隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算復(fù)習(xí)資料

1、第一章緒論1.隧道:構(gòu)筑在離地面一定深度的巖層或土層中用作通到底建筑物2.隧道分類:按周圍介質(zhì)分：巖石隧道和土層隧道;按用途不同分：交通隧道和市政工程隧道3.公路隧道：穿越公路路線障礙物的交通隧道4.公路隧道的主要特點(diǎn):(1)斷面形狀復(fù)雜：寬而扁，高：寬=1.;常有特殊構(gòu)造：岔洞，緊急停車帶回車區(qū)，以及雙連拱隧道，小間距隧道，雙層隧道;(2)荷載形式單一：主要是圍巖壓力，方向不會(huì)改變;(3)附屬設(shè)施多：通風(fēng) ,照明,交通信號(hào),消防,監(jiān)控設(shè)施5.斷面幾何形狀:考慮功能和經(jīng)濟(jì)的兩方面:馬蹄形,圓形(盾構(gòu)開(kāi)挖),拱形(山嶺隧道),雙連拱(淺埋土層,地形受限),矩形(沉管法,城市隧道)6.襯砌的結(jié)構(gòu)類

2、型分為四類:整體式砼襯砌;裝配式襯砌;錨噴支護(hù)襯砌;復(fù)合式襯砌7.整體式砼襯砌又可分為:半襯砌;厚拱薄墻襯砌;直墻拱形襯砌;曲墻拱形襯砌(1)半襯砌:適用于巖石較堅(jiān)硬并且整體穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的圍巖;對(duì)于側(cè)壓力很大的較軟巖層或土層,為避免直墻承受較大壓力,采用落地拱(2)厚拱薄襯砌:適用于水平壓力很小的情況,拱腳較厚,邊墻較薄(3)直墻拱形襯砌:鐵路隧道常用,豎向壓力較大,水平側(cè)壓力不大(4)曲墻拱形襯砌:地質(zhì)條件差,巖石破碎松散和易于坍塌地段8.裝配式襯砌:用于盾構(gòu)法施工,深埋法施工,TBM法施工9.錨噴支護(hù)襯砌:噴混凝土和加錨桿兩方法的統(tǒng)稱。常用方法：噴混凝土，鋼筋網(wǎng)噴混凝土，錨桿噴混凝土，鋼

3、筋網(wǎng)錨桿混凝土，鋼纖維噴混凝土;特點(diǎn)：有很強(qiáng)時(shí)效性，新奧法和挪威法10.復(fù)合式襯砌：主要應(yīng)用于含水量較多的地段，外層為錨噴支護(hù)，中間有一層防水層，內(nèi)層多為整體式襯砌，新奧法多采用11.初始地應(yīng)力場(chǎng)由兩種力系組成:自重應(yīng)力分量;構(gòu)造應(yīng)力分量影響因素：一類是和地殼的運(yùn)動(dòng)，地下水的變化以及人類活動(dòng)等因素有關(guān)12.構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：區(qū)域性明顯，測(cè)試方法：解析反演法，原位測(cè)試法 (1)地質(zhì)的構(gòu)造過(guò)程不公改變了地質(zhì)的重力應(yīng)力場(chǎng)，而且還有一總分殘余在巖體內(nèi)(2)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在一定深度內(nèi)普遍存在且多為水平分量(3)構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的區(qū)域性和時(shí)間性13.作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載分為三類:主要荷載(就是長(zhǎng)期作用的荷載,包括

4、地層壓力,圍巖彈性抗力,結(jié)構(gòu)自重力,回填巖土重力，地下靜水壓力及使用荷載);附加荷載（指非經(jīng)常作用的荷載，包括施工荷載，灌漿壓力，局部落石以及有溫度變化或砼收縮引起的溫度應(yīng)力和收縮用力）;特殊荷載（一些偶然發(fā)生的荷載，如炮彈沖擊力和爆炸時(shí)產(chǎn)生激波壓力，地震力，車禍時(shí)沖撞力）14.形變壓力:由巖體變形所產(chǎn)生的擠壓力;15.松散壓力:巖體墜落、滑移、坍塌所產(chǎn)生的重力16.圍巖壓力：形變壓力和松散壓力統(tǒng)稱為圍巖壓力17.影響圍巖壓力的因素：a.巖土的重力b.巖體的結(jié)構(gòu)c.地下水的分布d.隧道洞室的形狀和尺寸e.初始地應(yīng)力18.確定圍巖壓力的方法：a.現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)b.理論估算c.工程類比法19.常用的圍巖

