Экспериментально-теоретическое исследование колебаний поверхности грунта при движении поездов метрополитена в тоннелях неглубокого заложения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Антонов, Никита Александрович

• Антонов, Никита Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Антонов, Никита Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА КОЛЕБАНИЙ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА, ВЫЗВАННЫХ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ МЕТРОПОЛИТЕНА.

1.1 Состояние вопроса.

1.2 Обзор существующих теоретических методов прогноза колебаний поверхности грунта, вызванных движением поездов метрополитена.

1.3 Обзор существующих эмпирических методов прогноза колебаний поверхности грунта, вызванных движением поездов метрополитена.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-теоретическое исследование колебаний поверхности грунта при движении поездов метрополитена в тоннелях неглубокого заложения»

Актуальность проблемы. В настоящее время практически во всех крупных мегаполисах наиболее актуальными являются проблемы развития транспортной системы и поиска новых участков под застройку. Существующие автомобильные дороги не справляются с ежегодно возрастающим потоком машин, а плотность застройки вдоль магистралей не позволяет их расширять. Поэтому основную роль в транспортировке пассажиров играет метрополитен. На данный момент, существующие линии метрополитена уже чрезвычайно перегружены, поэтому возникает необходимость в резком увеличении их количества.

Практически в каждом крупном городе существуют долгосрочные планы развития сети метрополитена. В Москве планируется пустить в эксплуатацию два новых участка метрополитена: от станции «Парк Победы» в Митино и от станции «Чкаловская» в Марьину Рощу, а также обсуждаются планы создания второй кольцевой линии. В Казани, после пуска в 2005 г. первой линии метрополитена, планируется устройство еще двух линий. В Екатеринбурге также планируется пустить в эксплуатацию новую линию метрополитена. В Минске каждые несколько лет вводятся в эксплуатацию новые перегоны на существующих линиях метрополитена.

Расширение сети метрополитена кроме очевидных преимуществ, имеет также и ряд недостатков, основным из которых является вибрационное воздействие, распространяющееся от тоннелей метрополитена, вызывая в зданиях и сооружениях, расположенных вблизи трасс метрополитена, недопустимые вибрацию и структурный шум. До недавнего времени проблема вибрационной безопасности жителей решалась путем удаления застройки от тоннелей метрополитена. Таким образом, из застройки исключалась полоса шириной 40 м с каждой стороны тоннеля, что приводило к потере до 1 га на каждые 100 м трассы. В современных условиях, ни один крупный город не может позволить себе терять такие площади, особенно когда плотность застройки достигла своего максимума. Для решения данной проблемы как на Западе, так затем и в России возникло целое направление - виброзащита зданий и сооружений от техногенных, в первую очередь, транспортных, воздействий (железнодорожные поезда, поезда метрополитена, автотранспорт и др.). В настоящее время разработано несколько эффективных способов виброзащиты, которые отличаются друг от друга как сложностью исполнения, так и степенью снижения вибрационного воздействия. Решение о необходимости виброзащиты принимается на основе сравнения прогнозируемых уровней вибрации и структурного шума в помещениях возводимого здания с уровнями, приведенными в нормативных документах. В России основным документом, определяющим допустимые уровни вибрации в помещениях жилых и общественных зданий, является СН РФ 2.2.4/2.1.8.566-96 [63]. Кроме того, некоторые регионы вводят свои нормативные документы, регламентирующие допустимые уровни вибрации, так, в Москве такими нормами являются МГСН 2.04-97 [43]. Для получения прогнозируемых уровней вибрации и структурного шума в помещениях здания, как правило, используются данные об уровнях вибрации поверхности фунта на предполагаемой площадке строительства. Очевидно, что непосредственное измерение уровня вибрации возможно только в том случае, когда линия метрополитена является действующей. В том случае, когда линия метрополитена еще только проектируется, определение прогнозируемых уровней вибрации в здании является весьма сложной задачей, основой решения которой служит предварительный расчётный прогноз уровней вибрации поверхности грунта. К счастью, в Москве есть возможность использовать результаты измерений уровней вибрации на участках действующих линий метрополитена, аналогичных проектируемому. Это связано с тем, что число линий достаточно велико, и нахождение аналогичного участка как по типу и глубине заложения тоннеля метрополитена, так и по геологическим условиям на участке строительства не представляет значительных трудностей. Однако, в тех городах, где данные о вибрационной обстановке вблизи линий метрополитена не являются столь полными, как в Москве, проблема прогноза уровней вибрации поверхности грунта при расчетном динамическом воздействии поезда метрополитена на тоннель является ключевой.

