Гранично-элементный подход к расчету напорных гидротехнических туннелей без обделки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Боев, Юрий Анатольевич

• Боев, Юрий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Боев, Юрий Анатольевич

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Общие сведения о гидротехнических туннелях и параметрах их проектирования

1.2. Нагрузки и воздействия на напорные гидротехнические туннели без обделки

1.3. Методы расчета туннелей без обделки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гранично-элементный подход к расчету напорных гидротехнических туннелей без обделки»

Актуальность проблемы. Подземные гидротехнические сооружения широко распространены и являются одними из самых сложных и трудоемких типов сооружений, входящих в состав гидроузлов, мелиоративных систем и систем водоснабжения.

Высокая ответственность конструкций гидротехнических сооружений предъявляет к ним повышенные требования в части достоверности расчетов прочности и безопасности согласно требованиям Закона РФ «О безопасности гидротехнических сооружений».

Конструктивно гидротехнические туннели могут возводиться с обделкой * или без нее, при проходке в слаботрещиноватых скальных неразмываемых грунтах. Применение туннелей без обделки позволяет на 20 - 30 % снизить стоимость и на 10-15% сократить сроки их строительства.

В существующих нормах отсутствуют конкретные указания по глубине заложения и расчету напорных гидротехнических туннелей без обделки, а также по выбору рациональной формы поперечного сечения в зависимости от коэффициента крепости грунта, как это сделано для безнапорных туннелей.

Среди наиболее употребительных численных методов, применяемых при расчете гидротехнических туннелей, следует отметить метод конечных элементов (МКЭ). Не менее перспективным является метод граничных элементов (МГЭ), который не нашел пока широкого применения в расчетах гидротехнических туннелей.

Важными достоинствами МГЭ является значительное ускорение времени решения задач, а также упрощение подготовки исходных данных по сравнению с МКЭ, что особенно актуально для расчета туннелей со сложной формой поперечного сечения и значительной глубиной заложения.

В настоящее время отсутствуют исследования напряженного состояния напорных гидротехнических туннелей методом граничных элементов.

Целью работы является разработка практических рекомендаций по выбору наиболее рациональной формы поперечного сечения напорных гидротехнических туннелей без обделки и определению предельной глубины их заложения.

Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследований:

1. Разработка и научное обоснование методики граничноэлементного расчета и программы на ЭВМ, учитывающих различные факторы, встречающиеся при проектировании напорных гидротехнических туннелей без обдел

4 ки: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, глубину заложения, вид нагрузок и воздействий (собственный вес грунта, внутреннее давление воды в туннеле, сейсмическое воздействие).

2. Проведение параметрического анализа зависимости напряженного состояния вблизи напорных гидротехнических туннелей без обделки от вышеперечисленных факторов.

3. Разработка практических рекомендаций по выбору рациональных форм поперечных сечений напорных гидротехнических туннелей без обделки и предельных глубин их заложения в зависимости от нагрузок и воздействий, а также - типа грунта.

Научная новизна:

- разработана методика расчета, основанная на методе граничных элементов в форме фиктивных нагрузок по определению статического и квазистатического напряженного состояния вблизи напорных гидротехнических туннелей без обделки, учитывающая различные факторы, встречающиеся при проектировании: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, Ш глубину заложения, вид нагрузок и воздействий;

- проведен параметрический анализ зависимости напряженного состояния вблизи напорных гидротехнических туннелей без обделки от вышеперечисленных факторов; разработаны практические рекомендации по выбору рациональных форм поперечных сечений напорных гидротехнических туннелей без обделки и предельных глубин их заложения в зависимости от типа грунта, нагрузок и воздействий.

Практическая ценность работы. Разработанная методика расчета дает возможность достаточно надежно и научно-обоснованно определять статическое и квазистатическое напряженное состояние вблизи напорных гидро-% технических туннелей без обделки.

Составленная на ее основе программа для ЭВМ проста в эксплуатации и учитывает разнообразные факторы, встречающиеся при проектировании напорных гидротехнических туннелей без обделки: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, глубину заложения, вид нагрузок и воздействий для сейсмически неактивных и активных районов.

