隧道工程5隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算課件

1、5.4 隧道洞門計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算5.3 巖體力學(xué)方法5.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型5.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法5.5 隧道抗震計(jì)算一隧道工程的受力特點(diǎn)5.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 1.荷載的模糊性 2.圍巖物理力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得 3.圍巖壓力承載體系 圍巖不僅是荷載，同時(shí)又是承載體； 地層壓力由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受； 充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算4.設(shè)計(jì)參數(shù)受施工方法和施作時(shí)機(jī)的影響很大 5.隧道與地面結(jié)構(gòu)受力的不同點(diǎn)圍巖抗力的存在第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的簡(jiǎn)化問題 在十九世紀(jì)末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)是作為超靜定彈性拱計(jì)算的，但僅考慮作用在襯砌上

2、的圍巖壓力，忽視了圍巖對(duì)襯砌的約束作用 彈性抗力：襯砌在受力過程中的變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成“脫離區(qū)”的趨勢(shì)，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”，在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被動(dòng)抵抗力 進(jìn)入本世紀(jì)后，通過長(zhǎng)期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對(duì)襯砌施加壓力，同時(shí)還約束著襯砌的變形。圍巖對(duì)襯砌變形的約束，對(duì)改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利，不容忽視 局部變形理論和共同變形理論 局部變形理論：是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)的。它認(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)局部變形理論和共同變形理論 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)

3、E和橫向變形系數(shù)表示地層特征，并考慮粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角的影響。 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型 國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)在1987年成立了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型研究組，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。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： 以工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法； 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 荷載結(jié)構(gòu)模型方法 巖體力學(xué)模型方法，包括解析法和數(shù)值法。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，即結(jié)構(gòu)力學(xué)

4、模型，又稱為荷載結(jié)構(gòu)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 ，即巖體力學(xué)模型或稱為圍巖結(jié)構(gòu)模型。 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型 特點(diǎn)： 以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體； 圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用間接地體現(xiàn)為兩點(diǎn)： 圍巖壓力； 圍巖彈性抗力。 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。 適用于：模筑砼襯砌 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算巖體力學(xué)模型 特點(diǎn)： 支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，共同承受荷載，且以圍巖作為承載主體； 支護(hù)結(jié)構(gòu)約束圍巖的變形； 采用巖體力學(xué)方法計(jì)算； 圍巖體現(xiàn)為形變壓力。適用于：錨噴支護(hù)第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算隧道襯砌上的荷載類型及其組合1、隧道結(jié)構(gòu)上的基本荷載2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型1、基

5、本荷載 （1）圍巖壓力 （2）結(jié)構(gòu)自重力2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型 作用在襯砌上的荷載，按其性質(zhì)可以區(qū)分為主動(dòng)荷載與被動(dòng)荷載兩大類。 主動(dòng)荷載是主動(dòng)作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)構(gòu)變形的荷載； 被動(dòng)荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動(dòng)抵抗力，即彈性抗力，它對(duì)結(jié)構(gòu)變形起限制作用。第6章 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70-2004將隧道結(jié)構(gòu)上荷載仿照橋規(guī)分為： 永久荷載 可變荷載 偶然荷載編號(hào)荷載類型荷 載 名 稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)自重力3填土壓力 水壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載，人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7 立交鐵

6、路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力 施工荷載11偶然荷載落石沖擊力12地震力隧規(guī)P28：表6.1.1 作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載 隧規(guī)細(xì)則隧規(guī)細(xì)則荷載組合： 結(jié)構(gòu)自重圍巖壓力附加恒載（基本） 結(jié)構(gòu)自重土壓力公路荷載附加恒載 結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載施工荷載 溫度作用力 結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載地震作用附加恒載：伴隨隧道運(yùn)營(yíng)的各種設(shè)備設(shè)施的荷載等。一概 述 5.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 1.基本原理 將支護(hù)和圍巖分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載的主體，圍巖作為荷載的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，與其對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型稱為荷載結(jié)構(gòu)模型。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算根據(jù)對(duì)荷

