第6章-隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算

1、《隧 道 工 程》,第六章 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算,6.4 隧道洞門計(jì)算,第6章 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算,,6.3 巖體力學(xué)方法,6.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型-重點(diǎn)/掌握,6.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,6.5 襯砌截面強(qiáng)度檢算,6.1.1 隧道工程的受力特點(diǎn),1.荷載的模糊性,2.圍巖物理力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得,3.圍巖壓力承載體系,◆ 圍巖不僅是荷載，同時(shí)又是承載體  ◆ 地層壓力由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受  ◆

2、 充分發(fā)揮圍巖自身承載力的重要性,4.設(shè)計(jì)參數(shù)受施工方法和施作時(shí)機(jī)的影響很大,5.隧道與地面結(jié)構(gòu)受力的不同點(diǎn)—圍巖抗力的存在,,,6.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型,6.1.2 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型,1.結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,特點(diǎn)： ◆ 以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體；  ◆ 圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用間接地體現(xiàn)為兩點(diǎn)：      ①圍巖壓力； ②圍巖彈性抗力。  

3、;◆ 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。 適用于：模筑砼襯砌,分為結(jié)構(gòu)力學(xué)模型（荷載-結(jié)構(gòu)模式）和巖體力學(xué)模型（地層模式）?！?,6.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型,,§ 荷載結(jié)構(gòu)法,先給出地層對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載（土、水壓力），再按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。,方法：,關(guān)鍵是荷載的確定方法。,6,圖4-2 荷載—結(jié)構(gòu)模型,2.巖體力學(xué)模型,特點(diǎn)：◆ 支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)約束圍巖的變形；◆

4、 采用巖體力學(xué)方法計(jì)算；◆ 圍巖體現(xiàn)為形變壓力。 適用于：錨噴支護(hù),,6.1 隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型,,§ 地層結(jié)構(gòu)法,將地層與結(jié)構(gòu)視為一整體來進(jìn)行分析，考慮地層-結(jié)構(gòu)的共同作用。,,,,8,3.計(jì)算模型詳細(xì)比較,6.2.1 基本原理,支護(hù)和圍巖分開考慮，支護(hù)是承載的主體，視圍巖為荷載來源和支護(hù)的彈性支承，荷載處理有三種模式:主動(dòng)荷載，主動(dòng)荷載+被動(dòng)抗力，實(shí)際荷載。,1 主動(dòng)荷載模式,適于軟弱巖層，如：,明挖地鐵

5、明洞工程,,6.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,2 主動(dòng)荷載+彈性抗力模式,適于各類圍巖在實(shí)際應(yīng)用中，該模式基本能反映出支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。,,6.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,3 實(shí)際荷載模式,它采用量測(cè)儀器實(shí)地量測(cè)作用在襯砌上的荷載值，某種實(shí)測(cè)荷載只能適用于類似情況。,,6.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,6.2.2 隧道襯砌受力變形的特點(diǎn),設(shè)圍巖垂直壓力大于側(cè)向壓力， 則存在拱頂脫離區(qū)，兩側(cè) 抗力區(qū)。,,6.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,6.2.3 隧道襯砌荷載分類,(1)

6、 主動(dòng)荷載,主要荷載：圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)自重、回填土荷載、地下靜水壓力及車輛活載等。,附加荷載：凍脹壓力、地震力等。,被動(dòng)荷載是指圍巖的彈性抗力，計(jì)算有共同變形理論和局部變形理論。,(2) 被動(dòng)荷載,,6.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,共同變形理論：把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰質(zhì)點(diǎn)之間的相互影響。其所需圍巖物理力學(xué)參數(shù)較多，而且計(jì)算頗為繁雜，因而我國很少采用。,假設(shè)：地基為一均質(zhì)、連續(xù)、彈性的半無限體。優(yōu)點(diǎn)：①反映了地基的連續(xù)整體性；

7、②從幾何上、物理上對(duì)地基進(jìn)行了簡化，因而可以把彈性力學(xué)中有關(guān)半無限彈性體的經(jīng)典問答已知結(jié)論作為計(jì)算的基礎(chǔ)。,2. 半無限體彈性地基模型,缺點(diǎn)：①彈性假設(shè)沒有反映土體的非彈性性質(zhì)；②均質(zhì)假設(shè)沒有反映土體的不均勻性；③半無限體假設(shè)有反映地基的分層特點(diǎn)；④本模型在數(shù)學(xué)處理上比較復(fù)雜，因而在應(yīng)用上也受到一定的限制。,局部變形理論 ★：以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)的。該理論認(rèn)為圍巖的彈性抗力與圍巖在該點(diǎn)的變形成正比。,這個(gè)假設(shè)