Определены предельные глубины заложения напорных гидротехнических туннелей без обделки. * Реализация работы. Разработанная методика, программа и таблицы могут быть внедрены в практику проектирования и эксплуатации подземных ГТС, а результаты диссертации - в учебный курс «Гидротехнические сооружения».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях МГУП и кафедре теории сооружений и строительной механики.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы четыре печат-4' ные работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (83 наименования, 13 на

Заключение диссертации по теме «Строительная механика», Боев, Юрий Анатольевич

Заключение

1. Напорные туннели допускается проектировать без обделки при проходке в слаботрещиноватых скальных неразмываемых грунтах, что позволяет на 20 - 30 % снизить стоимость и на 10 - 15 % сократить сроки их строительства.

2. В существующих нормах отсутствуют конкретные указания по глубине заложения и расчету напорных гидротехнических туннелей без обделки, а также по выбору формы поперечного сечения в зависимости от коэффициента крепости грунта, как это сделано для безнапорных туннелей.

3. В настоящее время отсутствуют исследования напряженного состояния напорных гидротехнических туннелей методом граничных элементов, хотя его использование, например в форме фиктивных нагрузок, хорошо приспособлено для решения задач такого рода. Метод фиктивных нагрузок позволяет решать задачи на больших областях, что особенно актуально для расчета туннелей со сложной формой поперечного сечения и значительной глубиной заложения с большим числом элементов разбивки окружающего грунта. Кроме того, он основан на аналитических решениях и потому точнее метода конечных элементов, а также значительно упрощает подготовку исходных данных.

4. На основе метода фиктивных нагрузок нами разработана и научно обоснована методика численного расчета напряженного состояния вблизи выработок напорных гидротехнических туннелей без обделки. Эта методика легла в основу удобной для применения вычислительной программы для расчета на персональных ЭВМ напряженного состояния напорных гидротехнических туннелей без обделки (решена первая задача исследований). Программа учитывает различные факторы, встречающиеся при проектировании напорных гидротехнических туннелей без обделки: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, глубину заложения, а также различный вид нагрузок и воздействий (собственный вес грунта и воды в туннеле, внутренний напор воды, сейсмическое воздействие продольной и поперечной волн, сейсмическое давление воды в туннеле).

5. С помощью разработанной нами программы метода граничных элементов в форме фиктивных нагрузок был произведен расчет напорного гидротехнического туннеля без обделки на следующие единичные и реальные нагрузки и воздействия, а также их сочетания для сейсмически неактивного и активного районов: собственный вес грунта и воды в туннеле, внутренний напор воды, сейсмическое воздействие продольной и поперечной волн, сейсмическое давление воды в туннеле с учетом формы и размеров поперечного сечения, типа скального грунта, а также балльности.

6. Проведенный нами параметрический анализ результатов расчета на отдельные виды нагрузок и воздействий (решена вторая задача исследований) впервые показал, что наиболее рациональными формами поперечного сечения напорного гидротехнического туннеля без обделки являются (решена третья задача исследований):

- при нагрузке от собственного веса грунта - коробовая, при соотношении размеров сечения h/b =1,5 (величина максимального растягивающего тангенциального напряжения <т+тах — 1,463 МПа), а наименее рациональным — прямоугольная при h/b =1,0 (<т+тах = 1,785 МПа);

- от собственного веса воды в туннеле - круговая (о-+тах = 0,015 - 0,045 МПа), а наименее рациональным - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (а тах = 0,044 - 0,132 МПа);

- при внутреннем напоре воды - круговая (о+тах = 1,0 - 2,0 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (о"+ОТЛХ = 2,864 - 5,740 МПа);

- при сейсмическом воздействии продольной волны - коробовая при h/b = 1,5 (а+тах = 0,164 - 0,656 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная и корытообразная при h/b =1,0 (cr+,nai = 0,198 - 0,800 МПа);

- при сейсмическом воздействии поперечной волны - круговая (a+max = 0,368 - 1,470 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная при h/b = 1,0 и корытообразная при h/b =1,5 (а+тах = 0,662 - 2,647 МПа);

- при сейсмическом давлении воды - круговая (<т+тах = 0,025 - 0,100 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (a max = 0,072 - 0,287 МПа).

