T地下结构设计原理与方法10

地下结构设计原理与方法做你该做的事情，不要问结果如何。英国诗人赫伯特地下结构设计原理与方法

第五章岩体力学方法主要对锚喷支护进行设计计算模型：地层—结构模式，即结构处于无限或半无限介质中，支护结构镶嵌在围岩空洞上（相当于加劲环）所组成的复合模式。此模式中，支护结构与围岩相互作用，组成一个共同承载体系，其中围岩为主要的承载结构。将衬砌结构，回填层及围岩视为一个在外荷载作用下互相制约的受力变形体系—地层-结构模式-整体分析模式。

荷载-结构模式将支护结构与围岩“分割”开来，即把围岩视为产生荷载，而支护结构（衬砌）则承受围岩产生的荷载，这是不尽合理的，地下结构设计原理与方法例如，在无支护坑道中，坑道围岩本身就是承载结构，其工作状态接近于半无限或无限介质中的孔洞。“新奥法”的根本点就是充分调动围岩自身承受荷载的积极性，或者说充分利用围岩自身承受荷载的能力。支护结构与围岩的相互作用与下列因素有关：①岩体的初始应力状态②岩体的特性③支护结构的特性④支护结构与围岩的接触条件⑤支护结构参与工作的时间⑥施工技术此模式的求解方法主要有数值法、剪切滑移破坏法和特征曲线法。地下结构设计原理与方法§5.1数值法有限单元法，取6～10倍洞径范围进行分析。可简化为平面应变问题，各向同性的均质弹性体。单元类型：三角形、四变形、回填的弹簧单元、毛感的梁单元、防水层的节理单元、衬砌梁单元各种体单元。地下结构设计原理与方法§5.2剪切滑移破坏法

60年代初，奥地利的拉布塞维奇教授，首先提出了剪切滑移破坏理论，指出锚喷柔性支护破坏形态主要是剪切破坏而不是挠曲破坏，且在剪切破坏前没有出现挠曲开裂。

一、剪切滑移体的形成当垂直荷载大于侧向荷载时形成暂时稳定的垂直椭圆形洞室，反之则形成水平椭圆形洞室。剪切滑移体一定位于塑性范围内。

剪切滑移面与最大主应力轨迹线承45°-（是围岩的内摩擦角），计为：地下结构设计原理与方法

设在剪切滑移线上任取一点i，该点处的半径为r，与垂直轴的夹角为，当增加一个时，r的增量为，由于和值很小，近似求得：

积分：

得故：

可见剪切滑移体为一对对数螺旋线组成，，其曲线方程式为：

为阻止剪切滑移体向坑道内滑移，需修筑锚喷支护以稳定坑道。

地下结构设计原理与方法

二、剪切滑移破坏法的计算锚喷支护所提供的支护抗力必须与剪切滑移体的滑移力相平衡，即总支护抗力：

为阻止剪切滑移体滑移所需要的最小支护抗力值。

确定的途径有：①由现场实测的塑性区半径r求（按重力平衡条件求）；②根据坑道周边的允许位移值求；③实地量测形变压力作为；④根据围岩特征曲线求。

假定P的作用方向为水平方向地下结构设计原理与方法

⒈喷砼提供的支护抗力值

喷砼抗力是指沿剪切面喷层所提供的平均分配在剪切区高度b上的抗剪力。剪切滑移体向坑道方向移动时对喷层产生水平推力，此时，如喷层强度不足，则在剪切滑移体的上下边缘处（应力集中区）形成两个剪切滑移面。当处于受力极限平衡时，其水平推力与两个剪切面上的水平抗剪分力相平衡，

即：

而地下结构设计原理与方法故式中为喷砼层的厚度为喷砼抗剪强度，取（为抗压强度）为喷砼的剪切角，取=30°b为剪切区高度为剪切滑移面的平均倾角，，,为岩体内摩擦角地下结构设计原理与方法⒉钢支撑提供的支护抗力值计算时可换算成相应的喷混泥土支护抗力，即：

