Исследование напряженно-деформированного состояния подземных сооружений при динамических воздействиях

Задачи, связанные с оценкой и защитой от воздействий землетрясений на наземные и подземные сооружения, а так же оценка и защита сооружений от техногенных вибраций, создаваемых наземным и подземным транспортом, могут описываться аналогичными механико-математическими моделями, отличающимися только параметрами, поэтому в представляемой к защите работе рассматриваются одновременно две эти проблемы.

Существует большое количество сооружений, расположенных в сейсмоактивных районах, а так же зданий и сооружений, находящиеся в непосредственной близости от линий метро мелкого заложения и железнодорожных трасс, которые необходимо защищать от вибраций природного и техногенного происхождения.

С развитием многих городов увеличивается потребность в транспортной инфраструктуре. Поскольку свободное наземное пространство в городских условиях становится ограниченными, наиболее эффективным средствами в обеспечении инфраструктуры становятся подземные сооружения. Одновременно ведется интенсивное строительство зданий и сооружений вблизи линий метрополитенов и железнодорожных трасс. Колебания, возникающие при движении транспорта, передаются через грунт на фундаменты зданий, вызывая в некоторых случаях недопустимо высокие вибрации элементов конструкций и технологического оборудования и дискомфортные условия проживания.

Подземные сооружения являются неотъемлемой частью инфраструктуры современного общества и используются для широкого спектра применения. Сооружения, построенные в районах, с повышенной сейсмической активностью должны выдерживать и сейсмические нагрузки.

Анализ повреждений конструкций, вызванных землетрясениями и оценка уровней вибраций, возникающих при движении транспорта, которые передаются через грунт на фундаменты зданий, являются важной задачей современной науки.

Опыт показывает, подземные сооружения в меньшей мере разрушаются при землетрясениях, чем наземные. Тем не менее, следует отметить, что некоторые подземные сооружения были существенно повреждены при воздействии последнихкрупных землетрясений: в 1995 году Кобе (в Японии) — 1999 году Тайване (Chi-Chi, Taiwan) — 1999 году в Турции (Kocaeli province, Turkey).

Воздействия землетрясений многогранны: землетрясения вызывают разрушения и гибель людей, пожары, цунами и оползни. Во все времена люди пытались предотвратить разрушения, вызванные землетрясениями, создавая в основном опытным путём сейсмостойкие сооружения. Для принятия правильных и обоснованных решений в этой области необходим достаточно высокий уровень развития науки и техники. Сильные землетрясения прошлого столетия оказали существенное влияние на развитие сейсмологии и сейсмостойкого строительства.

Перечислим некоторые катастрофические землетрясения, которые про изошли за последние 10 лет:

Год Землетрясение Общее число погибших магнитуда.

2001 Gujarat earthquake, India 19 727 7,6.

2003 Bam earthquake, Iran 26 271 5,7.

2004 Indonesian earthquake 230 000+ 9,3.

2005 Kashmir, Pakistan 79 000 7,6.

2008 Sichuan earthquake, China 68 712(18 392 missing) 7,9.

2010 Haiti earthquake 230 000 7,0.

2011, March 11 Japan (Tohoku region) -10 000 9,0.

2011, March 24 Myanmar (Tarchilate) -150 6,8.

В диссертации приводится краткая информация о текущем состоянии методов оценки воздействий землетрясений на подземные сооружения и методов оценки вибраций, создаваемых подземным и наземным транспортом на ближайшие здания и фундаменты. Описываются инженерные подходы, используемые для количественной оценки сейсмического воздействия на подземные сооружения.

В общем случае сейсмические нагрузки на подземные сооружения, характеризуются и определяются деформациями и напряжениями, возникающими при взаимодействии сооружения с окружающим массивом грунта.

