第6章-隧道結構計算

1、《隧 道 工 程》,第六章 隧道結構計算,6.4 隧道洞門計算,第6章 隧道結構計算,,6.3 巖體力學方法,6.1 隧道結構體系的計算模型-重點/掌握,6.2 結構力學方法,6.5 襯砌截面強度檢算,6.1.1 隧道工程的受力特點,1.荷載的模糊性,2.圍巖物理力學參數(shù)難以準確獲得,3.圍巖壓力承載體系,◆ 圍巖不僅是荷載，同時又是承載體  ◆ 地層壓力由圍巖和支護結構共同承受  ◆

2、 充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性,4.設計參數(shù)受施工方法和施作時機的影響很大,5.隧道與地面結構受力的不同點—圍巖抗力的存在,,,6.1 隧道結構體系的計算模型,6.1.2 隧道結構體系的計算模型,1.結構力學模型,特點： ◆ 以支護結構作為承載主體；  ◆ 圍巖對支護結構的作用間接地體現(xiàn)為兩點：      ①圍巖壓力； ②圍巖彈性抗力。  

3、;◆ 采用結構力學方法計算。 適用于：模筑砼襯砌,分為結構力學模型（荷載-結構模式）和巖體力學模型（地層模式）?！?,6.1 隧道結構體系的計算模型,,§ 荷載結構法,先給出地層對結構的荷載（土、水壓力），再按結構力學方法計算。,方法：,關鍵是荷載的確定方法。,6,圖4-2 荷載—結構模型,2.巖體力學模型,特點：◆ 支護結構與圍巖視為一體，共同承受荷載，且以 圍巖作為承載主體；◆ 支護結構約束圍巖的變形；◆

4、 采用巖體力學方法計算；◆ 圍巖體現(xiàn)為形變壓力。 適用于：錨噴支護,,6.1 隧道結構體系的計算模型,,§ 地層結構法,將地層與結構視為一整體來進行分析，考慮地層-結構的共同作用。,,,,8,3.計算模型詳細比較,6.2.1 基本原理,支護和圍巖分開考慮，支護是承載的主體，視圍巖為荷載來源和支護的彈性支承，荷載處理有三種模式:主動荷載，主動荷載+被動抗力，實際荷載。,1 主動荷載模式,適于軟弱巖層，如：,明挖地鐵

5、明洞工程,,6.2 結構力學方法,2 主動荷載+彈性抗力模式,適于各類圍巖在實際應用中，該模式基本能反映出支護結構的實際受力狀況。,,6.2 結構力學方法,3 實際荷載模式,它采用量測儀器實地量測作用在襯砌上的荷載值，某種實測荷載只能適用于類似情況。,,6.2 結構力學方法,6.2.2 隧道襯砌受力變形的特點,設圍巖垂直壓力大于側向壓力， 則存在拱頂脫離區(qū)，兩側 抗力區(qū)。,,6.2 結構力學方法,6.2.3 隧道襯砌荷載分類,(1)

6、 主動荷載,主要荷載：圍巖壓力、支護結構自重、回填土荷載、地下靜水壓力及車輛活載等。,附加荷載：凍脹壓力、地震力等。,被動荷載是指圍巖的彈性抗力，計算有共同變形理論和局部變形理論。,(2) 被動荷載,,6.2 結構力學方法,共同變形理論：把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質(zhì)點之間的相互影響。其所需圍巖物理力學參數(shù)較多，而且計算頗為繁雜，因而我國很少采用。,假設：地基為一均質(zhì)、連續(xù)、彈性的半無限體。優(yōu)點：①反映了地基的連續(xù)整體性；

