隧道工程施工案例教程 課件 第8講 結構力學方法

第五章隧道支護結構設計

計算方法的基本原理第三節(jié)結構力學方法一、基本原理

將支護和圍巖分開考慮，支護結構是承載主體，地層對結構的作用以荷載表示，以計算襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法，也稱為荷載——結構法。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理

其設計原理：圍巖壓力：按圍巖分級或由實用公式確定；圍巖對支護結構變形的約束作用：通過彈性支撐來體現(xiàn)的；圍巖的承載能力：在確定圍巖壓力和彈性支撐的約束能力時間接考慮。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理

在圍巖與支護結構相互作用的處理上卻有幾種不同的做法：主動荷載模式（軟弱圍巖）豎向圍巖主動壓力側向圍巖主動壓力第五章隧道支護構設計計算方法的基本原理主動荷載加被動荷載(彈性抗力)模式豎向圍巖主動壓力側向圍巖主動壓力彈性抗力適用于各種圍巖第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理實際荷載模式徑向荷載切向荷載第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理二、隧道襯砌受力變形特點脫離區(qū)：抗力區(qū)：豎向圍巖主動壓力側向圍巖主動壓力彈性抗力脫離區(qū)圍巖對襯砌變形起雙重作用：圍巖產(chǎn)生主動壓力使襯砌變形，又產(chǎn)生被動壓力阻止襯砌變形。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理三、隧道襯砌承受的荷載--主動與被動荷載(一)主動荷載1.主要荷載

長期及經(jīng)常作用的荷載，如圍巖松動壓力、支護結構的自重、地下水壓力及列車、汽車活載等。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理

支護結構自重：可按預先擬定的結構尺寸和材料容重計算確定。

水壓力：對于一般的隧道結構，在含水地層中，靜水壓力可按最低水位考慮，由于靜水壓力使襯砌結構物中的軸向力加大，對抗彎性能差的混凝土襯砌結構來說，相當于改善了它的受力狀態(tài)，對結構有利。

圍巖松動壓力：

活載：第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理2.附加荷載

指偶然的、非經(jīng)常作用的荷載，如溫差應力、灌漿壓力、凍脹力及地震力等。3.計算荷載

應按上述兩種荷載同時存在的情況進行組合。一般僅考慮主要荷載，只有在某些特殊情況時，如七級以上地震區(qū)，或嚴寒地區(qū)凍脹性土壤的洞口段襯砌，才按主要荷載加附加荷載來檢算結構。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理(二)被動荷載(即圍巖的彈性抗力)

彈性抗力：

彈性抗力的大小，目前多用溫克爾(Winkler)假定為基礎的局部變形理論計算。局部變形假設δiσiσi局部變形理論認為應力和變形之間呈線性關系，第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理σi=Kδi

式中

δi－圍表面上任意一點i的壓縮變形；

σi－圍巖在同一點上所產(chǎn)生的彈性抗力；

K－圍巖的彈性反力系數(shù)。

這樣假設和實際情況有出入。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理共同變形理論：考慮相鄰質(zhì)點之間變形的相互影響。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)表示地層特征，并考慮粘結力和內(nèi)摩擦角的影響。σi共同變形假設σi第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理四、隧道襯砌結構的計算方法

隧道支護結構計算的主要內(nèi)容有:按工程類比方法初步擬定斷面的幾何尺寸確定作用在結構上的荷載進行力學計算，求出截面的內(nèi)力(彎矩M和軸向力N)檢算截面的承載力第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理(一)假定抗力區(qū)范圍及抗力分布規(guī)律法(簡稱“假定抗力圖形法”)

假定襯砌結構周邊抗力分布的范圍及抗力區(qū)各點抗力變化的圖形，只要知道某一特定點的彈性抗力，就可求出其它各點的彈性抗力值。

這樣，在求出作用在襯砌結構上的荷載后，其內(nèi)力分析也就變成了通常的超靜定結構問題。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理qeehaabXY圖為曲墻式襯砌結構采用“假定抗力圖形法”求解襯砌截面內(nèi)力的計算圖式。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理

