Исследование сейсмонапряженного состояния в окрестности тоннельных выработок Алматинского метрополитена методом динамической фотоупругости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

_ «пг£

. ^ ^¡^Р НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДШШ НАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ И МАШИНОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи УДК 624.131+539.215+620.17

СМИРНОВ Дмитрий Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОНАПРЯШШОГО СОСТОЯШЯ В ОКРЕСТНОСТИ ТОННЕЛЫШ ВЫРАБОТОК АЛМАТИНСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОЙ ФОТОУПРУГССТМ

01.02.07 - мехагока сыпучих тел, грунтов и горных пород

АВТОРЕФЕРАТ отссертещгл па соискешга ученой степени кандидата техшпэскст наук

Амзта, 1995

■ !:!■: t .■ » ä i i i Paöoia выполнена в Институте механики и машиноведения

Национально!! академии наук Республики Казахстан

Научные руководители: академик HAH и ИА PK,

. доктор технических наук,

профессор ЕРЖАНоЬ S.O.,

'■ : \ : \ : . доктор технических наук

СЕРЕГИН D.H.

' í ä Г '( I ' ¡ i ¡ ¡ i J • .: i

Вэдущая организация - Казахс?шй национальный

технический университет.

г ; , >. i ¡ - ;••:•> • : Официальные оппоненты: академик А? РФ,

доктор технических наук.

профессор ЫАСАКОВ Н.К.,

1 ! . 'Л/ТГ1': ■! 1 { КЕЭДИдет технических наук

Защита состоится 5óл/ctь^q 1995 г» вМ час. на заседании

i" ¡ : : ¡' -.i : Г >' '), 'i •.-:;■ ■-••.•£•■» г < > t специализированного совета Д БЗ.Q2.02 при Институт© механика

! !■; ! ' S : ' , .Ь

и Мйшноведешш HAH PK (48009;, Мматы. пр; ACas¿ SI}. ■ ■ í< ¡'. .'t .¡": -: "■: í. í 1 г ¡ '.■!•':.;»'}■'' С даесартеишй uomo ознакомиться в библиотеке HAH PH i г : i 1 . : ; . ; ;■ » : (480021, Дювата, ул;-Шевченко, 28). '

УадшШ секретарь

:<■; ,i Г- ; "! !' Г Т!

специализированного совета¿

; {! : ¿ i.:.-; . ) v:i л : > ■','. 'Г кандидат физихо- матемьтичасхЕХ наук,

!

старший научный сотрудник

БаЫШ!®Т0В А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Акщ/альностъ шежи. Сильные сейсмические воздействия на подземные сооружриия различного назначения проявляются сравни- ,. тельно редко. Именно поэтому сильные землетрясения играют негативную роль для инженерных сооружений, в особенности подземных, так как отсутствует постоянное, непрерывное накопление натурных . данных о поведении прн атом таких сооруаений. Увеличивапздеся объемы строительства транспортных тоннелей в сейсмоактивных районах СНГ (строящиеся метрополитены и Ташкенте, Ероване, Ал-маты, горные тоннели - на трассе БАМа, на Кавказе и в других районах) трэбуют создания обоснованных католик расчета н проектирования тоннелей, подверженных'сзйскаческску воздействию. Ол-*

тямальный расчет н проектирование конструкций транспортных тоннелей для сейсшпеских районов в значительной степени зависят от имеющейся исходной информации о динамических параметрах конструктивных элементов тоннелей и окрувавдэго грунтового массива. Эффективность аналитического решения задачи динамической концентрации напряжений на отверстиях и полостях слсгкой фор?®, - каковыми являются большшство выработок штрзполатэна, во ш-1*ом предопределяется дсстовэрносгью п полного?! такой информации. Метрополитен в г. Алматы строится а зоне с сейсмачиостьв 8 - 10 баллов по международной пкяле интенсивности земяетрясэ-ний Н5К.64. Опыт строительство метрополитенов в подобных условиях практически отсутствует. Поэтому больную ценность прэдста-еят некошювие данных о поведения сооррэнкй, получаог*ое непосредственно во Бремя зеилотрясвшй по натурнш измерениям с помощью приборов, установленных на конструкциях метрополитена. Цель рзЛот. Определить сейсмэнэпряшшов состоять тон-

нелъных выработок Алматинского метрополитена методом динамической фотоупругостии, влияние на него формы, размеров и глубины заложения самих выработок. Выделить участки с максимальными напряжениями для посладущзй установки на них сейсмометрических приборов с цель» получения достоверной информации о поведении и параметрах колебаний конструктивных элементов тоннеля и окруиа-ющэго грунта во время землетрясений.

