隧道工程》課件第10講隧道支護結構設計計算方法的基本原理.ppt

第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,地下結構的力學模型必須符合下述條件： 與實際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實際狀態(tài)以及與支護結構的接觸狀態(tài)； 荷載假定應與在修建洞室過程(各作業(yè)階段)中荷載發(fā)生的情況一致； 算出的應力狀態(tài)要與經過長時間使用的結構所發(fā)生的應力變化和破壞現(xiàn)象一致；,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理, 材料性質和數(shù)學表達要等價。 設計計算方法大致分為：結構力學方法、巖體力學方法、信息反饋方法及經驗方法等。,第三節(jié) 結構力學方法,一、基本原理,將支護和圍巖分開考慮，支護結構是承載主體，地層對結構的作用只是產生作用在地下結構上的荷載，以計算襯砌在荷載作用下產生的內力和變形的方法，也稱為荷載結構法。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,其設計原理是按圍巖分級或由實用公式確定圍巖壓力，圍巖對支護結構變形的約束作用是通過彈性支撐來體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支撐的約束能力時間接考慮。,在圍巖與支護結構相互作用的處理上卻有幾種不同的做法：,主動荷載模式,第五章 隧道支護構設計計算方法的基本原理,主動荷載加被動荷載(彈性抗力)模式,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,實際荷載模式,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,二、隧道襯砌受力變形特點,在主動荷載作用下，結構產生的變形用虛線表示。在拱頂，其變形背向地層，不受圍巖的約束而自由變形，這個區(qū)域稱為 “脫離區(qū)”；而在兩側及底部，結構產生朝向地層的變形，并受到圍巖的約束阻止其變形，因而圍巖對襯砌產生了彈性抗力，這個區(qū)稱為 “抗力區(qū)”。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,圍巖對襯砌變形起雙重作用：圍巖產生主動壓力使襯砌變形，又產生被動壓力阻止襯砌變形。,三、隧道襯砌承受的荷載,(一)主動荷載,1.主要荷載,長期及經常作用的荷載，如圍巖松動壓力、支護結構的自重、地下水壓力及列車、汽車活載等。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,支護結構自重：可按預先擬定的結構尺寸和材料容重計算確定。,對于一般的隧道結構，在含水地層中，靜水壓力可按最低水位考慮，由于靜水壓力使襯砌結構物中的軸向力加大，對抗彎性能差的混凝土襯砌結構來說，相當于改善了它的受力狀態(tài)，對結構有利。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,2.附加荷載,指偶然的、非經常作用的荷載，如溫差應力、灌漿壓力、凍脹力及地震力等。,3.計算荷載,應按上述兩種荷載同時存在的情況進行組合。一般僅考慮主要荷載，只有在某些特殊情況時，如七級以上地震區(qū)，或嚴寒地區(qū)凍脹性土壤的洞口段襯砌，才按主要荷載加附加荷載來檢算結構。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,(二)被動荷載(即圍巖的彈性抗力),彈性抗力就是指由于支護結構發(fā)生向圍巖方向的變形而引起的圍巖對支護結構的約束反力。,彈性抗力的大小，目前多用溫克爾(Winkler) 假定為基礎的局部變形理論計算。,局部變形理論認為應力和變形之間呈線性關系，即為圍巖彈性抗力系數(shù)。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,i=Ki,式中 i圍表面上任意一點i的壓縮變形；,i圍巖在同一點上所產生的彈性抗力；,K圍巖的彈性反力系數(shù)。,這樣假設和實際情況有出入。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質點之間變形的相互影響。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)表示地層特征，并考慮粘結力和內摩擦角的影響。