Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч
.1.pdf
Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…
В руководстве [7], область применения которого ограничивается коммуникационными, транспортными и пешеходными тоннелями на территориях промышленных предприятий, возводимых открытым способом, в п. 5.21 приводится методика расчета требуемого расстояния между швами.
Критерием необходимости устройства температурно-усадочного деформационного шва является выполнение условия:
σb Rbt ; |
(1) |
где σb – максимальные температурно-усадочные напряжения в бетоне тоннеля при отсутствии швов; Rbt – предел прочности бетона при осевом растяжении.
Величина σb определяется по формуле:
b |
( bt t y ) Eb ; |
(2) |
|
cb |
|
где αbt – коэффициент линейной температурной деформации бетона; |
t – |
|
расчетное изменение средних температур конструкций тоннеля в холодное время года; εy – относительные усадочные деформации бетона; Eb – начальные модуль деформации бетона; cb – коэффициент, учитывающий влияние ползучести бетона (принимается 1.5 при средней относительной влажности воздуха выше 40 %).
При не выполнении критерия (1) температурно-усадочные швы в тоннеле не требуются, если критерий выполняется, то расстояния между швами неармированных тоннелей, а также расстояние между рабочими швами бетонирования монолитных конструкций определяется по формуле:
L |
2 Rbt Ab ; |
(3) |
|
r ft |
|
где Ab – площадь бетонной части сечения тоннеля; r – давление грунта на днище тоннеля от постоянных расчетных нагрузок на погонный метр, кН/м; ft – максимальный коэффициент трения бетона по грунту, принимаемый по табл. 14, [7].
Среди зарубежных нормативных документов следует отметить [8], где
вп. 7.2.1.1 говорится о том, что, как правило, температурно-усадочные швы
вглубинных частях тоннеля не требуются вследствие незначительного сезонного перепада температур, однако, их наличие обосновывается ограничениями при производстве непрерывного бетонирования конструкций тоннеля.
Таким образом, на сегодняшний день в РФ расстояние между темпера- турно-усадочными швами тоннелей должно определяться расчетом, при этом
внормативах отсутствуют требования к расчету; максимальное расстояние между швами ограничено: 20 м – для монолитного бетона и 40 м – для армированного железобетона.
Вданной работе предлагается простая замкнутая аналитическая модель, позволяющая расчетным путем обосновывать требуемое расстояние между температурными швами в тоннеле исходя из простых инженерных
261
Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение
предположений, рассматривающих дополнительные температурные напряжения, вызванные стесненной деформацией конструкции тоннеля.
Описание предлагаемой расчетной модели. Температурное воздей-
ствие на конструкцию тоннеля создает в нем температурное поле, которое можно представить в виде суммы двух составляющих: средней температуры t, равномерно распределенной по сечению, создающей общее удлинение/укорочение элемента и температуры изменяющейся по толщине конструкции, приводящей к изгибу элемента (рис. 1).
Рис. 1. Деформации стержня вызванные его нагревом
Пренебрежем вызывающей изгиб составляющей и будем полагать, что температурное воздействие приводит только к общему удлинению/укорочению элемента.
Аппроксимируем конструкцию тоннеля стержнем соответствующей жесткости c соответствующей площадью боковой поверхности и внешним периметром.
При температурном воздействии на стержень его первоначальная длина изменится, при этом если деформирование стержня ничем не сдерживается, то внутренние сечения элемента будут свободны от температурных напряжений (рис. 2, а); температурные напряжения возникнут в случае стесненной деформации (рис. 2, б и в).
Рис. 2. Температурные напряжения σtmp в зависимости от условий закрепления стержня:
а– свободное деформирование; б и в – стесненное деформирование, жесткая заделка
иупругая связь соответственно
Работа грунта по боковой поверхности тоннеля моделируется посредством упругой связи жесткостью ksoil, определяемой по формуле:
ksoil |
|
Fd |
; |
(3) |
|
||||
|
|
S |
|
|
где Fd – осевая сила, воспринимаемая боковой поверхностью тоннеля за счет трения о грунт; S –перемещение конструкции тоннеля вызываемое силой Fd.
