隧道工程之第五章隧道结构体系设计

1、第五章隧道结构体系设计1.隧道结构的受力特点？隧道结构体系的概念？受力特点1荷载的模糊性2围岩物理力学参数难以准确获得3设计参数受到施工方法和施作时间的影响很大4隧道与地面结构的不同点弹性抗力5隧道结构体系隧道结构体系发展历史：刚性结构阶段：压力线理论（静力学原理）；上覆岩重（不考虑围岩的自承能力）。 弹性结构阶段：地层压力+弹性抗力；松动压力（深埋）。假定弹性抗力阶段；弹性地基梁阶段。连续介质阶段：岩体力学；围岩+支护体系；形变压力。解析法、有限元法、离散元法、边界元法、反演分析、可靠度理论随机有限元蒙特卡洛法等 4种设计模型：以工桿类比为丰泊经验i殳计法：;结构模型。连续介痕模坐，也刑解析

2、法和数值法；2两类计算模型：结构力学模型特点：以又护结构作人求截上依：:1 ）围岩压力：围岩分级2 ）围岩弹性抗力用界压力休规为松动压力：釆川结构力学方法计笄适fflT：衬砌岩体力学模型，又称为地层一结构模型。与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体；支护姑构约束也幷的变形:力体规人形变斥力： 初始应j场+材料非线性特性的各种参数;釆用并体力译:方法计靠*牌析法、有限元匚适用丁：镭喷玄护岩体力学方法与结构力学方法的区别（1）对围岩和围岩压力的认识上： 結构力学方法:松动压力: 盲休力学方法：形变压ZL（2）在围岩和支护间的相互作用关系上：紀构力学方法：荷载一结构体系：岩依力学方法:M

3、S-支护鄭系：（3）在支护功能和作用原理上：荷载；岩依力学方法:支护是为了稳定和岫同Mtt :（4 ）在计算方法上：姑构力学方法：确定作用在玄护上的荷载:胃依力学方法:设计的作用荷载是料休的地应力围岩利支护賊同承扎3.围岩弹性抗力？计算模型中有几种处理方式？温氏假定与它有什么关系?弹性抗力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，它对结构变形起限制作用。 局部变形理论和共同变形理论。局部变形理论是以温克尔假定为基础，认为应力和变形之间呈直线关系，相当于认为围岩是一组各自独立 的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱，忽略变形后各弹簧的相互影响。共同变形理论是把围岩视为弹性板无限体，考虑相邻

4、质点之间变形的相互影响。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&氏仅定反映抗丿J与节点世移的关系:痒贵支承的方向:应按衬砌与田界的接触狀态帀定=1）假定抗力图形法分布的范围及抗力区各点抗力变化的图形；内力分祈也就变成了通常的超睁立紜构问風关键:求抗丿适fflT：山墻、百港式衬砌的计算2）弹性地基梁法基本特点将衬砌结构看为置于弹性地基上的曲梁或直梁，适用：直墙式衬砌的直边墙直墙式衬砌的拱圈和边墙分开计算。拱圈为一个弹性固定在边墙上的无铰平拱。边墙为一个置于弹性地基 上的直梁；移及边墙各截面的内力值。3）弹性支承法将衬砌结构离散为有限个杆系单元体将弹性

5、抗力范围内的连续岩体，离散为若干条彼此不相关的矩形岩柱，用具有一定弹性的支承代替岩柱； 以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上，不承受弯矩，只承受轴力弹性支承的设置方向：法向和切向弹性支承；法向支承；水平方向设置 边墙底部：弹性支座：产生转动和垂直位移，约束水平位移 围岩压力简化为节点荷载；内力可用矩阵力法或矩阵位移法计算 基本原理矩阵位移法又叫直接刚度法。 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）变形协调条件： 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； 作用于某一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。 边

6、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。结构刚度矩阵的特点讨称葩阵（反力互等定理）；5%左右；是非奇腌阵。因抗力艸责木身就是灯衬砌结构的约束,故衬砌结构不能作刚休移动4收敛-约束法（岩土力学方法） 基本原理收敛*隧道开挖无支护时.向沱主内挤人而产牛邛_!变形：约刃*施加支护后.支护约束了也岩的变形.围岩压力与支护抗力相等。位格变形：弹性变形：不需要支护，围岩自承能力塑性变形：需要支护。叮见* ：林休柞为玄护结构的织成部分，与支架构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变 形，共同承担全部围岩压力。收敛-约束法就是以地层

7、收敛线与支护限制线交于一点为依据的支护设计方法。Mrng-Y補喷克护複注衬础5衬砌截面强度检算按破损阶段检算构件截面强度。偏心受压构件的极限承载力，抗裂验算，地基容许承载力6洞门检算洞门可视作挡土墙，按计算挡土墙的方法进行计算。计算处玉： 主动土压力按库仑理论进行计算； 无论墙背仰斜或直立，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im最不利位置墙体最高点。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。7荷载及其分类主动荷载主要荷载：指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、衬砌自重、回填土荷载、地下水压力、车辆活载等； 附加荷载：指非经常作用的荷载，有灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力、温差应力以及地震力等。被动荷载：是因结构变形压缩围岩而引起的