Numerical determination of load of a model tunnel lining, taking into account different heights of soil backfill

• Autorzy: Szklennik Paweł

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.141886

Warianty tytułu

PL

Numeryczne określanie obciążenia modelowej obudowy tunelowej z uwzględnieniem różnych wysokości nadkładu gruntu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an analysis of determining the load of a model tunnel lining in a noncohesive soil medium at two different heights of soil backfill above the structure. A series of simulations were performed with the flexible and rigid tunnel lining. The analysis was performed by conducting simulations with the use of an author’s program based on the discrete element method. The model previously calibrated on the basis of laboratory tests was used. The loads acting on the structure, the distribution of stresses in the surrounding soil medium and the displacements of this medium in the vicinity of the structure were determined and compared. The effect of soil weight and technological load applied from the surface was taken into account. The values of the numerically obtained loads of the tunnel lining were compared with those calculated according to the classic Hewett’s method. It has been proven that in both cases the degree of cooperation between the structure and soil is significantly related to the rigidity of the structure, hence the loads determined may differ significantly from the results obtained according to classical methods. It was shown that discrete modelling allows to reflect differences in the behaviour of the soil medium resulting from different heights of soil backfill. Smaller horizontal pressure was obtained in the side zones of an excavation at a higher backfill. In addition, significantly greater intensity of vertical soil displacements over the lining were observed with a lower backfill height.

PL

W pracy przedstawiono analizę wyznaczania obciążenia modelowej obudowy tunelowej w niespoistym ośrodku gruntowym przy różnych wysokościach nadkładu gruntu nad konstrukcją. W obu przypadkach przeprowadzono szereg symulacji przy konstrukcji obudowy wiotkiej i sztywnej. Analizy dokonano prowadząc symulacje z wykorzystaniem autorskiego programu opartego na metodzie elementów dyskretnych. Wykorzystano model skalibrowany wcześniej na podstawie badań laboratoryjnych. Określono i porównano obciążenia działające na obudowę, rozkład naprężeń w otaczającym ją ośrodku gruntowym oraz przemieszczenia tego ośrodka w otoczeniu konstrukcji. Uwzględniono działanie ciężaru gruntu oraz obciążenia technologicznego zadawanego z powierzchni. Wartości uzyskiwanych numerycznie obciążeń obudowy porównano z obliczonymi według klasycznej metody Hewetta.

Słowa kluczowe

EN

discrete element method; cylindrical tunnel lining; underground tunnel; load; soil backfill

PL

metoda elementów dyskretnych; obudowa walcowa; obudowa tunelu; tunel podziemny; obciążenie; nadkład gruntu

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 3
• Strony: 289--305
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Szklennik Paweł

• Military University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Geodesy, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9383-858X

