Лабораторная работа №1
Нагрузки, действующие на тоннельные обделки
Исходные данные:
Ширина выработки В1 =1,5м+0,2*№ варианта, м;
Высота выработки H =1,7м+0,3*№ варианта, м;
Глубина расположения выработки H1 =100м+10м*№ варианта, м;
Угол внутреннего трения φ =38°;
Коэффициент крепости пород f =5+0,5*№ варианта;
Удельный вес пород γ =1,5+0,1*№ варианта, т/м3.
Задание
1. Начертить по исходным данным подземное сооружение. В работе принята прямоугольно – сводчатая форма поперечного сечения.
2. Рассчитать нормативные вертикальные и горизонтальные нагрузки.
3. Построить свод естественного равновесия, показать нагрузки на обделку подземного сооружения.
Нормативные документы
1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых" (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 декабря 2013 г. N 599).
При прямоугольно – сводчатой форме высота выработки в свету складывается из высоты стенки от уровня балластного слоя и из высоты свода (рис. 1).
|
|
Рисунок 1 – Прямоугольно – сводчатая форма поперечного сечения
Высоту выработки вчерне Н определяют как высоту в свету плюс толщина крепи в своде при монолитной бетонной крепи или плюс 50 мм при: набрызгбетонной, анкерной (штанговой) и комбинированной крепях. Высота стенки от уровня головки рельса до пяты свода h1 при транспортировании электровозами определяется в зависимости от высоты электровоза. Высота выработок при транспортировании контактными электровозами должна удовлетворять условиям, при которых обеспечиваются минимальные зазоры между электровозом (вагонеткой) и крепью, а также между токоприемником и крепью.
Высота вертикальной стенки от уровня трапа до пяты свода h2 = H- ho, мм. Высоту сводаh0 принимают в зависимости от коэффициента крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова.
Для набрызгбетонной и анкерной крепи и в выработках без крепи при f < 12, ho = В/3, а при f >12, ho = В /4 (hб=300 мм)
Кривая трехцентрового (коробового) свода образуется тремя дугами: осевой R и двумя боковыми r. Радиусы свода в зависимости от его высоты приведены ниже.
Высота свода ho В/ 3 В/4
Радиус осевой дуги R 0,6925 0,9055
Радиус боковой дуги r 0,2625 0,1735
Площадь сечения выработки в черне при высоте свода h0 = В/ 3:
SCB = B1*(h2 + 0,26* B1), м2,
при h0 = B/4:
SCB = B1*(h2 + 0,175* B1), м2.
Нагрузки действующие на тоннельные обделки, определяют в зависимости от глубины заложения и размеров выработки, климатических, инженерно-геологических и сейсмических условий строительства, конструкции обделки, способа производства работ, а также от вида транспортных средств.
|
|
Все виды нагрузок делят на: постоянные, оказывающие на обделку регулярное воздействие; временные, характеризующиеся периодическим длительным или кратковременным воздействием и особые, возникающие в результате каких-либо аварийных ситуации.
К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкции, вертикальное и горизонтальное горное давление, внешнее гидростатическое давление.
Временные нагрузки включают в себя воздействия колебаний температуры, ползучести и усадки бетона, морозного пучения породы, а также нагрузки производственного и эксплуатационного характера: давление раствора при нагнетании за обделку, вес оборудования и материалов, нагрузки от движения наемного и внутритоннельного транспорта и ряд других воздействий.
В качестве особых нагрузок и воздействии принимают сейсмические и ударные воздействия, а также различные нагрузки аварийного характера.
Все нагрузки могут действовать одновременно или в разные моменты времени в различных сочетаниях. Поэтому при статических расчетах выявляют наиболее неблагоприятные сочетания, при действии которых в обделке возникают наибольшие внутренние усилия.
В работе расчет обделки допускается производить только на основные сочетания нагрузок, состоящих из постоянных нагрузок и воздействий.
При глубоком заложении тоннелей в устойчивых породах нормативное горное давление определяют в соответствии с гипотезой проф. М.М. Протодьяконова, по которой вертикальное горное давление на обделку создается весом породы, заключенной в пространстве, ограниченном сверху контуром свода давления, а по бокам – плоскостями обрушения (рис 2).
Рисунок 2 – Схема к расчету горного давления по гипотезе проф. М.М. Протодьяконова
Величину пролета и свода давления (обрушения) определяют по формулам:
(1)
(2)
где L –пролет свода давления, м; B – ширина выработки, м; h - высота выработки, м; φ – угол внутреннего трения породы, град; - высота свода давления, м; f – коэффициент крепости породы.
Для практических расчетов вертикальное горное давление принимают равномерно распределенным по пролету, а горизонтальное горное давление - по высоте выработки и определяют по формулам
Вертикальное горное давление:
(3)
Горизонтальное горное давление:
(4)
где - нормативное вертикальное горное давление, т/м2; - нормативное горизонтальное горное давление, т/м2, γ – удельный вес породы, т/м3.
Нагрузку от давления воды определяют по законам гидростатики в зависимости от уровня подземных вод над обделкой тоннеля. Если ниже горизонта воды залегает водонепроницаемая порода (песок, супесь), то нормативную величину горного давления принимают в виде совместного действия гидростатического напора и давления пород во взвешенном состоянии.
Следует иметь в виду, что гидростатическое давление улучшает статическую работу обделки, вызывая сжимающие усилия и уменьшая изгибающие моменты от горного давления. В связи с возможным уменьшением гидростатического давления во времени возникает опасность переоценки несущей способности рассчитываемой обделки. Поэтому гидростатическое давление следует учитывать только при гарантированном расположении уровня подземных вод выше подошвы тоннеля и при соблюдении условий водонепроницаемости обделки.
Нормативную нагрузку от собственного веса конструкции вычисляют по проектным размерам и удельному весу материалов обделок тоннелей.
Одной из особенностей расчета тоннельных обделок является учет упругого отпора окружающих обделку пород, возникающего в результате деформации обделки под действием вертикальных нагрузок. Упругий отпор учитывают при сооружении тоннелей в породах, способных оказывать сопротивление деформациям конструкции. При этом упругий отпор определяют только на той части контура обделки, которая под действием нагрузок может перемещаться в сторону породы. В слабых, рыхлых и неустойчивых породах (примерно при f<1,5), не оказывающих существенного сопротивления деформациям обделки, упругий отпор не учитывают, а в расчет вводят горизонтальное давление породы.
|
|
Все рассмотренные нагрузки являются нормативными. При расчете тоннельных обделок по предельным состоянием надлежит использовать расчетные нагрузки, величины которых получают путем умножения нормативных значений на соответствующие коэффициенты надежности по нагрузке
, т/м2 (5)
где P- расчетная вертикальная нагрузка на обделку тоннеля, т/м2; Pн – максимальная нормативная нагрузка по формулам 3,4; - коэф. надежности по нагрузке (принимается 1,25); - коэффициент для главных вскрывающих выработок равен 1,1, для остальных – 1; - коэффициент условий проведения выработок, при БВР равен 1.