5、分類方法：a.巖石堅(jiān)固系數(shù)分類法b.太沙基理論c.鐵路圍巖分類法d.人工巖石洞室圍巖分類法e.水工隧道圍巖分類法20.隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的任務(wù)：就是采用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法，計(jì)算分析在隧道修筑的整個(gè)過(guò)程中（包括竣工，運(yùn)營(yíng)）a.隧道圍巖及襯砌的強(qiáng)度b.剛度和穩(wěn)定性，為隧道的設(shè)計(jì)及施工提供具體設(shè)計(jì)參數(shù)21.隧道的計(jì)算方法可分為三大部分：a.剛體力學(xué)法b.結(jié)構(gòu)力學(xué)法（荷載位移法）c.連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法（地層結(jié)構(gòu)法）22.附：19世紀(jì)后期，砼材料與鋼材料的出現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)的建造于計(jì)算進(jìn)入地下連續(xù)拱形框架結(jié)構(gòu)階段，而計(jì)算的理論基礎(chǔ)為線彈性結(jié)構(gòu)力學(xué)；地下連續(xù)拱形框架結(jié)構(gòu)式一種超靜定彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，荷載為地層壓力，優(yōu)點(diǎn)：以結(jié)構(gòu)

6、力學(xué)原理為計(jì)算理論基礎(chǔ)缺點(diǎn)：沒(méi)有考慮地層對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)變形所產(chǎn)生的彈性抵抗力23.如果人工考慮隧道襯砌和地層的相互作用，地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法僅分為結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法24.造成隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果不能直接應(yīng)用的主要原因:(1)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確確定(2)隧道的荷載量級(jí)很大,無(wú)法準(zhǔn)確給出(3)圍巖自承能力除受圍巖自身?xiàng)l件影響外,還受施工方法、時(shí)間、支護(hù)形式、洞室?guī)缀纬叽绲鹊挠绊懀?）圍巖本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜和屈服性準(zhǔn)則不完善性，使圍巖自承能力無(wú)法發(fā)揮第二章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)構(gòu)力學(xué)法1.在分析過(guò)程中首先要確定地層壓力，然后計(jì)算襯砌在地層壓力和其他荷載作用下的內(nèi)力分布，最后根據(jù)內(nèi)力分布對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)

7、行驗(yàn)算2.荷載結(jié)構(gòu)法和計(jì)算地表結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法基本相同，主要差別是襯砌結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中要受到周圍介質(zhì)的限制，分為力法與位移法3.拱形半襯砌隧道的結(jié)構(gòu)計(jì)算：（1）半襯砌結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為彈性固定平面無(wú)鉸拱（計(jì)算模型）（2）拱頂截面建立位移協(xié)調(diào)方程，由拱頂截面的位移協(xié)調(diào)方程得拱腳處的位移和轉(zhuǎn)角（3）將拱腳位移和轉(zhuǎn)角方程代入拱頂截面位移協(xié)調(diào)方程，得關(guān)于未知力X1，X2的線性代數(shù)方程組，可得拱頂截面未知力（4）各截面強(qiáng)度校核4.拱形曲墻隧道的結(jié)構(gòu)計(jì)算：（1）假定彈性抗力為鐮刀形分布，拱形曲墻式襯砌的計(jì)算模型為墻角彈性固定而兩側(cè)受周圍約束的無(wú)鉸拱（2）通過(guò)h點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)條件計(jì)算彈性抗力h(3)計(jì)算主動(dòng)

