隧道工程5隧道支护结构的计算课件.ppt

1、5.4 隧道洞门计算5.3 岩体力学方法5.1 隧道结构体系的计算模型5.2 结构力学方法5.5 隧道抗震计算5.1 隧道结构体系的计算模型 围岩不仅是荷载，同时又是承载体；地层压力由围岩和支护结构共同承受；充分发挥围岩自身承载力的重要性。隧道结构计算的简化问题 在十九世纪末，隧道衬砌结构在十九世纪末，隧道衬砌结构是作为是作为超静定弹性拱超静定弹性拱计算的，但仅计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽视了围岩对衬砌的约束作用视了围岩对衬砌的约束作用 弹性抗力弹性抗力：衬砌在受力过程中的：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成变形，一部分结构有离开围岩形

2、成“脱离区脱离区”的趋势，另一部分压紧围的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓岩形成所谓“抗力区抗力区”，在抗力区内，在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩相应地产生被约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力动抵抗力 进入本世纪后，通过长期观测，进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还时还约束着衬砌的变形约束着衬砌的变形。围岩对衬。围岩对衬砌变形的约束，砌变形的约束，对改善衬砌结构的对改善衬砌结构的受力状态有利受力状态有利，不容忽视，不容忽视 局部变形理论和共同变形理论局部变形理论和共同变形理论 局部变形理论：是以温克尔局部变形理论：是以温克尔（E.Wi

3、nkler）假定为基础的。它认假定为基础的。它认为应力和变形之间呈为应力和变形之间呈线性关系线性关系，即为，即为围岩弹性抗力系数围岩弹性抗力系数局部变形理论和共同变形理论局部变形理论和共同变形理论 共同变形理论把围岩视为弹性半共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，无限体，考虑相邻质点之间变形的考虑相邻质点之间变形的相互影响相互影响。它用纵向变形系数。它用纵向变形系数E E和横和横向变形系数表示地层特征，并考虑向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力粘结力C C和内摩擦角的影响。和内摩擦角的影响。2 2、隧道结构体系的计算模型、隧道结构体系的计算模型 国际隧道协会国际隧道协会(ITA)(ITA)在在1

4、9871987年成年成立了隧道结构设计模型研究组，收集立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的地下结和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方会认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下法可以归纳为以下4 4种设计模型种设计模型：以工程类比为主的以工程类比为主的经验设计法经验设计法；以现场量测和实验室试验为主的以现场量测和实验室试验为主的实用实用设计方法设计方法 荷载荷载结构模型结构模型方法方法 岩体力学模型岩体力学模型方法，包括解析法和数方法，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有

5、限单元法。值法。数值计算法目前主要是有限单元法。从各国的地下结构设计实践看，目前主要采从各国的地下结构设计实践看，目前主要采用两类计算模型：用两类计算模型：一类是一类是以支护结构作为承载主体以支护结构作为承载主体，围岩作为，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，即结构力学模型，又称为模型，即结构力学模型，又称为荷载结构模荷载结构模型型 ；另一类则相反，视另一类则相反，视围岩为承载主体围岩为承载主体，支护结，支护结构则为约束围岩变形的模型构则为约束围岩变形的模型 ，即岩体力学模型，即岩体力学模型或称为或称为围岩围岩结构模型结构模型。特点：以

6、支护结构作为承载主体；围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：围岩压力；围岩弹性抗力。采用结构力学方法计算。适用于：模筑砼衬砌 特点：支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体；支护结构约束围岩的变形；采用岩体力学方法计算；围岩体现为形变压力。适用于：锚喷支护隧道衬砌上的荷载类型及其组合隧道衬砌上的荷载类型及其组合1 1、隧道结构上的、隧道结构上的基本荷载基本荷载2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型1 1、基本荷载、基本荷载 （1 1）围岩压力）围岩压力 （2 2）结构自重力）结构自重力2 2、隧道结构上的荷载及其类型、隧道结构上的荷载及其类型 作用在衬砌上

