隧道工程第六講隧道支護結構設計

southwestjIaotongunIversIty?隧道工程?課程第六講隧道支護結構設計〔2〕1整理ppt內容提要1結構力學設計方法2其他設計方法3常用計算軟件介紹隧道支護結構設計2整理ppt一結構力學設計方法3整理ppt隧道支護結構設計一、隧道工程的受力特點〔1〕荷載的模糊性〔2〕圍巖物理力學參數(shù)難以準確獲得〔3〕圍巖壓力承載體系不確定◆圍巖不僅是荷載，同時又是承載體；

◆地層壓力由圍巖和支護結構共同承受；

◆充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性?！?〕設計受施工方法和施作時機的影響很大〔5〕與地面結構受力的不同—圍巖抗力的存在4整理ppt隧道支護結構設計二、隧道結構體系計算模型1.結構力學模型

特點：◆以支護結構作為承載主體；

◆圍巖對支護結構的作用間接地表達為兩點：

①圍巖壓力；②圍巖彈性抗力。

◆采用結構力學方法計算。

適用于：模筑砼襯砌5整理ppt隧道支護結構設計二、隧道結構體系計算模型2.巖體力學模型

特點：◆支護結構與圍巖視為一體，共同承受荷載，且以圍巖作為承載主體；

◆支護結構約束圍巖的變形；

◆采用巖體力學方法計算；

◆圍巖表達為形變壓力。

適用于：錨噴支護6整理ppt隧道支護結構設計三、結構力學方法計算原理它將支護結構和圍巖分開來考慮:〔1〕支護結構是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結構的彈性支承〔2〕隧道支護與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結構施加約束來表達的〔3〕圍巖的承載能力那么在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時間接地考慮7整理ppt結構力學設計方法主動荷載模型假定彈性反力模型計算彈性反力模型常用計算模型8整理ppt結構力學設計方法

主動荷載模型適用于圍巖與支護結構“剛度比〞較小，或飽和含水或用于初步設計9整理ppt結構力學設計方法主動荷載模型假定彈性反力模型計算彈性反力模型常用計算模型10整理ppt結構力學設計方法

假定彈性反力模型

幾乎能適用于所有圍巖類型，只不過抗力的大小和范圍不同而已11整理ppt結構力學設計方法主動荷載模型假定彈性反力模型計算彈性反力模型常用計算模型12整理ppt結構力學設計方法