7、②從幾何上、物理上對地基進行了簡化，因而可以把彈性力學中有關半無限彈性體的經(jīng)典問答已知結論作為計算的基礎。,2. 半無限體彈性地基模型,缺點：①彈性假設沒有反映土體的非彈性性質(zhì)；②均質(zhì)假設沒有反映土體的不均勻性；③半無限體假設有反映地基的分層特點；④本模型在數(shù)學處理上比較復雜，因而在應用上也受到一定的限制。,局部變形理論 ★：以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎的。該理論認為圍巖的彈性抗力與圍巖在該點的變形成正比。,這個假設

8、實際上是把地基模擬為剛性支座上一系列獨立的彈簧。當?shù)鼗砻嫔夏骋稽c受壓力p時，由于彈簧是彼此獨立的，故只在該點局部產(chǎn)生沉陷y，而在其他地方不產(chǎn)生任何沉陷。因此，這種地基模型稱作局部彈性地基模型。,優(yōu)點：,可以考慮梁本身的實際彈性變形，消除了反力直線分布假設中的缺點。局部彈性地基模型的計算較為簡單，在實際應用較為方便。,缺點：,沒有反映地基的變形連續(xù)性，當?shù)鼗砻嬖谀骋稽c承受壓力時，實際上不僅在該點局部產(chǎn)生沉陷，而且也在鄰近區(qū)域產(chǎn)生沉陷

9、。由于沒有考慮地基的連續(xù)性，故溫克爾假設不能全面地反映地基梁的實際情況，特別對于密實厚土層地基和整體巖石地基，將會引起較大的誤差。但是，如果地基的上部為較薄的土層，下部為堅硬巖石，則地基情況與圖中的彈簧模型比較相近，這時將得出比較滿意的結果。,隧道襯砌結構計算的矩陣位移法,基本原理,矩陣位移法又叫直接剛度法，它是以結構節(jié)點位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點各單元的節(jié)點位移應該相等，并等于該點的結構節(jié)點位移（變形協(xié)調(diào)條件）；同時作用于某一

10、結構節(jié)點的荷載必須與該節(jié)點上作用的各個單元的節(jié)點力相平衡（靜力平衡條件）。,隧道襯砌結構計算的矩陣位移法,① 三種單剛    ◆ 襯砌單剛：梁單元    ◆ 抗力單剛：二力桿單元    ◆ 基礎單剛：支座單元② 拼總剛(結構剛度矩陣) ③ 邊界條件～墻基礎水平位移為0④ 求解以節(jié)點位移為未知量的方程組～高斯

11、消去法等⑤ 由節(jié)點位移求出單元節(jié)點力～內(nèi)力,計算特點,直剛法計算圖式,隧道襯砌結構計算的矩陣位移法,直剛法計算流程,6.3.1 解析法,6.3 巖體力學方法,,僅對很簡單的問題才可求出解析解，如均質(zhì)半無限體中的單孔圓形隧道、雙孔等直徑圓形隧道，以及橢圓形、方形和直墻拱形洞室等問題。但僅對第一種問題得出了精確的解析計算式，對其他情況雖已用復變函數(shù)建立了計算式，但最終結果的計算仍需借助于數(shù)值逼近?？紤]塑性時也僅對圓形洞室的部分課題才有解析

12、解。,6.3.2 數(shù)值分析法,1.概述,◆邊界元法、無限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，僅介紹有限元法。,2.有限元法處理特點,隧道計算范圍及網(wǎng)格劃分,,（1）單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分,,6.3 巖體力學方法,（2）計算范圍的選取,① 隧道開挖影響范圍～距開挖面中心點3～5倍洞跨的范圍；,② 邊界上位移為零。,,6.3 巖體力學方法,（3）邊界條件和初始應力,（4）卸荷釋放荷載及卸荷過程模擬,（5）開挖施工步驟的模擬,（6）求單元應

13、力,（7）圍巖與支護結構穩(wěn)定性判斷,（8）有限元法計算的可信度,,6.3 巖體力學方法,,,有限元法：,適用性強（各種地層、洞室，非線性，施工過程等）；缺點：本構關系難以準確給出。輸入?yún)?shù)不正確，則給出錯誤結果。,,29,,,6.3 巖體力學方法,,6.4 巖體力學方法,洞門視作擋土墻進行計算設計：,①主動土壓力按庫侖理論進行計算；②無論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水平；③不考慮被動土壓力。④取最不利位置的墻體條帶計算

