Building/calc/laba8.py

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Лаба 8. Расчет временной крепи тоннеля: анкерная крепь и набрызг-бетон.
Формулы методички; проверка на её числовых примерах.

Замечания к примерам методички:
- объём набрызг-бетона в примере V_нб = 20,2·3,0·12,6 = 763,56 «м3» получен
  без перевода толщины из см в м; корректно 7,64 м3 (в примере, видимо, литры);
- диаметр стержня по формуле d = 2*sqrt(10*P/(pi*R_a)) считается при P в кН
  и R_a в МПа, результат в см.
"""

from math import pi, sqrt, ceil, floor


def rup(x, n=2):
    p = 10 ** n
    return floor(x * p + 0.5) / p


# ---------------------------------------------------------------- анкерная крепь

def anchor(f, k_t, B, rho, l_zah, l_z=0.30, d_st=0.018, tau=45e5,
           l_k=0.10, R_a=225, L_a=None):
    """Анкерная крепь. Возвращает словарь параметров."""
    out = {}
    l_p = rup(0.75 * B * k_t / f, 2)                       # рабочая длина, м
    l_a = rup(l_p + l_z + l_k, 2)                          # общая длина, м
    N = rup(1e-3 * pi * l_z * d_st * tau, 1)               # прочность замка, кН
    a_n = rup(sqrt(N / (15 * rho * l_p)), 2)               # предельное расстояние, м
    cond = a_n <= l_p
    # корректировка по методичке: a кратно длине заходки l_зах —
    # на длине заходки укладывается целое число пролётов a = l_зах / n
    a_max = min(a_n, l_p)
    n_span = ceil(l_zah / a_max)
    a = round(l_zah / n_span, 2)
    P = rup(15 * rho * a ** 2 * l_p, 1)                    # нагрузка на анкер, кН
    d = rup(2 * sqrt(10 * P / (pi * R_a)), 2)              # диаметр стержня, см
    if L_a is None:
        L_a = rup(pi * B / 2, 1)                           # периметр свода, м
    n_a = round(L_a * l_zah / a ** 2)                      # анкеров на заходку
    out.update({
        "l_p": l_p, "l_a": l_a, "N": N, "a_n": a_n,
        "a_n<=l_p": cond, "a": rup(a, 2), "P": P, "d_см": d, "L_a": L_a, "n_a": n_a,
    })
    return out


# ---------------------------------------------------------------- набрызг-бетон

def shotcrete(f, gamma, a, klass="В30", arm=True, glin=True,
              tresh="трещиноватые", sochet="анкерами", l_sv=20.2, l_zah=3.0,
              q_p=None):
    """Набрызг-бетон в сочетании с анкерами или арками."""
    out = {}
    m1 = 0.7 if glin else 1.0
    m2 = 0.7 if tresh == "слаботрещиноватые" else 0.5
    m = rup(m1 + m2, 1)
    R_bt = {("В25", True): 1.2, ("В30", True): 1.4, ("В40", True): 1.6,
            ("В25", False): 1.0, ("В30", False): 1.2, ("В40", False): 1.4}[(klass, arm)]
    n1 = 0.6 if sochet == "анкерами" else 0.7
    n2 = 0.37 if sochet == "анкерами" else 0.25
    # k_2 по таблице (расстояние между анкерами/арками 0,5/1,0/1,5/2,0)
    k2_table = (
        (2,  (0.3, 0.2, 0.2, 0.1)),
        (3,  (0.5, 0.4, 0.3, 0.2)),
        (4,  (1.0, 0.9, 0.8, 0.6)),
        (10, (1.0, 1.0, 0.9, 0.8)),
    )
    col = min(range(4), key=lambda i: abs([0.5, 1.0, 1.5, 2.0][i] - a))
    k2 = next(v for fmax, v in k2_table if f <= fmax)[col]
    q_pr = rup(n2 * gamma * a, 1)                          # нагрузка от вывала, кН/м2
    h = rup(10 * n1 * a * sqrt(q_pr / (m * k2 * R_bt)), 1)  # толщина, см
    V_nb = rup(l_sv * l_zah * h / 100, 2)                  # объем на цикл, м3
    out.update({"m": m, "R_bt": R_bt, "k2": k2, "q_p'": q_pr, "h_см": h, "V_нб": V_nb})
    return out