Существующие на данный момент аналитические методы определения волнового поля на поверхности грунта являются либо приблизительными, т.е. позволяют оценить вибрационную обстановку качественно, но не количественно, либо требуют от проектировщика обширных знаний в области математики и волновой механики, что существенно затрудняет их применение в проектной практике.

Таким образом, вопрос прогноза уровней вибрации поверхности грунта при расчетном динамическом воздействии поездов метрополитена на тоннель напрямую связан с общегородскими строительными проблемами и весьма актуален.

Целью диссертационной работы является разработка методики прогноза уровней вибрации поверхности грунта, которая, с одной стороны, не требовала бы от проектировщика проведения сложных математических расчетов, а с другой - позволяла бы на основе волновых представлений дать как качественную, так и количественную оценку уровней вибрации поверхности грунта при прохождении поездов метрополитена. Работа содержит экспериментально-теоретические исследования в области разработки инженерного метода прогноза уровня вибрации поверхности грунта при движении поездов метрополитена.

Научная новизна работы.

1) Предложена расчетная модель, позволяющая раздельно рассматривать элементы цепочки «тоннель-грунт», то есть, рассматривать раздельно расчетные модели тоннеля и грунта. Такой подход не только значительно облегчает расчеты, но позволяет попутно и независимо вносить требуемые усложнения либо упрощения в любой из элементов расчетной цепочки.

2) Расчет колебаний тоннельных обделок проводится по полумоментной теории, что позволяет получать более простые (по сравнению с расчетом оболочки по моментной теории) аналитические решения.

3) Для определения колебаний точек на свободной поверхности грунта используются решения в виде поверхностных волн, позволяющие достаточно просто описать процесс отражения цилиндрических волн от свободной поверхности грунта.

Достоверность и обоснованность научных гипотез и полученных результатов определяются корректностью постановки задач, обоснованностью всех этапов расчета и использованием апробированных методов теории колебаний и динамики сооружений. Кроме того, подтверждением достоверности предлагаемых подходов к решению заявленной задачи служит сопоставление теоретических результатов и имеющихся данных экспериментальных исследований.

Практическая значимость. Разработанная в диссертации методика позволяет определять прогнозируемые уровни вибрации поверхности грунта, которые являются исходными данными для прогноза уровней как вибрации, так и структурного шума в зданиях и сооружениях. Получаемый таким способом прогноз позволяет решать вопрос о необходимости устройства виброзащиты для зданий, возводимых в полосах отчуждения метрополитена.

Апробация работы. Результаты работы были доложены:

- на II международном симпозиуме по строительным материалам КНАУФ для СНГ 11 октября 2005 г.;

- на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава института Строительства и Архитектуры Московского Государственного Строительного Университета 19 апреля 2006 г.;

- на заседании кафедры «Строительная механика» Московского Государственного Строительного университета 26 апреля 2006 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в трех печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение и изложена на 168 страницах машинописного текста, включая список литературы из 72 наименований, 40 рисунков, 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Строительная механика», Антонов, Никита Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе рассмотрены вопросы определения колебаний поверхности грунта при прохождении поездов метрополитена в тоннелях неглубокого заложения, на основании которых можно сделать следующие выводы:

1. Расчет частот собственных колебаний бесконечных замкнутых цилиндрических оболочек, моделирующих тоннель метрополитена можно вести как по моментной, так и по полумоментной теориям. При этом расчет по полумоментной теории является менее сложным и, как следствие, более удобным. Однако, в том случае, когда наибольший интерес представляют низшие (< 12 Гц для железобетонных обделок) формы колебаний, полумоментная теория неприменима, т.к. диапазон значений частот собственных колебаний, охватываемый этой теории ограничен снизу.

2. Пренебрежение в расчетах влиянием воздействия окружающего тоннель грунта может приводить к ошибочным результатам. Так, значения наименьших частот собственных колебаний, полученных по моментной теории с учетом и без учета упругого основания, отличаются на порядок. Однако, в случае, когда интерес представляют колебания на более высоких частотах, разница в значениях частот собственных колебаний уменьшается до 1-10 %. Кроме того, амплитуды вынужденных колебаний, полученных по моментной и полумоментной теориям с учетом упругого основания, также отличаются меньше, чем амплитуды, полученные по этим теориям без учета упругого основания.

3. Картина распределения амплитудных значений перемещений поверхности грунта находится в прямой зависимости от того, какая расчетная модель оболочки используется. На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что только в случае расчета тоннельных обделок по моментной теории с учетом упругого основания распределение перемещений на поверхности грунта будет соответствовать реальному.