262
Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…
Определим величину температурных напряжений σtmp в тоннеле в соответствии с принятой расчетной схемой. Используя метод сечений, рассмотрим равновесие отсеченной части стержня (рис. 3).
Положительному изменению температуры dT = T2 – T1 > 0 (нагреву) соответствуют сжимающие температурные напряжения σtmp < 0 в стержне,
охлаждению (dT < 0) – растягивающие, σtmp > 0 (см. рис. 2, в).
Прочность бетона при осевом растяжении значительно (порядка 10 раз) меньше прочности при осевом сжатии, потому охлаждение конструкции dT < 0 является наиболее опасным с точки зрения обеспечения прочности.
Рис. 3. Рассмотрение равновесия отсеченной части стержня:
1 – концевая точка стержня, 1’ – положение точки 1 при свободном деформировании, 1’’ – положение точки 1 с учетом упругой связи
При свободной температурной деформации концевая точка стержня (.)1 перемещается в (.) 1’ на величину lt, которая может быть определена как lt = α· T·l0, однако свободной деформации препятствует упругая связь жесткостью ksoi, потому точка (.) 1 займет промежуточное положение (.) 1’’, фактически переместившись на расстояние х, создав усилие в пружине рав-
ное ksoil·x. С другой стороны, чтобы занять положение (.) 1’’ из (.) 1’ необходимо приложить усилие к пружине, равное ksoil·( lt – х), приравняв усилия
в пружине и стержне, получим уравнение, откуда представляется возможным найти значение х:
ksoil x ksoil ( lt x); |
|
(4) |
Температурные напряжения в стержне с учетом (4) определяются по |
||
формуле: |
|
|
tmp - 0.5 ksoil T l0 |
; |
(5) |
A |
|
|
где ksoil – жесткость упругой связи, моделирующей трение грунта по боковой поверхности тоннеля, определяется по формуле (3); α – коэффициент линейной температурной деформации бетона; T – расчетный перепад температур; A – площадь поперечного сечения тоннеля; l0 – первоначальная длина стержня.
Критерием необходимости температурного шва в тоннеле заданной длины l0 при охлаждении на T, является выполнение условия:
tmp Rbt ; |
(6) |
где σt – температурные напряжения, вычисленные по формуле (5); Rbt – предел прочности бетона на осевое растяжение.
263
Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение
Максимальное расстояние между температурными швами L (рис. 4), как следует из соображений симметрии относительно серединного сечения расчетной схемы, равно удвоенной длине l0 и может быть выражено из (5):
L |
4 Rbt A |
; |
(9) |
|
ksoil T |
||||
|
|
|
Рис. 4. К определению расчетного расстояния между температурными швами, L
Расчет необходимо выполнять для двух этапов: строительства и эксплуатации.
Для этапа строительства характерно то, что бетон тоннеля не набрал свою расчетную прочность на осевое растяжение Rbt, величина фактической прочности в первую очередь зависит от срока твердения. При отсутствии данных зависимости Rbt(t), прочность бетона в момент времени t можно принимать по линейной интерполяции, где в начальный момент времени t = 0
и Rbt(0) = 0, в момент времени t = 28 cут., R(28) = Rbt.
На этапе эксплуатации принимается, что бетон достиг расчетного предела прочности на осевое растяжение.
Как видно из формулы (5), температурные напряжения σtmp являются функцией от перепада температур T и половины расстояния между швами l0, тем самым условие (6) может быть представлено в графическом виде (рис. 7).
Пример расчета. В качестве примера выполнен расчет требуемого расстояния между температурными швами L тоннеля прямоугольного сечения 6 12 м, толщина обделки 0.5 м, глубина заложения от поверхности 5 м, расположенного в тугопластичных суглинках E = 10МПа, для различных перепадов температур dT.
Результаты расчетов приведены в табл. 2 и на рис. 5.
