隧道工程》課件第10講隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理.ppt

第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型必須符合下述條件： 與實(shí)際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實(shí)際狀態(tài)以及與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)； 荷載假定應(yīng)與在修建洞室過程(各作業(yè)階段)中荷載發(fā)生的情況一致； 算出的應(yīng)力狀態(tài)要與經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用的結(jié)構(gòu)所發(fā)生的應(yīng)力變化和破壞現(xiàn)象一致；,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理, 材料性質(zhì)和數(shù)學(xué)表達(dá)要等價(jià)。 設(shè)計(jì)計(jì)算方法大致分為：結(jié)構(gòu)力學(xué)方法、巖體力學(xué)方法、信息反饋方法及經(jīng)驗(yàn)方法等。,第三節(jié) 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,一、基本原理,將支護(hù)和圍巖分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，地層對(duì)結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在地下結(jié)構(gòu)上的荷載，以計(jì)算襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法，也稱為荷載結(jié)構(gòu)法。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,其設(shè)計(jì)原理是按圍巖分級(jí)或由實(shí)用公式確定圍巖壓力，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的約束作用是通過彈性支撐來(lái)體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支撐的約束能力時(shí)間接考慮。,在圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的處理上卻有幾種不同的做法：,主動(dòng)荷載模式,第五章 隧道支護(hù)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載(彈性抗力)模式,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,實(shí)際荷載模式,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,二、隧道襯砌受力變形特點(diǎn),在主動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形用虛線表示。在拱頂，其變形背向地層，不受圍巖的約束而自由變形，這個(gè)區(qū)域稱為 “脫離區(qū)”；而在兩側(cè)及底部，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生朝向地層的變形，并受到圍巖的約束阻止其變形，因而圍巖對(duì)襯砌產(chǎn)生了彈性抗力，這個(gè)區(qū)稱為 “抗力區(qū)”。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,圍巖對(duì)襯砌變形起雙重作用：圍巖產(chǎn)生主動(dòng)壓力使襯砌變形，又產(chǎn)生被動(dòng)壓力阻止襯砌變形。,三、隧道襯砌承受的荷載,(一)主動(dòng)荷載,1.主要荷載,長(zhǎng)期及經(jīng)常作用的荷載，如圍巖松動(dòng)壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重、地下水壓力及列車、汽車活載等。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,支護(hù)結(jié)構(gòu)自重：可按預(yù)先擬定的結(jié)構(gòu)尺寸和材料容重計(jì)算確定。,對(duì)于一般的隧道結(jié)構(gòu)，在含水地層中，靜水壓力可按最低水位考慮，由于靜水壓力使襯砌結(jié)構(gòu)物中的軸向力加大，對(duì)抗彎性能差的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于改善了它的受力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)有利。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,2.附加荷載,指偶然的、非經(jīng)常作用的荷載，如溫差應(yīng)力、灌漿壓力、凍脹力及地震力等。,3.計(jì)算荷載,應(yīng)按上述兩種荷載同時(shí)存在的情況進(jìn)行組合。一般僅考慮主要荷載，只有在某些特殊情況時(shí)，如七級(jí)以上地震區(qū)，或嚴(yán)寒地區(qū)凍脹性土壤的洞口段襯砌，才按主要荷載加附加荷載來(lái)檢算結(jié)構(gòu)。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,(二)被動(dòng)荷載(即圍巖的彈性抗力),彈性抗力就是指由于支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向圍巖方向的變形而引起的圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束反力。,彈性抗力的大小，目前多用溫克爾(Winkler) 假定為基礎(chǔ)的局部變形理論計(jì)算。,局部變形理論認(rèn)為應(yīng)力和變形之間呈線性關(guān)系，即為圍巖彈性抗力系數(shù)。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,i=Ki,式中 i圍表面上任意一點(diǎn)i的壓縮變形；,i圍巖在同一點(diǎn)上所產(chǎn)生的彈性抗力；,K圍巖的彈性反力系數(shù)。,這樣假設(shè)和實(shí)際情況有出入。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,共同變形理論把圍巖視為彈性半無(wú)限體，考慮相鄰質(zhì)點(diǎn)之間變形的相互影響。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)表示地層特征，并考慮粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角的影響。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,四、隧道襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要內(nèi)容有:,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,(一)假定抗力區(qū)范圍及抗力分布規(guī)律法(簡(jiǎn)稱“假定抗力圖形法”),假定襯砌結(jié)構(gòu)周邊抗力分布的范圍及抗力區(qū)各點(diǎn)抗力變化的圖形，只要知道某一特定點(diǎn)的彈性抗力，就可求出其它各點(diǎn)的彈性抗力值。