8、荷載作用下襯砌的內(nèi)力(4)h=1時(shí)襯砌的內(nèi)力(5)求出最大抗力值h(6)用疊加的方法求出襯砌內(nèi)任一點(diǎn)的內(nèi)力5.拱形曲墻隧道的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型：豎向荷載所引起的側(cè)墻部分的變形，將受到側(cè)面圍巖的約束，形成一個(gè)抗力區(qū)，這里假定彈性抗力為鐮刀形，其量值用3個(gè)特征值控制：抗力上零點(diǎn)對(duì)一般與對(duì)稱中線夾角為40-60；抗力下零點(diǎn)在拱腳處；最大抗力點(diǎn)h在襯砌最大跨度處，一般在抗力區(qū)2/3處6.拱形直墻隧道的局部變形法:在分析拱形直墻式隧道結(jié)構(gòu)時(shí),需將拱圈與直墻分開(kāi)考慮,拱圈是一個(gè)拱腳彈性固定的無(wú)鉸拱,彈性抗力假定為二次拋物線分布,邊墻視為彈性地基梁,全部抗力有文克勒假設(shè)確定,墻頂和拱腳彈性固結(jié),墻腳與基巖間有較大

9、的摩擦力,無(wú)水平位移發(fā)生,他在基巖的作用視為剛性體7.外荷載產(chǎn)生的位移hp和直墻拱的結(jié)構(gòu)計(jì)算:(1)由彈性地基梁公式,計(jì)算系數(shù)1，1，2，2(墻頂位移)(2)由主動(dòng)荷載及單位彈性抗力所產(chǎn)生的h點(diǎn)位移計(jì)算單位彈性抗力所產(chǎn)生的位移h（3）由hp和h求得彈性抗力h（4）根據(jù)任一截面i處的內(nèi)力表達(dá)式得拱的截面內(nèi)力（5）求出直梁的內(nèi)力（6）校核8.隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣力法計(jì)算步驟：（1）計(jì)算F0(2)計(jì)算SX并將其轉(zhuǎn)化為SX(3)計(jì)算SP并將其轉(zhuǎn)化為SP（4）計(jì)算Fxx,Fxp（5）計(jì)算贅余力x（6）計(jì)算襯砌單元節(jié)點(diǎn)s（7）計(jì)算襯砌節(jié)點(diǎn)位移9.隧道襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法計(jì)算步驟：（1）計(jì)算襯砌單元

10、剛度位移矩陣（2）計(jì)算鏈桿剛度（3）計(jì)算墻底支座的剛度矩陣（4）集成總體剛度矩陣，并計(jì)算各元素值（5）消去已知位移（6）計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移（7）計(jì)算單元節(jié)點(diǎn)力10.拱形直墻計(jì)算模型：拱圈是一個(gè)拱腳彈性固定的無(wú)鉸拱，拱圈彈性抗力假定為二次拋物線分布，邊墻視為彈性地基梁，全部抗力由文殼勒假設(shè)確定。11.彈性地基梁分類：對(duì)于彈性地基梁按其相對(duì)長(zhǎng)度al不同，可分為以下三種情況：當(dāng)1al2.75，認(rèn)為是短梁，即梁的一端受力和變形會(huì)影響到另一端。當(dāng)al2.75，認(rèn)為是長(zhǎng)梁，即梁的一端受力和變形不會(huì)影響到另一端。當(dāng)al1，認(rèn)為是絕對(duì)剛性梁，即整個(gè)梁只產(chǎn)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。12.圓形隧道計(jì)算模型：作用在襯砌上的主要荷載包

11、括土壓力和水壓力，其中豎向壓力q由襯砌上方的全部土重組成，靜水壓力P由沿圓環(huán)均布徑向壓力和由圓環(huán)頂部開(kāi)始向下月牙形變化的徑向壓力，地層的反力由直線分布假定。13.圓形隧道含水平拉桿的內(nèi)力計(jì)算：一是僅考慮安裝拉桿所引起的襯砌內(nèi)力，二是考慮拉桿安裝后，在使用階段的襯砌內(nèi)力。14.矩陣力法和位移法的區(qū)別：力法：柔度方程：力；位移法：剛度方程：位移。計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的單元有三種：一是模擬襯砌結(jié)構(gòu)偏心受壓的襯砌單元；二是模擬圍巖約束襯砌自由變形的鏈桿單元；三是模擬墻底地層約束墻腳變形的彈性支座單元第三章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的彈性力學(xué)法1.彈性力學(xué)的基本方程有：平衡方程，幾何方程，物理方程附：平衡方程是從靜力平衡條件

