隧道工程》课件第10讲隧道支护结构设计计算方法的基本原理

第五章　隧道支护结构设计计算方法的基本原理地下结构的力学模型必须符合下述条件：①与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及与支护结构的接触状态；②荷载假定应与在修建洞室过程(各作业阶段)中荷载发生的情况一致；③算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致； 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理④材料性质和数学表达要等价。设计计算方法大致分为：结构力学方法、岩体力学方法、信息反馈方法及经验方法等。第三节　结构力学方法一、基本原理将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法，也称为荷载——结构法。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支撑来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。在围岩与支护结构相互作用的处理上却有几种不同的做法：主动荷载模式竖向围岩主动压力侧向围岩主动压力 第五章隧道支护构设计计算方法的基本原理主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式竖向围岩主动压力侧向围岩主动压力弹性抗力 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理实际荷载模式径向荷载切向荷载 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理二、隧道衬砌受力变形特点在主动荷载作用下，结构产生的变形用虚线表示。在拱顶，其变形背向地层，不受围岩的约束而自由变形，这个区域称为“脱离区”；而在两侧及底部，结构产生朝向地层的变形，并受到围岩的约束阻止其变形，因而围岩对衬砌产生了弹性抗力，这个区称为“抗力区”。竖向围岩主动压力侧向围岩主动压力弹性抗力脱离区 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理围岩对衬砌变形起双重作用：围岩产生主动压力使衬砌变形，又产生被动压力阻止衬砌变形。三、隧道衬砌承受的荷载(一)主动荷载1.主要荷载长期及经常作用的荷载，如围岩松动压力、支护结构的自重、地下水压力及列车、汽车活载等。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理支护结构自重：可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。对于一般的隧道结构，在含水地层中，静水压力可按最低水位考虑，由于静水压力使衬砌结构物中的轴向力加大，对抗弯性能差的混凝土衬砌结构来说，相当于改善了它的受力状态，对结构有利。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理2.附加荷载指偶然的、非经常作用的荷载，如温差应力、灌浆压力、冻胀力及地震力等。3.计算荷载应按上述两种荷载同时存在的情况进行组合。一般仅考虑主要荷载，只有在某些特殊情况时，如七级以上地震区，或严寒地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，才按主要荷载加附加荷载来检算结构。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(二)被动荷载(即围岩的弹性抗力)弹性抗力就是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。弹性抗力的大小，目前多用温克尔(Winkler)假定为基础的局部变形理论计算。局部变形假设δiσiσi局部变形理论认为应力和变形之间呈线性关系，即为围岩弹性抗力系数。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理σi=Kδi式中δi－围表面上任意一点i的压缩变形；σi－围岩在同一点上所产生的弹性抗力；K－围岩的弹性反力系数。这样假设和实际情况有出入。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。它用纵向变形系数E和横向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力和内摩擦角的影响。σi共同变形假设σi 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理四、隧道衬砌结构的计算方法隧道支护结构计算的主要内容有:按工程类比方法初步拟定断面的几何尺寸确定作用在结构上的荷载进行力学计算，求出截面的内力(弯矩M和轴向力N)检算截面的承载力 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(一)假定抗力区范围及抗力分布规律法(简称“假定抗力图形法”)假定衬砌结构周边抗力分布的范围及抗力区各点抗力变化的图形，只要知道某一特定点的弹性抗力，就可求出其它各点的弹性抗力值。这样，在求出作用在衬砌结构上的荷载后，其内力分析也就变成了通常的超静定结构问题。图为曲墙式衬砌结构采用“假定抗力图形法”求解衬砌截面内力的计算图式。