這樣，在求出作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載后，其內(nèi)力分析也就變成了通常的超靜定結(jié)構(gòu)問題。,圖為曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)采用“假定抗力圖形法”求解襯砌截面內(nèi)力的計(jì)算圖式。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,這是一個(gè)在主動(dòng)荷載(垂直荷載大于側(cè)向荷載)及彈性抗力共同作用下，支承在彈性地基上的無(wú)鉸高拱。拱兩側(cè)的彈性抗力按二次拋物線分布，只要知道特定點(diǎn)，即最大抗力點(diǎn)h(最大跨度處)截面的彈性抗力值h，其它各截面的彈性抗力值可通過與h點(diǎn)彈性抗力值h有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式求出。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,當(dāng)曲墻的曲率是常數(shù)或?yàn)橹绷簳r(shí)，可采用初參數(shù)法求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力一般直墻式襯砌的直邊墻利用此法求解。,(二) 彈性地基梁法,這種方法是將襯砌結(jié)構(gòu)看成置于彈性地基上的曲梁或直梁。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,直墻式襯砌的拱圈和邊墻分開計(jì)算。拱圈為一個(gè)彈性固定在邊墻頂上的無(wú)鉸平拱，邊墻為一個(gè)置于彈性地基上的直梁，計(jì)算時(shí)先根據(jù)其換算長(zhǎng)度，確定是長(zhǎng)梁、短梁或剛性梁，然后按照初參數(shù)方法來(lái)計(jì)算墻頂截面的位移及邊墻各截面的內(nèi)力值。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,(三)彈性支承法,彈性支承法的基本特點(diǎn)是將襯砌結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)桿系單元體，將彈性抗力作用范圍內(nèi)（一般先假定拱頂90120范圍為脫離區(qū)）的連續(xù)圍巖，離散成若干條彼此互不相關(guān)的矩形巖柱，用一些具有一定彈性的支承來(lái)代替巖柱，并以鉸接的方式支承在襯砌單元之間的節(jié)點(diǎn)上，它不承受彎矩，只承受軸力。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,彈性支承的設(shè)置方向，當(dāng)襯砌與圍巖之間不僅能傳遞法向力且能傳遞剪切力時(shí)，則在法向和切向各設(shè)置一個(gè)彈性支承。如襯砌與圍巖之間只能傳遞法向力時(shí)，則沿襯砌軸線設(shè)置一個(gè)法向彈性支承。但為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，可將彈性支承由法向設(shè)置改為水平方向設(shè)置。對(duì)于彈性固定的邊墻底部用一個(gè)即能約束水平位移，又能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直位移的彈性支座來(lái)模擬。圖為隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的一般計(jì)算圖式。將主動(dòng)圍巖壓力簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，可采用矩陣力法或矩陣位移法，編制程序進(jìn)行分析計(jì)算。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,五、襯砌截面強(qiáng)度檢算,按荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后要作截面檢算。支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，可得到襯砌任一截面所受彎矩、軸力及剪力。其中彎矩和軸力是主要的，為一偏心受壓桿件。,e0=M/N,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,(一)極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)截面檢算,對(duì)于承載能力極限狀態(tài),正常使用極限狀態(tài),第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,式中Nk軸力標(biāo)準(zhǔn)值，由各種作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得到； sc混凝土襯砌抗壓檢算時(shí)作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)； Rc混凝土襯砌構(gòu)件抗壓檢算時(shí)抗力分項(xiàng)系數(shù)； 構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，對(duì)于隧道襯砌、明洞拱圈及回填緊密的邊墻，可取 1.0；對(duì)于其他構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)其長(zhǎng)細(xì)比查得； fck混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值； b、 h截面寬度、厚度； 軸向力偏心系數(shù)，可由e0/h值查得。,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,st混凝土襯砌構(gòu)件抗裂檢算時(shí)的作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)； Rt混凝土襯砌抗裂檢算時(shí)的抗力分項(xiàng)系數(shù)； e0檢算截面偏心距； fctk混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。,混凝土襯砌構(gòu)件抗壓檢算各分項(xiàng)系數(shù),第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,混凝土襯砌構(gòu)件抗裂檢算各分項(xiàng)系數(shù),第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,(二)按破損階段法及允許應(yīng)力法設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)截面檢算,抗壓強(qiáng)度檢算,抗裂強(qiáng)度檢算,第五章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的基本原理,式中 K安全系數(shù)； N軸向力；