铁路隧道衬砌结构可靠性分析.PPTVIP

一、统计参数计算 * 铁路隧道衬砌结构可靠性分析 论文根据铁路规范和已有的统计数据，采用一次二阶距法提出了铁路隧道的衬砌结构可靠度算法。该论文发表于1994年，所提出的一次二阶距法计算衬砌可靠度已广泛用于衬砌结构可靠度的计算，但由于围岩条件的不确定性和隧道受力的复杂性，该法计算结果较为不精确。现已提出了基于二次二阶距计算衬砌结构可靠度的方法。但限于水平有限，鄙人未能完全理解基于二次二阶距法的可靠度计算方法。在此仅以论文提出的一次二阶距法向宁老师、同学们汇报，如有不准确的地方，希望老师和同学们能予以指正。 隧道衬砌在纵向上可以看成一个串联的拱形结构，如果这一串联结构中任一个或多个截面拱形结构发生破坏，则整个隧道失去其安全使用的功能，因此隧道可靠度分析从最危险的衬砌结构断面开始，论文讨论仅限单线隧道。 采用二维的杆件结构矩阵分析隧道衬砌，考虑围岩和衬砌间的相互作用，将围岩替换为弹簧限制衬砌变形。拱顶变形向内, 可以调整拱顶弹簧是否存在。 1.1隧道承受荷载 隧道主要承受围岩土层自重承受的荷载，对此采用太沙基自然拱。即隧道在岩体中掘进时，隧道上部的围岩形成塌落拱。塌落拱作为荷载作用域衬砌结构上，这部分围岩常表现为塌方。 根据大量隧道实际塌方的数据统计，对不同围岩条件下塌方高度采用法进行分布检验，其结果服从对数正态分布。如下表： 表1.塌方高度对数正态分布检验表 ， 检验 0.142 0.106 0.062 0.113 0.1087 0.067 0.051 0.072 2级围岩 3级围岩 4级围岩 5级围岩 塌落拱对隧道产生竖向围岩压力，但由铁道部规范规定，凡围岩级别低于四类应考虑由竖向荷载产生的侧向围岩压力 ，其中 ，式中 为垂直荷载; 为侧向压力系数。为简便计算假定 。 1.2抗力系数 采用弹簧模拟围岩对衬砌变形的约束作用，弹簧的弹性系数根据不同围岩分类而有不同的数据。根据水利部分的统计数据，检验发现抗力系数服从正态分布。 表2.不同等级围岩抗力系数 分布表 变异系数 0.148 0.037 0.334 0.61 0.46 0.447 变异系数 0.327 0.048 0.24 0.214 0.069 0.042 均方差 0.094 0.165 0.35 0.72 1.313 2.196 均值 1级围岩 2级围岩 3级围岩 4级围岩 5级围岩 6级围岩 1.3混凝土材料的力学性质 根据已有的分析结果，混凝土材料力学性质服从正态分布，现列出不同标号混凝土弹性模量 分布如下表： 表3.不同等级围岩抗力系数 分布表 0.0853 0.0853 0.0853 0.0853 0.0853 0.0853 变异系数 3.3 3.1 2.9 2．7 2.4 2 均值 C40 C30 C25 C20 C15 C10 1.4 衬砌厚度 隧道衬砌的厚度与开挖截面超欠挖有密切关系：通常超挖不多的情况时，超挖部分都用混凝土填充, 衬砌厚度因而增大；欠挖如不作处理, 衬砌厚度则因之而减少。 这种现象在目前国内普遍使用钻爆法开挖隧道时很难避免。 引起开挖超欠挖的因素很多， 如岩体地质条件, 采用钻孔机具和方法以及施工人员素质等。岩体多发育有节理裂隙，爆破时，破坏界面多沿此节理裂隙面产生，因此隧道开挖周边的轮廓很大程度上受岩体节理裂隙发育程度的控制。现以单线铁路隧道断面(节理影响与断面尺寸有关)超挖为例加以分析, 如图2所示 图2隧道超开挖示意图 以阴影面积 表示超挖面积，可知 式中 含义见2图。假设超开挖部分均用混凝土衬砌材料灌注，则增加的衬 砌厚度为 。 论文中的超开挖分析根据铁道部隧道工程局的有关研究，采用统计分析的方得到的。根据沿隧道周边23个测点的超开挖统计资料， 采用 检验，发现无论是直墙式或曲墙式衬砌，其超开挖均属正态分布，超开挖统计结果如表4。 二、设计验算点法可靠度 论文采用了一次二阶矩法中的设计验算点法，计算衬砌可靠度，但论文介绍过于简单，在这里本文将设计验算点法的原理和实现作简要介绍。 设计验算点法的基本思想是，但将功能函数线形化Taylor展开点选在失效面上，并考虑随机变量的实际分布，计算结构可靠度。所以相对于中心点法，具有较高的精度。 设结构极限状态方程为 再设