Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Метрополитен, как и всякий рельсовый транспорт, является источником повышенного уровня вибрации и шума. Строительство новых линий метро приводит к частому «вторжению» трасс в сложившуюся городскую застройку, что вызывает рост уровней вибрации в зданиях, прилегающих к трассе или расположенных над ней. Не только новое строительство тоннелей создает указанную проблему, дефицит свободных земельных участков в черте города вынуждает общество осваивать «полосы отчуждения» вдоль линий метрополитена и железных дорог, давно введенных в эксплуатацию.
Нормальное функционирование больших городов неразрывно связано с развитием метро, поскольку экономически целесообразных альтернатив этому виду транспорта пока не существует. В этих условиях важной и актуальной задачей строительной науки является оценка, анализ и прогноз ожидаемого уровня колебаний грунтового массива при прохождении подвижных составов в тоннелях неглубокого заложения вблизи зданий сложившейся городской застройки или мест предполагаемого строительства наземных или подземных сооружений.
Об актуальности указанной проблемы можно судить и по тому факту, что с начала 2000 года Европейским Союзом был дан старт проекту CONVURT (CONtrol of Vibrations from Underground Rail Traffic), преследующему цели разработки методов прогнозирования вибрации от метрополитена и создания нормативной базы. В 2007 году Постановлением Правительства Москвы № 896-ПП была принята концепция снижения уровней шума и вибрации в городе Москве, в которой разработка мероприятий по снижению негативного влияния метрополитена на виброакустическую обстановку обозначена как одно из приоритетных направлений.
Объектом исследования в представленной работе является процесс прохождения подвижных составов метрополитена в подкрепленных тоннелях кругового сечения, заглубленных в массив грунта.
Предметом исследования является процесс распространения колебаний в грунте при действии на тоннель динамической нагрузки от метропоездов, с учетом волнового взаимодействия тоннельных конструкций с окружающей грунтовой средой.
4 Целями диссертационной работы являются:
Всесторонний анализ и проверка возможности практической реализации полученных (в том числе автором) аналитических решений задачи о распространении колебаний в грунтовом массиве при прохождении поездов метрополитена в тоннелях кругового очертания в рамках расчетных схем, предлагаемых в работе;
Программная реализация и верификация методики решения вышеуказанной задачи для возможности оперативного и достоверного прогнозирования уровней колебаний любой точки грунта, расположенной на произвольном расстоянии от тоннеля.
В соответствии с поставленными целями в работе были решены следующие задачи:
Анализ работ отечественных и зарубежных исследователей по проблеме распространения колебаний в сплошной среде при действии динамической нагрузки различного вида и природы; оценка существующих методов расчета динамического воздействия от метрополитена;
Выбор расчетных схем тоннеля, грунтового массива, нагрузки от подвижного состава метро, действующей на тоннельную обделку; обоснование возможности и границ применения тех или иных моделей;
Детальный анализ и устранение выявленных неточностей в предложенном д.т.н. М.А. Дашевским методе совместного применения метода компенсирующих нагрузок и метода последовательных волновых приближений при решении задачи определения волнового поля в полуплоскости от действия динамической нагрузки на круговой тоннель.
Решение и детальный анализ (с доведением до числа) комплекса задач теории дифракции на бесконечной полуплоскости с круговым включением, приводящих к возможности определения волнового поля в массиве грунта; рассмотрение указанных задач в упругой и упруго-вязкой постановках;
Программная реализация всех рассматриваемых задач распространения колебаний, проведение серии «численных» экспериментов;
Программная реализация итерационного процесса учета многократных переотражений волновых пакетов, дифрагирующих на полости тоннеля и свободной границе полубесконечной плоскости;
5 7. Проведение натурных инструментальных обследований колебаний поверхности грунта вблизи действующих линий метро неглубокого заложения с целью верификации реализованной методики расчета волновых полей. Научная новизна работы заключается в следующем:
Получено, проанализировано и реализовано законченное итерационное аналитическое решение задачи о распространении колебаний в грунтовом массиве при прохождении поездов метрополитена в тоннелях кругового очертания в рамках плоских расчетных схем, предлагаемых в работе; установлены границы применимости различных расчетных моделей тоннеля;
Разработана и программно реализована целостная методика определения волновых полей всех значимых компонентов напряженно-деформированного состояния полубесконечной плоскости с подкрепленной полостью, основанная на совместном применении методов компенсирующих нагрузок и последовательных волновых приближений, позволяющая эффективно решать ряд практических задач прогнозирования уровней колебаний грунта при прохождении поездов метрополитена;
Путем проведения серии «численных» экспериментов для ряда входных параметров, детально исследованы и визуализированы поля напряжений и перемещений вблизи подкрепленной полости тоннеля и свободной границы.
На защиту выносятся:
1. Реализованная итерационно-аналитическая методика определения волновых
полей всех значимых компонентов напряженно-деформированного состояния
грунтового массива при прохождении поездов метрополитена в тоннелях кру
гового очертания, в виде совместного применения методов компенсирующих
нагрузок и последовательных волновых приближений, в рамках плоской рас
четной схемы «жесткая шайба»;
2. Реализованная итерационно-аналитическая методика определения волновых
полей всех значимых компонентов напряженно-деформированного состояния
грунтового массива при прохождении поездов метрополитена в тоннелях кру
гового очертания, в виде совместного применения методов компенсирующих
нагрузок и последовательных волновых приближений, в рамках плоской рас
четной схемы «упругое кольцо».
Практическая значимость. Результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют производить анализ динамического напряженно-деформированного состояния вблизи подкрепленных круговых тоннелей, определять уровни вибрации грунтового массива, в котором располагаются фундаменты зданий и сооружений. Указанные результаты являются исходной информацией для прогноза уровней вибрации и структурного шума в зданиях и сооружениях, что позволяет решать вопрос о необходимости устройства виброзащитных мероприятий для зданий, возводимых в непосредственной близости от линий метрополитена. Рассмотренные задачи могут выступать в качестве верификационных при рассмотрении более сложных расчетных схем, анализ которых производится с применением численных методов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
Применением апробированных математических аппаратов динамической теории упругости и линейной вязко-упругости, функциональных рядов, цилиндрических функций, известных методов решения дифференциальных уравнений в частных производных;
Согласованностью теоретических решений с экспериментальными данными, полученными в процессе проведения натурных инструментальных обследований.
Апробация работы и публикации. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были доложены и обсуждены на заседаниях и аспирантских семинарах кафедры Строительной механики МГСУ в 2008 - 2010 годах, на Международных научно-практических конференциях «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», проводимых в МГСУ в 2008 и 2009 годах; на XVII Российско-Польско-Словацком семинаре «Теоретические основы строительства» в городе Варшава (Польша) в 2008 году; на Научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Института строительства и архитектуры МГСУ в 2010 году.
Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в двух изданиях, включенных ВАК в перечень рекомендованных для опубликования результатов диссертационных работ.
7 Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Объем работы - 215 страниц машинописного текста, включая 140 рисунков (графиков), 8 таблиц и библиографический список из 101 наименования.