264
Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…
Таблица 2
«Расстояние между температурными швами тоннеля»
dT |
Lстр, t = 9 сут. |
Lэксп |
|
град |
|
м |
м |
- 5 … -10 |
50 |
… 30 |
330 … 190 |
-10 … -15 |
30 |
… 20 |
190 … 160 |
-15 … -20 |
20 … 5 |
160 … 120 |
|
-20 … -25 |
5 |
… 1 |
120 … 100 |
-25 …-30 |
1 |
… 0 |
100…90 |
Рис. 5. а – результаты расчета стадия экс- |
Рис. 5. б – результаты расчета стадия |
плуатации |
строительства |
Выводы
Предложена простая аналитическая модель силового сопротивления конструкций тоннеля вынужденным перемещениям, вызванным температурным воздействием, позволяющая обосновывать требуемое расстояние между температурными швами.
Достоверность получаемых результатов должна быть проверена сопоставлением с натурными данными.
По результатам расчетного примера можно заключить:
требуемое расстояние между температурными швами на стадии эксплуатации значительно больше, чем на стадии строительства, что объясняется набором прочности бетона;
если обеспечить отсутствие охлаждения конструкций более чем на dT = –5 °C на стадии строительства, то можно обосновать расстояние между температурными швами превышающее максимальное, регламентируемое Нормами [6];
265
Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение
в подземной части тоннеля перепад температур незначителен, поскольку среднегодовая температура грунта практически постоянна, потому количество температурных швов может быть уменьшено значительно;
Для распространения результатов расчетного примера на другие тоннели необходимо произвести параметрический анализ модели, варьируя исходные параметры в используемых на практике диапазонах.
Литература
1.СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М.: Минрегион России, 2012. – 154 с.
2.СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. – М.: Госстрой России, 2003. – 71 с.
3.Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. – М.: ОАО ЦНИИПромзданий, 2005. – 214 с.
4.СНиП 2.03-01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. – М.: Госстрой
СССР, 1989. – 73 с.
5.Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01–84). – М.: ЦНИИпромзданий Госстроя СССР, 1989. – 189 с.
6.СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные.
7.Руководство по проектированию коммуникационных тоннелей и каналов. – М.: ЦНИИпромзданий, 1979. – 58 с.
8.ACI 224.3R-95 (Reapproved 2001). Joints in Concrete Construction.
УДК 539.3
Т.Р. Рашидов, Е.В. Ан (ИМиСС АН РУз, г. Ташкент)
ИЗУЧЕННОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЯХ
Сделан своеобразный подход к изученности НДС подземных сооружений систем жизнеобеспечения узбекской школой. В основе этой теории лежат основополагающие идеи академика АН РУз М.Т. Уразбаева и членакорреспондента РФ А.А. Ильюшина. Дальнейшее развитие этих идей нашло свое воплощение в трудах их соратников, учеников и последователей (академик АН РУз Т.Р. Рашидов, проф. А.А. Ишанходжаев, проф. Г.Х. Хожметов, проф. Я.М. Мубораков). Строительство различных уникальных объектов в Узбекистане базируется на результатах этой теории, в частности, метрополитен Ташкента и подземные трубопроводы различного назначения, на что имеется ряд авторских свидетельств и проектных решений. В этой связи нами детально анализируются материалы отечественных и зарубежных исследователей, связанных с исследованием систем жизнеобеспечения типа под-
266
Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…
земных газо-, водо-, нефтепроводов и др., с целью дополнить разработанную теорию новыми данными и оценить ее результативность.
Анализ работ последних лет [1 – 4] показывает, что в последнее время стали уделять особое внимание проблемам оценки сейсмического риска и заблаговременного снижения ущербов при возможных землетрясениях в системах жизнеобеспечения, так как из всех стихийных бедствий землетрясения причиняют наиболее крупные материальные и социальные потери. Это выражается в повреждениях и разрушениях коммуникационных и инженерных сетей, временном прекращении производственного цикла, что приводит к ухудшению жилищно-бытовых условий, а в последствии к росту миграции населения из районов бедствия.
В последнее время [1–4] уделяют особое внимание отдельным частям системы трубопроводов, находящихся в зонах разлома, обвалах и водонасыщенных грунтах, где происходят сильные движения грунта. Такой вид деформации может значительно повредить жизненно важные линии, такие как нефте-, водо-, газопровод и канализации. Значительные деформации в подземном трубопроводе создают большие натяжения, которые могут вызвать прогибы, трещины и разрушения. Важно учесть для подземных трубопроводов, пересекающих активные разломы, что линейность относительных смещений между трубопроводом и окружающим грунтом нарушается. В этом случае, эффект нелинейности грунта исследуется по аналогии геометрической и физической нелинейности.
