Zatížení ostění podzemních staveb

Transkript

1 Zatížení ostění podzemních staveb Na ostění podzemní staveb působí velké množství různých zatížení, které jsou vyvolány prostředím, použitou technologií výstavby, provozem apod. Pro správný návrh ostění je tedy nezbytné znát nejen inženýrsko-geologické poměry, ale také způsob výstavby podzemního díla a jeho účel. Tlak - hornina v okolí podzemního díla. - vliv na velikost horninového tlaku má: zvolená technologie výstavby, postup tunelování, vlastnosti horninového masivu, směr ploch nespojitosti apod. Klasické tunelovací metody - belgická, modifikovaná rakouská apod. - v důsledku předdřevování dochází k velké deformaci výrubu = vznik horninové klenby - vlivem velké koncentrace napětí kolem výrubu a vlivem opakovaného popouštění výdřevy dochází k rozrušen v okolí výrubu Moderní tunelovací metody - NRTM, prstencová metoda - výlom se zajišťuje provizorní výstrojí, která se neodstraňuje a předpokládá se, že na definitivní ostění konstrukce působí část primární napjatosti, neboť nedochází k rozrušení horninového masivu v okolí výrubu. Tlak podzemní vody - vyplývá z režimu podzemní vody za ostěním tunelu - v případě uzavřeného ostění - hydrostatický tlak - hydrodynamický tlak Vlastní tíha ostění - vlastní tíhu uvažujeme vždy! A to i v případě, že se jedná o zatížení, které je vůči ostatním složkám zanedbatelné. Stavební zatížení - způsobená použitou technologií výstavby - působí dočasně - např. tlak injektáže za ostěním, tíha stavebních strojů Provozní zatížení - vyvolané způsobem užívání podzemního díla - většinou zanedbatelné oproti ostatnímu zatížení Zatížení na povrchu - působí do malé hloubky (cca 5-10 m)

2 - uvažujeme pouze pokud se přenáší do hloubky tunelu Rozdělení zatížení dle působení: Zatížení stálá - vlastní tíha ostění - aktivní horninový tlak - pasivní horninový tlak - zatížení budovami a jinými stavebními objety na povrchu - účinek stálého předpětí ostění Zatížení nahodilé - dlouhodobý účinek - tlak podzemní vody - je-li kombinace horninového tlaku a tlaku hydrostatického příznivá, nesmí se uvažovat - dlouhodobé technologické zatížení - dynamické vlivy periodického charakteru Zatížení nahodilé - krátkodobé působení - zatížení dopravou na povrchu - vliv používání tunelu - tlak štítovacích lisů, tlak či tíha stavebních mechanismů, injekční tlak za rubem ostění, montážní napětí, přetlak vzduchu - dynamické vlivy neperiodického charakteru - trhací práce apod. Zatížení mimořádné - seismicita - seismické oblasti - výbuch, požár Zatížení podzemních staveb - vysoké nadloží v okolí výrubu vzniká vlivem deformací rozvolněná oblast, která zatěžuje provizorní výstroj vlastní tíhou Existuje velké množství teorií, které tuto oblast matematicky popisují a každá z nich je zatížena chybou a nejsou tedy absolutně objektivní a je třeba na ně nahlížet s určitou obezřetností. Mezi nejznámější teorie popisující vznik horninové klenby patří: Teorie M.M.Protodjakonova - staví své hypotézy na poučkách mechaniky zemin Teorie O. Kommerella - teorie nakypření či zeminy Teorie K. Terzaghiho - teorie přihlíží ke směru a množství ploch nespojitosti Nutno poznamenat, že vznik horninové klenby je podmíněn dostatečně vysokým nadložím. Teorie M.M.Protodjakonova - vlastní klasifikace - 10 tříd, kterým je přiřazen součinitel pevnosti fp na základě petrografického popisu - Prakticky lze zatřídit dle petrografického popisu dle tabulky či na základě následujících vzorců:

3 Pro : Pro nesoudržné zeminy: Pro soudržné zeminy: = kde R h...pevnost v tlaku v MPa =tan kde φ...úhel vnitřního tření = kde φ...úhel vnitřního tření, c...soudržnost,...normálové napětí - tato teorie je vhodná pro klasické tunelování - nebere v úvahu porušení masivu plochami nespojitosti - -uvažujeme-li plochy nespojitosti je nutno součinitel f p redukovat pomocí indexu RQD či redukčního součinitele a., = 100, = Intenzita rozpukání Stupeň Redukční koeficient "a" Slabé až velmi slabé Střední 2 0,8-1 Silné 3 0,5-0,8 Velmi silné 4-5 0,2-0,5 Mimořádně silné - - Tab. 1. Určení redukčního součinitele Třída I. II. III. III.a IV. IV.a Stupeň pevnosti Nejtvrdší Velmi tvrdé Tvrdé Dosti tvrdé V. Středně tvrdé V.a Hornina Celistvé, pevné, hutné křemence a čediče a ostatní mimořádně tvrdé Velmi tvrdé žulové, křemitý porfyr, velmi tvrdá žula, křemitá břidlice, méně tvrdé křemence, nejtvrdší pískovce a vápence Žula hutná a celistvá, velmi tvrdé pískovce a vápence, křemité rudné žíly, tvrdý slepenec, velmi tvrdé železné rudy Tvrdé vápence, méně tvrdé žuly, pevné pískovce, mramory, dolomity, kyzy Součinitel pevnosti fp Úhel vnitřního tření ,5 Objemová tíha Obyčejné pískovce, železné rudy Středně tvrdé písčité břidlice, břidličné pískovce Tvrdé hlinité břidlice, méně tvrdý pískovec a vápenec, měkký slepenec Různorodé nepříliš tvrdé břidlice, hutný slín 3 72,5 23

4 VI. VI.a VII. VII.a VIII. IX. X. Dosti měkké Měkké Soudržné zeminy Sypké zeminy Rozbředlé Měkké břidlice, měkký vápenec, křída, kamenná sůl, zmrzlá země, antracit, obyčejný slín, rozrušený pískovec, měkké slepence, hlína promísená se skalinami 2 65 Hlína se štěrkem, rozrušená břidlice, oblázky se štěrkem, 2 65 tvrdá hlína, tvrdé černé uhlí Hutný jíl, pevné hlíny, středně tvrdé černé uhlí 1 45 Lehká písčitá hlína, štěrk, spraš, měkké uhlí 0,8 40 Ornice, rašelina, lehká písčitá hlína, vlhký písek 0,6 30 Písek, spraš, drobný štěrk, náplavy, nasypané uhlí 0,5 27 Bahnité, náplavy, vodou nasycené a rozbředlé Tab. 2. Hodnoty součinitele pevnosti dle Protodjakonova , Výpočet vychází z předpokladu, že horninový masiv je do jisté míry nesoudržné prostředí, ve kterém se vytváří horninová klenba parabolického tvaru, podle které se hornina oddělí a rozruší se. - předpokládá se, že tato klenba může zasahovat i do boků v závislosti na typu - Teorie je omezena základními podmínkami: >0,3 h># h>3$ Obr. 1 Schematické zobrazení vzniku horninové klenby dle Protodjakonova %=#+2$tan(45 2) h. =# ě5ší h893:3; 5 h. =% 2 =é3ě 0123é h893:3; <5

5 Svislý A =0,7 C h. Boční D =0 E =C(h. +0,5$) tan F (45 2) 5> E =C h. tan F (45 2) EF =C(h. +$) tan F (45 2) 2 Teorie K. Terzaghiho Obr. 2 Vodorovné a svislé zatížení ostění dle Protodjakonova - vlastní klasifikace - 8 tříd, kterým se přisuzuje součinitel tlačivosti ct a ct, které slouží k určení zatížení výstroje tunelů - oproti Protodjakonovi uvažuje vliv ploch nespojitosti - vychází ze stejných předpokladů o vzniku horninové klenby jako Protodjakonov - vhodná pro tunely s ocelovou výstrojí Druh C T C T Výška horninové klenby Hp 1. Tvrdá a neporušená Tvrdá vrstevnatá nebo břidličnatá 3. Masivní, mírně rozpukaná 4. Mírně drobivá 0-0,5 - H I, 0-0,25 0,25-0,35 5. Značně drobivá - 6. Celkem rozdrcená, chemicky čistá - H I, 0,25-0,35 0,35-1,1 H I, # # (#+$) nebo H I (#+$) H I (#+$) - 1,1 H I (#+$) Poznámka Lehké ostění pouze při nebezpečí odlupování a padání drobného kameniva Lehká ochranná provizorní výstroj stropu Zatížení stropu se může náhle měnit od jedné ke druhé puklině Žádný boční tlak Nepatrný nebo žádný boční tlak Značný boční tlak zvyšovaný prosakující vodou, vyžaduje kruhové skruže rozepřené v patkách