7、載的處理不同，它大致有如下三種模式： 主動(dòng)荷載模式（圖51（a） 主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式（圖51（b）) 實(shí)際荷載模式（圖51（c）)。 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算圖51 荷載結(jié)構(gòu)模式 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 2.隧道襯砌受力變形的特點(diǎn)第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 3.隧道襯砌承受的荷載及分類 (1) 主動(dòng)荷載 主要荷載: 指長(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。 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。 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 3.隧道襯砌承受的荷載及分類 (1) 主動(dòng)荷載 (2) 被動(dòng)荷載圍巖抗力

8、共同變形理論 局部變形理論 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算二 隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算方法 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算三 隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法 1.基本原理 矩陣位移法又叫直接剛度法，它是以結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點(diǎn)各單元的節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)該相等，并等于該點(diǎn)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移（變形協(xié)調(diào)條件）；同時(shí)作用于某一結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的荷載必須與該節(jié)點(diǎn)上作用的各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)力相平衡（靜力平衡條件）。 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算計(jì)算特點(diǎn): 三種單剛 襯砌單剛：梁?jiǎn)卧?抗力單剛：二力桿單元 基礎(chǔ)單剛：支座單元 拼總

9、剛(結(jié)構(gòu)剛度矩陣) 邊界條件墻基礎(chǔ)水平位移為0 求解以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的方程組高斯消去法等 由節(jié)點(diǎn)位移求出單元節(jié)點(diǎn)力內(nèi)力第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 2.計(jì)算圖式 襯砌結(jié)構(gòu)的處理 襯砌的處理：將襯砌沿其軸線離散化為直桿單元（梁?jiǎn)卧?，并將單元的?lián)接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。 墻基礎(chǔ)的處理：假設(shè)邊墻底端是彈性固定，即能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直下沉，不能產(chǎn)生水平位移。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 圖5-4 直剛法計(jì)算圖式 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算(2)等效節(jié)點(diǎn)荷載的處理 按“靜力等效”原則進(jìn)行，即均布荷載所作的虛功應(yīng)等于節(jié)點(diǎn)荷載所作的虛功。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算圖5-5 等效節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算示意圖第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算

10、垂直均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點(diǎn)力分量為：第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算水平均布荷載作用在單元上的等效節(jié)點(diǎn)力分量為：第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算(3)圍巖彈性抗力的處理 以彈簧支承模擬圍巖彈性抗力，即在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一根彈簧鏈桿，彈簧力即為圍巖抗力； 以溫氏假定反映抗力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系； 彈簧支承的方向：應(yīng)按襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)而定。 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 圖5-6 圍巖彈性抗力鏈稈設(shè)置示意圖第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 3.單元?jiǎng)偠染仃?襯砌單元?jiǎng)偠染仃?襯砌單剛)彈性支承鏈桿單元?jiǎng)偠染仃?抗力單剛)要點(diǎn)： 其局部坐標(biāo)系與總體坐標(biāo)系一致； 由溫氏假定求抗力。 墻腳彈性支座單元?jiǎng)偠染仃?第5章

11、 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 圖5-7 彈性鏈稈單元示意圖第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 圖5-8 墻角彈性支座單元示意圖 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 4.建立結(jié)構(gòu)剛度方程 （1）結(jié)構(gòu)剛度方程的形成 （2） 結(jié)構(gòu)剛度矩陣的特點(diǎn) 對(duì)稱矩陣(反力互等定理)； 稀疏的帶狀矩陣，非零元素的個(gè)數(shù)一般只占元素總 數(shù)的5左右； 是非奇異矩陣。因抗力彈簧本身就是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的約束，故襯砌結(jié)構(gòu)不能作剛體移動(dòng)。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 5. 未知節(jié)點(diǎn)位移的求解和彈性支承的調(diào)整 （1）邊界條件 圍巖抗力彈簧支承就是一種邊界約束，已在拼總剛中考慮了； 基底支座水平位移為0。 （2）方程組求解：高斯消去法；迭代法 （3）對(duì)圍巖抗力

12、彈簧支承的自動(dòng)調(diào)整第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 6.襯砌內(nèi)力的計(jì)算 （1）單元結(jié)點(diǎn)位移（2）單元結(jié)點(diǎn)力第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 7.直剛法計(jì)算流程圖 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算四 襯砌截面強(qiáng)度檢算 1.破損階段法 破損階段法考慮到結(jié)構(gòu)的塑性階段，材料塑性極限強(qiáng)度Rb已進(jìn)入塑性階段。 當(dāng) 時(shí)，由抗壓強(qiáng)度控制其承載能力，因此僅需按抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢算。 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 當(dāng) 時(shí)，由抗拉強(qiáng)度控制承載能力，僅需按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算 。 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 偏心距限制 混凝土襯砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度； 石砌體偏心距不應(yīng)大于0.3倍截面厚度； 基底偏心距，對(duì)巖石地基不大于1/4倍

