У ЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО PLAXIS

8 Осадка основания при строительстве туннеля (урок 6)

Программа PLAXIS позволяет рассчитывать туннели круглого и некруглого сечения и моделировать процессы их строительства. В настоящей главе рассматривается вопрос строительства щитового туннеля в грунтах средней прочности. Строительство щитового туннеля осуществляется путем выемки грунта проходческим комбайном и устройства за ним обделки туннеля. При этом грунт, как правило, удаляется с запасом, а это значит, что площадь поперечного сечения туннеля при законченной обделке туннеля, всегда меньше площади вынутого грунта. Хотя принимаются меры, чтобы заполнить этот зазор, нельзя избежать перераспределения напряжений и деформации грунта в ходе строительства туннеля. С целью избежания повреждений существующих зданий и фундаментов на поверхности земли, необходимо прогнозировать эти эффекты и принять соответствующие меры. Такой анализ может быть выполнен с использованием метода конечных элементов. В настоящем уроке приводится пример подобного анализа.

Рис.8.1. Геометрия туннеля с указанием слоев грунта.

Туннель, рассматриваемый в данном уроке, имеет диаметр 5.0 м и расположен на глубине 20 м. Разрез грунтового основания свидетельствуют о наличии четырех различных слоев. Верхний слой мощностью 13 м состоит из пластичной глины, жесткость которой увеличивается линейно с глубиной. Под слоем глины залегает слой мелкозернистого песка мощностью 2.0 м. Этот слой использован как несущий слой для старых деревянных свай, на которых традиционно возводились дома. Смещения этих свай могут вызывать повреждение обычных сооружений, что крайне нежелательно. Ниже песчаного слоя залегает глубинный слой суглинков мощностью 5.0 м.

Это один из слоев, в котором сооружается туннель. Другая часть туннеля сооружается в глубинном песчаном слое, который состоит из плотного песка с включениями гравия. Этот слой очень жесткий, поэтому только 5.0 м этого слоя включены в конечно-элементную модель; более глубокая часть рассматривается как абсолютно жесткая и моделируется соответствующими граничными условиями. Распределение порового давления гидростатическое. Уровень грунтовых вод расположен на 3 м ниже поверхности земли (на отметке у=0 м). Поскольку ситуация более или менее симметрична, в модели плоской деформации учитывалась только одна половина (правая). От центра туннеля модель простирается на 30 м в горизонтальном направлении. В данном примере применяются 15-узловые элементы.

8.1. Геометрия

Основная геометрия, включая четыре слоя грунта, как показано на рис. 8.1 (но без туннеля), может создаваться с использованием варианта геометрической линии. Поскольку поверхность земли находится на отметке 3.0 м над контрольным уровнем, параметр Top принимается на отметке + 3.0 м в General settings (Общие параметры настройки), а Bottom (Дно) на отметке –22.0 м. Для создания туннеля мы будем использовать проектировщика туннеля, который является специальным инструментом в программе PLAXIS, позволяющим применять круглые сегменты для моделирования геометрии туннеля. При этом туннель рассматривается как правая половина круглого туннеля, состоящая из четырех секций. После создания основной геометрии для проектирования круглого туннеля выполняются следующие операции:

Щелкнуть по кнопке Tunnel на панели инструментов. Появляется окно с тремя опциями для создания формы туннеля. Выбрать опцию Half a tunnel – Right half (Половина туннеля – Правая половина) и нажать кнопку ОК.

• Появляется проектировщик туннеля, показывающий форму (половину) туннеля по умолчанию, состоящую из трех секций, из которых выбирается нижняя (секция 1). Справа в окне представлены некоторые геометрические значения.

• Оставьте тип туннеля (Type of tunnel) по умолчанию Bored tunnel (щитовой туннель). Убедитесь, что выбрана нижняя секция туннеля (в противном случае выберите ее, щелкнув мышью по нижней секции).

• Значения в таблице представляют собой характеристики первой секции туннеля. Для круглого туннеля значеня радиуса может быть введено здесь. Введите радиус 2.5.м. Результат этой операции виден непосредственно на чертеже.

• Значение ниже радиуса - это угол, под которым расположена секция. Введите угол 90 градусов (максимальный угол для одной секции).

• Локальная х- и y- координаты первой точки центра дуги всегда расположены в начале координат (x=0; у=0) для круглого туннеля.

• Выберите опции Shell (Обделка туннеля) и Interface (Интерфейс).

• Переходите к следующей секции (2), нажав правую стрелку внизу окна. И как вариант, вы можете щелкнуть по верхней секции туннеля.

• Введите угол 90 градусов. Необязательно вводить радиус второго сегмента туннеля, так как это значение автоматически заимствуется от первого сегмента в случае круглого туннеля.

• Выбрать для секции 2 опции Shell и Interface.

Рис. 8.2. Проектировщик туннеля с моделью правой половины туннеля

Совет: > >

Обделка туннеля и интерфейс могут определяться непосредственно по всем секциям туннеля, щелкнув по соответствующим кнопкам в верхнем поле окна туннеля. Обделка туннеля состоит из арочных плит. Свойства обделки могут уточняться в базе данных по материалам плит. Аналогично, интерфейс туннеля тоже арочный. В рассматриваемом здесь туннеле секции не имеют особого значения, поскольку обделка туннеля однородная, а строительство туннеля будет выполняться одним заходом. Вообще, секции приобретают значение, если: Требуется выемка грунта или строительство туннеля (обделки) на разных стадиях. Обделка разных секций обладает различными свойствами. Учитываются шарнирные соединения в обделке (шарниры могут предусматриваться после конструирования туннеля на общем чертежном поле). Форма туннеля образована из арок с различными радиусами (например, туннели в скальном грунте).

• В Shape group есть два параметра. Параметр Symmetric tunnel (Симметричный туннель) всегда выбирается для целого туннеля. Параметр Circular tunnel (Тоннель круглого очертания) автоматически выбирается для Щитовых туннелей.

• Теперь проектирование туннеля окончательно завершено. Нажмите кнопку OK, чтобы закрыть проектировщика туннеля.

• Вернитесь на чертежное поле; туннель должен быть включен в геометрическую модель. Это делается введением общего положения начала локальных осей туннеля. Щелкните на существующей точке в месте (0.0; -17.0) (5,0 м над нижней границей геометрической модели). Будет начерчен туннель с центром в этой точке.

Деревянные сваи под сооружением – несущие сваи. Только небольшая часть полной несущей способности является результатом бокового поверхностного трения. Для корректного моделирования такого поведения сваи должны моделироваться, используется комбинация плит и межузловых анкеров. Само здание представляется как жесткая плита, опертая на межузловые анкеры.

• Начертите три различных плиты от (5.0;-10.0) до (5.0;-11.0), от (15.0;-10.0) до (15.0;-11.0) и от (5.0;3.0) до (15.0;3.0).

• Соедините верх свайных пят с фундаментной плитой используя межузловые анкеры как показано на рис.8.1.