計算彈性反力模型

如彈性地基上的閉合框架、彈性支承法等13整理ppt結構力學設計方法1矩形框架結構〔地鐵車站〕在?地下鐵道?中講述2裝配式襯砌〔地鐵區(qū)間〕在?水下隧道?中講述3拱形結構〔山嶺隧道〕本節(jié)重點講述!與結構形式相適應的計算方法14整理ppt結構力學設計方法—拱形結構與結構形式相適應的計算方法半拱結構：不考慮彈性反力曲墻式襯砌：假定彈性反力直墻式襯砌：假定彈性反力+彈性地基梁15整理ppt結構力學設計方法計算模型：①荷載-結構模型②只有豎向荷載的作用，無側向荷載的作用半拱形結構計算適用條件：①地質條件好，不需修邊墻的山嶺隧道；②大型落地拱結構,如飛機庫；半拱形結構的適用條件及計算模型16整理ppt結構力學設計方法用結構軸線代替原襯砌的橫斷面,縱向長度取1m；拱腳彈性固定在圍巖上，相當于彈性固定的無鉸拱;因拱腳截面的剪力很小，而與圍巖間摩擦較大，故徑向位移為0，用徑向剛性連桿表示;半拱形結構計算計算圖式、根本結構及典型方程的建立17整理ppt結構力學設計方法半拱形結構計算由于半拱圈的拱矢和跨度的比值不大，在豎向荷載的作用下，結構為自由變形，無彈性抗力(脫離區(qū));因此，半拱形結構為拱腳彈性固定的無鉸拱〔考慮底部地基變形〕，為三次超靜定結構。計算圖式、根本結構及典型方程的建立18整理ppt結構力學設計方法半拱形結構計算典型方程的建立正對稱的結構，作用有正對稱的荷載，利用對稱性，從拱頂切開，取根本結構如右圖19整理ppt結構力學設計方法半拱形結構計算計算關鍵：拱頂單位位移和荷載位移的計算；拱腳位移的計算。20整理ppt結構力學設計方法1〕拱頂單位位移和荷載位移的計算：根據(jù)結構力學中位移計算方法，可求的某一點在單位力作用下，沿k方向的位移〔忽略剪力作用〕為：21整理ppt結構力學設計方法1〕拱頂單位位移和荷載位移的計算：將X1〔彎矩〕，X2〔軸力〕，X3〔剪力，取零〕以及外荷載作用下結構各截面內力代入可得：22整理ppt結構力學設計方法1〕拱頂單位位移和荷載位移的計算：單位位移和荷載位移的計算分兩種情況：〔1〕當半拱為一段規(guī)那么圓弧時，可直接積分計算；〔2〕當半拱為多段圓弧時，將圓弧襯砌分塊，采用辛普生求和公式；23整理ppt結構力學設計方法典型方程半拱形結構計算24整理ppt結構力學設計方法2〕拱腳位移的計算：根本思路：求出拱腳支承面在單位力〔力矩、豎直力、水平力〕作用下位移〔轉角、水平位移〕；求出贅余力及外荷載作用下的拱腳反力；由拱腳反力與各單位力位移計算拱腳位移25整理ppt結構力學設計方法2〕拱腳位移的計算：26整理ppt結構力學設計方法2〕拱腳位移的計算：27整理ppt結構力學設計方法2〕拱腳位移的計算：28整理ppt結構力學設計方法2〕拱腳位移的計算：29整理ppt結構力學設計方法2〕拱腳位移的計算：〔b〕拱腳支承反力的計算30整理ppt結構力學設計方法31整理ppt結構力學設計方法2〕拱腳位移的計算：〔c〕拱腳位移計算32整理ppt結構力學設計方法3〕襯砌截面內力的計算：33整理ppt結構力學設計方法3〕襯砌截面內力的計算：34整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算①計算圖示的建立用結構的軸線代替原襯砌斷面;在計算中將拱圈和邊墻作為一個整體，把它看成是一個支承在彈性圍巖上的高拱結構；因底部摩擦力很大，無水平位移；襯砌在以豎向壓力為主的主動荷載作用下，拱圈的頂部發(fā)生向坑道內的變形不受圍巖的約束，形成“脫離區(qū)〞。襯砌結構的側面局部那么壓向圍巖，形成“彈性反力區(qū)〞，引起相應的彈性反力。計算原理35整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算計算原理彈性反力按蘇聯(lián)布加耶娃法假定分布圖形為月牙形分布，分布圖形用3個特征點控制上零點b〔即脫離區(qū)的邊界〕與對稱軸線間的夾角一般采用下零點a取在墻底，因該處無水平位移；最大彈性反力點h可假定在襯砌最大跨度處。36整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算計算原理最大彈性反力點以下圍巖彈性反力對于襯砌的變形還會在圍巖與襯砌間產生相應的摩擦力分布規(guī)律最大彈性反力點以上37整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算計算原理彈性地基上的高拱荷載：圍巖壓力彈性反力基底位移〔約束〕襯砌與圍巖的摩擦力38整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算計算思路在結構與荷載均為對稱的條件下，可以從拱頂切開，以一對懸臂曲梁作為根本結構，切開處贅余力為X1、X2，剪力X3＝0。在主動荷載和彈性反力作用下，根據(jù)拱頂相對轉角及相對水平位移為零的條件，可以得到2個典型方程式；X1X2基本結構39整理ppt結構力學設計方法利用h點變形協(xié)調條件來增加1個方程式。根據(jù)疊加原理，h點的最終位移即為:而h點的位移與該點的彈性反力存在下述關系：由以上可以推導出：40整理ppt結構力學設計方法因此，綜上兩點可得：X1X2基本結構計算關鍵：拱頂單位位移和荷載位移的計算；墻腳位移的計算；最大跨度處荷載位移的計算41整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算1.求主動荷載作用下的襯砌內力42整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算1.求主動荷載作用下的襯砌內力43整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算2.求單位彈性反力作用下的襯砌內力44整理ppt結構力學設計方法曲墻拱形結構計算3.位移及最大彈性反力值的計算①主動荷載作用下最大抗力點h點位移的計算外荷載h點的位移＝基底轉動引起的h點的位移＋受力引起的h點的位移基底轉動引起的h點的位移：45整理ppt結構力學設計方法3.位移及最大彈性反力值的計算受力引起的h點的位移：那么外荷載作用下，h點的位移為：46整理ppt結構力學設計方法3.位移及最大彈性反力值的計算③最大彈性反力的計算47整理ppt結構力學設計方法4.襯砌內力計算及校核計算結果的正確性①利用疊加原理可以求出任意截面最終的內力值曲墻拱形結構計算②拱腳截面最終轉角48整理ppt結構力學設計方法4.襯砌內力計算及校核計算結果的正確性曲墻拱形結構計算③按變形協(xié)調條件，校核整個計算過程：49整理ppt結構力學設計方法直墻拱形結構計算①結構拱圈支承在彈性地基梁上的彈性固定無鉸拱；