8、實(shí)際上是把地基模擬為剛性支座上一系列獨(dú)立的彈簧。當(dāng)?shù)鼗砻嫔夏骋稽c(diǎn)受壓力p時(shí)，由于彈簧是彼此獨(dú)立的，故只在該點(diǎn)局部產(chǎn)生沉陷y，而在其他地方不產(chǎn)生任何沉陷。因此，這種地基模型稱作局部彈性地基模型。,優(yōu)點(diǎn)：,可以考慮梁本身的實(shí)際彈性變形，消除了反力直線分布假設(shè)中的缺點(diǎn)。局部彈性地基模型的計(jì)算較為簡單，在實(shí)際應(yīng)用較為方便。,缺點(diǎn)：,沒有反映地基的變形連續(xù)性，當(dāng)?shù)鼗砻嬖谀骋稽c(diǎn)承受壓力時(shí)，實(shí)際上不僅在該點(diǎn)局部產(chǎn)生沉陷，而且也在鄰近區(qū)域產(chǎn)生沉陷

9、。由于沒有考慮地基的連續(xù)性，故溫克爾假設(shè)不能全面地反映地基梁的實(shí)際情況，特別對(duì)于密實(shí)厚土層地基和整體巖石地基，將會(huì)引起較大的誤差。但是，如果地基的上部為較薄的土層，下部為堅(jiān)硬巖石，則地基情況與圖中的彈簧模型比較相近，這時(shí)將得出比較滿意的結(jié)果。,隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法,基本原理,矩陣位移法又叫直接剛度法，它是以結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，聯(lián)接在同一節(jié)點(diǎn)各單元的節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)該相等，并等于該點(diǎn)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移（變形協(xié)調(diào)條件）；同時(shí)作用于某一

10、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的荷載必須與該節(jié)點(diǎn)上作用的各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)力相平衡（靜力平衡條件）。,隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法,① 三種單剛    ◆ 襯砌單剛：梁單元    ◆ 抗力單剛：二力桿單元    ◆ 基礎(chǔ)單剛：支座單元② 拼總剛(結(jié)構(gòu)剛度矩陣) ③ 邊界條件～墻基礎(chǔ)水平位移為0④ 求解以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的方程組～高斯

11、消去法等⑤ 由節(jié)點(diǎn)位移求出單元節(jié)點(diǎn)力～內(nèi)力,計(jì)算特點(diǎn),直剛法計(jì)算圖式,隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法,直剛法計(jì)算流程,6.3.1 解析法,6.3 巖體力學(xué)方法,,僅對(duì)很簡單的問題才可求出解析解，如均質(zhì)半無限體中的單孔圓形隧道、雙孔等直徑圓形隧道，以及橢圓形、方形和直墻拱形洞室等問題。但僅對(duì)第一種問題得出了精確的解析計(jì)算式，對(duì)其他情況雖已用復(fù)變函數(shù)建立了計(jì)算式，但最終結(jié)果的計(jì)算仍需借助于數(shù)值逼近。考慮塑性時(shí)也僅對(duì)圓形洞室的部分課題才有解析

12、解。,6.3.2 數(shù)值分析法,1.概述,◆邊界元法、無限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，僅介紹有限元法。,2.有限元法處理特點(diǎn),隧道計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分,,（1）單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分,,6.3 巖體力學(xué)方法,（2）計(jì)算范圍的選取,① 隧道開挖影響范圍～距開挖面中心點(diǎn)3～5倍洞跨的范圍；,② 邊界上位移為零。,,6.3 巖體力學(xué)方法,（3）邊界條件和初始應(yīng)力,（4）卸荷釋放荷載及卸荷過程模擬,（5）開挖施工步驟的模擬,（6）求單元應(yīng)

13、力,（7）圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷,（8）有限元法計(jì)算的可信度,,6.3 巖體力學(xué)方法,,,有限元法：,適用性強(qiáng)（各種地層、洞室，非線性，施工過程等）；缺點(diǎn)：本構(gòu)關(guān)系難以準(zhǔn)確給出。輸入?yún)?shù)不正確，則給出錯(cuò)誤結(jié)果。,,29,,,6.3 巖體力學(xué)方法,,6.4 巖體力學(xué)方法,洞門視作擋土墻進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)：,①主動(dòng)土壓力按庫侖理論進(jìn)行計(jì)算；②無論墻背仰斜或直立，土壓力的作用方向均假定為水平；③不考慮被動(dòng)土壓力。④取最不利位置的墻體條帶計(jì)算

