隧道工程之第五章隧道结构体系设计

第五章隧道结构体系设计1.隧道结构的受力特点隧道结构体系的概念受力特点1荷载的模糊性2围岩物理力学参数难以准确获得3设计参数受到施工方法和施作时间的影响很大4隧道与地面结构的不同点——弹性抗力5隧道结构体系隧道结构体系发展历史：v刚性结构阶段：压力线理论（静力学原理）；上覆岩重（不考虑围岩的自承能力）。v弹性结构阶段：地层压力+弹性抗力；松动压力（深埋）。ª假定弹性抗力阶段；弹性地基梁阶段。v连续介质阶段：岩体力学；围岩+支护体系；形变压力。ª解析法、有限元法、离散元法、边界元法、反演分析、可靠度理论随机有限元蒙特卡洛法等4种设计模型：v以工程类比为主的经验设计法；v以现场量测和试验为主的实用设计法;v作用与反作用模型，即荷载—结构模型。v连续介质模型，包括解析法和数值法。2两类计算模型：结构力学模型特点：v以支护结构作为承载主体；v围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：ª1）围岩压力：围岩分级ª2）围岩弹性抗力v围岩压力体现为松动压力；v采用结构力学方法计算。v适用于：模筑砼衬砌岩体力学模型，又称为地层—结构模型。v支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体；v支护结构约束围岩的变形；v围岩压力体现为形变压力；v围岩的初始应力场+材料非线性特性的各种参数；v采用岩体力学方法计算：解析法、有限元。v适用于：锚喷支护岩体力学方法与结构力学方法的区别(1)对围岩和围岩压力的认识上：v结构力学方法：松动压力；v岩体力学方法：形变压力。(2)在围岩和支护间的相互作用关系上：v结构力学方法：荷载－结构体系；v岩体力学方法：围岩－支护体系。 （3）在支护功能和作用原理上：v结构力学方法：支护只是承受荷载；v岩体力学方法：支护是为了稳定和加固围岩。（4）在计算方法上：v结构力学方法：确定作用在支护上的荷载；v岩体力学方法：设计的作用荷载是岩体的地应力，围岩和支护共同承担。3.围岩弹性抗力计算模型中有几种处理方式温氏假定与它有什么关系弹性抗力是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。局部变形理论和共同变形理论。局部变形理论是以温克尔假定为基础，认为应力和变形之间呈直线关系，相当于认为围岩是一组各自独立的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱，忽略变形后各弹簧的相互影响。共同变形理论是把围岩视为弹性板无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力；v以温氏假定反映抗力与节点位移的关系；v弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。1）假定抗力图形法v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；v内力分析也就变成了通常的超静定结构问题。v关键：求抗力值v适用于：曲墙、直墙式衬砌的计算2）弹性地基梁法基本特点v将衬砌结构看为置于弹性地基上的曲梁或直梁，适用：直墙式衬砌的直边墙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上的无铰平拱。边墙为一个置于弹性地基上的直梁;v计算时先根据其换算长度，确定是长梁、短梁或刚性梁，然后按照初参数法计算墙顶截面的位移及边墙各截面的内力值。3）弹性支承法将衬砌结构离散为有限个杆系单元体将弹性抗力范围内的连续岩体，离散为若干条彼此不相关的矩形岩柱，用具有一定弹性的支承代替岩柱；以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上，不承受弯矩，只承受轴力弹性支承的设置方向：法向和切向弹性支承；法向支承；水平方向设置边墙底部：弹性支座：产生转动和垂直位移，约束水平位移围岩压力简化为节点荷载；内力可用矩阵力法或矩阵位移法计算基本原理矩阵位移法又叫直接刚度法。①三种单刚◆衬砌单刚：梁单元◆抗力单刚：二力杆单元◆基础单刚：支座单元②拼总刚(结构刚度矩阵)v变形协调条件：联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移；v静力平衡条件：作用于某一节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡。③边界条件～墙基础水平位移为0; ④求解以节点位移为未知量的方程组，高斯消去法等;⑤由节点位移求出单元节点力～内力。结构刚度矩阵的特点ª对称矩阵(反力互等定理)；ª稀疏的带状矩阵，非零元素的个数一般只占元素总数的5％左右；ª是非奇异矩阵。因抗力弹簧本身就是对衬砌结构的约束，故衬砌结构不能作刚体移动。4收敛-约束法（岩土力学方法）基本原理v收敛：隧道开挖无支护时，围岩向洞室内挤入而产生的变形；v约束：施加支护后，支护约束了围岩的变形。围岩压力与支护抗力相等。v位移变形：弹性变形：不需要支护，围岩自承能力塑性变形：需要支护。v可见：岩体作为支护结构的组成部分，与支架构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。收敛-约束法就是以地层收敛线与支护限制线交于一点为依据的支护设计方法。 5衬砌截面强度检算按破损阶段检算构件截面强度。偏心受压构件的极限承载力，抗裂验算，地基容许承载力6洞门检算洞门可视作挡土墙，按计算挡土墙的方法进行计算。v计算处理：①主动土压力按库仑理论进行计算；②无论墙背仰斜或直立，土压力的作用方向均假定为水平；③不考虑被动土压力。④取最不利位置的墙体条带计算，称为“检算条带”，条带宽度一般为1m，最不利位置～墙体最高点。计算内容：①墙身偏心及强度；②绕墙趾的抗倾覆性(墙趾～墙身外表面与基底面的交点)；③沿基底滑动的稳定性；④基底应力检算。7荷载及其分类主动荷载主要荷载：指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、衬砌自重、回填土荷载、地下水压力、车辆活载等；附加荷载：指非经常作用的荷载，有灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力、温差应力以及地震力等。被动荷载：是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。荷载组合：结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本）结构自重＋土压力＋公路车辆荷载＋附加恒载结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载＋温度作用力结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用