2013秋第5章隧道结构设计原理1.0PPT.ppt

岩体力学方法系把围岩和支护结构看作一个支承体系，分析在洞室开挖以后，支护设置前后这个体系中的应力（相应的位移）变化情况，并据以判断是否稳定。 （一）分析思路 开挖 无须施作支护结构 适时修筑支护 支护结构出现内力及位移（｛F｝，｛δ｝） 初始应力场｛σ｝0 二次应力场及位移场 （｛σ｝2及｛u｝2） 弹性二次应力状态及位移状态 塑性二次应力状态及位移状态 三次应力场及位移场 （｛σ｝3，{u｝3） 判断结构的安全状况 （二）弹性阶段围岩二次应力场及位移场的计算 假设： （1）围岩为均质、各向同性的连续介质 （2）只考虑自重形成的初始应力场 （3）隧道形状以规则的圆形为主 （4）隧道埋设于相当深度，看作无限平面中的孔洞问题 基尔西(G.Kirsch)公式： （1）随着深向岩体内部，应力变化幅度减小，回复到初始应力状态，可以大致认为在此范围以外的岩体不受工程的影响。 （2）孔壁部位变化最大，而且呈单向受压状态。当该值大于岩体的单轴抗压强度Rc，就可能出现破坏。γcHc/Rc遂成为反映岩体状态的一个指标。 （三）塑性状态下的应力、位移计算 （教材112） 在分析塑性区内的应力状态时需要解决下述三个问题： ①确定形成塑性变形的塑性判据或破坏准则； ②确定塑性区内的应力应变状态； ③确定塑性区范围。 1、判断围岩塑性状态（5-4-7） 2、确定塑性区的应力场（5-4-10） 3、围岩塑性区范围的确定（5-4-13） 4、确定弹性区的应力场和位移场（5-4-12） 5、确定塑性区的位移（5-4-15、16、17） 6、求解（5-4-18、19、20） 三、岩体力学模型求解方法 （一）解析法 （二）数值方法 （三）特征曲线法（“收敛—约束”法） 由于数学上的困难，现在还只能对少数几个问题(例如圆形隧道)给出具体解答。 （一）解析法 该方法根据所给定的边界条件，对问题的平衡方程、几何方程和物理方程直接求解。 这是一个弹塑性力学问题，求解时，假定围岩为无重平面，初始应力作用在无穷远处，并假定支护结构与围岩密贴，即其外径与隧道的开挖半径相等，且与开挖同时瞬间完成。 （二）数值方法 1、单元划分及类型选用 2、开挖效果的模拟 3、岩体材料的非线性性质 （有限单元法）（P109-P111） 把围岩和支护结构都划分为单元，然后根据能量原理建立起整个系统的虚功方程，也称刚度方程，从而求出系统上各节点的位移以及单元的应力。 步骤： 划分单元，离散结构 单元分析，求单刚 整体分析，组合总刚 求解刚度方程，求出单元节点位移 求单元应力 (三)特征曲线法（“收敛—约束”法） 1、基本原理 2、围岩的特征曲线 3、支护特性曲线(支护补给曲线) 5、锚喷联合支护特征曲线 4、计算内容 6、围岩特征曲线与支护特征曲线的交会 7、设置支护时间和结构刚度的合理选择 1、基本原理 当隧道开挖以后无支护时，围岩必然向洞室内挤入而产生挤向隧道内的变形，这种变形称为收敛。 施加支护以后，由于支护的支顶而约束了围岩的变形，称之为约束。 此时围岩与支护结构一起共同承受围岩挤向隧道的变形压力。对于围岩而言，它承受支护结构的约束力；对支护结构而言，它承受围岩维持变形稳定而给以的压力。当两者处于平衡状态时，隧道就处于稳定状态。 （一）主动荷载模式 1、弹性固定的无铰拱 2、圆形衬砌 适用于这类计算模式的常有半衬砌。用先拱后墙施工时，先作好的拱圈在挖马口前的工作情况也是这种半衬砌。这种拱圈的拱脚支承在弹性围岩上，故称弹性固定无铰拱。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。 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。 半衬砌的计算 圆形隧道衬砌的自由变形法 （二）主动荷载加被动荷载模式 衬砌结构在主动荷载作用产生的弹性抗力的大小和分布形态取决于衬砌结构的变形，而衬砌结构的变形又和弹性抗力有关，所以衬砌结构的计算是一个非线性问题，必须采用迭代解法或某些线性化的假定。例如，假设弹性抗力的分布形状为已知，或采用弹性地基梁的理论，或用弹性支承代替弹性抗力等等。于是，支护结构内力分析的问题，就成了通常的超静定结构求解。 1、假定抗力区范围及抗力分布规律法 （简称“假定抗力图形法”） 2、弹性地基梁法 3、弹性支承法 1、假定抗力区范围及抗力分布规律法 （简称“假定抗力图形法”） φb＝40—60° 2、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。弹性地基上抗力按温克尔假定的局部变形理论求解。当曲墙的曲率是常数或为直墙时，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。