Ο ρόλος της διεπιφάνειας Γεωυλικού - Σκυροδέματος στην Ανάλυση των Σηράγγων

Abstract

Βασικό κομμάτι της μελέτης των σηράγγων και των υπόγειων εκσκαφών αποτελεί η σωστή εκτίμηση κάθε είδους φορτίσεως που μπορεί να επιδράσει πάνω στην επένδυση αυτών. Τέτοιες φορτίσεις μπορεί να προέρχονται από πιέσεις λόγω αποτόνωσης του περιβάλλοντος εδάφους, από σεισμική δραστηριότητα, από υδροστατικές πιέσεις του υπόγειο υδροφορέα και από άλλες φορτίσεις δυναμικής φύσεως. Η σωστή εκτίμηση των φορτίσεων αυτών, λοιπόν, επιτρέπει τον βέλτιστο και οικονομικότερο σχεδιασμό της επένδυσης μιας σήραγγας, από σκυρόδεμα, επιλέγοντας το πλέον κατάλληλο πάχος αυτής και το αντίστοιχο ποσοστό οπλισμού. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σκοπό να μελετήσει την επιρροή των συνθηκών συνάφειας του τοιχώματος της εκσκαφής που βρίσκεται σε επαφή με την εξωτερική πλευρά της επένδυσης στη φόρτιση, στα εντατικά μεγέθη και στις μετακινήσεις που αναπτύσσονται κατά τη διάνοιξη. Το πρόβλημα μελετήθηκε τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο αριθμητικών προσομοιώσεων, καθώς η μέχρι τώρα τυπική θεώρηση στις αριθμητικές αναλύσεις επέβαλε πλήρη συνάφεια στην διεπιφάνεια εδάφους – επένδυσης. Αρχικά λοιπόν αναφέρονται κάποια θεωρητικά στοιχεία για την διεπιφάνεια βράχου - σκυροδέματος και των παραμέτρων που επηρεάζουν την αντοχή της. Έπειτα παρουσιάζονται αποτελέσματα από εργαστηριακές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν από τους Malmgren et al. (2005), για τον προσδιορισμό της μέγιστης διατμητικής αντοχής και της δυστμησίας της διεπιφάνειας σκυροδέματος – βράχου για διάφορους τύπους πετρωμάτων και επιφανειών αυτών, καθώς επίσης και από αντίστοιχες αριθμητικές αναλύσεις πάνω σε σήραγγες ορυχείων στη Σουηδία, από τον ίδιο ερευνητή. Στη συνέχεια περιγράφονται οι κλειστές ελαστικές αναλυτικές λύσεις των Einstein and Schwartz (1979) για την εκτίμηση των αξονικών δυνάμεων, των καμπτικών ροπών και των μετακινήσεων στην παρειά επένδυσης σήραγγας που διανοίγεται σε πλήρως ελαστικό έδαφος υπό συμμετρικό πεδίο φόρτισης και χωρίς φάση αποτόνωσης, για τις ακραίες περιπτώσεις της μηδενικής και της πλήρους συνάφειας εδάφους – επένδυσης. Μάλιστα, γίνεται αναφορά και στις τροποποιημένες σχέσεις τους, την αμέσως επόμενη χρονιά (1980), όπου πλέον λαμβάνεται υπόψη και η αποτόνωση, στον υπολογισμό των εντατικών μεγεθών της επένδυσης. Για την σύγκριση των κλειστών, ελαστικών αναλυτικών λύσεων των Einstein and Schwartz με αριθμητικές αναλύσεις, καταστρώθηκε διδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης με τη βοήθεια του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS v6.10. Στο 3ο Κεφάλαιο, λοιπόν, της παρούσας διπλωματικής εργασίας, περιγράφονται οι μέθοδοι προσομοίωσης της συμπεριφοράς της διεπιφάνειας εδάφους – επένδυσης και οι παράμετροι αντοχής αυτής που εισάγονται στα input files για την, κατά το δυνατόν, περισσότερο ρεαλιστική προσομοίωση. Μάλιστα κατασκευάστηκαν, με τη βοήθεια του λογισμικού ANSYS v13.0, δύο διαφορετικοί κάναβοι πεπερασμένων στοιχείων, για σύγκριση των αποτελεσμάτων, με την επιλογή του πλέον κατάλληλου με τα περισσότερο ακριβή αποτελέσματα. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των αριθμητικών λύσεων με τα αντίστοιχα των κλειστών λύσεων Einstein and Schwartz, έδωσε πολύ ικανοποιητικές προσεγγίσεις, αποδεικνύοντας την καλή λειτουργία των υπό προσομοίωση νόμων διεπιφάνειας στον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Στο κυριότερο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, πραγματοποιείται ένα σύνολο 64 αριθμητικών αναλύσεων, για δύο ύψη υπερκειμένων και δύο τύπους εδαφικού υλικού, προσομοιώνοντας ρεαλιστικές συνθήκες συνάφειας μεταξύ εδάφους και επένδυσης από σκυρόδεμα, στηριγμένες τόσο σε πειραματικά δεδομένα, όσο και στην εμπειρία. Σκοπός των αναλύσεων ήταν να αποσαφηνιστεί ακόμα περισσότερο ο ρόλος της διεπιφάνειας στα εντατικά και παραμορφωσιακά μεγέθη της επένδυσης, να εκτιμηθεί η επιρροή της εκάστοτε δυστμησίας της διεπιφάνειας σε αυτά και να προσδιοριστεί το κατά πόσο η θεώρηση, στις μέχρι τώρα αριθμητικές αναλύσεις, της πλήρους συνάφειας διεπιφάνειας, υπερεκτιμά ή υποεκτιμά τα εντατικά μεγέθη στην επένδυση. Παρόλο, λοιπόν, που δεν προέκυψαν σημαντικές διαφορές στις πιέσεις και στα εντατικά μεγέθη της επένδυσης, για τις διάφορες ενδιάμεσες τιμές δυστμησίας διεπιφάνειας, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικές υπερεκτιμήσεις στις αξονικές δυνάμεις στην επένδυση όταν είχε θεωρηθεί πλήρης συνάφεια στην διεπιφάνεια εδάφους – επένδυσης. Στο τελευταίο κομμάτι της παρούσας εργασίας, επιδιώκεται η προσομοίωση, με τον κώδικα ABAQUS, του αρχικού κενού μεταξύ εδάφους και υποστήριξης, κατά την διάνοιξη με μηχάνημα ολομέτωπης κοπής (ΤΒΜ), και ο προσδιορισμός του πιθανού βαθμού επιρροής του κενό αυτού, στα τελικά φορτία στην επένδυση. Πραγματοποιούνται, λοιπόν, αριθμητικές αναλύσεις και επιτυγχάνεται αρκετά ρεαλιστική προσομοίωση του φαινομένου.