При сильных землетрясениях подземные сети жизнеобеспечения получают множество разрушений, и часть сети отключается, что приводит к большим экономическим потерям. Поэтому необходимо изучать работоспособность сетей до и после землетрясения. Степень повреждения трубопроводов во время землетрясения зависит от целого ряда факторов: интенсивности сейсмического воздействия, геологических и гидрогеологических условий, экплуатационно-технологических нагрузок и воздействий, конструкции трубопровода, характеристикматериала труб, сроков их эксплуатации.
Американскими исследователями [1] предлагаются альтернативные предложения, позволяющие обеспечить непрерывную работу системы водоснабжения при полученных трещинах и разрушениях в трубопроводах при землетрясении, в которых обращено внимание на стоимость, конструктивность, сейсмическую надежность, удобство в эксплуатации и надежность, экологические разрушения. Эти альтернативные предложения направлены на обеспечение высокого уровня жизнеспособности и удобства. А также рекомендован ряд предложений по мере уменьшения сейсмического риска системы водоснабжения в больших городах. Соответствующая процедура должна иметь следующие особенности:
учет всех важных факторов относительно компонентов системы, включая сейсмические;
267
Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение
сопротивление различным сейсмическим уровням опасности;
функциональность целой системы, ремонтопригодность компонента и т. д.;
применение мер уменьшения сейсмического риска для больших городов является очень дорогостоящим и необходимы новейшие технологии;
не всегда доступно во всех странах применение этих мер, из-за технологий и экономического положения;
минимизация затрат с течением времени.
Однако многочисленные подземные трубопроводы географически широко распределены, а местоположение повреждений часто скрыто. Весьма редко производится полное вскрытие траншей для обследования протяженных участков трубопровода. К трубам, которые были разрушены или имели очень сильную утечку и которые могут быть обнаружены быстро, к ним можно применить изоляционные меры. Но большинство труб с небольшими или умеренными повреждениями очень трудно обнаружить и восстановить, что сказывается на работе систем жизнеобеспечения после землетрясения, которые работают с утечками транспортируемого по трубопроводу продукта. Главная цель состоит в том, чтобы гарантировать эффективную работу сооружений при и после землетрясения. Для достижения цели должна быть готовность на трех уровнях: перед землетрясением, после него и в период реконструкции. Перед землетрясением делается грубая оценка от типа возможных повреждений, их величина. Важно, чтобы был сделан сейсмический анализ работоспособности сетей. Оценка систем трубопровода против будущих землетрясений важна для строительства сейсмостойких инфраструктур. Непрерывное обслуживание систем трубопроводов или быстрое восстановление их функциональных возможностей после землетрясения является очень важным и критическим фактором для городских обществ.
Рассмотрим некоторые примеры последствий разрушительных землетрясений.
Землетрясение Chi-Chi ударило по центральной части Тайваня 21 сентября 1999 г., магнитудой 7.3, которое вызвало обширные оползни. Рассматривались последствия движения грунта при землетрясении Chi-Chi – оползни, характеристики оползня и изменение предела осадков после землетрясения Chi-Chi. Отмечается, что землетрясение вызвало небольшое смещение фундаментов.
Заслуживают внимания описания повреждений при землетрясениях
Nihonkai-Chubu 1983 г., Kushiro-oki 1993 г. и Niigata-ken Chuetsu 2004 г. На-
блюдались большие подъемы канализационных труб и колодцев, расположенных в основном в глинистых грунтах, которые подняты в связи с разжижением. Всего повреждено 152.1 км труб и 1453 колодца, включая подъем канализационных труб и колодцев, максимальная высота поднятых колодцев составила примерно 1.3 м (рис. 1, 2, 4). Основные виды повреждений трубо-
268
Раздел 2. Проектирование и строительство оснований и фундаментов с применением…
проводов: поднятия, отклонения, изгибы (повороты) и разрушение узлов. Эти повреждения больше носят качественное, чем количественное описание повреждений.