4. Проведенный эксперимент показал, что предложенная расчетная модель системы «подвижной состав - тоннель - грунт» дает адекватные результаты, хорошо корреспондирующиеся с экспериментальными данными. Таким образом, предложенную модель можно использовать для определения прогнозируемых уровней вибрации поверхности грунта при прохождении поездов метрополитена.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Антонов, Никита Александрович, 2006 год

1. Айталиев Ш.А., Алексеева JI.B., Украинец В.Н. Влияние свободной поверхности на тоннель мелкого заложения при действии подвижных нагрузок // Изв. АН Каз. ССР., серия физ.-мат. Алма-Ата, 1986.-№5.-с. 75-80.

2. Бейтман Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции: Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены. М.: Наука, 1974. - 296 с.

3. Белостоцкий A.M. Моделирование взаимодействия сооружения с основанием и жидкой средой в рамках трехмерного динамического расчета методом конечных элементов. Сб. научных трудов Гидропроекта. - 1987.-Вып. 123.-с. 108-119.

4. Бычков Н.В. и др. Исследование смещений поверхности грунта при колебаниях тоннельной обделки // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тезисы VI всесоюз. конф., Нарва, 1-3 октября 1985 г. Ленинград. - 1985.-е. 111-113.

5. Бычков Н.В. и др. Экспериментальные исследования колебаний тоннельных обделок // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тезисы VI всесоюз. конф., Нарва, 1-3 октября 1985 г. -Ленинград.- 1985.-с. 109-111.

6. Варданян Г.С. и др. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. М.: Изд-во АСВ, 1995. - 568 с.

7. ВСН 211-91. Прогнозирование уровней вибраций в жилых домах, расположенных вблизи линий метрополитена, и проектирование виброзащитных мероприятий. Введ. 01.01.92. - М.:Минтрансстрой, 1992.-38 с.

8. Гольденвейзер A.J1. Теория упругих тонких оболочек. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1953. - 544 с

9. Горшков А.Г. и др. Волны в сплошных средах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 472 с.

10. Горшков А.Г., Пожуев В.И. Пластины и оболочки на инерционном основании при действии подвижных нагрузок. М.:Изд-во МАИ, 1992.-136 с.

11. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика: 9-е изд. С.-Пб.:2004. - 656 с.

12. Дашевский М.А. Дифракция упругих волн на полости, подкрепленной кольцом жесткости // Строительная механика и расчет сооружений. 1967. - №2. - с. 33-36.

13. Дашевский М.А. Защита зданий от вибрации, возбуждаемых движением поездов метрополитена: дисс. . д-ра. техн. наук: 05.23.17 / М.А. Дашевский. М.: 1991. - 456 с.

14. Дашевский М.А. Излучение и отражение упругих волн подкрепленными полостями в сплошной упругой среде при движении пульсирующей нагрузки // Труды ин-та / ЦНИИСК им. Кучеренко. -Исследования по динамике сооружений. М.: ЦНИИСК, 1971. - с.91-115.

15. Дашевский М.А. Излучение упругих волн при движении пульсирующей нагрузки вдоль тоннеля кругового очертания, проложенного в грунте // Труды ин-та / ЦНИИСК им. Кучеренко. -Динамика сооружений.-М.: Стройиздат, 1968.-с. 123-132.

16. Дашевский М.А. Излучение упругих волн при движении пульсирующей нагрузки вдоль тоннеля, проложенного в фунте // Строительная механика и расчет сооружений. 1971. - №5. - с. 10-13.

17. Дашевский М.А. Излучение упругих и упруго-вязких волн при движении произвольной пульсирующей нагрузки вдоль тоннеля кругового очертания, проложенного в грунте // III Всесоюзный съезд по прикладной механике АН СССР: Тезисы докладов. М., 1968. - с.112.

18. Дашевский М.А. Колебания грунта вблизи тоннелей метро мелкого заложения // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тезисы IV Всесоюз. конф. Ташкент, 1977. - т.1. - с. 111— 114.

19. Дашевский М.А. Прогноз динамических воздействий на сооружения, расположенные вблизи трасс метро // Строительная механика и расчет сооружений. 1982. - №4. - с.36-40.

20. Дашевский М.А. Прогнозирование колебаний грунта при движении поездов метро // Труды ин-та / ЦНИИСК им. Кучеренко. -Исследования по динамике сооружений. М.: ЦНИИСК, 1985. - с.33-51.

