авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка метода расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения на динамические воздействия

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

САММАЛЬ Сергей Андреевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБДЕЛОК ТОННЕЛЕЙ ПРОИЗВОЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ

НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тула 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Тульский государственный университет»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Фотиева Нина Наумовна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент

Лавит Игорь Михайлович

кандидат технических наук

Шелепов Николай Валентинович

Ведущее предприятие – Закрытое акционерное общество

«Тоннельпроект»

Защита диссертации состоится « 17_» _марта_ 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.04 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012 г. Тула,
пр. Ленина 92, учебный корпус 6, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «_16__» _февраля___ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Копылов А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Широкое применение энергии взрыва в горном и строительном деле, как правило, связано с необходимостью принятия дополнительных мер по обеспечению надежности близко расположенных подземных сооружений, поскольку в этих условиях обделка (крепь) наряду со статическими нагрузками испытывает существенные динамические воздействия.

В настоящее время общепринятыми являются подходы к прогнозу поведения подземных сооружений при динамических воздействиях, базирующиеся на изучении напряженно-деформированного состояния конструкций с учетом их взаимодействия с окружающим массивом пород (грунта). Имеющиеся аналитические методы позволяют производить расчет обделок (в том числе – многослойных) круговых тоннелей глубокого заложения, когда массив моделируется линейно-деформируемой или двухкомпонентной (водо­насы­щенной) изотропной средой, а динамические проявления рассматриваются как процессы дифракции стационарных или нестационарных продольных или поперечных волн на подкрепленных отверстиях. Аналогичных методов, предназначенных для расчета обделок тоннелей некругового поперечного сечения, до настоящего времени не имелось.

Отдельные результаты, полученные на основе численного моделирования, например, с использованием методов конечных элементов (МКЭ) или конечных разностей (МКР), вряд ли можно расценивать как решение указанной проблемы, поскольку учет основных особенностей расчетной схемы, в которой массив пород моделируется бесконечной средой, а источник динамического воздействия расположен на значительном расстоянии от сооружения, вносит существенные дополнительные трудности, связанные с достижением необходимой точности расчета, преодоление которых имеет смысл только при проектировании уникальных объектов.

В связи с этим разработка аналитического метода расчета подземных конструкций произвольного поперечного сечения (крепи капитальных горных выработок, обделок тоннелей и заглубленных трубопроводов) на динамические воздействия является актуальной научной задачей, решение которой открывает новые возможности для совершенствования проектирования подземных сооружений различного назначения, располагаемых в зоне влияния взрывных работ, способствуя повышению их надежности, а в ряде случаев - обоснованному принятию более экономичных проектных решений.

Целью работы являлось установление закономерностей формирования напряженного состояния обделки тоннеля произвольного поперечного сечения и окружающего массива пород как элементов единой деформируемой системы при распространении, в том числе – от близкого источника, гармонических волн сжатия – растяжения и сдвига и разработка соответствующей математической модели, аналитического метода, алгоритма и компьютерного программного обеспечения расчета обделок некруговой формы на динамические воздействия, использование которых обеспечит повышение надежности проектируемых подземных сооружений и обоснованное облегчение конструкций за счет уменьшения их толщины или процента армирования.

Идея работы заключается в рассмотрении об­­де­лок тоннелей произвольного поперечного сечения и окружающего массива пород (грунта) как элементов единой деформируемой системы и получении новых аналитических решений соответствующих плоских динамических задач теории упругости о дифракции гармонических волн, распространяющихся (в том числе – от близко расположенного источника) в линейно - деформируемой среде, моделирующей массив пород, на кольце из другого материала, подкрепляющем отверстие произвольной формы (с одной осью симметрии), моделирующем обделку тоннеля, полагаемых в основу разрабатываемого метода расчета.

Методы исследования включают решения трех плоских задач динамической теории упругости с использованием теории функций комплексного переменного, аппарата конформных отображений, специальных цилиндрических (Бесселевых) функций и комплексных рядов, метода возмущения формы границы, модернизированного с целью построения итерационного процесса для отыскания комплексных потенциалов, определяющих напряжения и смещения точек среды и кольца, на основе рекуррентных соотношений, что позволяет рассматривать произвольное количество приближений, обеспечивая высокую точность расчета; разработку компьютерного программного обеспечения; выполнение многовариантных расчетов с целью исследования зависимости максимальных за все время прохождения волн нормальных тангенциальных напряжений в обделках двух типов поперечных сечений от основных влияющих факторов; сравнение результатов расчетов с решениями частных задач, полученными другими авторами.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

