隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型與方法

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,王麗琴主講,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,王麗琴主講,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,王麗琴主講,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,王麗琴主講,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,王麗琴主講,*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式

2、,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,王麗琴主講,第五章,隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)原理與方法,第一節(jié),概 述,第二節(jié)圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng),第三節(jié)隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用,第四節(jié)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則,第五節(jié)圍巖壓力,第六節(jié),隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型,第七節(jié),隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)計(jì)算方法,1,第六節(jié)隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型,一、,計(jì)算模型的建立原則,二、,常用的計(jì)算模型,2,一、計(jì)算模型的建立原則,地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型必須符合下列條件：,與實(shí)際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實(shí)際狀態(tài)以及與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)；,荷載假定應(yīng)與在修建隧道過(guò)中（各作業(yè)階段）中荷載發(fā)生的情況一致；,算出的應(yīng)力狀態(tài)要與經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用的結(jié)構(gòu)所發(fā)

3、生的應(yīng)力變化和破壞現(xiàn)象一致；,材料性質(zhì)和數(shù)學(xué)表達(dá)要等價(jià)。,3,目前,地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以歸納為以下四種設(shè)計(jì)模型：,工程類比模型,：參照過(guò)去隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；,監(jiān)控量測(cè)模型,：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，例如通過(guò)洞周位移和襯砌應(yīng)力的量測(cè)，不斷優(yōu)化支護(hù)參數(shù)；,荷載-結(jié)構(gòu)模型,：即作用與反作用模型，例如假定彈性抗力法、彈性地基梁法和彈性鏈桿法；,地層-結(jié)構(gòu)模型,：即連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法、數(shù)值法、特征曲線法和剪切滑移破壞法。數(shù)值計(jì)算法目前主要是有限單元法。,4,第一類模型：以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載主要來(lái)源，同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起約束作用；,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,

4、第二類模型：與上述模型相反，是以圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)則約束和限制圍巖向隧道內(nèi)變形。,現(xiàn)代巖體力學(xué)模型,二、常用的計(jì)算模型,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：,5,第七節(jié) 隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)計(jì)算方法,一、,結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,二、,巖體力學(xué)方法,三、,以圍巖分級(jí)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,四、,監(jiān)控設(shè)計(jì)方法（信息化設(shè)計(jì)和施工）,6,這一類計(jì)算模型主要,適用于,圍巖因過(guò)分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖“松動(dòng)”壓力的情況。,屬于這一類模型的,計(jì)算方法,有：彈性連續(xù)框架(含拱形)法，假定抗力法和彈性地基梁(含曲梁和圓環(huán))法等。,它將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開(kāi)來(lái)考慮

5、，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承，故又可稱為,荷載-結(jié)構(gòu)模型,。,一、結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,7,(一)荷載-結(jié)構(gòu)模型的建立,主動(dòng)荷載模型,不考慮圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下可以自由變形，其計(jì)算原理和地面結(jié)構(gòu)一樣。,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度比小的情況；,軟弱圍巖無(wú)能力約束支護(hù)的變形；,明挖法修建的隧道中,適用范圍：,8,認(rèn)為圍巖不僅對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，圍巖還對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加被動(dòng)的,彈性抗力,。,主動(dòng)荷載圍巖彈性約束模型,彈性抗力,支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向圍巖方向的變形而引起的圍巖的被動(dòng)抵抗力。,9,隧道襯砌在圍巖壓力作用下要產(chǎn)

6、生變形。,在隧道拱頂，其變形背向圍巖，不受?chē)鷰r的約束而自由地變形，這個(gè)區(qū)域稱為“,脫離區(qū),”；而在隧道的兩側(cè)及底部，,結(jié)構(gòu),產(chǎn)生朝向圍巖的變形，,受到圍巖的約束作用,，因而圍巖對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了彈性抗力，這個(gè)區(qū)域稱為“,抗力區(qū),”。,隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn),(二)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn),10,(三)作用(荷載)組成,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(chē)、汽車(chē)活載,等。,地下水壓力：,一般圓形和近似圓形斷面的隧道，采用,最低水位,計(jì)算；,矩形斷面的隧道，采用,最高水位,計(jì)算；,主要荷載,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

7、壓力、凍脹力,及,地震力,等。,主動(dòng)荷載,11,(三)作用(荷載)組成,被動(dòng)荷載,彈性抗力,支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向圍巖方向的變形而引起的圍巖的被動(dòng)抵抗力。,12,式中,i,:圍巖表面上任意一點(diǎn)所產(chǎn)生的彈性抗力；,i,:圍巖在同一點(diǎn)的壓縮變形；,K,:比例系數(shù)，稱為圍巖的彈性抗力系數(shù)。,彈性抗力的大小,，目前常用以“溫克爾,(,Winkler,),假定”為基礎(chǔ)的局部變形理論來(lái)確定。,它,認(rèn)為,圍巖的彈性抗力是與圍巖在該點(diǎn)的變形成正比的,，用公式表示為：,13,(四)支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要內(nèi)容有：,按工程類比法初步擬定斷面的幾何尺寸,確定作用在結(jié)構(gòu)上的荷載,進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，求出截面的內(nèi)力