14、，稱為“檢算條帶”。條帶寬度一般為1m，最不利位置～墻體最高點。,6.4.1 計算原理,,6.4 隧道洞門計算,6.4.2 計算部位（檢算條帶）的選取及計算要點,1．柱式、端墻式洞門,?、?、Ⅱ作為“檢算條帶”。檢算墻身截面偏心、強度，以及基底偏心、應力及沿基底的滑動和繞墻趾傾覆穩(wěn)定性,,6.4 隧道洞門計算,2．有擋、翼墻的洞門,◆ 檢算翼墻時取洞門端墻墻趾前之翼墻寬1m的條帶“Ⅰ”，按擋土墻檢算偏心、強度及穩(wěn)定性；

15、 ◆ 檢算端墻時取最不利部分“Ⅱ”作為“檢算條帶”，檢算其截面偏心和強度；◆ 檢算端墻與翼墻共同作用部分“Ⅲ”的滑動穩(wěn)定性。,6.4.3 洞門計算內(nèi)容,①墻身偏心及強度；     ②繞墻趾的抗傾覆性(墻趾:墻身外表面與基底面的交點)；     ③沿基底滑動的穩(wěn)定性；   &#

16、160; ④基底應力檢算。,,6.4 隧道洞門計算,1. 計算內(nèi)容,2. 洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定,,6.4 隧道洞門計算,6.4.3 洞門計算內(nèi)容,6.4.4 洞門計算的概率極限狀態(tài)法,鐵路隧道設計規(guī)范規(guī)定隧道洞門除按破損階段法進行檢算外，還可采用極限狀態(tài)法進行設計計算?；痉椒ㄈ酝茡p階段法，如取計算條帶，具體公式不同，按可靠度理論得出.,,6.4 隧道洞門計算,1.洞門墻墻身抗壓承載能力計算(承載能力極限狀態(tài)),

17、2.洞門墻墻身抗裂承載能力計算(正常使用極限狀態(tài)),,6.4 隧道洞門計算,3.洞門墻地基承載能力計算,4.抗傾覆計算,5.抗滑動計算,,6.4 隧道洞門計算,6.5.1 檢算內(nèi)容,（1）安全系數(shù)檢算,（2）偏心檢算,鐵路隧道拼裝式襯砌、復合式襯砌雙線隧道整體式襯砌公路隧道襯砌結構,6.5.2 適用范圍,,6.5 襯砌截面強度驗算,混凝土和石砌結構的強度安全系數(shù),（1） 允許安全系數(shù),6.5.3 安全系數(shù)檢算,式中：e0— 軸向力

18、偏心距， e0 =M/N； K — 混凝土和石砌結構安全系數(shù)， M ,N — 軸向力； Ra— 混凝土或砌體的抗壓極限強度； b, h — 截面的寬度和厚度（通常取1m）； φ— 構件的縱向彎曲系數(shù)，對隧道襯砌拱圈及墻背緊密回填的邊墻可取1； α— 軸向力偏心影響系數(shù)。,抗壓控制檢算,小偏心判斷準則：,此時承載能力由抗壓強度控制：,（2）抗壓與抗拉控制分界,

19、式中： — 混凝土的抗拉極限強度， 其它符號意義同前。,抗拉控制檢算,大偏心判斷準則：,此時承載能力由抗拉強度控制：,混凝土襯砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度； 石砌體偏心距不應大于0.3倍截面厚度； 基底偏心距，對巖石地基不大于1/4倍墻底厚度， 對土質(zhì)地基不大于1/6倍墻底厚度。,6.5.4 偏心距限制,,6.5 襯砌截面強度驗算,思考題,1.什么是荷