особенности статической работы тоннелей мелкого заложения с учетом влияния сооружений на земной поверхности / Голицинский Д.М. [и др.] // Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте: труды VI Междунар. науч.-техн. конф. Санкт-Петербург, 28-29 января 2004 г. СПб.: ПГУПС, 2004. С. 111-117.

3. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М., Наука, 1966.

4. Фотиева Н.Н., Козлов А.Н. Расчет крепи параллельных выработок в сейсмических районах. М.: Недра, 1992. 231 с.

5. Fotieva N.N., Bulychev N.S., Sammal A.S. Design of shallow tunnel linings// Proceedings of the ISRM International Symposium. Torino, Italy. Bal-kema, 1996. P. 654-661.

6. Булычев H.C. О расчете обделок тоннелей в очень слабых грунтах // Проблемы подземного строительства в XXI веке: тр. междунар. конф. Тула, 25-26 апреля 2002 г. Тула: Изд-во ТулГУ, 2002. С. 35 - 37.

7. Деев П.В. Расчет обделок параллельных тоннелей произвольного поперечного сечения, расположенных на небольшой глубине, с учетом последовательности их сооружения // Известия ТулГУ. Сер. Естественные науки. 2008. Вып. 2. С. 246-252.

P.V. Deev, N.N. Fotieva

STRESS STA TE DETERMINATION OF PARALLEL TUNNEL LININGS CONSTRUCTED UNDER URBAN AREA

An analytical design method for parallel tunnel linings of arbitrary cross-section shape subjected to the action of ground own weight and buildings weight is developed. An example of the design of three parallel tunnels constructed under urban area is presented.

Key words: parallel tunnels, shallow depth, stress state, lining, driving consequence.

Получено 20.04. 11

УДК 624.134:624.137.2

П.А. Деменков, канд. техн. наук., доц., (812) 328-82-25, dem-petr@yandex.ru,

А.Д. Куранов, асп., kuranov555@mail.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРУТИЗНЫ ОТКОСОВ КОТЛОВАНОВ ДЛЯ РАЗНЫХ ГРУНТОВ С УЧЕТОМ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРИГРУЗА

Исследовались откосы котлованов при строительстве многофункциональных подземных комплексов в различных грунтах с дополнительным пригрузом по бровке котлована от оборудования, складируемых материалов и машин.

Получены зависимости коэффициента запаса откосов котлована от смещений и определена величина их крутизны для различных грунтов.

Ключевые слова: котлован, откосы, грунты, многофункциональный подземный комплекс, метод конечных элементов.

Важнейшими подземными сооружениями крупных городов являются подземные многофункциональные комплексы, в которых размещаются объекты различного назначения. Кроме того, они часто являются фундаментами наземных зданий, что значительно снижает себестоимость строительства их нулевого цикла. Таким образом, строительство многофункциональных подземных комплексов (МПК) позволяет наиболее

эффективно использовать подземное пространство города.

Открытый способ строительства МПК не всегда применим в условиях плотной городской застройки и сложных геологических условий, однако, он является наиболее дешевым вариантом.

Объектом исследования данной работы являются откосы котлованов при строительстве МПК в условиях мегаполисов. Глубина заложения и размеры котлована в плане соответствуют наиболее распространенному и рациональному с экономической и технологической точки зрения объемно-планировочному решению многофункционального подземного комплекса.

Глубина заложения котлована - 15 м, размеры в плане - 60*60 м. Выбор размеров котлована в плане предполагает размещение в нем трехчетырёхуровневого подземного комплекса с паркингом, торговыми, развлекательными и др. зонами.

Ввиду большого количества влияющих факторов и соответственно большого количества требующих решения задач основным методом исследования принято численное моделирование методом конечных элементов. Применялись как плоские, так и объемные постановки задач. При решении плоских задач также используются классические методы расчета откосов [1], основанные на методе предельного состояния.

Целью всех расчетов является обеспечение требуемого запаса устойчивости откоса котлована ^ = 1,3.

В расчете учтена нагрузка на площадку котлована от действующей техники, складируемых материалов и оборудования согласно ВСН 136-78 [2]. Принят наихудший вариант нагружения, характерный для производства работ в условиях городской застройки (рис. 1).