邊墻雙向彈性地基梁

計算原理50整理ppt結構力學設計方法直墻拱形結構計算計算原理②彈性反力拱圈：任意截面彈性反力荷載圖形假設為二次拋物線，作用方向為徑向；計算公式如下；邊墻：用彈性地基梁的方法計算51整理ppt結構力學設計方法直墻拱形結構計算計算原理③附加一個方程：墻頂變位④拱圈內力的計算：在原理上與彈性固定的高拱結構完全相同，只是計及墻頂變位⑤邊墻：作為彈性地基上的直梁來計算52整理ppt結構力學設計方法直墻拱形結構計算計算原理彈性地基梁，按其換算長度l的不同，可分為3種情況：①長梁l≥2.75②短梁1<l<2.75③剛性梁1≥ll為梁的長度〔即邊墻高度〕，為彈性地基梁的彈性特征值邊墻53整理ppt結構力學設計方法1.彈性地基梁在梁端荷載作用下的梁端位移計算〔仍然采用疊加原理〕直墻拱形結構計算在彈性地基梁的c端，作用有拱腳傳來的外力Mc和Hc，要求c端的位移βc和Uc54整理ppt結構力學設計方法2.拱圈內力計算直墻拱形結構計算55整理ppt結構力學設計方法2.拱圈內力計算拱圈在拱部單位彈性反力圖作用下的計算公式與主動荷載的情況相似；從上述結果可求出拱部在主動外荷載和單位彈性反力作用下最后的內力。此時墻頂位移利用疊加原理，并附加方程?？山獬鰤?shù)乃袇?shù)。56整理ppt結構力學設計方法3.邊墻內力和位移計算墻端初參數(shù)：利用彈性地基梁的初參數(shù)公式求得邊墻各截面的內力和位移:

直墻拱形結構計算57整理ppt結構力學設計方法3.邊墻內力和位移計算邊墻為短梁時，距墻頂為x的任一截面的內力和位移的計算公式如下：

58整理ppt結構力學設計方法3.邊墻內力和位移計算——拱腳〔墻頂〕最終位移值，根據(jù)地基局部變形理論求得邊墻各截面的抗力為59整理ppt結構力學設計方法3.邊墻內力和位移計算邊墻為長梁時，距墻頂為x的任一截面的內力和位移的計算公式為：60整理ppt巖體力學〔地層-結構〕設計方法根底：彈性理論、彈塑性理論——解析解這里僅介紹彈性狀態(tài)下的平面軸對稱問題，即初始應力為軸對稱分布的圓形隧道問題，圍巖視為無重平面，初始應力作用在無窮遠處，并假定支護結構與圍巖密貼，即外徑r0與圍巖開挖半徑相等，且與開挖同時瞬間完成。下面以均勻內壓水工隧洞的計算為例，說明解析法計算的根本思路。61整理ppt