VARIANTS = {
    # n: (f, степень трещиноватости, выветриваемость, обводненность, тип крепи)
    1:  (8, "слаботрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с анкерами"),
    2:  (4, "трещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с арками"),
    3:  (6, "нетрещиноватые", "невыветриваемые", "капеж и течи", "набрызг-бетон с анкерами"),
    4:  (6, "слаботрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "анкер"),
    5:  (8, "нетрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с арками"),
    6:  (6, "трещиноватые", "склонные к выветриванию", "капеж и течи", "анкер"),
    7:  (3, "трещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с анкерами"),
    8:  (8, "слаботрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "анкер"),
    9:  (2, "сильнотрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с арками"),
    10: (5, "нетрещиноватые", "невыветриваемые", "сухие и влажные", "анкер"),
    11: (8, "нетрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "анкер"),
    12: (4, "слаботрещиноватые", "невыветриваемые", "капеж и течи", "набрызг-бетон с арками"),
    13: (2, "раздробленные", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с арками"),
    14: (6, "слаботрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с анкерами"),
    15: (7, "слаботрещиноватые", "невыветриваемые", "сухие и влажные", "анкер"),
    16: (5, "трещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с арками"),
    17: (6, "нетрещиноватые", "невыветриваемые", "сухие и влажные", "набрызг-бетон с арками"),
    18: (8, "нетрещиноватые", "склонные к выветриванию", "капеж и течи", "набрызг-бетон с анкерами"),
    19: (10, "нетрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "анкер"),
    20: (6, "нетрещиноватые", "склонные к выветриванию", "сухие и влажные", "анкер"),
}

K_T = {"нетрещиноватые": 1.0, "слаботрещиноватые": 1.5, "трещиноватые": 2.0,
       "сильнотрещиноватые": 2.5, "раздробленные": 3.0}


if __name__ == "__main__":
    import sys

    if len(sys.argv) > 1 and sys.argv[1] == "ex":
        print("=== Пример методички: анкеры (f=6, слаботрещиноватые, B=10, rho=2.0, l_зах=3) ===")
        r = anchor(6, 1.5, 10, 2.0, 3.0, l_z=0.42, L_a=17.0)
        for k, v in r.items():
            print(f"  {k:10} = {v}")
        print("=== Пример методички: набрызг-бетон с анкерами (f=6, a=1.0, gamma=20, глинозем., трещин.) ===")
        r = shotcrete(6, 20, 1.0)
        for k, v in r.items():
            print(f"  {k:10} = {v}")
    else:
        n = int(sys.argv[1]) if len(sys.argv) > 1 and sys.argv[1].isdigit() else 6
        f, tr, *_ = VARIANTS[n]
        # параметры выработки — из лабы №6 (вариант 6): B=4,53 м; l_зах=3,0 м;
        # rho=2,1 т/м3 — по табл. 1.1 методички лабы №8 для III категории (1,9–2,5 т/м3)
        print(f"=== Вариант {n}: f={f}, {tr}, крепь: {VARIANTS[n][4]} ===")
        print("Выработка: B = 4,53 м; l_зах = 3,0 м; rho = 2,1 т/м3 (III категория, табл. 1.1)")
        if VARIANTS[n][4] == "анкер":
            r = anchor(f, K_T[tr], 4.53, 2.1, 3.0)
        else:
            soch = "анкерами" if "анкерами" in VARIANTS[n][4] else "арками"
            r = shotcrete(f, 21, 1.0, sochet=soch, l_sv=9.1, l_zah=3.0)
        for k, v in r.items():
            print(f"  {k:10} = {v}")