21. Дашевский М.А. Распространение волн при колебаниях тоннелей метро // Строительная механика и расчет сооружений. 1974. - №6. - с. 29-34.

22. Дашевский М.А., Кремер B.C., Кузьмин А.В. Колебания поверхности грунта при движении поездов метрополитена // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тезисы VI всесоюз. конф., Нарва, 1-3 октября 1985 г. Ленинград. - 1985.-е. 115-118.

23. Дорман И.Я. Борьба с вибрацией и шумом, создаваемыми поездами метрополитена: обзор зарубежного опыта. М: Оргтрансстрой, 1973. - 30 с.

24. Заборов В.И., Рабинович М.С. О колебаниях тоннельной обделки в грунте // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тезисы VI Всесоюз. конф., Нарва, 1-3 октября 1985 г. Ленинград. -1985.-с. 123-126.

25. Заборов В.И., Рабинович М.С. О колебаниях цилиндрической оболочки в твердой среде // Докл. АН БССР. Минск, 1985. - т. 29, №11. -с. 987-990.

26. Золотов А.Б., Акимов П.А., Сидоров В.Н. Полуаналитические подходы в строительной механике // Юбилейный сборник докладов, посвященный 100-летию со дня рождения В.З. Власова и 85-летию кафедры «Строительная механика». М.: МГСУ, 2006. - с. 69-78.

27. Ильичев В.А. Расчет параметров колебаний грунта и зданий, вызванных движением поездов метрополитена // Динамический расчет сооружений на специальные воздействия: Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1981.-е. 136-143.

28. Ильичев В.А., Поляков B.C. К вопросу о расчете уровня вибраций в грунте от воздействия метропоездов в тоннелях мелкого заложения // Труды ин-та / НИИОСП. 1983. - Вып. 80, с. 33-42.

29. Ильичев В.А., Уколов В.Н., Шехтер О.Я. Распространение колебаний внутри полупространства от гармонической нагрузки, приложенной к его поверхности // Труды ин-та / НИИОСП. 1976. -Вып. 67, с. 27-42.

30. Ильичев В.А., Шехтер О.Я. Определение динамических напряжений и перемещений в упругой полуплоскости от внутреннего источника, имитирующего воздействие тоннеля метрополитена мелкого заложения // Труды ин-та / НИИОСП. 1976. - Вып. 67, с. 42-64.

31. Колкунов Н.В. Основы расчета упругих оболочек. 3-ье изд. -М.: Высшая школа, 1987. - 256 с.

32. Коренев Б.Г. Некоторые задачи теории упругости и теплопроводности, решаемые в Бесселевых функциях. М.: Физматгиз, 1960.-458 с.

33. Костарев С.А. Анализ вибраций, генерируемых линиями метрополитена, и разработка мероприятий по их снижению: дисс. . д-ра техн. наук: 01.02.06. М., 2004.- 270 с.

34. Костарев С.А., Махортых С.А. Модовая структура акустического поля, возбуждаемого колебаниями цилиндрической оболочки в сплошной среде // Техническая акустика. 1996. -№12. - с. 1-153

35. Костарев С.А., Махортых С.А. О контроле экологической обстановки вблизи излучающих звуковые волны упругих цилиндрических оболочек // Контроль и диагностика. 2001. - №1. -с.20-25.

36. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. М.: Физматгиз, 1962.-767 с.

37. Курбацкий Е.Н. Использование теоремы взаимности для оценки уровней вибрации поверхности упругого полупространства от точечного источника, расположенного внутри полупространства // Вестник МИИТа. М.:МИИТ, 2004 - Вып. 11.-е. 93-104.

38. Курнавин С.А. Колебания обделок тоннелей метрополитенов и окружающего грунтового массива: автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.23.17.-М., 1985.- 19 с.

39. Махортых С.А., Рыбак С.А. О модуляции нормальной звуковой волны в адиабатическом приближении // Акустический журнал. 1988. -т.34.-№5.-с.898.

40. МГСН 2.04-97. Допустимые уровни шума, вибрации и требования к звукоизоляции в жилых и общественных зданиях. Введ. 06.05.97.-М.:ГУП«НИАЦ», 1997.- 19 с.

41. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы математической физики. М.: Изд-во иностран. лит-ры, 1960. - 2 т.

42. Новожилов В.В. Теория упругости. J1.: Судпромгиз, 1958. - 366 с.

43. Огибалов П.М., Колтунов М.А. Оболочки и пластины. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1969. - 695 с.