水工隧洞襯砌的材料主要有混凝土、鋼筋混凝土和錨噴支護等。厚度一般在20cm以上，故力學分析中可將其視為厚壁圓筒。在均勻內水壓力作用下，厚壁圓筒的內力分析是軸對稱問題。襯砌應力分析巖體力學〔地層-結構〕設計方法62整理ppt將作用于襯砌內外表的水壓力記為pw，地層對襯砌外外表作用的形變壓力記為pa。在pw作用下，圓環(huán)將向外擴張。設襯砌在半徑r處由pw引起的徑向位移為u，那么該處的圓周長度必從2πr增加到2π(r+u)，由此可得到襯砌的切向應變?yōu)橐r砌應力分析巖體力學〔地層-結構〕設計方法63整理ppt

圖中示有從襯砌圓環(huán)中取出的單元體。因r的增量為u，故單元體一邊的長度dr的增量可記為du，該邊長度可記為。由此可得襯砌的徑向應變?yōu)橐r砌應力分析〔6.1.2〕巖體力學〔地層-結構〕設計方法64整理ppt襯砌材料的彈性常數(shù)為，記，并依據(jù)習慣近似按平面應變問題分析襯砌，那么由平面問題極坐標解的物理方程可寫為襯砌應力分析可解得:〔6.1.4〕〔6.1.3〕巖體力學〔地層-結構〕設計方法65整理ppt

因作用在單元體上的外荷載為零，且在軸對稱情況下單元體內力分量中的剪應力也為零，故根據(jù)平面問題極坐標解的靜力平衡方程式，得出方程襯砌應力分析或寫成：〔6.1.5〕巖體力學〔地層-結構〕設計方法66整理ppt將式〔6.1.4〕代入式〔6.1.5〕，可得襯砌應力分析〔6.1.6〕〔6.1.7〕〔6.1.8〕巖體力學〔地層-結構〕設計方法67整理ppt襯砌應力分析〔6.1.9〕〔6.1.10〕由邊界條件可得：巖體力學〔地層-結構〕設計方法68整理ppt將求得的和代入式〔6.1.9〕、〔6.1.10〕，經整理可得襯砌內的應力襯砌應力分析由式〔6.1.8〕可寫出襯砌內任一點的徑向位移為〔6.1.11〕式中，巖體力學〔地層-結構〕設計方法69整理ppt分析均勻內力圓形水工隧洞圍巖的應力仍可采用厚壁圓筒原理。圍巖的彈性常數(shù)為，并記，那么由式〔6.1.9〕、〔6.1.10〕可寫出圍巖應力的表達式為

洞室圍巖應力分析〔6.1.13〕巖體力學〔地層-結構〕設計方法70整理ppt如下圖，洞室圍巖的應力邊界條件為

洞室圍巖應力分析〔6.1.14〕，將代入式〔6.1.13〕，可得將式〔6.1.13〕改為：〔6.1.15〕巖體力學〔地層-結構〕設計方法71整理ppt

洞室圍巖應力分析〔6.1.16〕將代入式〔6.1.14〕，可得將上式代入式〔6.1.14〕和〔6.1.15〕，即得圍巖內的應力〔6.1.17〕仿照式〔6.1.8〕可寫出圍巖徑向位移的計算式為巖體力學〔地層-結構〕設計方法72整理ppt由式〔6.1.16〕可知，內水壓力使圍巖產生的切向應力是拉應力。設假設的量值大于圍巖中原來存在的壓應力，且差值超過巖體的抗拉強度，那么當襯砌抗拉強度缺乏時巖體將與襯砌一起發(fā)生開裂。某些有壓水工隧洞出現(xiàn)新的、平行于洞軸線且沿圓周均勻間隔分布的裂縫，原因就在于圍巖在環(huán)向出現(xiàn)了較大的拉應力。