Нетодша исследований. Исследование напряженно-деформированного состояния тоннелей проводится экспериментально, методом динамической фотоупругости, с учетом сложных горногеологических условий и высокой сейсмичности трассы метрополитена г. Алматы.

Научная новизна. Впервые на примере строящегося метрополитена методом динамической фотоупругости проведено исследование напряашнно-дефорыировашого состояния транспортных тошелей метрополитена г. Алматы при сейсмических воздействиях землетрясений. На этой основе составлено и внедрено в практику проект-шзх организаций техническое задание на проектирование соответствующей инжеиарно-сейсыометрической слугйц в тоннелях первой очереди Алматинского метрополитена.

Пршаглчестя ценность. Использованный метод динамической, фотоупругости вместе-с собранной и отлаженной экспериментальной поляризационно-динамической установкой позволяет эффективно и с достаточной для практических целей точностью определять напряженно-деформированное состояние тоннелей Алматинского метрополитена при воздействии динамической нагрузки (землетрясения), а так же влияние формы, размеров и пространственного расположения выработок на динамическую концентрацию напряжений. Диссертационная работа является частью выполняемых научно- исследователь-

ских работ в рамках фундаментальной программ КАН РК по теме: "Разработка теоретических основ расчета прочности, ycTOihifflocTH и надошости подземных еооруконнй", $ гос. регистрации 0I95PK00008.

Реализация работа. Техническое задашш иа проектирование инженерно- сейсмометрических станций на первой очереди Алматин-ского метрополитена внедрено в практику проектирования института "Алматыгипротранс", что подтвервдено актом внедрения.

Апробация робели. Результаты работы по мере готовности докладывались на семинарах лабораторий мехагашк горкня пород институтов Математики и механики АН РК, •1'исгг.тл и машиноведения HAH FK, школе-семинаре "Динидгсэ подзекгах соо; ухениЯ и конструкция" (Алматц, Медео 1990 г.), 12-ом всесоюзном сеюттре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алматы 1990 г.), Всероссийской конференции "Управлегае нзпрякенно- деформированным соотоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке к-зстороядокгй полезных ископаою^" (Новосибирск - Екатеринбург 1994 г.). Полное содержание диссертационной работа долокеко, обсувдэко к одобрено на научном секкнарэ по tmcurnno института Механики а машиноведения (г." Алматн, 1994 г.).

Научное положения, выносиеые ш зяхцту: кэтодккз оптического моделирования сейсмических воздэйствиЯ яз тоннелышо наработки Алчптнкского метрополитена; результата исследования сой-смонапряженпого состояния этих выработок методом данамячосксЯ фзтоупругости; результата анализа ашпйга формы и глубины зало-кеяия выработок Алматннского метрополитена на величину иаирякд-raift: техническое задание на проектирование инженерно-

сейсмометрической службы в тоннелях первой очереди Алыатинского метрополитена.

Публикации. Основные положения диссертации, опубликованы в четырех работах.

Объем и струтура работ. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и содержит 95 страниц машшописиого текста, в«тшчая 15 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЕОТЦ приведено обоснование актуальности теш диссертации, определена цель работы, отмечены научная и практическая значимость исследований, приводится краткое содержание глав диссертации.

Первая глава содержит литературный обзор аналитических и эксперзашташшх методов исследования динамической концентрации нацрягсешй на отверстиях различной формы. Отмечается разно-образце подхода» р рааешш задач.