7. Проведенный нами параметрический анализ на сочетание нагрузок и воздействий (решена вторая задача исследований) показал, что наиболее рациональными формами поперечного сечения напорного гидротехнического туннеля без обделки является (решена третья задача исследований);

- для сейсмически неактивного района при сочетании нагрузок от собственного веса грунта и воды в туннеле, а также внутреннего напора - коробовая при h/b = 1,0 (jj+max = 1,900 - 2,204 МПа), а наименее рациональными -прямоугольная и корытообразная при h/b =1,5 (er+ma* = 2,796 - 4,582 МПа). При этом влиянием собственного веса воды в туннеле по сравнению с другими нагрузками и воздействиями можно пренебречь;

- для сейсмически активного района - коробовая при h/b =1,0 (o+max = 3,973 - 4,313 МПа), а наименее рациональным - корытообразная при h/b = 1,5 (р-*пшх = 5,612 - 7,229 МПа). При этом, поскольку значения максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру туннеля без обделки при сейсмическом воздействии поперечной волны в 2 - 3 раза больше, чем при продольной, распространяющейся с большей (в 1,5-2 раза) скоростью, то в расчетное сочетание включалось только воздействие поперечной волны.

8. Исходя из условия прочности по величине максимального растягивающего тангенциального напряжения по контуру гидротехнического напорного туннеля без обделки, были определены предельные глубины его заложения (решена третья задача исследований). А именно, в сейсмически неактивном районе такой туннель может иметь в скальных грунтах в зависимости от их крепости мелкое, среднее и глубокое заложение (до 680 м). В случае превышения расчетной предельной глубины заложения необходимо устройство обделки.

9. В сейсмически активном районе напорный гидротехнический туннель без обделки может иметь в скальных грунтах в зависимости от их крепости мелкое и среднее заложение (до 564 м). Для глубокого заложения такого туннеля и в случае превышения расчетной предельной глубины необходимо устройство обделки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Боев, Юрий Анатольевич, 2005 год

1. Амензаде Ю.А. Теория упругости. М.: Высшая школа, 1976. - 271с.

2. Бартон Н. Проектирование подземных сооружений в скальных породах с использованием Q-системы и программы UDEC- ВВ / Энергетическое строительство, № 8, 1992.

3. Бате К., Вилсон С. Численные методы анализа и метод конечных элементов- М.: Стройиздат, 1982. 446 с.

4. Бенерджи П., Бартерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984. - 494 с.

5. Бикинеев М.Г., Сергеев В.К. Особенности проектирования подземных сооружений / Гидротехническое строительство № 1, 1998. — С. 20-25.

6. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра 1994.

7. Бурбзла Н.Л. Статический расчет гидротехнических туннелей. М: Гос-тройиздат 1961.

8. Вайнштейн A.M. Строительные туннели: гидравлические условия работы. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

9. Васкес Рамирес А.А. Численное моделирование напряженного состояния вблизи подземных выработок гидротехнических сооружений методом фиктивных нагрузок: Дисс.канд. техн. наук-М., 2002. 131 с.

10. Ю.Волков В.П. Тоннели. М.: Транспорт, 1970.

11. П.Гибшман М.Е. и др. Мосты и сооружения на дорогах, часть 2. — М.; Транспорт, 1972. 404 с.

12. Гидротехнические сооружения / под ред. Н.П. Розанова. М.: Агропромиздат, 1985.-431 с.

13. Гидротехнические сооружения / под ред. Г.М. Каганова. Т.2, М.: Энергоатомиздат, 1994. 464 с.

14. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1977. - 439 с.

15. Городецкий А.С., Заворицкий В.И., Лантух-Лященко А.И., Рассказов А.О. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений. -М.: Транспорт, 1981. 143 с.

16. Гольденблат И.И. и др. Проектирование сейсмостойких гидротехнических, транспортных и специальных сооружений. М.: Стройиздат, 1971.

17. Каганов Г.М., Есбатыров Д.Ж. Применение метода граничных элементов для расчета гидротехнических сооружений. Сб. науч. Трудов МГМИ, 1989. -С. 93-99.

18. Каганов Г.М. и др. Методические указания по проектированию обделок гидротехнических туннелей. М, 1997. - С. 4-5.

19. Крауч С., Старфилд Т. Методы граничных элементов в механике твердого тела. М.: Мир, 1987. - 328 с.

20. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническом сооружениям / под ред. B.C. Лапшенкова. М.: Агропромиздат 1989. - 448 с.