洞室圍巖應力分析巖體力學〔地層-結構〕設計方法73整理ppt將式〔6.1.16〕中的r0理解為毛洞半徑，pa理解為內壓力，那么該式就成為無襯砌圓形水工隧洞圍巖應力的計算式。顯而易見，環(huán)向拉應力的存在必然對無襯砌水工隧洞的適用性起限止作用。故工程設計中常需設置襯砌或錨噴支護，使支護和圍巖共同承受內水壓力。

洞室圍巖應力分析巖體力學〔地層-結構〕設計方法74整理ppt

假設在內壓力pw作用下隧洞襯砌對圍巖產生的作用力如圖，為

襯砌與圍巖共同作用的計算那么由式〔6.1.14〕可寫出：由此可得：〔6.1.18〕巖體力學〔地層-結構〕設計方法75整理ppt將上式代入式〔6.1.17〕，可得在r＝r0處圍巖的徑向位移為

襯砌與圍巖共同作用的計算〔6.1.19〕由式〔6.1.9〕可知，在襯砌內外表有關系式在襯砌外外表有關系式巖體力學〔地層-結構〕設計方法76整理ppt

將以上2式聯(lián)立，可解得

襯砌與圍巖共同作用的計算由此可寫出襯砌外緣的徑向位移為巖體力學〔地層-結構〕設計方法77整理ppt因在r＝r0處襯砌與圍巖的徑向位移應相等，故由式〔6.1.19〕、〔6.1.20〕可得

襯砌與圍巖共同作用的計算〔6.1.21〕上式經整理，即得求得了值以后，由式〔6.1.11〕、〔6.1.16〕即可算出襯砌與圍巖的應力，并可據(jù)以驗算圍巖的穩(wěn)定性及進行襯砌截面的設計。巖體力學〔地層-結構〕設計方法78整理ppt數(shù)值計算方法1、數(shù)值計算的開展主要于70年代中期，隨著計算機的廣泛應用和計算技術的不斷成熟而逐漸開展起來的一種地下結構計算方法。數(shù)值解法包括有限差分法、有限元法、邊界元法、離散元法、顆粒流法等，其中有限元和邊界元建立在連續(xù)介質力學的根底上，適合于小變形分析，是開展較早、較成熟的方法，尤以有限元在地下工程中應用更為廣泛。有限元法不但可以模擬各種施工過程和各種支護效果，同時可以考慮復雜地層情況〔如斷層、節(jié)理等地質構造以及地下水等〕，對材料的各種非線性也可考慮。一、概述

79整理ppt2、地下工程有限元法特點支護結構與巖體共同作用，統(tǒng)一的組合體來考慮，共同離散。作用在巖體上的荷載是地應力。深埋，簡化為均布垂直地應力和水平地應力。淺埋，垂直應力和側壓系數(shù)均按自重應力場確定。支護結構視作線彈性，圍巖的應力-應變關系視作非線性可以選用彈塑性、粘塑性、粘彈塑性的力學模型開挖及支護導致應力重分布，能夠考慮開挖與支護施工步驟的影響。地下結構工程一般軸線很長，平面應變問題，從而使計算大大簡化。一、概述

數(shù)值計算方法80整理ppt數(shù)值計算方法二、有限元原理

隧道圍巖與支護結構的幾何模型模型離散為由各種單元組成的計算模型；有限元中分析的結構已不是原有的物體或結構物，而是由眾多單元通過節(jié)點相連的離散物體。用有限元分析計算所獲得的結果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，那么所獲得的結果就與實際情況相符合。81整理ppt數(shù)值計算方法三、單元類型

按單元形狀分：線單元、面單元、體單元單元的階次分為線性單元、二次單元、高次單元。合理選擇單元類型對問題的正確解決至關重要，而單元類型的選擇又與要解決問題的的本身存在密切關系。在選擇單元類型前，首先要對問題本身有非常明確的認識，然后對每一種單元的特性都要詳細了解，才能選擇適宜的單元。82整理ppt數(shù)值計算方法三、單元類型