12、出發(fā)，描述了應(yīng)力分量與外力之間的平衡關(guān)系；幾何方程是從變形連續(xù)條件出發(fā)，描述應(yīng)力與位移之間的關(guān)系；物理方程表征了材料的本質(zhì)屬性，描述了戒指材料應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系2.三次應(yīng)力狀態(tài)：（1）一次應(yīng)力：地層中的原始應(yīng)力場(chǎng)(隧道未開(kāi)挖前巖體的初始靜應(yīng)力場(chǎng))（2）二次應(yīng)力狀態(tài)：洞室開(kāi)挖后，經(jīng)應(yīng)力重新分布，洞室周圍的應(yīng)力狀態(tài)(由圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)與開(kāi)挖洞室引起的擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)疊加得到)（3）三次應(yīng)力狀態(tài)：襯砌對(duì)圍巖產(chǎn)生彈性抗力，使其達(dá)到三次應(yīng)力狀態(tài)(由于圍巖的變形收到襯砌的限制,襯砌對(duì)圍巖產(chǎn)生彈性抗力,使其達(dá)到三次應(yīng)力狀態(tài))圍巖三次應(yīng)力場(chǎng)的位移是彈性抗力產(chǎn)生的位移與二次應(yīng)力態(tài)位移的疊加第四章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的有限單元

13、法1.有限單元法是一種數(shù)值計(jì)算方法，其基本思路是將連續(xù)體模型離散成為有限個(gè)單元，而單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，要求每個(gè)單元滿足一定的力學(xué)條件，最后將所有單元再集成，組合求解問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法。2.有限單元法分為：位移法和應(yīng)力法，還有介于兩者之間的混合法；常用的單元類型有：線單元，面單元和體單元三大類型。二節(jié)點(diǎn)單元和以其為基礎(chǔ)構(gòu)成的面單元和體單元屬于線性單元，低階單元。三節(jié)點(diǎn)單元和以其為基礎(chǔ)構(gòu)成的面單元和體單元屬于高階單元。在隧道結(jié)構(gòu)分析中，用線性桿單元模擬錨桿，用梁?jiǎn)卧M噴射砼土層，用面單元模擬隧道平面圍巖，用體單元模擬空間圍巖體，用夾層單元模擬節(jié)理3.有限單元法的計(jì)算步驟：1）結(jié)構(gòu)的離散2）建立

14、單元節(jié)點(diǎn)，位移與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系3）根據(jù)虛功原理，用等效節(jié)點(diǎn)力代替作用在結(jié)構(gòu)體系上的所有外力。4)建立體系靜力平衡方程5）引入邊界條件，根據(jù)靜力平衡方程求節(jié)點(diǎn)位移6）根據(jù)幾何方程求得單元應(yīng)變，再根據(jù)物理方程，求得單元應(yīng)力4.有限單元法的求解方法：(1)位移法：先假定滿足應(yīng)變相容條件的單元內(nèi)位移模式，求出應(yīng)變分量，接著代入物理方程求出應(yīng)力分量，然后把這些力學(xué)分量代入虛功原理得到以位移分量為未知量的聯(lián)立代數(shù)方程組（2）應(yīng)力法：首先假定單元內(nèi)應(yīng)力分布函數(shù)，并根據(jù)平衡方程求出內(nèi)部和外部荷載的關(guān)系，然后由物理方程求出應(yīng)變分量，把這些力學(xué)分量代入虛功原理組成以應(yīng)力分量為未知數(shù)的代數(shù)方程組。5.等參數(shù)單元的

15、定義：位移模式和坐標(biāo)變換式采用相同函數(shù)的單元稱為等參元。6.斷層和節(jié)理的物理力學(xué)特征(夾層單元力學(xué)特征):軟弱面削弱了巖體的整體受力，變形以及穩(wěn)定性，可沿與層面垂直的方向傳遞壓應(yīng)力，也能沿與層面平行的方向傳遞剪應(yīng)力，但不能傳遞拉應(yīng)力。由于這些軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度低于巖體強(qiáng)度，所以在不連續(xù)面間的剪應(yīng)力超過(guò)某一限度時(shí)將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。7.二維悠閑單元分析步驟：（1）結(jié)構(gòu)的離散（2）建立單元節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系（3）單元等效節(jié)點(diǎn)力的構(gòu)成（4）建立體系靜力平衡方程（5）求解節(jié)點(diǎn)力位移并計(jì)算單元應(yīng)力和應(yīng)變圓筒8.組合結(jié)構(gòu)法的具體步驟：（1）首先將原工程結(jié)構(gòu)分解為若干個(gè)典型的子單元（2)然后分析各子單

