隧道和基坑工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方法講義57頁（PPT）

1、隧道和基坑工程計(jì)算基本知識提綱前言 礦山法隧道的計(jì)算 盾構(gòu)法隧道的計(jì)算基坑的計(jì)算設(shè)計(jì)和施工中的幾個(gè)常見力學(xué)基本問題探討幾個(gè)和施工有關(guān)的問題前言結(jié)構(gòu)安全涉及的3個(gè)主要問題結(jié)構(gòu)承載力：構(gòu)件的強(qiáng)度變形問題：裂縫和撓度及下沉和收斂穩(wěn)定性問題：平衡性的問題，三維平衡動(dòng)態(tài)平衡支護(hù)重新平衡。抗浮，抗管涌、傾覆和滑移、坍塌。地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要性 地下工程是一門藝術(shù)，而不是一門科學(xué)的誤導(dǎo)。數(shù)據(jù)分析可升華為理論建言，沒有正確的理論指導(dǎo)，必然會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。 對地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的局限性空間問題平面化的問題材料參數(shù)和計(jì)算模型的影響施工監(jiān)測反饋的缺少礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)合式襯砌隧道的計(jì)算方法介紹地層結(jié)構(gòu)法荷載結(jié)構(gòu)法荷載結(jié)

2、構(gòu)法在深埋、淺埋、超淺埋隧道的計(jì)算中的應(yīng)用礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算隧道的計(jì)算的兩種基本方法介紹荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算（主要公式深埋、淺埋、超淺埋隧道的判別步驟和要點(diǎn)）地層結(jié)構(gòu)法介紹當(dāng)前設(shè)計(jì)中采用的計(jì)算方法地鐵隧道和山嶺隧道的計(jì)算區(qū)別礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范：7.1.1條，一般規(guī)定：結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)“通過工程類別和結(jié)構(gòu)計(jì)算確定”；7.2.1條，關(guān)于復(fù)合式襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)，“可采用工程類別確定，并通過理論分析進(jìn)行驗(yàn)算”；11.1.3條，關(guān)于復(fù)合式襯砌，“初期支護(hù)應(yīng)按主要承載結(jié)構(gòu)計(jì)算。二次襯砌作為在13級圍巖可作為安全儲(chǔ)備，按構(gòu)造要求設(shè)計(jì)，45級圍巖，應(yīng)按承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范地鐵設(shè)計(jì)規(guī)

3、范 ： 10.5.1強(qiáng)制性條文，“地下結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，必要時(shí)也進(jìn)行剛度和穩(wěn)定性計(jì)算”； 10.5.5條，復(fù)合式襯砌應(yīng)考慮“外部荷載因初期支護(hù)材料性能退化及剛度下降向二襯的轉(zhuǎn)移” 。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算兩種方法荷載結(jié)構(gòu)法（結(jié)構(gòu)力學(xué)方法）：地層變形產(chǎn)生的形變壓力，結(jié)構(gòu)和圍巖之間長期緊密接觸。特點(diǎn)：彈性地基和地層抗力；解析方法：桿系有限元。地層結(jié)構(gòu)法（巖石力學(xué)方法）：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和地層統(tǒng)一分析對象，變形協(xié)調(diào)；解析方法：數(shù)值分析。有限元、有限差分法和邊界元。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載結(jié)構(gòu)法荷載結(jié)構(gòu)法（結(jié)構(gòu)力學(xué)方法）：地層變形產(chǎn)生的形變壓力，結(jié)構(gòu)和圍巖之間長期緊密接觸。特點(diǎn)：彈性地基和地層抗力；解析方法