階次選擇需要在計算精度和計算規(guī)模間綜合衡量；線性單元的嚴重扭曲變形可能引起計算精度下降，而高階次的單元對變形扭曲不敏感；有曲邊或曲面存在時，通常推薦使用高階單元，以獲得較高的曲面精度；對于非線性問題，高階單元并不比線性單元更有效；單元階次對求解精度影響，相對平面單元和三維實體單元之間簡化的差異來說影響要小得多；高階單元允許忽略局部或所有邊的中節(jié)點，，此時高階單元那么轉換為線性單元，計算精度也隨之降低。83整理ppt數(shù)值計算方法三、單元類型

84整理ppt數(shù)值計算方法三、單元類型

85整理ppt數(shù)值計算方法四、計算步驟

結構力學方法86整理ppt圍巖強度判據(jù)的理論根底是強度破壞理論，其中尤以剪切屈服破壞為主。如應用比較廣泛的摩爾-庫倫和D-P準那么。摩爾-庫倫準那么：五、屈服準那么數(shù)值計算方法87整理ppt摩爾-庫倫準那么：五、屈服準那么數(shù)值計算方法88整理pptD-P準那么：該準那么假定物體內單位體積的應變能到達某一極限值時所對應的點開始屈服，并考慮到靜水壓力的作用，對于平面應變狀態(tài)：

五、屈服準那么數(shù)值計算方法89整理ppt六、計算范圍的選取三維問題，平面應變問題半無限空間問題，半無限平面問題依據(jù)圣維南原理，選取有限計算區(qū)域，在滿足精度要求的根底上，節(jié)省計算費用。計算邊界即可確定在3～5倍開挖寬度。根據(jù)對稱性的特點，分析區(qū)域可以取1/2或1/4。數(shù)值計算方法90整理ppt七、分析過程問題及求解域定義；求解域離散化確定狀態(tài)變量及控制方法單元推導總裝聯(lián)立方程組求解和結果解釋有限元分析可分成三個階段，前置處理、計算求解和后置處理。數(shù)值計算方法91整理ppt特征曲線設計方法1、圍巖特征曲線的根本概念：

說明圍巖在洞室周邊所需提供的支護阻力與其周邊位移的關系：在洞周極限位移范圍內，容許圍巖的位移增加，所需要的支護阻力減小，而應力重分布的結果大局部由圍巖承擔。一、圍巖特征曲線

92整理ppt2、不同應力狀態(tài)下的圍巖特征曲線：〔1〕、彈性應力狀態(tài)下的圍巖特征曲線〔2〕、彈塑性應力狀態(tài)下的圍巖特征曲線①、不考慮塑性區(qū)體積擴容的方程②、考慮體積擴容的方程一、圍巖特征曲線

特征曲線設計方法93整理ppt彈性應力狀態(tài)下的圍巖特征曲線一、圍巖特征曲線

當pa=0時，uamax=(1+μ)/E*σyr0；當ur0=0時，pamax=σy，即欲坑道周邊不產生位移，就需要有相當于初始地應力大小的支護阻力，是坑道處于初始地應力狀態(tài)，顯然這是不可能的。特征曲線設計方法94整理ppt一、圍巖特征曲線

由于塑性區(qū)c、φ

值是變化的，代以不同的c、φ值就可以得到不同的收斂曲線。通常采用平均的c、φ

值來確定收斂線。特征曲線設計方法95整理ppt一、圍巖特征曲線

彈塑性應力狀態(tài)下圍巖特征曲線-考慮塑性區(qū)體積擴容式中：M為彈塑性邊界上應力差。當μ=0.5時，那么上式成為不考慮塑性區(qū)體積擴容的方程。特征曲線設計方法96整理ppt1、支護特征曲線的根本概念：指作用在支護上的荷載與支護變形的關系曲線，支護結構所能提供的支護阻力隨著支護結構剛度增大而增大。支護結構的剛度和支護與圍巖的接觸狀態(tài)有關。二、支護結構特征曲線