當曲墻的曲率是常數(shù)或為直梁時，可采用初參數(shù)法求解結構內(nèi)力，一般直墻式襯砌的直邊墻利用此法求解。(二)彈性地基梁法

這種方法是將襯砌結構看成置于彈性地基上的曲梁或直梁。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理

直墻式襯砌的拱圈和邊墻分開計算。拱圈為一個彈性固定在邊墻頂上的無鉸平拱，邊墻為一個置于彈性地基上的直梁，計算時先根據(jù)其換算長度，確定是長梁、短梁或剛性梁，然后按照初參數(shù)方法來計算墻頂截面的位移及邊墻各截面的內(nèi)力值。ObbccaaKKEJhaKalq第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理(三)彈性支承法

彈性支承法的基本特點：（1）將襯砌結構離散為有限個桿系單元體，（2）彈性抗力：用一些具有一定彈性的支承來代替巖柱，并以鉸接的方式支承在襯砌單元之間的節(jié)點上，它不承受彎矩，只承受軸力。第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理

拱墻彈性支承的設置方向，可將彈性支承由法向設置為水平方向設置。對于彈性固定的邊墻底部用一個即能約束水平位移，又能產(chǎn)生轉動和垂直位移的彈性支座來模擬。

第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理n=109876543210123456789n=10KaKK90°～120°隧道襯砌結構內(nèi)力分析的一般計算圖式第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理五、襯砌截面強度檢算

按荷載—結構模型進行設計，最后要作截面檢算。支護結構內(nèi)力計算結果，可得到襯砌任一截面所受彎矩、軸力及剪力。其中彎矩和軸力是主要的，為一偏心受壓桿件。e0=M/NQNMhNe0第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理(一)極限狀態(tài)法設計隧道結構截面檢算對于承載能力極限狀態(tài)γsc——混凝土襯砌抗壓檢算時作用效應分項系數(shù)；Nk——軸力標準值，由各種作用標準值計算得到；

φ

——構件縱向彎曲系數(shù)，對于隧道襯砌、明洞拱圈及回填緊密的邊墻，可取φ＝1.0；對于其他構件，應根據(jù)其長細比查得；α——軸向力偏心系數(shù)，可由e0/h值查得。b、h——截面寬度、厚度；fck——混凝土軸心抗壓強度標準值；γRc——混凝土襯砌構件抗壓檢算時抗力分項系數(shù)；第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理(一)極限狀態(tài)法設計隧道結構截面檢算正常使用極限狀態(tài)γst——混凝土襯砌構件抗裂檢算時的作用效應分項系數(shù)；e0——檢算截面偏心距；fctk——混凝土軸心抗拉強度標準值。γRt——混凝土襯砌抗裂檢算時的抗力分項系數(shù)；第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理混凝土襯砌構件抗壓檢算各分項系數(shù)分項系數(shù)深埋隧道偏壓隧道明洞襯砌作用效應γsc3.951.602.67抗力γRc1.851.831.35混凝土襯砌構件抗裂檢算各分項系數(shù)分項系數(shù)深埋隧道偏壓隧道明洞襯砌作用效應γst3.101.401.52抗力γRt1.452.512.70第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理(二)按破損階段法及允許應力法設計隧道結構截面檢算抗壓強度檢算抗裂強度檢算第五章隧道支護結構設計計算方法的基本原理式中K——安全系數(shù)；

N——軸向力；

Ra——混凝土或砌體的抗壓極限強度；

Rl——混凝土的抗拉極限強度。

混凝土和砌體結構的強度安全系數(shù)圬工種類混凝土砌體荷載組合主要荷載主要荷載加附加荷載主要荷載主要荷載加附加荷載