Для соорукзнкй, расдохокенишс с однородном изотропном упругой кассзде H.H. Сотизво® разработав квазкст&тичоский подход. E.G. Ераанов, Щ,Ы. Айталнев » I.K, Ыасаноа распространили его на анизотропна? едоастый шссда. Задачи пространственной дифракции стационарных шгосюк »¡злака юднр8шаэшгых и неподкрецлэн-ных круговых тонна лях в упругих в водоцасвденных средах ' изучались Ж.С. Бржановым, UUS.: Айтв^евын, Л.А. Алексеевой и др. H.L. Barron, А.Г. tfathewa, В. Ра|пе> мотодом полного разделения. переменных решили ¡задачу дшй#едгз киыа давления на круговом отверстии в упругой qpg,p. ß ppc-^oara еародютики решения. На основе метода конечных рээдост^й. задачу дифракции плоских

волн на круговом отверстии и сфере исследовали А.И. Ковиови, Н.И. Нещеретов, В.Д. Ульянов,' V.T. Buchwald. На этой основе М.В. Степанонко, С.Л. Абдукадыров, К. Курманалчев, Н.И. Пинчу-кова решили задачи дифракции нестационарных волн на включениях и периодических системах включения упругих средах. Обиирную библиографию гелеет метод конечных элементов, однако в задачах динамики упругих сред с концентраторами напряжений применяется сравнительно недавно в работах Ш.М. Айталиева, Ж.К. Баймахано-ва, Н.М. Махметовой и т.д. Ш.М. Айтэлиэв, Л.А. Алексеева, Ш.А. Дильдабаев, Н.Б. Жанбырбаей пркмекилт метод граничных интегральных уравнений для решения стационарных к нестационарных задач теории упругости в мнсгосвлзных областях.

Еолыше возможности заложены в экспериментальных методах, в частности, методе динамической фотоупругости. Первые работы по динамической концентрации-напряжений» выполненные в 60-х годах американскими исследователем J.B. Dally и И.F. Halblelb, носили в основном методический характер. Эксперименты проводились при постоянных значениях определяющих параметров. В работах Г.Л. Хесина, И.Х. Костина, E.H. Отпуиенкова разработана техника эксперимента при изучении волн нвпрякеюй. Методом динамической фотоупругости решена задача для кругового отверстия при дифракции продольной водил в шгрокои диапазоне изменения К /а ( а - радиус полости, - длина фазы нарастания нагрузки). Исследовалась так еэ длнаиичэская концентрация напряженна на отверстиях сложной фора и ряда круговых отверстий, однако з этих работах не рассматривалось вгяяние фзрмы п ориектвщга отверстий по отношению к падявдей волне и дневной поверхности.

В.Б. Затеев исследовал динамическую концентрацию напряге-

mía яра дифракции продольна! и поперечных волн около одиночных и двух круговых отверстий. Значения коэффициентов динамической концентрации для кругового отверстия от продольной волны, полученные им експеримзнтально, сопоставляются с расчетными, которые определялись методом свертки, используя решение для аналогичной задачи при дифракция волны в виде функции Хэвисайда. Результаты находятся в хорошем соответствии, что свидетельствует о точности а надежности прихэнязкой экспэршэнтальной методики для решения задач данвмической концентрации напряжений..

ILA. Стрельчук и др. исследовали напряженное состояние тоннелей при действии динамической нагрузки. Бшш проведены модельные исследавшия напряженного состояния гидротехнических тоннелей, расаолокэншх вбллзи от свободной поверхности, при воздействии сейсмических ролн напряжений от взрывов.

Вторая глава посвядека обоснованна возможности использования метода динамической фотоуврутооти для решения поставленной задачи. Сформулированы условия подобия процессов, происходящих в катуркой и модальной среда!. Показало, что в сходственных точках геометрически подобных сред натуры и «одели и в сходственные ионенты щ^щш, когда начальные смещение в натуре и модели подобны, будаг подобие полай нщхрягзцяй'и смещений, если выполнить условия в отношении скоростей распространения, плотностей и объемных сил. При оптическом шделврованни динамических воздействий необходимо обеспешмь равенство отношений скоростей продольных sara к схороо'гяу поперечных волн в натуре и модели

