第4章地下建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

1、NoImage NoImage1234 4.1.1 地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展 早期完全依靠經(jīng)驗(yàn)，19世紀(jì)才逐漸形成計(jì)算理論；最早的計(jì)算理論為剛性理論（壓力線理論）；柔性材料被用于地下工程后開始按彈性理論計(jì)算；逐步認(rèn)識(shí)到地層與結(jié)構(gòu)是一個(gè)受力整體，20世紀(jì)以來，按連續(xù)介質(zhì)理論建立起新的計(jì)算方法。剛性理論剛性理論經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)彈性理論彈性理論連續(xù)介質(zhì)理論連續(xù)介質(zhì)理論4.1.2地下結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 國(guó)際隧道協(xié)會(huì)在1978年成立了隧道結(jié)構(gòu)談倔型研究組、收集和匯總了各會(huì)員國(guó)目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法如表41所示。經(jīng)過總結(jié)，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)認(rèn)為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以歸納為以下4種設(shè)計(jì)模型： (1)以參照

2、過去隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法； (2)以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法；例如，以洞周位移量側(cè)值為根據(jù)的收斂限制法； (3)作用一反作用模型，即荷載一結(jié)構(gòu)模型。例如，彈性地基因環(huán)計(jì)算和彈性地基框架計(jì)算等計(jì)算法； (4)連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法和數(shù)值法c數(shù)值計(jì)算法目前主要是有限單元法。 從各國(guó)的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，目前在設(shè)計(jì)隧道的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，主要采用兩類計(jì)算模型，一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體、圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束作用的模型。另一類則相反，視圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)則為約束圍巖變形的模型。 我國(guó)采用的設(shè)計(jì)方法似可分屬以下四種設(shè)計(jì)模型：1. 荷載結(jié)構(gòu)模

3、型 將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體圍巖作為荷載；結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支承對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時(shí)間接地考慮。2. 地層結(jié)構(gòu)模型 將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視力一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為圍巖一結(jié)構(gòu)模型或復(fù)合整體模型，在這個(gè)模型中圍巖是直接的承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖的變形，這一點(diǎn)正好和上述模型相反。3. 經(jīng)驗(yàn)類比模型 在大多數(shù)情況下，隧道支護(hù)體系還是依賴“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的，在實(shí)施過程中，依據(jù)量測(cè)信息加以修改和驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提要正確地對(duì)坑道圍巖進(jìn)行分類、然后在分類的基礎(chǔ)上編制支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本圖

4、示。 它是完全依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型。4.收斂限制模型其計(jì)算理論也是地層結(jié)構(gòu)法，其設(shè)計(jì)方法常稱為收斂限制法，或稱特征線法。只是計(jì)算時(shí)采用收斂約束法圖解考慮。荷載結(jié)構(gòu)模型模型設(shè)計(jì)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu) 偏于保守 地層結(jié)構(gòu)模型是目前隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中力求 采用的或正在發(fā)展的模型，因?yàn)樗袭?dāng)前的施工技術(shù)水平。 4種模型中前3種較為常用。 對(duì)應(yīng)于荷載結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算方法稱為荷載結(jié)構(gòu)法。 地層對(duì)結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生在地下建筑結(jié)構(gòu)上的荷載，襯砌在荷載的作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形。 這里介紹公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（2004）中的計(jì)算方法。 4.2.1 設(shè)計(jì)原理 認(rèn)為隧道開挖后地層的作用主要是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)

5、能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用。 計(jì)算時(shí)先計(jì)算出地層壓力，然后按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法計(jì)算襯砌的內(nèi)力，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。4.2.2 計(jì)算原理3.地層反力的作用模式 對(duì)應(yīng)于地層結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算方法稱為地層結(jié)構(gòu)法。 把地下結(jié)構(gòu)與地層作為一個(gè)受力變形的整體，按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來計(jì)算地下建筑結(jié)構(gòu)以及周圍地層的變形；不僅計(jì)算出襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，而且計(jì)算周圍地層的應(yīng)力。 充分體現(xiàn)了相互作用原理。 這里仍重點(diǎn)介紹公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（2004）中的計(jì)算方法。 4.3.1 設(shè)計(jì)原理 將襯砌和地層視為整體共同受力的統(tǒng)一體系，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計(jì)算襯砌與地層的內(nèi)力。 計(jì)算方法以有限單元法為