Методика определения коэффициента запаса устойчивости откосов с применением метода конечных элементов приведена в [3]. Для выполнения анализа устойчивости откосов с применением способа понижения предела прочности при сдвиге необходимо выполнить ряд конечноэлементных нелинейных упругопластических моделей с использованием критерия Мора-Кулона. Предельные прочностные характеристики, используемые в анализе, получаются путем деления фактических характери-

стик на коэффициент запаса F. Предельные значения сцепления и угла внутреннего трения могут быть определены как

c 1 tgty-1

с = —; ф = arctan-------,

F F

где с - предельное значение удельного сцепления, кПа; с ^ - расчетное

значение удельного сцепления, кПа; ф - предельное значение угла внутреннего трения, град; ф^ - расчетное значение угла внутреннего трения, град.

120 кНм2

10 кНм ‘

Рис. 1. Расчетная схема откоса, нагруженного по верхней

площадке

В большинстве программных пакетов, реализующих метод конечных элементов, параметры материала включены в исходный файл. Эти данные невозможно изменить после начала анализа, но они могут быть косвенно изменены путем представления их как функции независимых переменных.

Установлено, что деформационные свойства материала практически не влияют на коэффициент запаса устойчивости откосов, поэтому в расчете они задаются постоянными величинами. Функциями независимых переменных задаются предельные прочностные свойства материала - сцепление с и угол внутреннего трения ф :

с = (1 - 0,99)с; ф = arctan((1 - 0,90)tan ф), где 0 - независимая переменная, изменяющаяся от 0,0 до 1,0.

При изменении независимой переменной от 0,0 до 1,0 отношение

— линейно убывает от 1,0 до 0,1 и коэффициент запаса определяется как

F

1

F =

1 - 0,90

Подобная постановка задачи позволяет определять коэффициент запаса устойчивости F для любого значения независимой переменной в. Для определения реального коэффициента запаса устойчивости необходи-

мо установить относительные деформации откоса, которые определяются как

2 _ итах

Н ’

где итах - максимальные горизонтальные перемещения массива откоса; Н - высота откоса.

Определена величина крутизны откоса при коэффициенте запаса устойчивости F = 1,3 (рис. 2) в зависимости от типов вмещающих котлован грунтов.

1,8 1,7

а

I 1,6

и

1 1,5 в 1,4 = 1,3

-6г 1,2 и

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Максимальное полное смещение, м

при сооружении котлована в песках при сооружении котлована в супесях

при сооружении котлована в суглинках при сооружении котлована в глинах

Рис. 2. Определениекоэффициента запасаустойчивости откосов при сооружении котлована в различных грунтах.

Крутизна откоса, нагруженного по верхней площадке в зависимости от типа грунта, при коэффициенте запаса

устойчивости Г = 1,3

Типы вмещающих котлован грунтов

№ Наименование грунтов Угол откоса, град

1 Пески 35

2 Супеси 28

3 Суглинки 28

4 Глины 34

Анализ полученных зависимостей позволяет заключить, что характер деформирования откосов котлованов, сооружаемых в песках с учетом нагрузки, от действующей на площадке техники качественно отличается от деформирования откосов в других грунтах.

120 120 120

а

0.00е+000 7.БОе-002 1.50е-001 2,25е-001 3.00е-001 З.15е-001 4.50е-001 5.2Бе-001 б.00е-001 6.75е-001 7.50е-001 8.25Є-001 9.00е-001 9.75е-001 1.ОБе+ООО 1,ІЗе+000 1.20в+000 1.276+000 1.35е+000 1.42е+000 1.50е+000 О.ООе+ООО 5.00Є-002 І.ООе-ООІ 1.50е-001

2.00Є-00Ї

2*50е-001 З.ООе-ООІ 3.50е-001 4 »00е-001 4.50е-001 5.00е-001 5.БОе-ОО! б.00е-001 6.50е-001 7.00е-001 7.50е—001 8*00е-001 8.БОе-ОО! 9.00е-001 9.50е-001 1*00е+000

Рис. 3. Эпюры максимальных сдвиговых смещений и векторы деформаций откосов при сооружении котлована: а - в песках; б - в супесях; в - в суглинках; г - в глинах

Прежде всего, отличие заключается в меньшем приросте относительных деформаций откоса при уменьшении прочностных свойств. Это указывает на лучшую работу песчаного откоса по восприятию нагрузки от техники на площадке.