4、：桿系有限元。整體式襯砌：對應(yīng)的施工方法是早期的礦山法，荷載為圍巖的松散壓力。復(fù)合式襯砌：荷載為形變壓力和水壓力的組合值，施加在二襯結(jié)構(gòu)上。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載結(jié)構(gòu)法荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型：桿系有限元。Ansys、Sap。地層彈簧：局部變形理論，溫克爾假定。彈簧模擬：非線性彈簧。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載結(jié)構(gòu)法土壓力：淺埋：全部覆土；深埋：松弛荷載水壓力地層抗力特殊荷載：地震、人防其他荷載：施工荷載和地面超載礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及主要公式普氏土壓力公式：適用于地層堅(jiān)硬和非淺埋的情況。：礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及主要公式泰沙基土壓力公式：適用于土層和淺埋的情況。：礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及主要公式鐵路隧

5、道規(guī)范土壓力公式：基于統(tǒng)計(jì)理論。深埋單線鐵路隧道深埋單線鐵路隧道鐵路隧道規(guī)范土壓力公式：淺埋隧道。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及主要公式鐵路隧道規(guī)范土壓力荷載：超淺埋隧道覆土地面超載。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及主要公式礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算步驟和要點(diǎn)建立幾何形狀：可以畫也可以，也可采用命令流定義材料屬性：梁、桿和彈簧定義截面類型：給單元賦截面屬性節(jié)點(diǎn)約束加荷載計(jì)算結(jié)果查看（內(nèi)力和變形均核對）結(jié)果分析：礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算步驟和要點(diǎn)：礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算步驟和要點(diǎn)從CAD輸入DXF文件導(dǎo)入比較方便荷載計(jì)算要輔助EXCL加載方式：節(jié)點(diǎn)和均部都可以：礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算地層結(jié)構(gòu)法地層結(jié)構(gòu)法（巖石力學(xué)方法）：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)

6、和地層統(tǒng)一分析對象，變形協(xié)調(diào)；解析方法：數(shù)值分析。有限元、有限差分法和邊界元。應(yīng)用于復(fù)合式襯砌，或者單純的錨噴支護(hù)。常用于施工模擬，如分部開挖、特殊情況下的計(jì)算。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算地層結(jié)構(gòu)法應(yīng)用于復(fù)合式襯砌的計(jì)算：1)考慮圍巖的流變特性，初期支護(hù)承受的是短期形變荷載，二次襯砌承受長期形變荷載。計(jì)算模型常要考慮時(shí)間的影響。如粘彈性模型。礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算地層結(jié)構(gòu)法考慮圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌共同作用的粘彈性計(jì)算模型礦山法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)采用的計(jì)算方法初期支護(hù)采用地層結(jié)構(gòu)法（巖石力學(xué)方法）。二次襯砌采用荷載結(jié)構(gòu)法。1、裝配式預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，接頭存在，結(jié)構(gòu)不連續(xù)；2、縱向柔性結(jié)構(gòu)；3、計(jì)算模型所

7、需的參數(shù)難以準(zhǔn)確選取；4、高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、高精度；5、施工拼裝精度要求高；一、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹 、慣用設(shè)計(jì)法；2、修正管用設(shè)計(jì)法；3、多鉸圓環(huán)：完全鉸圓環(huán)、彈性鉸圓環(huán)；4、梁彈簧模型。二、盾構(gòu)隧道計(jì)算模型介紹四種模型二、盾構(gòu)隧道計(jì)算模型介紹荷載系統(tǒng)二、盾構(gòu)隧道計(jì)算模型介紹地層抗力、慣用設(shè)計(jì)法：采用管片本身剛度，不折減剛度，適用于管片分塊比較少，如四分塊管片和通縫拼裝的管片隧道；2、修正管用設(shè)計(jì)法：籠統(tǒng)的考慮了接頭的影響;對管片剛度折減；適用于，錯(cuò)縫拼裝、中小直徑的隧道，如地鐵等隧道。二、盾構(gòu)隧道計(jì)算模型介紹模型適用范圍3、多鉸圓環(huán)：1）完全鉸圓環(huán)：要求地層穩(wěn)定，能足夠的抗力；很少用，英國