44. Партон В.З., Перлин П.И. Методы математической теории упругости.-М.:Наука, 1981.-688 с.

45. Пожуев В.И. Движущиеся пульсирующие нагрузки в цилиндрической оболочке в упругой среде // Устойчивость и прочность элементов конструкций: сб. науч. тр. / ДГУ. Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1975.-с. 187-197.

46. Пожуев В.И. Действие подвижной нагрузки на цилиндрическую оболочку в упругой среде // Строительная механика и расчет сооружений. 1978. - №1. - с. 44-48.

47. Пожуев В.И. Действие подвижной скручивающей нагрузки на цилиндрическую оболочку в упругой среде // Строительная механика и расчет сооружений. 1984.-№6.-с. 58-61.

48. Пожуев В.И. Колебания трехслойной цилиндрической оболочки в упругой среде при действии подвижной нагрузки // Сопротивление материалов и теория сооружений. Киев, 1979. - Вып. 35. - с. 42-47.

49. Пожуев В.И. Реакция системы «цилиндрическая оболочка -упругая среда» на действие подвижной нагрузки // Строительная механика и расчет сооружений. 1981. -№6. - с. 61-64.

50. Пожуев В.И. Реакция цилиндрической оболочки, находящейся в трансверсально-изотропной среде, на действие подвижной нагрузки // Прикладная механика. 1980.-т.16.-№11.-е. 28-35.

51. Пожуев В.И., Львовский В.М. Пространственная задача о вынужденных колебаниях цилиндрической оболочки в упругой среде // Динамика и прочность машин. Харьков, 1976. - Вып. 23 - с.39-44.

52. Пожуев В.И., Львовский В.М. Реакция цилиндрической оболочки в упругой среде на действие подвижной нагрузки // Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1976.-№2-с.61-66.

53. Поляков B.C. Колебания поверхности грунта вблизи тоннеля мелкого заложения // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Материалы V всесоюз. конф., Ташкент, 8-10 декабря 1981 г. Москва. - 1981. - с. 298-300.

54. Поляков B.C., Грановский А.Н. Влияние параметров рельсового основания пути метрополитенов на уровень колебания обделки тоннелей // Строительная механика и расчет сооружений. 1984. -№1. - с. 58-61.

55. Прочность, устойчивость, колебания: в 3 т. / под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968. - Т.1. - 831 с.

56. Сагомонян А .Я. Волны напряжения в сплошных средах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985. - 416 с.

57. Скучик Е. Основы акустики: пер. с англ.. М.:Мир, 1976. - 2 т.

58. Слепян Л.И. Нестационарные упругие волны. Л.: Судостроение, 1972.-376 с.

59. СН РФ 2.2.4/2.1.8.566-96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. Введ. 31.10.96. - М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 1997. - 30 с.

60. СП 23-105-2004. Оценка вибрации при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена. Введ. 09.03.04.- М.: ФГУП ЦПП, 2004. 43 с.

61. Титов Е.Ю. Разработка методов оценки и способов снижения уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс: автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.23.17. -М., 2006.-24 с.

62. Украинец В.Н. Воздействие подвижной нагрузки в тоннеле на многослойную обделку и окружающий массив: автореф. дисс. . канд. физ.-мат. наук: 01.02.04. Алма-Ата, 1986. - 22 с.

63. Шум на транспорте: пер. с англ. К.Г. Бомштейна / под ред. В.Е. Тольского, Г.В. Бутакова, Б.К. Мельникова. М.: Транспорт. - 368 с.

64. Chua К.Н., Balendra Т., Lo K.W. Ground borne vibrations due to trains in tunnels // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1992.- Vol.21. No. 5. - pp. 445-460.

65. Cloteau D., Elhabre M.L., Aubiy D. Periodic BEM and FEM-BEM coupling: application to seismic behavior of very long structures // Computational Mechanics. 2000. - Vol. 25. - pp. 567-577.

66. Gardien W., Stuit H.G. Modelling of soil vibrations from railway tunnels // J. of Sound and Vibration. 2003. - Vol. 267. - pp.605-619.

67. Jones C.J.C., Thompson D.J., Petyt M. A model for ground vibration from railway tunnels // Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Transport. 2002. - Vol. 153. - pp. 121 -129.

68. Ruecker W., Said S. Einwirkung von U-Bahnerschueterrungen auf Gebaeude: Anregung, Ausbreitung und Abshirmung // in Workshop Wave'94, Wave propagation and Reduction of Vibrations, N. Chouw and G. Schmid. Bochum. - 1994. - pp. 59-78.