第五章 隧道结构体系设计ppt整理.ppt

第五章 隧道结构体系设计 原理与方法 第一节 概 述 第六节 隧道结构体系的计算模型 一、计算模型的建立原则 一个理想的隧道工程的数学力学模型应能反映下列的因素： 必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状。 对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括将来可能出现的状态。 应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数。 如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。 要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系统的一致性。 二、常用的计算模型 从各国的地下结构设计实践看，目前在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型：第一类模型是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载主要来源，同时考虑其对支护结构的变形起约束作用；第二类模型则相反，是以围岩为承载主体，支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。 第一类模型又称为传统的结构力学模型。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，故又可称为荷载—结构模型(图5-23a)。 这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。 属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形)法，假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。 图5-23 隧道计算模型 第二类模型又称为现代的岩体力学模型。它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩—结构模型或复合整体模型(图5-23b)。 在围岩—结构模型中可以考虑各种几何形状、围岩和支护材料的非线性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等等。 利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题，是如何确定围岩的初始应力场以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力、位移状态。 第七节 隧道结构体系设计计算方法 一、结构力学方法 (一)荷载—结构模型的建立 ①主动荷载模型(图5-24a) 不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，其计算原理和地面结构一样。 ②主动荷载加围岩弹性约束模型（图5-24b）。 认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，围岩还对支护结构施加被动的弹性抗力。 图5-24 荷载—结构模型 (二) 作用(荷载)组成 采用荷载—结构模型分析支护结构内力时，其中最重要的是围岩的松动压力，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。 (三) 隧道衬砌结构受力变形特点 隧道衬砌在围岩压力作用下要产生变形(如图5-25所示)。 在隧道拱顶，其变形背向围岩，不受围岩的约束而自由地变形，这个区域称为“脱离区”；而在隧道的两侧及底部，结构产生朝向围岩的变形，受到围岩的约束作用，因而围岩对隧道衬砌结构产生了约束反力(弹性抗力)，这个区域称为“抗力区”。 图5-25 隧道衬砌结构受力变形特点 (四) 支护结构的几种计算方法 1、主动荷载模式 (1) 弹性固定的无铰拱 适用于这类计算模式的常有半衬砌。半衬砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，当竖向荷载作用时，大部分情况下，拱圈都是向坑道内变形，不产生弹性抗力。其结构模型可以简化成图5-26所示的弹性固定无铰拱，拱脚产生变位，对结构内力有影响。 图5-26 弹性固定无铰拱计算图式 (2) 圆形衬砌 修建在软土地层中的圆形衬砌，也常常按主动荷载模式进行结构计算。承受的荷载主要有土压力、水压力、结构自重和与之相平衡的地基反力。结构计算图式示于图5-27。 图5-27 圆形衬砌计算图式 2、主动荷载加被动荷载模式 假定抗力图形 该法的计算特点是假定抗力的分布范围的分布规律，如上、下零点和最大值的位置。该法计算拱形衬砌(马蹄形衬砌)的内力的计算简图如图5-28所示。图中假定拱部正中为脱离区，以下为抗力区。 图5-28 假定抗力图形法计算简图 (2)局部变形地基梁法 局部变形地基梁法由纳乌莫夫首创