  • получены новые аналитические решения трех плоских динамических задач теории упругости о напряженном состоянии в общем случае некругового кольца (с одной осью симметрии), подкрепляющего отверстие в бесконечной однородной изотропной среде из другого материала, при распространении гармонических волн сжатия – растяжения (продольной) и сдвига (поперечной) произвольного направления, или продольной волны, излучаемой близко расположенным источником, при граничных условиях, отражающих непрерывность векторов напряжений и смещений на линии контакта среды и кольца, а также отсутствие внешних сил на внутреннем контуре кольца;
  • на основе полученных решений разработан новый метод расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения на динамические воздействия, в том числе – исходящие из близко расположенного источника;
  • разработан алгоритм и составлена компьютерная программа определения максимальных по абсолютной величине напряжений в обделке за все время прохождения волны;
  • исследованы зависимости максимальных нормальных тангенциальных напряжений, возникающих в точках внутренних контуров поперечных сечений двух различных форм, характерных для обделок транспортных тоннелей и крепи капитальных горных выработок, от основных влияющих факторов.

Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается высокой точностью удовлетворения граничных условий (погрешность не превышает 1%), положенных в основу разработанного метода расчета задач; полным совпадением результатов, получаемых в частных случаях неподкрепленной некруговой выработки и обделки кругового тоннеля, с соответствующими аналитическими решениями других авторов.

Научное значение диссертационной работы состоит в получении новых аналитических решений трех плоских динамических задач теории упругости о дифракции гармонических волн сжатия – растяжения и сдвига, распространяющихся (как из бесконечности, так и из близко расположенного источника) в изотропной среде, на отверстии произвольной формы, подкрепленном кольцом из другого материала; разработке на их основе нового метода расчета некруговых обделок на динамические воздействия; установлении зависимостей максимальных за все время прохождения волн нормальных тангенциальных напряжений, возникающих на внутренних контурах поперечных сечений обделок двух различных форм, от основных влияющих факторов.

Практическое значение диссертации состоит в разработке алгоритма расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения на динамические воздействия и компьютерного программного обеспечения, позволяющего производить многовариантные расчеты в целях практического проектирования.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации приняты к использованию ЗАО “Тоннельпроект” (г. Тула) для оценки проектных параметров обделок тоннелей, сооружаемых в зонах взрывных работ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международных научно-практических конференциях «Форум горняков» (г.

Днепропетровск, НГУ, 2008, 2009, 2010 г.), на III, IV, V Международных конференциях «Проблемы геомеханики и механики подземных сооружений» (г. Тула, 2006, 2007, 2008, 2009 г.), на 68-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г. Днепропетровск, ДИИТ), на VII Международной конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (г. С.-Петербург, Санкт-Петербургский университет путей сообщений, 2008 г.), на Швейцарско – Российском научном семинаре «Геомеханика, строительство подземных сооружений и охрана окружающей среды» (Швейцария, г. Лозанна, Федеральный политехнический университет, 2008 г.), на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Тульского государственного университета (г. Тула, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 г.г.), на II-ой Молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета (г. Тула, ТулГУ, 2008 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (г. Тула, ТулГУ, 2008 г.), на IV Международной конференции «Теория и практика геомеханики, направленные на повышение эффективности горной разработки и строительства» (Варна, Болгария, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, и заключения. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста и содержит 78 рисунков, 6 таблиц, список использованных источников из 128 наименований, одно приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросам расчета и проектирования подземных сооружений, подверженных динамическим и сейсмическим воздействиям, посвящены работы
Ш.М. Айталиева, Л. А. Алексеевой, И.Б.Баймаханова, P.O. Бакирова,
В.М. Бон­­­да­ренко, Н.С. Булычева, В.Г. Гарайчука, С.С. Давыдова, М.А. Да­шев­ского, С. Джу­нисбекова, И.Я. Дормана, Н.А. Евстропова, Ж.С. Ержанова, А.А. Ишан­ходжаева, М.А. Каюпова, В.И. Колодия, Н.У. Кул­дашева, Ж.К. Ма­санова, Н.М. Махметовой, Я.Н. Му­баракова, Ш.Г. На­петваридзе, В.И. Нечаева, Ю.Н. Новичкова, А.Д. Омарова, Т.Р. Рашидова, С.К. Савенко, Л.В. Сафонова, О.К. Славина, Н.Н. Фотиевой, Г.Л. Хесина, В.Н. Ша­пош­ни­кова, Е.И. Ше­мякина, В.В. Шершнева, C.C. Mow, J.H.Pow и др., в которых для исследования напряженного состояния подземных конструкций и горных массивов применяются аналитические и численные методы, а также методы фотоупругости. При этом основу аналитических методов составляют фундаментальные положения, содержащиеся в работах Г.Н. Савина, А.Н. Гузя, В.Д. Ку­бенко, М.А. Черевко, Г. Кольских, В. Новацкого, и др.