13、墻底厚度，對(duì)土質(zhì)地基不大于1/6倍墻底厚度。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 2.概率極限狀態(tài)法 極限狀態(tài)法采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，用概率來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的安全度，或稱“可靠度”。 （1）承載能力極限狀態(tài) 混凝土矩形截面中心及偏心受壓構(gòu)件，其受壓承載能力： 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 （2）正常使用極限狀態(tài) 從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形偏心受壓構(gòu)件的抗裂承載力按下式檢算： 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算5.3 巖體力學(xué)方法 一 解析法 二 數(shù)值分析法 1.概述 邊界元法、無(wú)限元法、有限元法、有限元法耦合方法等 2.有限元法處理特點(diǎn)（1）單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)值分析解決問題的過程：實(shí)際問題數(shù)學(xué)模型數(shù)值計(jì)算方法程序設(shè)

14、計(jì)上機(jī)計(jì)算求出結(jié)果 數(shù)值分析是研究用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)計(jì)算問題的計(jì)算方法.第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算（2）計(jì)算范圍的選取 隧道開挖影響范圍距開挖面中心點(diǎn)35倍洞跨的范圍； 邊界上位移為零。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算（3）邊界條件和初始應(yīng)力（4）卸荷釋放荷載及卸荷過程模擬 （5）開挖施工步驟的模擬 （6）求單元應(yīng)力 （8）有限元法計(jì)算的可信度（7）圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算四 特征曲線法第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算5.4 隧道洞門計(jì)算 計(jì)算方法：洞門可視作擋土墻，按計(jì)算擋土墻的方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算處理

15、：主動(dòng)土壓力按庫(kù)侖理論進(jìn)行計(jì)算；無(wú)論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水平；不考慮被動(dòng)土壓力。取最不利位置的墻體條帶計(jì)算，稱為“檢算條帶”。條帶寬度一般為1m.第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算一 計(jì)算部位（檢算條帶）的選取及計(jì)算要點(diǎn)1柱式、端墻式洞門第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算2有擋、翼墻的洞門 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算二 洞門計(jì)算內(nèi)容 1. 洞門計(jì)算內(nèi)容：墻身偏心及強(qiáng)度；繞墻趾的抗傾覆性(墻趾墻身外表面與基底面 的交點(diǎn))；沿基底滑動(dòng)的穩(wěn)定性；基底應(yīng)力檢算。第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 2. 洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定 墻身截面壓應(yīng)力 容許應(yīng)力 墻身截面偏心距 e 0.3倍截面厚度 基底應(yīng)力

16、地基容許承載力 基底偏心距 e 巖石地基B/4，土質(zhì)地基B/6（B為墻底厚度） 滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù) KC1.3 傾覆穩(wěn)定系數(shù) K01.5 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算三 洞門端墻厚度的設(shè)計(jì) 四 洞門計(jì)算的概率極限狀態(tài)法 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定隧道洞門除按破損階段法進(jìn)行檢算外，還可采用極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算?；痉椒ㄈ酝茡p階段法，如取計(jì)算條帶，具體公式不同，按可靠度理論得出. 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 1.洞門墻墻身抗壓承載能力計(jì)算(承載能力極限狀態(tài)) 2.洞門墻墻身抗裂承載能力計(jì)算(正常使用極限狀態(tài))第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算 3.洞門墻地基承載能力計(jì)算 4.抗傾覆計(jì)算 5.抗滑動(dòng)計(jì)算第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算5.5 隧道抗震計(jì)算 一 概 述規(guī)定：在地震基本烈度為7度及以上地區(qū)的隧道，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。 抗震設(shè)計(jì)方法：地震系數(shù)法 其它方法：波動(dòng)法；相互作用法；數(shù)值分析方法，等。 第5章 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算三 地震系數(shù)法考慮兩種情況： 水平地震力