圍巖初始位移最大支護阻力特征曲線設計方法97整理ppt2、不同類型支護結構的特征曲線：〔1〕混凝土或噴混凝土的支護特征曲線二、支護結構特征曲線

〔σcc為噴混凝土或混凝土的單軸抗壓強度〕上式是按照外壓作用下的圓管理論推導得來的，它只能用于圓形襯砌，而且超挖值也受到限制。特征曲線設計方法98整理ppt二、支護結構特征曲線

tc<0.04a時，支護阻力可以按照上式計算〔薄壁圓管計算公式〕，式中σcc為噴混凝土單軸抗壓強度tc<0.04a齡期28天噴混凝土厚度對特征曲線的影響特征曲線設計方法99整理ppt2、不同類型支護結構的特征曲線：〔2〕鋼支撐的支護特征曲線二、支護結構特征曲線

鋼支撐通常是在工廠預制的,因此在工地安裝時,必須采用不同厚度的木墊塊使支撐與圍巖密貼,甚至給予一定的預加荷載。這樣在繪制鋼支撐的特性曲線時,就不僅要考慮支撐本身的構造,而且要考慮墊塊的剛度。楔點鋼支撐模式特征曲線設計方法100整理ppt2、不同類型支護結構的特征曲線：〔2〕鋼支撐的支護特征曲線木模塊剛度對鋼支撐特征曲線的影響s-沿隧道極度方向的支撐間距；θ-楔點間夾角之半〔弧度〕；w-支撐翼緣寬度；As-鋼支撐截面積；Is-支撐截面慣性矩；Es-鋼的彈性模量；tB-墊塊厚度；EB-墊塊材料的彈性模量;σys-鋼的屈服強度;X-鋼支撐截面厚度。特征曲線設計方法101整理ppt2、不同類型支護結構的特征曲線：〔3〕灌漿錨桿的支護特征曲線二、支護結構特征曲線

目前，灌漿錨桿的支護機理通過拉拔試驗進行一些定性討論。通過拉拔試驗得出的拉拔荷載與位移的關系如右圖所示,是非線性的,它說明拉拔荷載與錨桿本身的強度、直徑、長度以及使圍巖與錨桿膠結在一起的材料〈砂漿或樹脂〉的強度等有關。拉拔位移曲線特征曲線設計方法102整理ppt三、特征曲線設計方法