式中每米隧道钢材的当量面积钢材的抗剪强度，一般取（或=15）钢材的允许抗拉强度钢材的剪切角，一般取=45°地下结构设设计原理与与方法⒊锚杆提供的的支护抗力力值锚杆杆的的受受力力破破坏坏有有两两种种情情况况：：⑴锚杆杆体体本本身身的的强强度度不不足足而而被被拉拉断断。。此此时时锚锚杆杆提供供的的平平均均径径向向支支护护抗抗力力为为：：式中中F锚杆杆的的断断面面积积锚杆杆的的抗抗拉拉强强度度锚杆杆纵纵向向及及横横向向间间距距⑵锚杆杆的的粘粘结结破破坏坏，，即即砂砂浆浆锚锚杆杆与与锚锚杆杆孔孔壁壁之之间粘粘结结力力不不足足而而破破坏坏。。此此时时锚锚杆杆提提供供的的平平均均径径向向支支护抗抗力力为为：：式中中，，S为锚锚杆杆拉拉拔拔力力，，由由锚锚杆杆拉拉拔拔试试验验求求得得地下下结结构构设设计计原原理理与与方方法法对于于的的取取值值，，在在围围岩岩好好时时取取第第一一种种情情况况，，否否则则取取第第二二种种情情况况。。由于于在在范范围围内内的的锚锚杆杆才才能能对对剪剪切切滑滑移移体体产产生生抗抗力，，则则：：为集集中中力力，，现现化化成成为为剪剪切切区区高高度度上上b/2的分分布布力，，则则：：将代代入入上上式式有有：：或地下下结结构构设设计计原原理理与与方方法法⒋围岩岩本本身身提提供供的的支支护护抗抗力力值值剪切切滑滑移移体体滑滑动动时时，，围围岩岩在在滑滑面面上上的的抗抗滑滑力力，，其水水平平方方向向的的分分力力在在剪剪切切区区高高度度b/2上的的抗抗力力为为：：式中中剪剪切切滑滑移移体体长长度度，，其其值值为为=,为加加固固带带宽宽度度由剪剪切切滑滑移移体体曲曲线线方方程程有有：：即：：两边边取取对对数数有有：：地下下结结构构设设计计原原理理与与方方法法取l为形形成成加加固固带带时时锚锚杆杆的的有有效效长长度度，，为为锚锚杆杆横横向向间间距距，，有有：为剪切滑移面面的平均倾角角，取经验数数据：l为形成加固带带时锚杆的有有效长度。、分别为为沿滑移面的的剪切应力和和垂直于滑移移面的正应力，它它们按摩尔包包络线为直线线时的假定求求出。地下结构设计计原理与方法法由于将代代入上式得：：上式中的径向向主应力值值随随剪切滑移面面上的位置而变化，难以以确定，所以以假定等等于各各支护结构所提供供的径径向支支护抗抗力之之和。。即：式中：：喷喷砼砼层提提供的的径向向支护护抗力力地下结结构设设计原原理与与方法法钢支撑撑提供供的径径向支支护抗抗力锚杆提提供的的径向向支护护抗力力地下结结构设设计原原理与与方法法计算实实例：：已知知某隧隧道的的数据据：岩岩石内内摩擦擦角=30°，,a=2.9m，=0.2m，=30°，钢拱支支撑为为H150××150型钢，，截面面积=40.14，=9100剪切角角=45°,l=2.12m（粘结式式锚杆杆），，纵向向间距距e=1.0m，横向间间距t=1.139m。解：⑴求剪切切角=45°-15°=30°⑵做楔体体型滑滑动岩岩块的的剪切切滑动动轨迹迹。用公式式以为为变变量取取由由之之间的的不同同数值值算出对应应的r值，则则可做做出滑滑动曲曲线。。⑶求剪切切滑动动区域域宽度度