8、人在倫敦希思羅機(jī)場貨用隧道中應(yīng)用過，直徑10.9直徑的柔性隧道，采用27塊管片。2）彈性鉸圓環(huán)：要求地層好，能提供抗力；考慮了管片接頭因素；在英國、德國等應(yīng)用多。4、梁彈簧模型：考慮了接頭因素，錯(cuò)縫拼裝，能真實(shí)的反映管片受力；中、大直徑隧道采用。二、盾構(gòu)隧道計(jì)算模型介紹模型適用范圍三、計(jì)算荷載荷載組成水土壓力 自重 超載偶然荷載施工荷載：千斤頂推力、注漿壓力內(nèi)部荷載其他 三、計(jì)算荷載荷載組成水土壓力 :按照太沙基公式、普氏公式和2D兩個(gè)條件控制三、計(jì)算荷載荷載組成泰沙基公式三、計(jì)算荷載荷載組成普氏公式三、計(jì)算荷載荷載組成側(cè)壓力系數(shù) 和土層彈簧三、計(jì)算荷載水土壓力和施工荷載施工荷載：1)千斤頂推

9、力:考慮偏心受壓和縱向受彎;2)注漿壓力:按照最大0.4MPa考慮;四、計(jì)算現(xiàn)狀慣用設(shè)計(jì)法和修正慣用設(shè)計(jì)法:國內(nèi)普遍采用，國外日本90年代以前常常采用；多鉸圓環(huán)：歐洲普遍采用較多；梁彈簧模型：國內(nèi)部分采用，大多作為效核用;是當(dāng)前日本的主要設(shè)計(jì)方法；五、主要計(jì)算方法：修正慣用設(shè)計(jì)法剛度:EI；管片彎距：（1+）M；接頭彎距： （1-）M；=0.80.6，通常取0.8； =0.30.5，通常取0.20.3 ；五、主要計(jì)算方法：修正慣用設(shè)計(jì)法五、主要計(jì)算方法：修正慣用設(shè)計(jì)法五、主要計(jì)算方法：彈性鉸計(jì)算結(jié)果五、主要計(jì)算方法：梁彈簧模型五、主要計(jì)算方法：梁彈簧模型考慮了接頭和錯(cuò)縫拼裝,計(jì)算模型精確,最合

10、理；各種彈簧參數(shù)受試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響大;彈簧參數(shù)和接頭的形式影響大,國內(nèi)試驗(yàn)少,參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值少,為該方法應(yīng)用帶來了困難；該方法可以作為對新型管片的研究提供定性的參考,指導(dǎo)設(shè)計(jì).五、主要計(jì)算方法：梁彈簧模型的彈性鉸數(shù)值劉建航等建議采用9800KN.m/rad；國際隧道協(xié)會(huì)建議:10000100000KN.m/rad;德國建:議為:2400045000KN.m/rad；國內(nèi)有學(xué)者建議:正彎距18000,負(fù)彎距8000;也有建議.正彎距50000,負(fù)彎距30000;六、幾種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果比較比較結(jié)論:1)多鉸圓環(huán)和梁-彈簧模型軸力是其它兩個(gè)的1.21.3倍;2)修正慣用法、梁-彈簧、慣用法、多鉸圓環(huán)的彎

11、距之比大致是1：0.82：0.92：0.4；3）多鉸圓環(huán)的變形最大，應(yīng)慎重采用。七、修正慣用設(shè)計(jì)方法應(yīng)用三、基坑計(jì)算經(jīng)典法、彈性支點(diǎn)法、有限元法。彈性支點(diǎn)法的原理。m、k、c法的原理及適用范圍。規(guī)范推薦采用m法。對土抗力的假定不同。三、基坑計(jì)算支錨剛度計(jì)算 常數(shù)法：假定地基水平抗力系數(shù)沿深度為均勻分布，即是kx=kh。“k”法：假定在樁身第一撓曲零點(diǎn)(深度t處)以上按拋物線變化,以下為常數(shù) “m”法：假定kx隨深度成正比地增加，即是kx=mz“c值”法：假定kx隨深度按CZ 0.5的規(guī)律分布，即是kx=cz0.5(c為比例常數(shù)，隨土類不同而異)三、基坑計(jì)算彈性支點(diǎn)法三、基坑計(jì)算彈性支點(diǎn)法三、基