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,四、隧道襯砌結構的計算方法,隧道支護結構計算的主要內容有:,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,(一)假定抗力區(qū)范圍及抗力分布規(guī)律法(簡稱“假定抗力圖形法”),假定襯砌結構周邊抗力分布的范圍及抗力區(qū)各點抗力變化的圖形，只要知道某一特定點的彈性抗力，就可求出其它各點的彈性抗力值。這樣，在求出作用在襯砌結構上的荷載后，其內力分析也就變成了通常的超靜定結構問題。,圖為曲墻式襯砌結構采用“假定抗力圖形法”求解襯砌截面內力的計算圖式。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,這是一個在主動荷載(垂直荷載大于側向荷載)及彈性抗力共同作用下，支承在彈性地基上的無鉸高拱。拱兩側的彈性抗力按二次拋物線分布，只要知道特定點，即最大抗力點h(最大跨度處)截面的彈性抗力值h，其它各截面的彈性抗力值可通過與h點彈性抗力值h有關的函數(shù)關系式求出。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,當曲墻的曲率是常數(shù)或為直梁時，可采用初參數(shù)法求解結構內力一般直墻式襯砌的直邊墻利用此法求解。,(二) 彈性地基梁法,這種方法是將襯砌結構看成置于彈性地基上的曲梁或直梁。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,直墻式襯砌的拱圈和邊墻分開計算。拱圈為一個彈性固定在邊墻頂上的無鉸平拱，邊墻為一個置于彈性地基上的直梁，計算時先根據其換算長度，確定是長梁、短梁或剛性梁，然后按照初參數(shù)方法來計算墻頂截面的位移及邊墻各截面的內力值。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,(三)彈性支承法,彈性支承法的基本特點是將襯砌結構離散為有限個桿系單元體，將彈性抗力作用范圍內（一般先假定拱頂90120范圍為脫離區(qū)）的連續(xù)圍巖，離散成若干條彼此互不相關的矩形巖柱，用一些具有一定彈性的支承來代替巖柱，并以鉸接的方式支承在襯砌單元之間的節(jié)點上，它不承受彎矩，只承受軸力。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,彈性支承的設置方向，當襯砌與圍巖之間不僅能傳遞法向力且能傳遞剪切力時，則在法向和切向各設置一個彈性支承。如襯砌與圍巖之間只能傳遞法向力時，則沿襯砌軸線設置一個法向彈性支承。但為了簡化計算工作，可將彈性支承由法向設置改為水平方向設置。對于彈性固定的邊墻底部用一個即能約束水平位移，又能產生轉動和垂直位移的彈性支座來模擬。圖為隧道襯砌結構內力分析的一般計算圖式。將主動圍巖壓力簡化為節(jié)點荷載，襯砌結構的內力計算，可采用矩陣力法或矩陣位移法，編制程序進行分析計算。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,五、襯砌截面強度檢算,按荷載結構模型進行設計，最后要作截面檢算。支護結構內力計算結果，可得到襯砌任一截面所受彎矩、軸力及剪力。其中彎矩和軸力是主要的，為一偏心受壓桿件。,e0=M/N,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,(一)極限狀態(tài)法設計隧道結構截面檢算,對于承載能力極限狀態(tài),正常使用極限狀態(tài),第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,式中Nk軸力標準值，由各種作用標準值計算得到； sc混凝土襯砌抗壓檢算時作用效應分項系數(shù)； Rc混凝土襯砌構件抗壓檢算時抗力分項系數(shù)； 構件縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌、明洞拱圈及回填緊密的邊墻，可取 1.0；對于其他構件，應根據其長細比查得； fck混凝土軸心抗壓強度標準值； b、 h截面寬度、厚度； 軸向力偏心系數(shù)，可由e0/h值查得。,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,st混凝土襯砌構件抗裂檢算時的作用效應分項系數(shù)； Rt混凝土襯砌抗裂檢算時的抗力分項系數(shù)； e0檢算截面偏心距； fctk混凝土軸心抗拉強度標準值。,混凝土襯砌構件抗壓檢算各分項系數(shù),第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,混凝土襯砌構件抗裂檢算各分項系數(shù),第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,(二)按破損階段法及允許應力法設計隧道結構截面檢算,抗壓強度檢算,抗裂強度檢算,第五章 隧道支護結構設計計算方法的基本原理,式中 K安全系數(shù)； N軸向力；