Самый простой подход при оценке взаимодействия подземного сооружения и окружающего массива — это использовать параметры колебаний «свободного поля» при распространении сейсмических волн. В этом случае определяются деформации грунта во время землетрясении при отсутствии подземного сооружения, и подземное сооружение проектируется таким образом, чтобы выдержать эти деформации. Такой подход является удовлетворительным, при низких уровнях сейсмических воздействий или подземное пространство является жесткой средой (скальные грунты).

В общем случае необходимо учитывать более сложный характер взаимодействия сейсмических волн с подземными сооружениями, который учитывает и отражённые и рассеянные волны.

Актуальность проблемы. Сильные землетрясения, произошедшие, в последние годы, показали, что при землетрясениях разрушаются и подземные и наземные сооружения. Поэтому разработка методов оценки и защиты от сейсмических воздействий фундаментов наземных сооружений и подземных конструкций является актуальной проблемой в настоящее время.

Колебания, возникающие при движении транспорта, вызывают в некоторых случаях недопустимо высокие вибрации поверхности земли, сооружений и дискомфортные ощущения у жителей, проживающих в зданиях, расположенных трасс. С развитием инфраструктуры городов, воздействие вибраций техногенного характера представляет собой задачи, которые приходится решать неоднократно.

Вибрации передаются от источника колебаний на. здания через грунт, который редко бывает однородным. Поэтому разработка методов, позволяющих определять и оценить уровни вибраций поверхности грунтового массива и фундаментов зданий, с учётом неоднородного (слоистого) характер грунта и любые очертания контуров тоннельных обделок, является актуальной задачей.

Цель и задачи работы:

• выполнить анализ существующих методов оценки колебаний и определения напряжений и перемещений в подземных сооружениях и фундаментах наземных сооружений при землетрясениях;

• разработать методику оценки уровней вибрации фундаментов наземных сооружений, создаваемых поездами подземного транспорта;

• разработать методику для оценки уровней колебаний поверхности грунта при разработке породы в тоннелях щитовыми комплексами и при буровзрывных работах;

• разработать методику оценки напряженно-деформированного состояния подземных сооружений и фундаментов наземных сооружений при землетрясении.

В работе представлены результаты экспериментально-теоретических исследований, а так же примеры практического использования полученных результатов.

Научная новизна характеризуется следующими результатами: 1) предложен метод построения конечных элементов с использованием интегральных преобразований для балок с переменной изгибной жесткостью и с переменным коэффициентом постели;

2) разработаны методики оценки уровней вибраций, создаваемые различными источниками вибраций (поездами метро и поездами наземных железнодорожных трасс);

3) разработаны методики определения изменений напряжений и перемещений в тоннельной обделке и фундаментах наземных сооружений при распространении сейсмических волн;

4) решена задача оценки взрывных воздействий на напряжено-деформированного состояния существующих тоннелей при проведении буровзрывных работ вблизи этих тоннелей;

5) выполнено сравнение теоретических результатов взрывных воздействий на напряжено-деформированное состояние существующих тоннелей с экспериментальными данными;

6) разработаны конечные элементы для решения динамических задач теории упругости и ряд прикладных компьютерных программ с использованием этих элементов;

7) решена задача по оценке воздействия волн Рэлея на станции метро мелкого заложения.

Достоверность и обоснованность. При разработке моделей используются известные положения теории упругости и теории распространения волн. При разработке численных методов решения динамических задач используется интегральное преобразование Фурье финитных функций.

Для оценки достоверности полученных результатов решения, полученные с использованием, свойств преобразования Фурье финитных функций, сравниваются с известными аналитическими решениями (действии гармонических силы в бесконечном пространстве и бесконечном полупространстве).

Выполнено сравнение результатов, полученных по разработанной методики, с результатами, полученными с помощью известного программного комплекса КА8Т1ШГ.

Выполнено сравнение теоретических результатов оценки взрывных воздействий на напряжено-деформированного состояния существующих тоннелей с экспериментальными данными.

Обоснованность исследований гарантируется корректностью постановки задач, использованием апробированных методов теории колебаний, динамики сооружений и математического моделирования.