8、（彎矩,、軸力,、,剪力）,檢算截面的承載力,14,彈性固定無(wú)鉸拱計(jì)算圖式,1、主動(dòng)荷載模式,(1)彈性固定的無(wú)鉸拱,適用于這類計(jì)算模式的常有半襯砌。,半襯砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，當(dāng)豎向荷載作用時(shí)，大部分情況下，,拱圈都是向坑道內(nèi)變形，不產(chǎn)生彈性抗力。,其結(jié)構(gòu)模型可以簡(jiǎn)化成彈性固定無(wú)鉸拱，拱腳產(chǎn)生變位，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力有影響。,15,(2)圓形襯砌,修建在軟土地層中的圓形襯砌，也常常按主動(dòng)荷載模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。,承受的荷載主要有土壓力、水壓力、結(jié)構(gòu)自重和與之相平衡的地基反力。,圓形襯砌計(jì)算圖式,16,2、主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式,假定抗力圖形,局部變形地基梁法,彈性支承法,假定抗力圖形法,

9、該法的計(jì)算特點(diǎn)是,假定抗力的分布范圍的分布規(guī)律,，如上、下零點(diǎn)和最大值的位置。該法計(jì)算拱形襯砌,(,馬蹄形襯砌,),的內(nèi)力的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖所示。圖中假定拱部正中為脫離區(qū)，以下為抗力區(qū)。,17,假定抗力圖形法計(jì)算簡(jiǎn)圖（曲墻式襯砌）,（1）,上零點(diǎn)b（抗力區(qū)與脫離區(qū)分界點(diǎn)）與襯砌垂直中線的夾角假定為,b,45；,（2）,下零點(diǎn)a在墻腳。墻腳處摩擦力很大，無(wú)水平位移，故彈性抗力為零；,（3）,最大抗力點(diǎn)h假定發(fā)生在最大跨度處附近，計(jì)算是一般取,為簡(jiǎn)化計(jì)算，可假定在接縫上。,（4）,抗力圖形分布按以下計(jì)算假定：,拱部,bh,段抗力按二次拋物線分布，任一點(diǎn)的抗力,i,與最大抗力,h,的關(guān)系為：,抗力圖形分

10、布規(guī)律按結(jié)構(gòu)變形特征做如下假定：,18,邊墻,ha,段抗力按二次拋物線分布，任一點(diǎn)抗力,i,與最大抗力,h,的關(guān)系為：,其中：,b,、,i,、,h,分別為,i、b、h,點(diǎn)所在截面與垂直對(duì)稱軸的夾角；,i,點(diǎn)所在截面與襯砌外輪廓線的交點(diǎn)至最大抗力點(diǎn),h,的垂直距離；,墻底外緣至最大抗力點(diǎn),h,的垂直距離。,19,(2)局部變形地基梁法,局部變形地基梁法由,納烏莫夫,首創(chuàng)，一般用于計(jì)算直墻拱形初砌的內(nèi)力。,該法計(jì)算拱形直墻襯砌內(nèi)力的特點(diǎn)，是將,拱圈和邊墻分為兩個(gè)單元,分別進(jìn)行計(jì)算，而在各自的計(jì)算中考慮相互影響。,局部變形地基梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖,j,a,q,e,f,h,e,+,e,c,0,c,0,b/2,

11、b/2,j,j,h,s,a,s,h,20,(3)彈性支承法,利用彈性支承法計(jì)算隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的,基本思想,是：采用符合“,局部變形原理,”的彈簧來(lái)模擬隧道圍巖，而將襯砌與圍巖所組成的隧道結(jié)構(gòu)體系離散化成有限個(gè)襯砌單元和彈簧單元所組成的組合體。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解該體系即可求得襯砌內(nèi)力。,局部變形理論應(yīng)力應(yīng)變示意圖,21,混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù),(五)隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算,圬工種類,混凝土,砌 體,荷載組合,主要荷載,主要荷載+附加荷載,主要荷載,主要荷載+附加荷載,破壞原因,混凝土或砌體達(dá)到抗壓強(qiáng)度極限,2.4,2.0,2.7,2.3,混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限,3.6,3.0,-,-,

12、抗壓強(qiáng)度檢算,（,e,0,0.2,d,）,抗拉強(qiáng)度檢算,（,e,0,0.2,d,）,1、按破損階段法或容許應(yīng)力法,22,2、概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)截面檢算,極限狀態(tài)可以分為,承載能力極限狀態(tài),和,正常使用極限狀態(tài),。,承載能力極限狀態(tài),是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的較大變形的極限狀態(tài)；,正常使用極限狀態(tài),是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。,對(duì)于承載能力極限狀態(tài),對(duì)于正常使用極限狀態(tài),23,在隧道結(jié)構(gòu)體系中，一方面圍巖本身由于支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了一定的支護(hù)抗力，而引起它的應(yīng)力調(diào)整，從而達(dá)到新的穩(wěn)定；另一方面由于,支護(hù)結(jié)構(gòu)阻止圍巖變形,，也必然要受到圍巖給予