21. Ляв А. Математическая теория упругости. М.: ОНТИ, 1935.

22. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1980. -534 с.

23. Михлин С.Г. Приложения интегральных уравнений к некоторым проблемам механики, математической физики и техники. -М.-Л.: Гостехиздат, 1947.

24. Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения. М.: Недра, 1974. - 320 с.

25. Мостков В.М. Об исследованиях подземных гидротехнических сооружений / Гидротехническое строительство, № 8, 1999. С. 37-43.

26. Мостков В.М. Оптимальные решения при строительстве гидротехнических туннелей / Энергетическое строительство, № 8, 1969. С. 38-39.

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

28. Напетваридзе Ш.Г. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений. М.: Госстройиздат, 1959. 216 с.

29. Новожилов В. В. Теория упругости. М.: Судпромгиз, 1958.

30. Орехов В.Г., Зерцалов М.Г. Механика разрушений инженерных сооружений и горных пород. М.: АСВ, 1999. - 330 с.

31. Партон В.З., Перлин М.И. Интегральные уравнения теории упругости. М.: Наука, 1977.-311 с.

32. Подземные гидротехнические сооружения / под ред. Мосткова В.М. М: Высшая школа, 1986. - 464 с.

33. Рассказов JI.H., Орехов В.Г., Правдивей Ю.П., Воробьев Г.А., Малаханов В.В., Глазов А.И. Гидротехнические сооружения, часть 2. М.: Стройиздат, 1996.

34. Рашидов Т.Р., Дорман Я.И., Ишанходжоев А.А., Афендиков JI.C. Сейсмостойкость тоннельных конструкций метрополитенов. М.: Транспорт, 1975.

35. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. -712с.

36. Розанов Н.П. Гидротехнические сооружения: Учебное пособие для высш, с-х. учеб. завед. по спец. «Гидромелиорация». М.: Агропромиздат, 1985. -432 с.

37. Розин J1. А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. -М., 1977.- 132 с.

38. Рубин О.Д. Научное обоснование путей повышения безопасности гидротехнических сооружений: Автореф. дис. докт. техн. наук. М.: 2002. - 68 с.

39. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей / Гидропроект. М.: Стройиздат, 1982. - 287 с.

40. Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. Киев: Наукова думка, 1965.

41. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. -392 с.

42. Седов А.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1976, Т.2. - 573 с.

43. Сеймов В.М., Островерх Б.Н. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений. Киев: Наукова Думка, 1983. - 318 с.

44. Смирнова Н.Г. Исследования напряженного состояния вблизи трещин массивных бетонных гидротехнических сооружений методом граничных элементов: Дисс.канд. техн. наук. М., 2002. - 125 с.

45. Смирнова Н.Г. Влияние фильтрационного давления на напряженное состояние трещин массивных бетонных гидротехнических сооружений на напряженное состояние по ее контуру: сб. Материалов научно-технич. конф. МГУП. М.: МГУП, 2002, С. 123-124.

46. СниП II-7-81. Строительство в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1982.

47. СниП 2.06.09-84. Туннели гидротехнические. М.: Госстрой СССР, 1985.

48. Стренг Г., Фикс Д. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. -349 с.

49. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. - 576 с.

50. Усачева А.А. Анализ напряженного состояния вблизи полостей и раковин бетонных гидротехнических сооружений методом граничных элементов: Дисс.канд. техн. наук М., 2003. - 130 с.

51. Фотиева Н. Н. Определение напряжений на контуре незакрепленной выработки с учетом сейсмических воздействий. Гидротехническое строительство, 1976, №1.-С. 24-27.

52. Фотиева Н. Н. Определение напряженного состояния в окрестности незакрепленных горных выработок и расчет обделок тоннелей при сейсмическихвоздействиях. В кн.: Сейсмостойкость транспортных сооружений. - М.: Наука, 1980.-С. 58-66.

53. Фролов М.И. Статические и динамические воздействия на подземные одиночные и многониточные трубы: Дисс.докт. техн. наук М., 1991. - 316 с.

54. Фролов М.И., Васкес Рамирес А.А. Расчет подземных сооружений сложной формы (МКЭ) / Сб. материалов научно-технической конф. МГУП. М.: МГУП, 2000. - С. 94.