Достоверность исследований подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных в данной работе, с теоретическими и экспериментальными данными других авторов и полученных с использованием других программных комплексов.

Для выполнения прикладных задач разработаны 8 основных программ и 243 подпрограммы в системе МаЙаЬ-а.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные результаты можно использовать при оценке воздействия землетрясений на подземные сооружения и фундаменты наземных сооружений.

Другое важное приложение работы может найти при оценке уровней вибраций поверхности земли" и фундаментов, создаваемых различными источниками колебаний, которые возникают при строительстве и эксплуатации тоннелей.

Результаты работы предполагается использовать при проектировании и строительстве первой линии метро в городе «Нейпьидо».

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались:

1. на юбилейной X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2009 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ);

2. на УП международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Trans-Mech-Art-Chem», 18−19 мая, 2010 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ);

3. на IV международной научно-практической конференции «Модернизация регионов России: инвестиции в инновации», 15 октября, 2010 г, в Астраханском инженерно-строительном институте. Публикации: по материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

1. Сан Лин Тун. Использование интегральных преобразований для построения конечных элементов, «Trans-Mech-Art-Chem», — М.: МИИТ, ISBN 978−5-7876−0129−9,2010. — 424с.

2. Курбацкий E.H., Аунг Mo Хейн., Сан Лин Тун. Распространение волн в упругой среде от точечных источников, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». — № 1/27(589) 2010. — С. 40−46.

3. Аунг Мо Хейн., Сан Лин Тун. Оценка колебаний поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». — № 2/28(5—) 2010. — С. 30−35.

4. Курбацкий E.H., Купчикова Н. В., Сан Ли Тун. Методика расчёта свай с поверхностными и концевыми уширениями с кусочно-постоянными параметрами, основанная на свойствах изображений Фурье финитных функций на горизонтальное статическое и гармоническое воздействия, «Астраханский инженерно-строительный институт», 15 октября, 2010 г. — С.3−9.

5. Курбацкий E.H., Сан Лин Тун. Метод построения конечных элементов теории упругости, основанный на свойствах изображений Фурье финитных функций, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». — Февраля 2010 г.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Предложен метод решения динамических задач, основанный на свойствах изображений Фурье финитных функций для балок, свай и элементов упругой среды.

2. Разработан метод для построения конечных элементов с использованием интегральных преобразований.

3. Разработан программный комплекс, в котором используется разработанный автором произвольный четырехгранный конечный элемент теории упругости для решения статических и динамических задач.

4. Разработанный программный комплекс использован для прогноза уровней вибраций поверхности грунта при воздействии поездов метрополитена.

5. Контрольные результаты расчётов, полученные с использованием разработанной методики, хорошо согласуется с результатами, полученными с использованием пакета программ ЫАЗТКАК.

6. Выполнены расчёты для оценки напряженно-деформированного состояния существующего вентиляционного тоннеля при проведении буровзрывных работ вблизи тоннеля.

7. Выполнено сравнение теоретических результатов с результатами замеров взрывных воздействий на тоннельную обделку, которое показало хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

8. Выполнены расчёта напряженно-деформированного состояния трехпро-летной станции метро мелкого заложения при воздействии землетрясений, с учётом распространения поверхностных волн Рэлея.

9. Разработана методика оценки техногенных воздействий на окружающую среду при щитовой проходке тоннелей.

10. Полученные результаты можно использовать для оценки динамических воздействий на окружающую среду при строительстве и эксплуатации транспортных сооружений, а также для оценки напряженно-деформированного состояния подземных сооружений и фундаментов наземных сооружений при землетрясениях и взрывных воздействиях.

Заключение

.

Анализ результатов расчётов показал, что напряжения и перемещения в сечениях тоннельной обделки, расположенных в гравелисто-песчаных грунтах с учётом дополнительных воздействий от землетрясения будут удовлетворять условиям прочности. В твёрдых и полутвердых глинах, некоторые элементы конструкции не будут удовлетворять условиям прочности, возможно образование трещин в бетоне.