13、的反作用力而發(fā)生變形。這種反作用力和圍巖的,松動(dòng)壓力,極不相同，它是支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同變形過(guò)程中對(duì)支護(hù)施加的壓力，故可稱為“,形變壓力,”。,二、巖體力學(xué)方法,它是將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為,圍巖-結(jié)構(gòu)模型,或,復(fù)合整體模型,。,24,巖體力學(xué)方法的要點(diǎn),：,一切方法、手段和措施都是圍繞,圍巖穩(wěn)定,為目的的；,支護(hù)與圍巖視作統(tǒng)一的,復(fù)合體,，支護(hù)和圍巖,共同作用,；,在復(fù)合體中，圍巖是承載主體，,最大限度的發(fā)揮圍巖的自承能力,，也是發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力；,憑借,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),和,監(jiān)測(cè)手段,，劃定圍巖級(jí)別，獲得力學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)施工；,對(duì)不同的地質(zhì)條件，力學(xué)特征的圍

14、巖，,靈活采用不同支護(hù)方式,和相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算模型。,25,目前對(duì)于這種模型求解方法主要有：,解析法、數(shù)值法、特征曲線法、剪切滑移破壞法,1、解析法,該方法根據(jù)所給定的,邊界條件,，對(duì)問(wèn)題的,平衡方程,、,幾何方程,和,物理方程,直接求解。,26,平衡微分方程(靜力平衡),幾何方程(應(yīng)變與位移),27,物理方程(應(yīng)力與應(yīng)變),邊界條件（以位移為例）,位移邊界條件；,應(yīng)力邊界條件；,混合邊界條件。,28,2、數(shù)值方法,對(duì)于幾何形狀和圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)都比較復(fù)雜的隧道，一般需要采取數(shù)值方法，尤其是需要考慮圍巖的各種非線性特性時(shí)。該方法主要是指有限單元法，它是把圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)都劃分為單元，然后根據(jù)能量原

15、理建立起整個(gè)系統(tǒng)的虛功方程，也稱,剛度方程,，從而求出系統(tǒng)上各節(jié)點(diǎn)的位移以及單元的應(yīng)力。,(1)計(jì)算范圍的選取,無(wú)論是深埋或淺埋隧道都屬于半無(wú)限空間問(wèn)題，簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題時(shí)，則為,半無(wú)限平面問(wèn)題,。實(shí)踐證明，隧道開(kāi)挖僅僅對(duì)一定的有限范圍內(nèi)才有明顯的影響，在距開(kāi)挖部位稍遠(yuǎn)一些的地方，其應(yīng)力變化是微不足道的。,平面有限元分析時(shí)的計(jì)算范圍可取為610倍的隧道寬度。此外，根據(jù)對(duì)稱性的特點(diǎn)，分析區(qū)域可以取一半(一個(gè)對(duì)稱軸)或1/4(兩個(gè)對(duì)稱軸)。,29,(2)單元類型的選擇,圍巖和混凝土為勻質(zhì)、各向同性的粘彈塑性材料，一般采用,四邊形等參單元,和,退化的三角形單元,模擬；對(duì)噴射混凝土層和錨桿可采用,桿

16、單元,模擬，并用特殊粘結(jié)單元模擬錨桿與圍巖之間相互聯(lián)結(jié)，錨桿與圍巖之間的聯(lián)系狀態(tài)是剛塑性的；對(duì)防水層可采用有厚度的,夾層單元,模擬。,(3)分部開(kāi)挖的力學(xué)模擬,隧道開(kāi)挖在力學(xué)上可以認(rèn)為是一個(gè),應(yīng)力釋放和回彈變形,問(wèn)題。當(dāng)隧道開(kāi)挖后，圍巖中的部分初始地應(yīng)力得到釋放，產(chǎn)生了向隧道內(nèi)的回彈變形，并使圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生重分布：隧道周邊成為自由表面，應(yīng)力為零。為了模擬開(kāi)挖效應(yīng)，求得開(kāi)挖隧道后圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)，可以將開(kāi)挖釋放掉的應(yīng)力作為等效荷載加在開(kāi)挖后坑道的周邊上。,(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核,30,3、特征曲線法,特征曲線法也稱為“,收斂-約束,”法，是用,圍巖的支護(hù)需求曲線,和,支護(hù)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)給曲線,以求得達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。,特征曲線法的,基本原理,是：,隧道開(kāi)挖后，如無(wú)支護(hù)，圍巖必然產(chǎn)生向隧道內(nèi)的變形(收斂)。施加支護(hù)以后，支護(hù)結(jié)構(gòu)約束了圍巖的變形(約束)，此時(shí)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)一起共同承受?chē)鷰r擠向隧道的變形壓力。,31,剪切滑移體的形成過(guò)程：當(dāng)垂直壓力大于水平側(cè)向壓力時(shí),(A),：,在水平直徑的兩側(cè)形成壓應(yīng)力集中而產(chǎn)生剪切滑面；,滑移面繼續(xù)發(fā)展形成兩個(gè)剪切楔形滑移塊體；,滑移塊向坑道