7、的荷载，按其性质可以区作用在衬砌上的荷载，按其性质可以区分为主动荷载与被动荷载两大类。分为主动荷载与被动荷载两大类。主动荷载主动荷载是主动作用于结构、并引起结是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；构变形的荷载；被动荷载被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。构变形起限制作用。公路隧道设计规范公路隧道设计规范JTG D70-2004JTG D70-2004将将隧道结构上荷载仿照桥规分为：隧道结构上荷载仿照桥规分为：永久荷载永久荷载 可变荷载可变荷载 偶然荷载偶然荷载编号编号荷载类型荷载

8、类型荷荷 载载 名名 称称1 1永久荷载永久荷载（恒载）（恒载）围岩压力围岩压力2 2结构自重力结构自重力3 3填土压力填土压力 水压力水压力4 4混凝土收缩和徐变影响力混凝土收缩和徐变影响力5 5可可变变荷荷载载基本基本可变可变荷载荷载公路车辆荷载，人群荷载公路车辆荷载，人群荷载6 6立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力7 7 立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力8 8其它其它可变可变荷载荷载立交渡槽流水压力立交渡槽流水压力9 9温度变化的影响力温度变化的影响力1010冻胀力冻胀力 施工荷载施工荷

9、载1111偶然偶然荷载荷载落石冲击力落石冲击力1212地震力地震力隧规隧规P28P28：表：表6.1.1 6.1.1 作用在隧道结构上的荷载作用在隧道结构上的荷载 隧规细则隧规细则隧规细则隧规细则荷载组合：荷载组合：结构自重围岩压力附加恒载结构自重围岩压力附加恒载（基本）（基本）结构自重土压力公路荷载附加恒载结构自重土压力公路荷载附加恒载 结构自重土压力附加恒载施工荷载结构自重土压力附加恒载施工荷载 温度作用力温度作用力 结构自重土压力附加恒载地震作用结构自重土压力附加恒载地震作用附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。5.2 结构力学方法结

10、构力学方法 将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计算模型称为荷载结构模型。根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式：主动荷载模式（图51（a）主动荷载加被动荷载模式（图51（b）)实际荷载模式（图51（c）)。图51 荷载结构模式 (1)主动荷载 主要荷载:指长期及经常作用的荷载，如围岩松动压力、支护结构的自重、地下水压力及列车、汽车活载等。附加荷载:指偶然的、非经常作用的荷载，如温差应力、灌浆压力、冻胀力及地震力等。(1)主动荷载(2)被动荷载围岩抗力 共同变形理论 局部变形理论 矩阵位移法又叫直接刚度法，它是以结构节点位移为基本未

11、知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件）。计算特点:三种单刚 衬砌单刚：梁单元 抗力单刚：二力杆单元 基础单刚：支座单元 拼总刚(结构刚度矩阵)边界条件墙基础水平位移为0 求解以节点位移为未知量的方程组高斯消去法等 由节点位移求出单元节点力内力(1)衬砌结构的处理 衬砌的处理：将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元（梁单元），并将单元的联接点称为节点。墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。图5-4 直刚法计算图式(2)等效节点荷

12、载的处理 按“静力等效”原则进行，即均布荷载所作的虚功应等于节点荷载所作的虚功。图5-5 等效节点荷载计算示意图垂直均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：水平均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为：(3)围岩弹性抗力的处理 以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力；以温氏假定反映抗力与节点位移的关系；弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。图5-6 围岩弹性抗力链秆设置示意图(1)衬砌单元刚度矩阵(衬砌单刚)(2)弹性支承链杆单元刚度矩阵(抗力单刚)要点：其局部坐标系与总体坐标系一致；由温氏假定求抗力。(3)墙脚弹性支座单元刚度矩阵 图5-7 弹性

13、链秆单元示意图 图5-8 墙角弹性支座单元示意图 （1）结构刚度方程的形成（2）结构刚度矩阵的特点 对称矩阵(反力互等定理)；稀疏的带状矩阵，非零元素的个数一般只占元素总 数的5左右；是非奇异矩阵。因抗力弹簧本身就是对衬砌结构的约束，故衬砌结构不能作刚体移动。（1）边界条件 围岩抗力弹簧支承就是一种边界约束，已在拼总刚中考虑了；基底支座水平位移为0。（2）方程组求解：高斯消去法；迭代法（3）对围岩抗力弹簧支承的自动调整（1）单元结点位移（2）单元结点力 破损阶段法 破损阶段法考虑到结构的塑性阶段，材料塑性极限强度Rb已进入塑性阶段。当 时，由抗压强度控制其承载能力，因此仅需按抗压强度进行检算。