Bibliografia

• [1] B.H.M. Hewett, S. Johanneson, Schild und Druckluft Tunnelbau. Düsseldorf: Werner Verlag, 1964.
• [2] H. Stamatello, Tunele i miejskie budowle podziemne. Warszawa: Arkady, 1970.
• [3] S.S. Dawydow, Obliczanie i projektowanie konstrukcji podziemnych. Warszawa: MON, 1954.
• [4] PN-G-05020:1997 - Podziemne wyrobiska korytarzowe i komorowe - Obudowa sklepiona - Zasady projektowania i obliczeń statycznych.
• [5] E. Świst, Hydrotechniczne i komunikacyjne budowle podziemne. Bielsko-Biała: Wydawnictwo STO, 2006.
• [6] J. Bartoszewski, S. Lessaer, Tunele i przejścia podziemne w miastach. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łaczności, 1971.
• [7] R.W. Abbett, American Civil Engineering Practice. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1956.
• [8] Ł. Widuliński, J. Kozicki, J. Tejchman, “Numerical Simulations of Triaxial Test with Sand Using DEM”, Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, 2009, vol. 56, no. 3-4, pp. 149-172.
• [9] Y. Yan, S. Ji, “Discrete element modeling of direct shear tests for a granular material”, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2010, vol. 34, no. 9, pp. 978-990, DOI: 10.1002/nag.848.
• [10] P. Szklennik, „Analiza numeryczna interakcji modelowej obudowy tunelowej z gruntem niespoistym”, Biuletyn WAT, 2019, vol. 68, no. 1, pp. 175-195, DOI: 10.5604/01.3001.0013.1479.
• [11] P.A. Cundall, O.D.L. Strack, “A discrete numerical model for granular assemblies”, Géotechnique, 1979, vol. 29, no. 1, pp. 47-65, DOI: 10.1680/geot.1979.29.1.47.
• [12] F. Bourrier, F. Nicot, F. Darve, “Evolution of the micromechanical properties of impacted granular materials”, Comptes Rendus Mecanique, 2010, vol. 338, no. 10-11, pp. 639-647, DOI: 10.1016/j.crme.2010.09.007.
• [13] L. Wu, T. Guan, “Discrete element model for analysis of chamber pressure of earth pressure balance shield machine” in Proceedings of 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), Wuhan. 2010, pp. 671-674, DOI: 10.1109/MACE.2010.5535730.
• [14] P. Szklennik, “Numeryczne analizy bezpośredniego ścinania gruntu niespoistego z zastosowaniem metody elementów dyskretnych”, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 2012, vol. 3, no. 4, pp. 211-216.
• [15] Y. Wang, F. Tonon, “Calibration of a discrete element model for intact rock up to its peak strength”, Int. J. Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2010, vol. 34, no. 5, pp. 447-469, DOI: 10.1002/nag.811.
• [16] C. Müller, T. Frühwirt, D. Haase, R. Schlegel, H. Konietzky, “Modeling deformation and damage of rock salt using the discrete element method”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018, vol. 103, pp. 230-241, DOI: 10.1016/j.ijrmms.2018.01.022.
• [17] S. Hentz, L. Daudeville, F.V. Donzé, “Identification and validation of a discrete element model for concrete”, ASCE Journal of Engineering Mechanics, 2004, vol. 130, no. 6, pp. 709-719, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2004)130:6(709).
• [18] B. Beckmann, K. Schicktanz, M. Curbach, “Discrete Element simulation of concrete fracture and crack evolution”, Beton und Stahlbetonbau, 2018, vol. 113, pp. 91-95, DOI: 10.1002/best.201800045.
• [19] K. Han, D. Peric, A.J.L. Crook, D.R.J. Owen, “A combined finite/discrete element simulation of shot peening processes - Part I: studies on 2D interaction laws”, Engineering Computations, 2000, vol. 17, no. 5, pp. 593-620, DOI: 10.1108/02644400010339798.
• [20] E. Oñate, J. Rojek, “Combination of discrete element and finite element methods for dynamic analysis of geomechanics problems”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2004, vol. 193, no. 27-29, pp. 3087-3128, DOI: 10.1016/j.cma.2003.12.056.
• [21] J. Rojek, Modelowanie i symulacja komputerowa złożonych zagadnień mechaniki nieliniowej metodami elementów skończonych i dyskretnych. Warszawa: IPPT PAN, 2007.
• [22] M. Lätzel, “From microscopic simulations towards a macroscopic description of granular media”, PhD thesis, University of Stuttgart, Stuttgart, 2003.
• [23] C. Miehe, J. Schröder, M. Becker, “Computational homogenization analysis in finite elasticity: Material and structural instabilities on the micro- and macro-scales of periodic composites and their interaction”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2002, vol. 191, no. 44, pp. 4971-5005, DOI: 10.1016/S0045-7825(02)00391-2.
• [24] E. Ramm, G.A. D’Addetta, M. Leukart, “Interrelations between continuum and discontinuum models for geomaterials”, presented at VII International Conference on Computational Plasticity COMPLAS, Barcelona, 2003.
• [25] S. Nemat-Nasser, M. Hori, Micromechanics: overall properties of heterogeneous materials. Amsterdam: North Holland, 1993.
• [26] R. Christensen, Mechanics of composite materials. New York: John Wiley, 1979.
• [27] P. Szklennik, “Identyfikacja parametrów modelu numerycznego obudowy tunelowej w gruncie niespoistym”, Biuletyn WAT, 2018, vol. 67, no. 4, pp. 41-58, DOI: 10.5604/01.3001.0012.8484.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).