6 7. Stlačitelná Střední hloubka 8. Stlačitelná - velká hloubka - - 1,1-2,1 2,1-4,5 H I H I (#+$) (#+$) Tab. 3 Stanovení výšky horninové klenby dle Terzaghiho Velký boční tlak, kruhové skruže, definitivní klenba s tuhými ocelovými vložkami Požadují se kruhové skruže, v krajních případech pružné nosníky nebo provizorní výstroj - výška horninové klenby je určena empiricky v závislosti na výšce výrubu HT a jeho šířce BT či na směru ploch nespojitosti - zatížení se stanovuje podle výšky horninové klenby hk - Teorie je omezena základními podmínkami: h JKL 1,5(#+$) Svislý tlak: Obr. 3 Schematické zobrazení vzniku horninové klenby dle Terzaghiho Boční M =0,7 C D =0,3 C(0,5$ I +h. ) Teorie O. Kommerella - -předpokládá, že stropní a boční tlaky jsou funkcí nakypření - -nakypřená hornina v okolí výrubu zatěžuje tunelové ostění - nenakypřené části se nesou samy vlivem pnutí a vytváří tak ochrannou oblast kolem výrubu - pokud v bocích nenastalo nakypření, je šířka nakypřené oblasti nad výrubem rovna šířce výrubu - zatěžující obrazec předpokládá tvar elipsy dané rovnicí: ; F N F +OF h. F =1 - Kommerell předpokládá, že v případě vystrojeného výrubu dochází k popuštění provizorní výztuže - podle popuštění "a" a procenta trvalého nakypření "p" stanovuje zónu rozvolněné

7 - výpočet výšky horninové klenby dle vzorce: h. = Svislý M =0,7 C h. Obr. 4 Schematické zobrazení vzniku horninové klenby dle Kommerella Zatížení podzemních staveb - nízké nadloží - nízké nadloží nad výrubem nevytváří podmínky pro vznik horninové klenby - předpokládáme, že na ostění působí nadloží plnou tíhou, kterou lze v některých případech redukovat Teorie dle Bierbaumera - předpokládá, že nadloží nepůsobí na výrub plnou tíhou, ale tíhou redukovanou o účinek tření, které vzniká podél sloupce /zeminy nad výrubem - toto tření vzniká zaklíněním nadloží nad výrubem o smykové roviny aktivního zemního tlaku Obr. 5 Redukce zatížení dle Bierbaumera

8 Tíha sloupce nad výrubem: P=C h # Aktivní tlak zeminy nad smykovou rovinou: P = 1 2 C hf Q R Q R =tan F (45 2) Vodorovný D =C h Q DF =C (h+$) Q R Tření na styku klínu zeminy a sloupce zeminy nad výrubem: P =P tan Celkové zatížení stropu výrubu: =P 2P zatížení na 1 m šířky M =/# Teorie Suqueta - předpokládá, že se při výlomu tunelu může pokles stropu tunelu rozšířit až k povrchu terénu - -zemina/hornina se zaklíní a nebude na tunel působit plnou vahou - vynese se částečně klenbovým působením Tíha 1/2 nad výrubem: Obr. 6 Redukce zatížení dle Suqueta Vodorovná síla: T=C h # C OF tan(45 2) $ =T/tan(45 2)

9 Tlak na strop: = 2$ h = 2T h tan(45 2) U E kde U E je pevnost v tlaku Není-li podmínka splněna, budou na ostění působit tlaky, které nejsou způsobeny plnou tíhou, ale pouze ideální tíhou vypočtenou jako: C =C C C = U E h tan(45 2) OV#+O tan(45 2)W V Praze 2017 Vypracovala: Ing. Marie Jančičková