Обнаружены повреждения на четырех магистральных линиях, в некоторых секциях наблюдалось выпучивание под действием сил сжатия, вызванных землетрясением. А также обнаружены отрывы и разъединения колодцев и канализационных труб при землетрясении Kushiro-oki (рис. 3, 5).
Подъем люков препятствует не только течению сточных вод, а также дорожному движению. Особенно высокий подъем люков от поверхности дороги блокирует движение машин скорой помощи сразу же после землетрясения. В г. Nagaoka в 2004 г. при землетрясении Niigataken-chuetsu автомобиль столкнулся с плавающим люком и разбился.
Рис. 1. Поднятый колодец |
Рис. 2. Поднятый колодец |
Рис. 3. Разрыв и разъединение |
в г. Onbetsu при земле- |
в г. Kushiro |
колодца и канализационной |
трясении Tokachioki |
|
трубы при землетрясении |
2003 г. |
|
Kushiro-oki 1993 г. |
Рис. 4. Внимательный осмотр поднятого |
Рис. 5. Деформация сточных трубопроводов |
колодца в раскопанной траншее |
при землетрясении Kushiro-oki 1993 г. |
Основные разрушения трубопроводов произошли в районе, сложенном мягкими намывными грунтами, а также были сосредоточены в местах, где плотные грунты холмистой части города сменялись мягкими, слагающими территорию равнинной части. Плотные грунты более благоприятны для труб, чем мягкие. Низкая аварийность малозаглубленных (до h = 1.5 м) трубопро-
269
Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение
водов объясняется их слабым защемлением в грунте, иначе говоря, неполной передачей грунтом сейсмических воздействий трубопроводу. При глубине h = 2.4 м (на такой глубине проложено большинство трубопроводов) трубопровод, при сейсмическом воздействии, активнее включается в работу. Дальнейшее снижение аварийности, по видимому объясняется меньшей просадочностью грунтов при вертикально направленных сейсмических воздействиях.
Глубина заложения, требуемая для обеспечения сейсмостойкости, связана с диаметром трубы и часто с увеличением диаметра трудно получить требуемый эффект без дальнейшего увеличения глубины заложения. Из анализа повреждений канализационных труб при землетрясении в Канто выявлено, что степень повреждения существенно снижается, если глубина заложения будет более 3 метров, что связано с повышением обжатиятруб грунтом.
Во время землетрясения в районе Ниагата в 1964 г. отмечались значительные деформации в толще грунтового массива. На поверхности земли образовались трещины, и наблюдалось разжижение грунтов. Наблюдалось большое число повреждений на трубопроводах, расположенных параллельно направлению расположения сейсмических волн в виде значительных деформаций в местах тройниковых соединений, углов поворота и отводов.
Японскими специалистами проводились исследования сетей трубопроводов, которые состоят из деформируемых труб, например Г- и Т – образные трубы. Сделаны следующие выводы [1]:
1.С увеличением отношения D/t (D – диаметр, t – толщина стенки) напряжение S быстро увеличивается. Сопротивляемость трубы вертикальному движению грунта пропорциональна толщине стенки трубы с тем же самым диаметром.
2.Чем больше пересекшийся угол, тем сильнее реакция трубы при нормальном движении. Но чтобы избежать действия обратного движения, необходимо сделать угол, равным 90 градусов в максимально возможной
степени для улучшения сейсмической стойкости при проектировании
истроительстве трубопровода.
3.Сейсмическая реакция подземного трубопровода увеличивается
сувеличением смещения почвы. Чем больше глубина, тем меньше сопротивляемость. Небольшая заливка бетоном может повысить сопротивляемость трубы.
Всвязи с вышеизложенными повреждениями существенное значение приобретают эмпирические и экспериментальные исследования по анализу фактических данных о поведении подземных трубопроводов при сейсмических воздействиях и модельные лабораторные экспериментальные исследования на виброплатформе и центрифуге в разжиженных грунтах и песках,
сиспользованием современных приборов и компьютерной техники [1, 2, 4].
270