16、元的力學(xué)特性，單元之間的作用當(dāng)做已知條件代入（3）最后利用單元間的協(xié)調(diào)關(guān)系將各個(gè)子結(jié)構(gòu)組合在一起9.平接岔洞的空間框架計(jì)算法：（1）將斜交平接岔洞簡(jiǎn)化為在空間匯交的三支半跨拱墻結(jié)構(gòu)（2）主要靜荷載為圍巖壓力（垂直荷載）計(jì)算方法同結(jié)構(gòu)計(jì)算法中的力法。第六章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的空間問(wèn)題1.掌子面空間效應(yīng)：隧道開(kāi)挖面前端本來(lái)就是一個(gè)原始的三維應(yīng)力狀態(tài)，而從開(kāi)挖到洞身成型的呈平面應(yīng)變狀態(tài)的隧道段隧道的圍巖壓力從三維逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎S，這種現(xiàn)象稱為開(kāi)挖面支承產(chǎn)生的空間效應(yīng)。2.關(guān)于圍巖壓力的空間問(wèn)題，目前在工程上大多只按一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)地下洞室的埋深，分為深埋和淺埋兩種情況。對(duì)于深埋的矩形洞室，在計(jì)算垂

17、直地層壓力時(shí)引入小于1的空間系數(shù)，且空間工作系數(shù)隨矩形長(zhǎng)寬比的減小而減小。對(duì)于圓形深埋洞室，一般在計(jì)算壓力拱高時(shí)也引入一個(gè)給定的折減系數(shù)，以考慮空間工作狀態(tài)的影響，折減系數(shù)不同，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果也不同，上述所講的計(jì)算空間圍巖壓力的方法的基礎(chǔ)仍然是普氏壓力原理，和過(guò)去的平面問(wèn)題圍巖壓力計(jì)算的考慮沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，對(duì)于淺埋洞室的垂直地層壓力，一般在考慮巖柱摩擦力時(shí)做適當(dāng)修改，以計(jì)算空間因素的影響。3.矩形隧道的空間計(jì)算方法:(1)彈性地基基礎(chǔ)(2)組合結(jié)構(gòu)法；步驟分三步；首先將原工程結(jié)構(gòu)分為若干典型的子單元，然后分析各個(gè)子單元的力學(xué)特征，單元之間的作用當(dāng)做已知條件代入，最后利用單元間的協(xié)調(diào)關(guān)系，將若干子單

18、元組合在一起。矩形隧道：4個(gè)板單元，板與板之間彈性連接，板的計(jì)算模型為兩邊簡(jiǎn)支無(wú)限長(zhǎng)薄板(3)局部壓力計(jì)算。4.平接岔洞的空間框架計(jì)算法:斜交岔洞的結(jié)構(gòu)形式，簡(jiǎn)化為空間匯交的三支半跨拱墻結(jié)構(gòu)。第七章隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的位移反分析法1、 位移反分析法的思路(定義)：利用力學(xué)系統(tǒng)的某些力學(xué)行為，來(lái)推算該系統(tǒng)的各項(xiàng)或某些初始參數(shù)2、 反分析法的優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)工程范圍內(nèi)巖體的初始應(yīng)力和物理參數(shù)給出了較為合理的估計(jì)（2）將反分析方法同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控技術(shù)及工程穩(wěn)定性分析相結(jié)合，對(duì)工程的可靠性作出了合理的評(píng)價(jià)和符合實(shí)際的預(yù)測(cè)，并對(duì)施工中支護(hù)參數(shù)的選取和方案的反饋設(shè)計(jì)都起了很大的作用3、 反分析方法又可分為位移反分析法、應(yīng)力反分析法和混合反分析法。4、 如何運(yùn)用位移反分析法(基本原理)：拱頂下沉、周邊收斂、地表下沉現(xiàn)場(chǎng)位移量測(cè)數(shù)據(jù)處理位移反分析及其結(jié)果檢驗(yàn)有限元或邊界元正分析及其預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)輸出（預(yù)測(cè)變形曲線、圍巖穩(wěn)定性評(píng)判、支護(hù)安全度評(píng)判）工程決策措施時(shí)間及監(jiān)