О 1 0

р р

.V и . с•

где Ср, Се - соответственно скорость продольных и поперечннх волн. Индексы н и м обозначают принадлежность происходясздх процессов к натурной й модельной средам. Коэффициента Пуассона модельной 1» и натурной vн среда долги« быть связаны соотношением

V

Ч. ~ -г— • (2)

Нг>

м

При этом модули упругости материалов натура Ен и модели Еы дол-К}Ш быть связаны соотношением

Е ) Ен =.-£—!.-^ . • (3)

Качественно подобные волновые поля нвпряЕвний в геокетря-ческл подобных натуре и модели наблюдаются при выполнения условия

X К

м м

_ — • 14)

и и

где Я - длина фазы см тая продольной еолш, Ь - характерный геометрический размер.

Тогда йзсатаб геометрического подобия равэп-

\м

а - — . (5)

А.

н

Опясвнз технология изготовлэязя плйсткн ез оптически активного материала на основе эпокскдйо-дивновнх скол типа ЭД-20. Сформулированы требования в опясаяа экспериментальная шляриза-циогао-динамическая установка для регистрации быстро протекав-

щих процессов на базе камеры СФР-2м, которая позволяет производить съемку в режиме "Луга времени" и "Фоторегистратора". Динамическое нагружение моделей осуществляется при помощи взрыва микрозаряда азида свинца. Разработана методика проведения эксперимента с учетом горно-геологических условий трассы строительства метрополитена.

В_т^етьей_главо мэтодом данашческой фотоупругости исследуется сейсмонапрякенное состояние в окрестности следующих выработок Алматинского матрополитена; станционный тоннель коробчатой формы; станционный односводчатый тоннель; наклонный эскалаторный тоннель круглого поперечного сечения, соответствующего глубинен заложения 6 и 30 м. Получены килограммы волн напряжений и построена апюры контурных напряжений.

При соблюдении основного закона фотоупругости в условиях действия импульсных нагрузок порядки полос т дают непосредственно разность главках напряжений о,- аг или максимальные касательные напряжения в модели. Порядки полос усуганавлены последовательным просмотрам отдельных кадров черно-белых кинограмм.. Эпюры напряжений построены безразмерными в виде отношения порядков полос в исслодуешх точках к порядку полос т0 в на-■ иболеа характерной точке модели, для которой в сходственной точке натуры напряжения могут быть определены расчетом или полевыми испытаниями. Твкка эпюры представляют собой коэффициенты концентрации напряжений и значительно облегчают дальнейший переход от напрянэшШ в модели к напряжениям в натурной конструкции.

Когда источник возмущения и импульс, распространящийся в среде, полностью заыоделирован, переход от напряжений в модели

ом к напряжениям, в натуре ан осуществлен по зависимости

г

о а

' II р , н

2

Р С '

гм р, м

а , (6)

здесь р - плотность среды.

Динамический коэффициент концентрации напряжений с учетом слабой зависимости цены полосы материала модели по напряжениям от скорости деформирвоания можно определить по формуле

*0 =---, . ■ (7,

где - порядок полос в исследуемой точке ( в момент времени ^ т - порядок полос в той ж точке и в тот же момент времени в пластине без отверстия.

Результаты исследования сейсмических воздействий на тоннели метрополитена приведены на кинограммах, где представлены линии наибольших касательных напрянёний ' или разности .главных напряжений через променутки времени I равные 1,5 мкс.

В_четвертой главе на основе полученных'результатов определены места установи! сейсмометрических приборов и с учетом горногеологичэских условий трассы тоннельных выработок составлено техническое задание на проектирование инженерно- сейсмометрической службы на первой очереди Алматинского метрополитена. Предусмотрено II опорных точек наблюдения, где сейсмометрическая аппаратура устанавливается таким образом, чтобы с ее помощью записывались продольные и поперечные колебания конструкций и примыкающих к ней тоннельных перегонов, а такие верти-

кмыше колебания.

. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Методом динамической фотоупругости для условий строящегося метрополитена определено сейсмонапрякенное состояние в окрест-' порти станционных и эскалаторных тоннелей, расположенных на различных глубинах залокення. Определены тангенциальные нормальные напряжения схатия и растяжения. Выявлено, что наиболее опасным направлением распространения волны является случай, когда фронт волны параллелен вытянутой грани станции, и при этом наибольшие "напряжения возникают на тыльной грани станции. Осуществлен переход от напряжений в модели к напряжению в натурной среде с учетом горногеологических условий трассы метрополитена. Определены сечения с максимальными напряжениями с цель» дальнейшего размещения в них сейсмометрического оборудования. Оценено влияние формы и глубины заложения выработок на величину напряжений. Составлено и внедрено техническое задание на проектирование гадаенерно-сейсмометрических станций в тоннелях первой очереди Алматинского метрополитена.

Основное содержание диссертации изложено в следущих работах:

I. Смирнов Д.В. Исследование динамического воздействия на станционные тоннели Алма-Атинского метрополитена.// Тезисы докладов Всероссийской конфоренции '"Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой * подземной разработке месторождений полезных искодаеюа" - май 1994.

2. Скарнов Д.В. Разработка методики оптического моделирования сейсмических воздействий аа вырг$бстки^4лматинского метро-

политенз. // - Ия-'т мех. и машиновед. НАН РК. - Алматы, 1994. -13 с. - Библиогр.: 3 назв. - Рус. - Деп. в КазгосИНТИ 21.II.94 Л 5520-К94.

3. Серегин Ю.Н., Смирнов Д.В. Исследование сейсмонапряжен-ного состояния в окрестности станционных тоннелей коробчатой формы. // - Ин-т мех. и машиновед. НАН РК. - Алматы, 1994. -5 с. - Библиогр.: I назв. - Рус. - Дел. в КазгосИНТИ 21.II.94 й 5519-К94.'

4. Смирнов Д.В. Исследование сейсмонапряженного состояния в окрестности эскалаторных тоннелей. // - Ин-т мех. и машиновед. НАН РК. - Алматы, 1994. - 4 с. - Библиогр.: I назв. - Рус.

СМИРНОВ Дмитрий Викторович

Алматы метрополитен! тоннелъаер! тен5рег1нщ сейсмокернеул!к куйш линамикалык фотосерп!мдиж эдк!мен зерттеу.

Техника гылымларынын кандидаты гылыми дэрахес¡н алу диссертациясы

01.02.07 - сусымалы денелер, топырак жэне тау жыныстары механикасы

Алма-'ы метрополитен! тоннельдержЫ сейсмокернеулж куй! жэне оган тоннельдердш формасы. узындык елшемдег 1, салыну теренд1г»йн эсер! динамикальк фотосерп 1 мд1 л № эд1с1мен аныкталган. Хер с1лк1н1с1 кез!ндеП тоннель мен коршаган грунттын конструктив^ элементгер1 тербел1стер1н1н бет алысы мен параметрлер! • гайлы анык маглумат алу максатында сейсыометрикалык приборлар кондырьиатан керьеул1г1 ен у/кен участоктар этап кврсет1лд1. Осынын нег1зжлг гобалау мекемелер1не салыньп хэпфн метрополитены!« алгашкы кезектеН тонне ль дер1н!н инженерл!к- сейсмометрикалык кызмет!н юбалауга кажетт1 техникалык тапсырма гасалып, енд1р!лд1• ' Зерттеу яумыстары автордын курастырып, «умыс куй!не келт!рген эксперименте^ кошыргыларында жург1з1лд1.

SHIRNOV Bmitrly Vlctorqvlch

The Investigation of the seismic stressed state by the dynamical photoelaatlclty method around tunnel's mines or Alraaty underground

The thesis ior candidate's degree (technical sciences)

'01.02.07 - mechanics ol dry substances, soils and mining rocks

The seismic stressed state of tunnel's nines was defined by the dynamical photoelastlclty method. The lnfluece of these mines' form, size and depth s?as described. The areas of maximal stress иеге selected to get the trustworthy Information on behavior and parameters oscillation of the constructive elements and the tunnel surrounding ground when the earthquakes take place. On this basis tha technical task on projecting the engineer- seismic service of the first phase of tunnels of the underground being constructed таз developed. This technical task was used by. some project organizations. The author conducted the Investigation on the experimental device, which таз created by МгазеИ.