Распределение максимальных сдвиговых деформаций в откосах, нагруженных по верхней площадке котлована, при расположении его в песках, супесях, суглинках и глинах, приведено на рис. 3. Эпюры распределения максимальных сдвиговых смещений и величины углов откосов позволяют сделать следующие выводы:

- угол нагруженного откоса при коэффициенте запаса прочности

F = 1,3 по сравнению с ненагруженным откосом уменьшился для откосов котлованов, сооружаемых в песках - на 7 град, для супесей - на 8 град, для суглинков - на 10 град, для глин - на 17 град;

- качественно и количественно изменился характер деформирования откоса котлована: изменилась локализация точек с максимальными сдвиговыми деформациями.

Таким образом, полученные зависимости позволяют установить допустимые величины углов откосов в зависимости от вида вмещающих его грунтов. При заданном коэффициенте запаса устойчивости F = 1,3 углы откосов котлованов, сооружаемых в рассматриваемых грунтах, весьма пологие, что является негативным фактором строительства в городских условиях. С другой стороны, постановка задачи идеализирована и на практике откос не будет однородным, включающим один вид грунта. В этой связи необходимо конкретизировать задачу для определения углов откоса котлована при наличии в разрезе нескольких видов грунтов, соответствующих реальным условиям строительства. На данном этапе исследования можно заключить, что с точки зрения восприятия нагрузки от работающей техники наилучшим вариантом является сооружение котлованов в песчаных грунтах, а с точки зрения экономии рабочего пространства - в глинистых.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Список литературы

1. Гальперин А.М. Геомеханика открытых горных работ: учебник для вузов. М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2003. 473 с.

2. ВСН 136-78 "Инструкция по проектированию вспомогательных сооружений и устройств для строительства мостов". М.: Минтрансстрой ГУЛ ЦПП № 2002.

3. Qianjun Xu, Honglei Yin, Xianfeng Cao, Zhongkui Li. A temperature-driven strength reduction method for slope stability analysis // Mechanics Research Communications. № 36. 2009. P. 224-231.

P.A. Demenkov, A.D. Kuranov

DETERMINA TION OF A DEEP EXCAVATION SLOPE STEEPNESS CONSTRUCTED IN DIFFERENT SOIL CONDITIONS WITH AN ACCOUNT OF SUPPLEMENTARY LOAD

Analysis of deep excavation slope behavior during construction of multifunctional underground complex in different soil conditions with an account of supplementary load is done. Dependence of safety factor on slope deformation and slope steepness are obtained.

Key words: deep excavation, slope, soil, multifunctional underground complex,

FEM.

Получено 20.04.11

УДК 622.23

A.B. Дягилева, канд. техн. наук, доц., (83842) 39-63-19), dvagileva1952@mail.ru.

И.А. Ермакова, д-р техн. наук, проф., (83842) 39-63-19), inna-e@inbox.ru,

B.А. Гоголин, д-р техн. наук, проф.,

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВЫЕМКЕ ПЛАСТОВ С МЯГКИМ ПРОСЛОЕМ

Проведено численное моделирование напряженного состояния горных пород при выемке пластов с мягким прослоем. Получены зависимости параметров распределения опорного давления от глубины разработки, длины выработанного пространства, коэффициента боковогораспора и мощности прослоя.

Ключевые слава: очистная выемка, метод конечных элементов, параметры опорного давления, мягкий прослой пласта.

При очистной выемке угольных пластов актуальной геомеханиче-ской задачей является анализ и прогноз напряженного состояния массива горных пород. Поставленная задача решалась многими учеными с использованием аналитических методов [1-6]. Следует отметить, что область применения аналитических методов ограничена, и не включает в себя решение задач для пластов сложного строения. Целью данной работы являлось установление зависимостей параметров опорного давления от горногеологических и горнотехнических факторов при выемке пластов с мягким прослоем. Для решения поставленной задачи в работе использовался метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программе ELCUT-Professional, версия 5.8 производственного кооператива ТОР.

Рассматривались следующие условия разработки. Глубина разработки H изменялась в пределах от 200 до 600 м, длина половины выработанного пространства L - от 200 до 600 м, коэффициент бокового распора X принимал значения от 0,5 до 1,5. Прослой пласта занимал одно из