特征曲線法的根本原理是利用圍巖特征曲線和支護結構特征曲線交會的方法來決定支護體系的最正確平衡條件。支護結構特征曲線與圍巖特征曲線交點處的橫坐標為形成平衡體系時洞周發(fā)生的位移。交點縱坐標以下的局部為支護結構上承受的荷載，以上局部由圍巖來承擔。剛度大的支護結構承受較大的圍巖作用力〔壓力〕；反之，柔性較好的支護結構所承受的圍巖壓力要小得多。所以，我們在工程中強調采用柔性支護以節(jié)約本錢，但它也應有必要的剛度，以便有效地控制圍巖變形，而到達穩(wěn)定。特征曲線設計方法103整理ppt(①—錨桿支護曲線；②、④—噴混凝土支護曲線；③—組合結構支護曲線)〔1〕不同剛度的支護結構與圍巖達成平衡時的pa和ur0是不同的圖中，錨桿的支護結構特征曲線①沒有能和圍巖特征曲線相交，說明錨桿的剛度太小，它所能提供的支護阻力滿足不了圍巖穩(wěn)定性的需求，這種供不應求的狀況最終將導致圍巖失穩(wěn)。當然，增加支護結構的剛度并不意味著要增加支護結構的尺寸和數(shù)量，重要的是支護結構及早地形成閉合斷面。特征曲線設計方法104整理ppt(①—錨桿支護曲線；②、④—噴混凝土支護曲線；③—組合結構支護曲線)〔2〕同樣剛度的支護結構，假設時間不同，最后達成平衡狀態(tài)也不同如圖中曲線②和④。支護結構架設的越早，它所承受的圍巖壓力就越大。但這不等于說支護結構參與相互作用的時間愈遲愈好，因為初始變形不加控制會導致圍巖迅速松弛而崩塌。當然，這個范圍的大小視圍巖的特性和埋置深度而變。特征曲線設計方法105整理ppt隧道工程結構計算軟件FastLagrangianAnalysisofContinua美國Itasca咨詢公司開發(fā)2D程序(1986)1990年代初引入中國有限差分法(FDM)DOS版→2.0→2.1→3.0→5.0→6.0Itasca其他軟件1.FLAC3D106整理ppt隧道工程結構計算軟件1.FLAC3D應用：巖土力學分析，例礦體滑坡、煤礦開采沉陷預測、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等巖土工程、采礦工程、水利工程、地質工程特色：大應變模擬完全動態(tài)運動方程使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙顯示求解具有較快的非線性求解速度107整理ppt隧道工程結構計算軟件根本原理有限差分法Lagrangian網(wǎng)格空間混合離散技術Lagrangian格式動量平衡方程FLAC3D的求解過程FLAC3D的本構模型108整理ppt隧道工程結構計算軟件求解過程109整理ppt隧道工程結構計算軟件本構模型開挖模型null3個彈性模型各向同性彈性橫觀各向同性彈性正交各向同性彈性8個塑性模型〔Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、應變硬化/軟化模型、遍布節(jié)理模型、雙線性應變硬化/軟化遍布節(jié)理模型、修正劍橋模型和胡克布朗模型〕110整理ppt隧道工程結構計算軟件111整理ppt隧道工程結構計算軟件FLAC3D前后處理命令欄112整理ppt隧道工程結構計算軟件FLAC3D前后處理113整理ppt隧道工程結構計算軟件一個簡單算例genzonbrisize333;建立網(wǎng)格modelelas;材料參數(shù)propbulk3e8shear1e8inidens2000;初始條件fixzranz-.1.1;邊界條件fixxranx-.1.1fixxranx2.93.1fixyrany-.1.1fixyrany2.93.1setgrav00-10solve;求解appnstr-10e4ranz3x12y12solveRUNFLAC3D114整理ppt隧道工程結構計算軟件前后處理優(yōu)缺點多種zone類型后處理快捷、方便、豐富計算過程中的hist變量動態(tài)顯示FISH可進行參數(shù)化模型設計單元狀態(tài)的可編程計算暫停時的后處理與可保存復雜模型的建模功能不強可以編程導入其他軟件形成的網(wǎng)格(比方：Ansys、Adina、GeoCAD)無等值線的后處理功能(3D)可編程將.sav文件寫入TecPlot等其他后處理軟件全命令操作，學習困難鼠標功能單一(雙擊取擊點坐標)優(yōu)點：缺點：115整理ppt隧道工程結構計算軟件2.ANSYSANSYS是世界上著名的大型通用有限元計算軟件，它包括熱、電、磁、流體和結構等諸多模塊，具有強大的求解器和前、后處理功能，為我們解決復雜、龐大的工程工程和致力于高水平的科研攻關提供了一個優(yōu)良的工作環(huán)境，更使我們從繁瑣、單調的常規(guī)有限元編程中解脫出來。ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能，同時也為用戶自己進行二次開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境。ANSYS程序自身有著較為強大三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI(圖形界面)就可建立各種復雜的幾何模型；此外，ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而，利用這些功能，可以實現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉換。116整理ppt隧道工程結構計算軟件主要功能1.結構分析1〕靜力分析-用于靜態(tài)載荷。可以考慮結構的線性及非線性行為?！窬€性結構靜力分析●非線性結構靜力分析?幾何非線性：大變形、大應變、應力強化、旋轉軟化?材料非線性：塑性、粘彈性、粘塑性、超彈性、多線性彈性、蠕變、腫脹等?接觸非線性：面面/點面/點點接觸、柔體/柔體剛體接觸、熱接觸?單元非線性：死/活單元、鋼筋混凝土單元、非線性阻尼/彈簧元、預緊力單元等117整理ppt隧道工程結構計算軟件2〕模態(tài)分析-計算線性結構的自振頻率及振形.譜分析是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結構應力和應變(也叫作響應譜或PSD).3〕諧響應分析-確定線性結構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應.4〕瞬態(tài)動力學分析-確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應.可以考慮與靜力分析相同的結構非線性行為.5〕譜分析6〕隨機振動分析等7〕特征屈曲分析-用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀.(結合瞬態(tài)動力學分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析.)8〕專項分析: