CC BY
187Список литературы:
Журнальная статья
1. Смирнов А.В., Рода И.С., Овчаров И.В., Бондарев А.В., Карпов М.А. Практический опыт проектирования, строительства и реконструкции угольных котельных малой мощности по технологии высокотемпературного кипящего слоя. СПб: «Инженерные системы», 2006, № 4 (25).
2. Смирнов А.В., Юферев Ю.В., Воронов В.Ю., Макаров В.П. Технология сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое в коммунальных котельных малой мощности. СПб: «Стройпрофиль», 2004. № 4/1
Патент на полезную модель
3. Котлоагрегат для сжигания угля в кипящем слое. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 20.05.2004 г. №38041, бюл. № 14.
4. Котлоагрегат для сжигания фрезерного торфа и древесных отходов в кипящем слое. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27.05.2004 г. №38217, бюл. № 15.
УДК:725.18:624.1:69.035.4
Галушко М. М., Короленок Л. М., Плоцкий П. В. Galuchko M.M., Korolenok L.M., Plozki P. W.
Влияние грунтовых условий на сейсмостойкость специальных подземных сооружений при воздействии
землетрясений
The influence of soil conditions on the seismic resistance of underground structures when subjected to earthquakes Аннотация:
В статье анализируются разрушения конструкций специальных подземных сооружений при землетрясениях: условия разрушений и повреждений подземных сооружений, их последствия, причины влияния грунтовых условий на сейсмостойкость сооружений. Рассматриваются схемы деформирования специальных подземных сооружений при землетрясениях; описывается расчетная схема и отмечены основные аспекты их поведения при сейсмических воздействиях. Abstract:
The article analyzes the destruction of special underground structures constructions during earthquakes: terms of destruction and damage of underground structures, their consequences, causes of soil conditions influence on seismic stability of structures. Special underground structures deformation schemes during earthquakes are discussed; design scheme is described, and the key aspects of their behavior under seismic impact are touched upon.
Ключевые слова:
Специальные подземные сооружения, сейсмика, сейсмостойкость, землетрясения, обделка, горный массив, динамика, разрушения. Keywords:
Special underground structures, seismic, seismic resistance, earthquake, lining, mountain range, dynamics, destruction.
В сложных горно-геологических условиях происходит усиление интенсивности воздействия сейсмических волн, которые вызывают повреждение специальных подземных сооружений и снижают их эксплуатационные качества.
Специальные подземные сооружения (СПС) предназначены для защиты особо важных государственных объектов от сейсмовзрывных нагрузок высокой интенсивности, которые значительно превышают нагрузки от природного сейсма. Однако, как показывают проведенные исследования, СПС при воздействии сильных землетрясений получают повреждения, которые снижают их защитные свойства. При повторных воздействиях происходит накопление ущерба. Поэтому при проектировании ответственных подземных сооружений, размещаемых в сейсмически активных регионах, безусловно, с одной стороны, необходимо учитывать возможность землетрясений и принимать меры, снижающие вероятность их выхода из строя. С другой стороны, необходимо разрабатывать методики по оценке накапливаемого ущерба и снижения защищенности СПС.
На территории РФ сильные землетрясения бывают главным образом вдоль южных и восточных границ. Землетрясения причиняют ущерб государственным, в том числе и военным объектам, и поэтому главной целью
исследований в области сейсмостойкого строительства является изыскание условий, при которых землетрясения перестанут быть стихийными бедствиями.
Анализ разрушений конструкций при землетрясениях показывает, что подземные сооружения в меньшей степени повреждаются из-за колебаний горных массивов, чем наземные. Они не входят в резонанс при сейсмических воздействиях, подобно наземным сооружениям, а реагируют на землетрясения таким же образом, как окружающий их массив грунта. Масса тоннелей не оказывает влияния на параметры сейсмических волн, так как погонная масса тоннеля мало отличается от замещенной им погонной массы грунта. С другой стороны, подземные сооружения обладают большим коэффициентом демпфирования, поскольку энергия рассеивается в окружающий массив грунта, что существенно уменьшает колебания.
Тем не менее некоторые подземные сооружения испытали значительные повреждения во время крупных землетрясений в прошлом столетии, в том числе Сан-Францисское (США, 1906 г.), Токийское (Япония, 1923 г.,), Чилийское (1943 г.,), в Кобе (Япония, 1995 год), в Чи-Чи (Тайвань,1999 год) и в Коджаэли (Турция, 1999 год) [4].
Разрушения и повреждения обделок ПС наиболее часто проявляются в следующих условиях: при пересечении зон разломов; в местах изменения жесткости конструкций (например, соединение вертикальной шахты и горизонтального тоннеля или примыкание входного тоннеля к основному объему); в местах пересечения границ слоев грунта с существенно различными жесткостями; при всплытии тоннелей из-за разжижения грунтов; из-за больших поперечных, перпендикулярных оси тоннеля деформаций грунта, возникающих при распространении сейсмических волн. С другой стороны, разрушение конструкций подземных сооружений, расположенных в приповерхностной зоне, может привести к катастрофическим последствиям не только в подземной части, но и на поверхности горного массива. Здесь можно выделить две причины влияния грунтовых условий на сейсмостойкость сооружений. Первая связана с динамическими характеристиками грунтов в поверхностных слоях, располагающихся на коренных породах. Вторая определяется несущей способностью самих дисперсных грунтов повреждающихся при колебаниях и снижающих по этой причине несущую способность основания. Установлено, что при неблагоприятных сочетаниях характеристик собственных колебаний поверхностных слоев с характеристиками вынужденных колебаний коренных пород возможно возникновение резонансных явлений, усиливающих колебания этих поверхностных слоев. В настоящее время более интенсивное движение грунта в поверхностных слоях по сравнению с глубинными слоями, установлено как теоретически, так и экспериментальными исследованиями [7, 8, 9].
Поэтому своевременная и достоверная оценка напряжённо-деформируемого состояния (НДС) грунтового массива в окрестности горной выработки при воздействии сейсмических нагрузок имеет большое практическое значение. Такая оценка НДС горного массива в последнее время проводится на основе имитационного моделирования, путем прогонки расчетных моделей на ЭВМ.
В специальных подземных сооружениях (СПС), возводимых в скальных грунтах, основным несущим и защитным элементом является горный массив, вмещающий выработку. На конструкции обделок в этом случае возлагаются лишь подкрепляющая и предохранительная функции. При этом конструктивная схема обделки назначается в зависимости от прочностных характеристик горной породы. Накопленный опыт строительства СПС в сейсмических регионах, а также данные по изучению их поведения в условиях землетрясений позволяют выделить некоторые общие закономерности, касающиеся характера деформирования вмещающих пород и обделок. На основе этих закономерностей можно предположить вероятную схему разрушения сооружения, а в конечном итоге подобрать расчетную модель и принять решение по конструктивному устройству крепи.
Различают две принципиальные схемы деформирования и разрушения подземных сооружений при землетрясениях. Первая схема (условно ее будем называть «сдвиговой») характерна в случаях, когда в горном массиве в результате сейсмического воздействия происходят значительные сдвиговые деформации. В прочных породах такие сдвиги обычно происходят по существующим трещинам, разломам и дайкам. Разновидностью сдвига в неоднородных горных массивах, включающих нескальные породы, является сброс, т.е. случай, когда происходит большое смещение грунта вследствие его разжижения и оползания. Таким образом, сдвиг горного массива проявляется обычно в зонах, которые могут определяться инженерно-геологическими или сейсмологическими методами. На практике эти места только фиксируются, так как трудно запроектировать обделку, конструкция которой позволяла бы исключить крупные смещения в горном массиве. Подвижки грунта в зонах разломов нельзя предотвратить (эти зоны желательно обходить), однако можно уменьшить их негативное воздействие. Разрушения в данных случаях, как правило, имеют локальный характер. Для этого следует применять различные способы сейсмозащиты: использовать шарнирные соединения, податливые стыки, упругие сейсмоизолирующие слои. Однако необходимо отметить, что расчет и строительство тоннелей, устойчивых к воздействиям такого рода, возможен, но стоимость подобных сейсмозащитных устройств достаточно высока.
Ко второй схеме деформирования (разрушения) относятся случаи, когда горный массив, вмещающий сооружение, при землетрясениях не теряет своей сплошности и деформируется как континуум (такую схему деформирования будем называть «континуальной»). При этой схеме возможны лишь локальные нарушения сплошности,
которые проявляются в виде разрушений и вывалов в наиболее напряженных зонах приконтурного массива. Причиной локальных разрушений также могут быть чрезмерные сдвиговые напряжения. Однако в отличие от первой схемы эти напряжения не вызываются взаимными смещениями частей горного массива, характеризующихся большими размерами, а возникают в результате взаимодействия сейсмических волн напряжений с выработкой, являющейся концентратором напряжений. При проектировании подземных сооружений в горных массивах, деформирование которых может быть подчинено «континуальной» схеме, крепь конструируется из условий обеспечения ее прочности и рассчитывается на механическое воздействие природных сейсмических волн.
Природные сейсмические волны при распространении от очага землетрясения в общем случае вызывают пространственное движение, как поверхностных слоев грунтового массива, так и сооружений, в нем расположенных. В этой связи желательна пространственная постановка задачи, которая позволила бы сформулировать математическую модель, наиболее полно отражающую реальную физическую картину. Однако проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что создание практических методик прямого динамического расчета подземных сооружений в трехмерной постановке затруднено рядом факторов, в том числе и ограниченными возможностями современных ЭВМ. Кроме того, следует иметь в виду, что существуют более приоритетные проблемы, которые желательно учитывать при расчетах на сейсмические воздействия. Одной из таких проблем является, например, учет взаимодействия между конструкцией обделки ПС и вмещающим массивом грунта. Поэтому часто задача формулируется в двумерной постановке, но с включением в расчетную область не только конструкции обделки, но и примыкающего грунтового массива.
В соответствии с принятыми предпосылками в область решения включаются конструкция подземного сооружения и массив вмещающих пород. Моделирование процесса взаимодействия сейсмических волн с сооружением осуществляется в плоской постановке. В качестве расчетной схемы конструкции принимается кольцо обделки произвольной формы, мысленно вырезаемая из сооружения двумя плоскостями, перпендикулярными его продольной оси. Толщина вырезаемого слоя грунта в направлении продольной оси сооружения назначается равной соответствующему размеру конструкции. Размеры области грунта принимаются из условия исключения влияния отраженных волн от боковых границ на динамику конструкции. Практика вычислительных экспериментов, показывает, что этот размер должен составлять не менее 400 м. Этот размер может быть уменьшен при наличии в алгоритме расчета специальных процедур, обеспечивающих дренирование сейсмических волн через границы расчетной области. Верхняя граница области решения определяется конфигурацией дневной поверхности грунта. При проектировании ПС в мягких грунтах вертикальный размер расчетной области обычно ограничивается отметками залегания скального основания.
Направление распространения сейсмических волн полагается нормальным к продольной оси сооружения. Моделирование природного сейсмического воздействия осуществляется путем соответствующего возмущения нижней границы расчетной области. Закон колебательного процесса задается синтезированной акселерограммой. По мнению многих специалистов в области сейсмического строительства только с помощью синтеза акселерограмм прогнозируемых вариантов сейсмического воздействия можно получить обобщенный расчетный (наиболее неблагоприятный) вариант загружения [1,3]. Амплитудные параметры синтезированной акселерограммы задаются суммой гармоник, изменяющихся во времени по закону синуса:
t е [0, т]
Здесь М- число гармоник;
а; - максимальная амплитуда ускорений, задаваемая для каждой из гармоник;
1 - текущее время;
т - время воздействия.
Для определения спектров расчетных сейсмических воздействий используется метод К. Канаи, который широко применяется в настоящее время во многих странах. В соответствии с положениями этого метода магнитуда и расположение эпицентра прогнозируемого землетрясения определяются на основе параметров прошлых землетрясений.
В основе алгоритма численного решения задачи лежит пошаговое совместное интегрирование разрешающих уравнений, описывающих динамическое поведение вмещающего горного массива и конструкции обделки СПС. Динамическое поведение грунтовой среды, подверженной воздействию сейсмических волн, описывается уравнениями механики сплошной среды, а конструкции системой дифференциальных уравнений второго порядка МКЭ. Для описания свойств нескального грунта за пределами упругости используется ассоциированный закон течения пластических сред [8].
Анализируя реакцию СПС на сейсмические воздействия, можно отметить следующие основные аспекты их поведения:
1. Подземные сооружения разрушаются не так сильно, как наземные конструкции.
2. Повреждения тоннелей уменьшаются с увеличением глубины заложения.
3. Подземные сооружения, построенные в мягких грунтах, подвержены воздействию подземных толчков в большей степени, чем тоннели, построенные в скальных породах.
4. Тоннели с замкнутыми обделками кругового (симметричного) очертания являются более сейсмостойкими по сравнению с другими конструкциями обделок.
5. Правильный выбор толщины (жесткости) тоннельной обделки с учетом жесткости окружающего массива грунта может существенно снизить влияние колебаний горных пород на конструкцию тоннеля.
6. Продолжительность сильных колебаний при землетрясении имеет большое значение, так как она может вызвать усталостное повреждение и, следовательно, большие деформации.
7. Колебания обделок СПС зависят от длины сейсмических волн, особенно если длина волны составляет от одного до четырех диаметров тоннельной обделки.
8. Наибольшие разрушения СПС претерпевали вблизи порталов тоннелей из-за нестабильности склонов.
При проектировании СПС предназначенных для размещения особо важных государственных и военных объектов можно считать полезными ряд правил, установленных при анализе последствий землетрясений:
При посадке СПС в горном массиве следует отдавать предпочтение участкам грунтов однородных по сейсмической жесткости, избегать мест с повышенной трещиноватостью, зон тектонических разломов и даек, а также склонов, сложенных слабыми и не сцементированными грунтами, стремиться к вариантам с глубоким заложением сооружений.
В СПС, располагаемых в сейсмически активных регионах, обязательно применение замкнутой обделки. Необходимо предусматривать конструктивные антисейсмические мероприятия в соответствии с требованиями норм для сейсмических районов.
Пересечение блоком СПС действующих тектонических дислокаций следует предусматривать вкрест их простиранию с применением соответствующих конструктивных решений.
На припортальных участках входных галерей, где защитная толща грунта меньше трех наибольших размеров поперечного сечения выработки, следует применять железобетонные обделки.
Таким образом, нами рассмотрены основные аспекты проектирования в сейсмически активных районах СПС, предназначенных для размещения особо важных государственных и военных объектов; указано на необходимость оценки напряженно-деформированного состояния грунтового массива в окрестности горной выработки при воздействии сейсмических нагрузок; отмечены основные аспекты поведения СПС при сейсмических воздействиях.
Список литературы:
1. Айзенберг Я.М., Делгина М.М., Залилов К.Ю., Уранова С.К. Построение региональных расчетных моделей сейсмического движения грунта в виде ансамблей искусственных аксеелерограмм. М.:-ЦНИИСК- им. Кучеренко,
1985.
2. Жуков В.В., Котенко В.Ф., Коротких Ю.Г, Динамическое деформирование и разрушение массива горных пород. Л.: Наука, 1979. - 165 с.
3. Залилов К.Ю. Методика генерирования синтетических акселерограмм и их использование в расчетах нелинейных и нестационарных систем: Труда ЦНИИСК им. Кучеренко. Исследование по теории сейсмостойкости сооружений, -
1986.
4. Поляков С.В. Последствия сильных землетрясений. М: Стройиздат, 1978. 311 с.
5. Рашидов Т.Р., Дорман И.Я., Йшанходаев А.А., Афендиков Л.С, Гелман Я.Г., Оганесов Г.И. Сейсмостойкость тоннельных конструкций метрополитенов. М.; Транспорт, 1975. 120 с.
6. Штейнбругге К., Моран Д. Инженерный анализ последствий землетрясений 1952 г. в Южной Калифорнии. М.: Гостройиздат. 1957. - 270 с.
7. Уилкинс М.Л. Расчет упругопластических течений. В кН.: Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967.
8. Койтер В.Т.Общие теоремы теории упругопластических сред. М.: Изд.иностр.лит.,1961.79 с.