The correct estimation of the loading that may act on tunnel lining is a significant part of the tunnel and underground excavations design. Such loads may come from the pressure of the surrounding soil, seismic activity, hydrostatic pressure and other dynamic forces. The realistic estimation of these loads, leads to the optimum and economical design of a tunnel lining, choosing the appropriate lining thickness and percentage of steel reinforcement. The present thesis aims to study the effect of the adhesion between the soil and the outer surface of the tunnel lining, on the loading, the stress state and the displacements of the tunnel lining, during the excavation. The problem was investigated using theoretical, as well as, numerical approaches. It is noted that the typical approach in tunnel analysis is that no sliding the ground – support interface is taken into account. First of all, some theoretical data regarding the soil – lining interface are presented, as well as the parameters that affect its strength. Then, results from laboratory test deployed by Malmgren et al. (2005) on the estimation of the ultimate shear strength and shear stiffness of the concrete – soil surface, for various types of rocks and surfaces, are shown, as well as results from numerical studies, also deployed by the same scientists. Afterwards, the closed, elastic, analytical solutions proposed by Einstein and Schwartz (1979), which estimate the axial forces, bending moments and displacements on the support springline, are described. This method assumes the case of a tunnel excavated in elastic ground, under symmetric loading, without confinement stage, for the extreme cases of no adhesive interface and no slipping interface. In addition, a reference to their modified solutions, deployed a year after (1980), is made, which takes into account the tunnel confinement for the calculation of the lining stress state. A two-dimensional finite element model was created, with the finite-element code ABAQUS v6.10, in order to compare the Einstein and Schwartz elastic solutions with the numerical analyses results. In the 3rd chapter of the thesis, the methods that could be used to simulate the ground – support interface behavior, are described. Moreover the corresponding strength parameters for the realistic simulation of the problem are described. Two different finite – element grids were developed to estimate the sensitivity of the results to the geometry and the density of the FE mesh. The comparison of the results with the Einstein and Schwartz closed solutions, resulted to satisfactory convergence. In the main part of the present diploma thesis, a total number of 64 numerical analyses was carried out, for two overburden heights and two ground types, simulating realistic adhesion state between soil and concrete support, based on laboratory tests results and empirical data. Aim of these numerical analyses was to make clearer the effect the ground – support interface has on the lining stress - strain state, as well as to determine the effect of the shear stiffness on it, and finally to define if the consideration of a no slip interface, as it is usually assumed, overestimates or underestimates the lining stress state. Even though no significant deviations on support pressures and stress state, were observed, for the various interface shear stiffness values that were used, the results concluded in rather significant overestimations of the axial forces in concrete lining, in the case of a no slip ground – support interface. In the last part of the present thesis, the simulation of the initial space between ground and support, during tunnel excavation with a Tunnel Boring Machine (TBM) is investigated, via numerical analyses, in addition to the definition of the effect this particular initial space has, on the final loads on the support. Numerical analyses are performed, and a realistic simulation of this phenomenon is achieved.