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理qeehaabXY 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理这是一个在主动荷载(垂直荷载大于侧向荷载)及弹性抗力共同作用下，支承在弹性地基上的无铰高拱。拱两侧的弹性抗力按二次抛物线分布，只要知道特定点，即最大抗力点h(最大跨度处)截面的弹性抗力值σh，其它各截面的弹性抗力值可通过与h点弹性抗力值σh有关的函数关系式求出。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理当曲墙的曲率是常数或为直梁时，可采用初参数法求解结构内力一般直墙式衬砌的直边墙利用此法求解。(二)弹性地基梁法这种方法是将衬砌结构看成置于弹性地基上的曲梁或直梁。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理直墙式衬砌的拱圈和边墙分开计算。拱圈为一个弹性固定在边墙顶上的无铰平拱，边墙为一个置于弹性地基上的直梁，计算时先根据其换算长度，确定是长梁、短梁或刚性梁，然后按照初参数方法来计算墙顶截面的位移及边墙各截面的内力值。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理ObbccaaKKEJhaKalq 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(三)弹性支承法弹性支承法的基本特点是将衬砌结构离散为有限个杆系单元体，将弹性抗力作用范围内（一般先假定拱顶90~120范围为脱离区）的连续围岩，离散成若干条彼此互不相关的矩形岩柱，用一些具有一定弹性的支承来代替岩柱，并以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上，它不承受弯矩，只承受轴力。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理弹性支承的设置方向，当衬砌与围岩之间不仅能传递法向力且能传递剪切力时，则在法向和切向各设置一个弹性支承。如衬砌与围岩之间只能传递法向力时，则沿衬砌轴线设置一个法向弹性支承。但为了简化计算工作，可将弹性支承由法向设置改为水平方向设置。对于弹性固定的边墙底部用一个即能约束水平位移，又能产生转动和垂直位移的弹性支座来模拟。图为隧道衬砌结构内力分析的一般计算图式。将主动围岩压力简化为节点荷载，衬砌结构的内力计算，可采用矩阵力法或矩阵位移法，编制程序进行分析计算。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理n=109876543210123456789n=10KaKK90°～120° 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理五、衬砌截面强度检算按荷载—结构模型进行设计，最后要作截面检算。支护结构内力计算结果，可得到衬砌任一截面所受弯矩、轴力及剪力。其中弯矩和轴力是主要的，为一偏心受压杆件。e0=M/NQNMhNe0 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(一)极限状态法设计隧道结构截面检算对于承载能力极限状态正常使用极限状态 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理式中Nk——轴力标准值，由各种作用标准值计算得到；γsc——混凝土衬砌抗压检算时作用效应分项系数；γRc——混凝土衬砌构件抗压检算时抗力分项系数；——构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及回填紧密的边墙，可取＝1.0；对于其他构件，应根据其长细比查得；fck——混凝土轴心抗压强度标准值；b、h——截面宽度、厚度；α——轴向力偏心系数，可由e0/h值查得。 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理γst——混凝土衬砌构件抗裂检算时的作用效应分项系数；γRt——混凝土衬砌抗裂检算时的抗力分项系数；e0——检算截面偏心距；fctk——混凝土轴心抗拉强度标准值。混凝土衬砌构件抗压检算各分项系数分项系数深埋隧道偏压隧道明洞衬砌作用效应γsc3.951.602.67抗力γRc1.851.831.35 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理混凝土衬砌构件抗裂检算各分项系数分项系数深埋隧道偏压隧道明洞衬砌作用效应γst3.101.401.52抗力γRt1.452.512.70 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(二)按破损阶段法及允许应力法设计隧道结构截面检算抗压强度检算抗裂强度检算 第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理式中K——安全系数；N——轴向力；Ra——混凝土或砌体的抗压极限强度；Rl——混凝土的抗拉极限强度。混凝土和砌体结构的强度安全系数圬工种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载加附加荷载主要荷载主要荷载加附加荷载破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0—— 重点、难点内容1.隧道衬砌结构设计计算方法。2.结构力学法的基本原理。3.隧道衬砌计算包括的内容。4.隧道衬砌结构受力变形特点。5.作用在隧道支护结构上的荷载有哪些？6.试述弹性支承法的基本思路。7.衬砌截面的强度检算。