В настоящее время имеются аналитические методы расчета обделок (в том числе – многослойных) тоннелей, имеющих круговую форму поперечного сечения, а также определения напряженного состояния пород в окрестности неподкрепленных выработок некругового очертания при динамических воздействиях, обусловленных распространением в массиве плоских гармонических волн. Аналогичных методов расчета, основанных на рассмотрении подземной конструкции и окружающего массива как элементов единой деформируемой системы, позволяющих определять напряженное состояние обделок, имеющих некруговое поперечное сечение, до настоящего времени не имелось, равно как отсутствовали и необходимые для построения таких методов решения соответствующих динамических задач теории упругости.

В связи с этим целью диссертации явилась разработка нового аналитического метода расчета обделок тоннелей произвольного поперечного сечения (с вертикальной осью симметрии) на динамические воздействия, реализованного в виде соответствующего компьютерного программного обеспечения.

В случае, когда источник динамического воздействия удален на значительное расстояние от центра выработки (обычно под значительным понимается расстояние , гдесредний радиус выработки), рассматривается стационарная задача динамической теории упругости для кольца произвольной формы, подкрепляющего отверстие в однородной изотропной среде из другого материала. Падающая волна сжатия – растяжения или сдвига является гармонической, имеет круговую частоту и распространяется по оси Ох’, составляющей произвольный угол с вертикальной осью Ох (рис. 1).

Здесь однородная изотропная среда S0, обладающая удельным весом 0 и деформационными характеристиками – модулем деформации Е0 и коэффициентом Пуассона 0, моделирует массив пород. Кольцо S1 толщиной в своде , ограниченное контурами L0 и L1, материал которого имеет удельный вес 1 и деформационные характеристики E1, 1, моделирует обделку тоннеля.

Для решения плоских динамических задач теории упругости вводятся потенциалы и (j = 0, 1), связанные с напряжениями и смещениями областей Sj (j = 0, 1), которые должны удовлетворять волновым уравнениям Гельмгольца:

; (1)

где - оператор Лапласа, j (j= 0, 1) - безразмерные частоты колебаний частиц в областях Sj (j= 0, 1), определяющиеся формулами (j= 0, 1), j (j= 0, 1) - отношение скоростей распространения волн сдвига и сжатия в среде S0 (j= 0) и области S1 (j = 1), выражающееся формулой (j= 0, 1):

. (2)

Как известно, решение уравнений (1), имеющее физический смысл, получается после умножения найденных из них потенциалов , на ( - время, c) и выделения действительной части.

Полные напряжения и смещения в среде S0 представляются как суммы напряжений и смещений в падающей волне (в среде без подкрепленного отверстия) и дополнительных напряжений и смещений , вызванных распространением волн, отраженных от границы L0, то есть

; , (3)

здесь символом обозначены все компоненты тензора напряжений, а символом U – составляющие вектора смещений.

Таким образом, полным напряжениям и смещениям в среде S0 в окрестности кольца S1 соответствуют суммы потенциалов падающей и отраженных волн т.е.

, . (4)

Далее, вводя для сохранения общности записи обозначения

; , (5)

удается воспользоваться известными формулами для напряжений и смещений в областях Sj (j = 0,1) в полярной системе координат r, (r – безразмерный радиус, отнесенный к ):

,

, (6)

,

;

где , (j = 0,1).

При этом под напряжениями понимаются коэффициенты концентрации, т.е. безразмерные отношения напряжений к интенсивности основного напряженного состояния в падающей волне.

Как известно, потенциалы плоских волн, падающих вдоль оси , наклоненной под углом к вертикали, после выражения через r и , определяются соотношениями:

- при рассмотрении действия волны сжатия - растяжения

, . (7)

- при рассмотрении действия волны сдвига

, . (8)

Здесь функции Бесселя порядка .

Общее решение уравнений (1) при j = 0 с учетом условий излучения, выражающих отсутствие отраженных волн, приходящих из бесконечности, представляется в полярных координатах r, в виде

(9)

где - функции Ханкеля I рода порядка n, ,,, - неизвестные коэффициенты, определяемые из граничных условий.

Решение уравнений (1) при j = 1 может быть представлено в виде рядов

где - функции Неймана (функции Бесселя 2-го рода) порядка ; - неизвестные коэффициенты, подлежащие определению.

Кольцо S1 и среда S0 деформируются совместно, то есть на линии контакта L0 выполняются условия непрерывности векторов смещений и напряжений. Внутренний контур кольца L1 свободен от внешних сил.

Таким образом, граничные условия имеют вид:

- на L0 (11)

(12)

- на L1 , (13)

где - векторы смещений соответствующих граничных точек, принадлежащих контактирующим областям ; , - соответственно нормальные и касательные напряжения.

Таким образом, поставленная задача сводится к определению 12-ти групп неизвестных коэффициентов, входящих в выражения для потенциалов (7) - (10), из граничных условий (11) - (13).



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.