14、当 时，由抗拉强度控制承载能力，仅需按抗拉强度进行检算。偏心距限制 混凝土衬砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度；石砌体偏心距不应大于0.3倍截面厚度；基底偏心距，对岩石地基不大于1/4倍墙底厚度，对土质地基不大于1/6倍墙底厚度。概率极限状态法 极限状态法采用数理统计方法，用概率来衡量结构的安全度，或称“可靠度”。（1）承载能力极限状态 混凝土矩形截面中心及偏心受压构件，其受压承载能力：（2）正常使用极限状态 从抗裂要求出发，混凝土矩形偏心受压构件的抗裂承载力按下式检算：5.3 岩体力学方法岩体力学方法 边界元法、无限元法、有限元法、有限元法耦合方法等有限元法处理特点（1）单元类型的选择和网

15、格划分数值分析数值分析解决问题的过程：实际问题数学模型数值计算方法程序设计上机计算求出结果 数值分析是研究用数值分析是研究用计算机计算机求解数学计算问题的求解数学计算问题的计算方法计算方法.（2）计算范围的选取 隧道开挖影响范围距开挖面中心点35倍洞跨的范围；边界上位移为零。（3）边界条件和初始应力（4）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟 （5）开挖施工步骤的模拟 （6）求单元应力 （8）有限元法计算的可信度（7）围岩与支护结构稳定性判断 四 特征曲线法5.4 隧道洞门计算隧道洞门计算 计算方法：洞门可视作挡土墙，按计算挡土墙的方法进行计算。计算处理：主动土压力按库仑理论进行计算；无论墙背仰斜或直立，

16、土压力的作用方向均假定为水平；不考虑被动土压力。取最不利位置的墙体条带计算，称为“检算条带”。条带宽度一般为1m.一 计算部位（检算条带）的选取及计算要点1柱式、端墙式洞门2有挡、翼墙的洞门 二 洞门计算内容 1.洞门计算内容：墙身偏心及强度；绕墙趾的抗倾覆性(墙趾墙身外表面与基底面 的交点)；沿基底滑动的稳定性；基底应力检算。2.洞门端墙及挡（翼）墙检算规定 墙身截面压应力 容许应力 墙身截面偏心距 e 0.3倍截面厚度 基底应力 地基容许承载力 基底偏心距 e 岩石地基B/4，土质地基B/6（B为墙底厚度）滑动稳定系数 KC1.3 倾覆稳定系数 K01.5 三 洞门端墙厚度的设计 四 洞门

17、计算的概率极限状态法 铁路隧道设计规范规定隧道洞门除按破损阶段法进行检算外，还可采用极限状态法进行设计计算。基本方法仍同破损阶段法，如取计算条带，具体公式不同，按可靠度理论得出.1.洞门墙墙身抗压承载能力计算(承载能力极限状态)2.洞门墙墙身抗裂承载能力计算(正常使用极限状态)3.洞门墙地基承载能力计算 4.抗倾覆计算 5.抗滑动计算5.5 隧道抗震计算隧道抗震计算 一 概 述 规定：在地震基本烈度为7度及以上地区的隧道，需要进行抗震设计。抗震设计方法：地震系数法 其它方法：波动法；相互作用法；数值分析方法，等。三 地震系数法 考虑两种情况：水平地震力的方向横交隧道纵轴 应考虑洞口、浅埋、偏压地段和明洞。水平地震力的方向沿隧道纵轴 仅需考虑洞门及洞口一个环节衬砌。二 抗震有关规定 图5-20 纵向水平地震力作用下洞口环节计算图式 1.地震力的计算（1）横向水平地震力（2）纵向水平地震力 水平梁 竖向梁2.衬砌内力计算（1）衬砌任一截面内的弯矩按图（b）可得：（2）衬砌任一截面内的弯矩按图（c）可得：（3）在衬砌任一截面中，由于地震力产生的最大应力为：