55. Фролов М.И., Васкес Рамирес А.А. Анализ численных методов и их преимуществ (МГЭ) / Сб. материалов научно-технической конф. МГУП М.: МГУП, 2001.-С. 109-110.

56. Фролов М.И., Васкес Рамирес А.А. Исследование работы подземных ГТС методом граничных элементов / Сб. материалов научно технической конф. МГУП. М.: МГУП, 2001. - С. 108-109.

57. Фролов М.И., Васкес Рамирес А.А. Влияние формы поперечного сечения выработки гидротехнических тоннелей на напряженное состояние по их контуру / Сб. материалов научно-технической конф. МГУП. М.: МГУП, 2002.-С. 115-116.

58. Фролов М.И., Смирнова Н.Г. Исследование напряженного состояния вблизи трещин железобетонных конструкций ГТС методом граничных элементов / Сб. материалов научно-технической конф. МГУП. М.: МГУП, 2001. - С. 110-111.

59. Фролов .М.И., Усачева А.А. Влияние дефектных полостей на напряженное состояние в бетоне гидротехнических сооружений / Сб. материалов научно-технической конф. МГУП. М.: МГУП, 2001. - С. 100-101.

60. Фролов М.И., Усачева А.А. Анализ напряженного состояния каверн и полостей различных форм в массивных бетонных ГТС методом граничных элементов / Сб. материалов научно-технической конф. МГУП. М.: МГУП, 2002.-С. 117.

61. Фролов М.И., Боев Ю.А., Васкес Рамирес А.А, Смирнова Н.Г., Усачева А.А., Фролов О.М. Применение метода граничных элементов для прочностного расчета массивных гидротехнических сооружений / Сб. науч. трудов МГУП. М.: МГУП, 2004.

62. Хечумов Р.А., Кепплер X., Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. М.: АСВ, 1994.бб.Часовитина П.А. Справочник строителя транспортных тоннелей. М.: Транспорт, 1965.-С. 60-61, 178, 191.

63. Чече А.А. Метод решения задач статики упругих стержней, находящихся в упругой и упруго-пластической средах, и применение его к расчету подземных трубопроводов. Мн.: Изд-во. Госстроя БССР, 1973. - 83 с.

64. Шейченко С.Н. Надежность подземных гидротехнических сооружений при сейсмических воздействиях: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: 1987. -19 с.

65. Шульман С.Г. Расчеты сейсмостойкости гидросооружений с учетом влияния водной среды. М.: Энергия, 1976. - 336 с.

66. Юфин С.А., Харт Р.Д., Кюдалл П.А. Сравнительный анализ современных методов решения задач геомеханики / Энергетическое строительство № 7, 1992.

67. Bennerjee Р.К., Butterfield R. Boundary element method in geomechanics. -London: Wiley, 1977.

68. Bennerjee P.K., Butterfield R. Boundary element method in engeneering science. -London: McGraw-Hill, 1981.

69. Brebbia C.A., Walker C. Boundary elemeny techniques in engineering. London: Butterworth, 1980.

70. Boundary integral equation methods: computational applications in applied mechanics. Ed. By T.A. Cruse, F.J. Rizzo. NY, 1975.

71. Bromblich J.L. Elastic-plastic analysis of the stresses near fastener holes. AIAA 11-th aerospace sciences meeting. - Washington, 1973, Jan., p. 10-16.

72. Clough R.W. The finite element method in plane stress analysis. Proc. 2-nd ASCE conf. electronic computation, 1960, sept., p. 41-46.

73. Desai C.S. Numerical method in geotechnical engineering. London: McGraw-Hill, 1978.

74. Fugeman I.C.D., Myers A.G., Lafford., Johh M. The channel tunnel: development of design construction methods for the kingdom undersea crossover. International symposium "Tunneling 91", London, 14 18 April 1991.

75. Kay J.N., Aust M.I., Krizek R.J. Adaptation of elastic theory to the design of the circular conduits. Civ. Eng. Trans., 1970, april, p. 152-160.

76. Rizzo F.J. An integral equation approach to boundary value of classical elastostatics. Quart. Appl. Math., 1967, 25, p. 83 95.

77. Szechy. Tunnelbau. Wein-NY: Springer, 1969.