12、坑計(jì)算m、k值的選取m根據(jù)近似公式計(jì)算，是c、值的函數(shù)，也可以參考地質(zhì)報(bào)告，其值也可參考經(jīng)驗(yàn)值確定。由于地質(zhì)報(bào)告的不準(zhǔn)確性，m值的選取要綜合計(jì)算、地質(zhì)報(bào)告以及經(jīng)驗(yàn)值并結(jié)合其它參數(shù)的綜合確定。上海對m法中，對K值規(guī)定了最大值Kmax。廣東地下連續(xù)墻規(guī)程中對m值給出了參考范圍。K值根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，也要參考經(jīng)驗(yàn)值。三、基坑計(jì)算內(nèi)容支錨剛度計(jì)算樁墻內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性計(jì)算腰梁的強(qiáng)度和變形計(jì)算支撐的軸力和穩(wěn)定性計(jì)算連接計(jì)算：抗剪計(jì)算、焊接計(jì)算三、基坑計(jì)算支錨剛度計(jì)算鋼、砼支撐：本質(zhì)是按照虎克定律求得的彈簧系數(shù)環(huán)框支撐：采用環(huán)框支撐作為支撐時(shí)，應(yīng)先采用1/2分擔(dān)法計(jì)算環(huán)框的配筋及變形；b根據(jù)單位力/變形作為支

13、錨剛度，再按照理正軟件計(jì)算。三、基坑計(jì)算樁墻內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性計(jì)算一般按照增量法計(jì)算荷載采用朗肯主動(dòng)土壓力公式變形控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國家和地方的規(guī)定確定抗傾覆、抗滑移和整體穩(wěn)定性嵌固深度計(jì)算抗管涌計(jì)算、抗隆起計(jì)算三、基坑計(jì)算腰梁的強(qiáng)度和變形計(jì)算腰梁為以受彎為主的構(gòu)件，要求有足夠的剛度，變形要小腰梁按照多跨連續(xù)梁計(jì)算組合鋼腰梁應(yīng)按照鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算允許應(yīng)力和局部穩(wěn)定性三、基坑計(jì)算支撐的軸力和穩(wěn)定性計(jì)算按照壓彎構(gòu)件計(jì)算平面內(nèi)穩(wěn)定性斜撐要考慮分力二.分界判別標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)隧道所處位置的特點(diǎn)有三種判別方法。2. 2分界判別標(biāo)準(zhǔn)1.應(yīng)用埋深等于坍方統(tǒng)計(jì)平均高度兩倍的方法。因圍巖變形過大時(shí)隧道上方會(huì)形成塌落拱(壓力拱)，

14、見圖32-1。而坍方是圍巖失穩(wěn)破壞最直觀的形式，大量統(tǒng)計(jì)資料證明，當(dāng)埋深大于兩倍塌方高度時(shí)，才能用塌落拱公式計(jì)算。塌落拱高度與圍巖類別有很大關(guān)系，根據(jù)我國鐵路隧道調(diào)查資料，級以上圍巖巖體強(qiáng)度較高，一般未出現(xiàn)由于淺埋而失穩(wěn)破壞的情況，因此，通常在級圍巖中才考慮淺埋隧道的設(shè)計(jì)問題，鐵路隧道新奧法指南規(guī)定:當(dāng)埋深大于:級圍巖4D6D、級圍巖2.0D3.0D、級圍巖1.OD2.OD、級圍巖0.51.OD；鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:當(dāng)埋深大于:級圍巖3540m、級圍巖1825m、級圍巖10l2m、級圍巖56m為深埋隧道，反之為淺埋隧道。2.應(yīng)用實(shí)測壓力P和垂直土柱重量H之比來確定深埋、淺埋、超淺埋的判別方法。根據(jù)國內(nèi)外近50個(gè)試