14、，稱為“檢算條帶”。條帶寬度一般為1m，最不利位置～墻體最高點(diǎn)。,6.4.1 計(jì)算原理,,6.4 隧道洞門計(jì)算,6.4.2 計(jì)算部位（檢算條帶）的選取及計(jì)算要點(diǎn),1．柱式、端墻式洞門,?、瘛ⅱ蜃鳛椤皺z算條帶”。檢算墻身截面偏心、強(qiáng)度，以及基底偏心、應(yīng)力及沿基底的滑動(dòng)和繞墻趾傾覆穩(wěn)定性,,6.4 隧道洞門計(jì)算,2．有擋、翼墻的洞門,◆ 檢算翼墻時(shí)取洞門端墻墻趾前之翼墻寬1m的條帶“Ⅰ”，按擋土墻檢算偏心、強(qiáng)度及穩(wěn)定性；

15、 ◆ 檢算端墻時(shí)取最不利部分“Ⅱ”作為“檢算條帶”，檢算其截面偏心和強(qiáng)度；◆ 檢算端墻與翼墻共同作用部分“Ⅲ”的滑動(dòng)穩(wěn)定性。,6.4.3 洞門計(jì)算內(nèi)容,①墻身偏心及強(qiáng)度；     ②繞墻趾的抗傾覆性(墻趾:墻身外表面與基底面的交點(diǎn))；     ③沿基底滑動(dòng)的穩(wěn)定性；   &#

16、160; ④基底應(yīng)力檢算。,,6.4 隧道洞門計(jì)算,1. 計(jì)算內(nèi)容,2. 洞門端墻及擋（翼）墻檢算規(guī)定,,6.4 隧道洞門計(jì)算,6.4.3 洞門計(jì)算內(nèi)容,6.4.4 洞門計(jì)算的概率極限狀態(tài)法,鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定隧道洞門除按破損階段法進(jìn)行檢算外，還可采用極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算?；痉椒ㄈ酝茡p階段法，如取計(jì)算條帶，具體公式不同，按可靠度理論得出.,,6.4 隧道洞門計(jì)算,1.洞門墻墻身抗壓承載能力計(jì)算(承載能力極限狀態(tài)),

17、2.洞門墻墻身抗裂承載能力計(jì)算(正常使用極限狀態(tài)),,6.4 隧道洞門計(jì)算,3.洞門墻地基承載能力計(jì)算,4.抗傾覆計(jì)算,5.抗滑動(dòng)計(jì)算,,6.4 隧道洞門計(jì)算,6.5.1 檢算內(nèi)容,（1）安全系數(shù)檢算,（2）偏心檢算,鐵路隧道拼裝式襯砌、復(fù)合式襯砌雙線隧道整體式襯砌公路隧道襯砌結(jié)構(gòu),6.5.2 適用范圍,,6.5 襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算,混凝土和石砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù),（1） 允許安全系數(shù),6.5.3 安全系數(shù)檢算,式中：e0— 軸向力

18、偏心距， e0 =M/N； K — 混凝土和石砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)， M ,N — 軸向力； Ra— 混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度； b, h — 截面的寬度和厚度（通常取1m）； φ— 構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，對(duì)隧道襯砌拱圈及墻背緊密回填的邊墻可取1； α— 軸向力偏心影響系數(shù)。,抗壓控制檢算,小偏心判斷準(zhǔn)則：,此時(shí)承載能力由抗壓強(qiáng)度控制：,（2）抗壓與抗拉控制分界,

19、式中： — 混凝土的抗拉極限強(qiáng)度， 其它符號(hào)意義同前。,抗拉控制檢算,大偏心判斷準(zhǔn)則：,此時(shí)承載能力由抗拉強(qiáng)度控制：,混凝土襯砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度； 石砌體偏心距不應(yīng)大于0.3倍截面厚度； 基底偏心距，對(duì)巖石地基不大于1/4倍墻底厚度， 對(duì)土質(zhì)地基不大于1/6倍墻底厚度。,6.5.4 偏心距限制,,6.5 襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算,思考題,1.什么是荷