隧道工程施工案例教程 课件 第8讲 结构力学方法

第五章隧道支护结构设计

计算方法的基本原理第三节结构力学方法一、基本原理

将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用以荷载表示，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法，也称为荷载——结构法。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理

其设计原理：围岩压力：按围岩分级或由实用公式确定；围岩对支护结构变形的约束作用：通过弹性支撑来体现的；围岩的承载能力：在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理

在围岩与支护结构相互作用的处理上却有几种不同的做法：主动荷载模式（软弱围岩）竖向围岩主动压力侧向围岩主动压力第五章隧道支护构设计计算方法的基本原理主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式竖向围岩主动压力侧向围岩主动压力弹性抗力适用于各种围岩第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理实际荷载模式径向荷载切向荷载第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理二、隧道衬砌受力变形特点脱离区：抗力区：竖向围岩主动压力侧向围岩主动压力弹性抗力脱离区围岩对衬砌变形起双重作用：围岩产生主动压力使衬砌变形，又产生被动压力阻止衬砌变形。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理三、隧道衬砌承受的荷载--主动与被动荷载(一)主动荷载1.主要荷载

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。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理

支护结构自重：可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。

水压力：对于一般的隧道结构，在含水地层中，静水压力可按最低水位考虑，由于静水压力使衬砌结构物中的轴向力加大，对抗弯性能差的混凝土衬砌结构来说，相当于改善了它的受力状态，对结构有利。

围岩松动压力：

活载：第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理2.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。3.计算荷载

应按上述两种荷载同时存在的情况进行组合。一般仅考虑主要荷载，只有在某些特殊情况时，如七级以上地震区，或严寒地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，才按主要荷载加附加荷载来检算结构。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(二)被动荷载(即围岩的弹性抗力)

弹性抗力：

弹性抗力的大小，目前多用温克尔(Winkler)假定为基础的局部变形理论计算。局部变形假设δiσiσi局部变形理论认为应力和变形之间呈线性关系，第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理σi=Kδi

式中

δi－围表面上任意一点i的压缩变形；

σi－围岩在同一点上所产生的弹性抗力；

K－围岩的弹性反力系数。

这样假设和实际情况有出入。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理共同变形理论：考虑相邻质点之间变形的相互影响。它用纵向变形系数E和横向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力和内摩擦角的影响。σi共同变形假设σi第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理四、隧道衬砌结构的计算方法

隧道支护结构计算的主要内容有:按工程类比方法初步拟定断面的几何尺寸确定作用在结构上的荷载进行力学计算，求出截面的内力(弯矩M和轴向力N)检算截面的承载力第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(一)假定抗力区范围及抗力分布规律法(简称“假定抗力图形法”)

假定衬砌结构周边抗力分布的范围及抗力区各点抗力变化的图形，只要知道某一特定点的弹性抗力，就可求出其它各点的弹性抗力值。

这样，在求出作用在衬砌结构上的荷载后，其内力分析也就变成了通常的超静定结构问题。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理qeehaabXY图为曲墙式衬砌结构采用“假定抗力图形法”求解衬砌截面内力的计算图式。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理

当曲墙的曲率是常数或为直梁时，可采用初参数法求解结构内力，一般直墙式衬砌的直边墙利用此法求解。(二)弹性地基梁法

这种方法是将衬砌结构看成置于弹性地基上的曲梁或直梁。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理

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顶上的无铰平拱，边墙为一个置于弹性地基上的直梁，计算时先根据其换算长度，确定是长梁、短梁或刚性梁，然后按照初参数方法来计算墙顶截面的位移及边墙各截面的内力值。ObbccaaKKEJhaKalq第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(三)弹性支承法

弹性支承法的基本特点：（1）将衬砌结构离散为有限个杆系单元体，（2）弹性抗力：用一些具有一定弹性的支承来代替岩柱，并以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上，它不承受弯矩，只承受轴力。第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理

拱墙弹性支承的设置方向，可将弹性支承由法向设置为水平方向设置。对于弹性固定的边墙底部用一个即能约束水平位移，又能产生转动和垂直位移的弹性支座来模拟。

第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理n=109876543210123456789n=10KaKK90°～120°隧道衬砌结构内力分析的一般计算图式第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理五、衬砌截面强度检算

按荷载—结构模型进行设计，最后要作截面检算。支护结构内力计算结果，可得到衬砌任一截面所受弯矩、轴力及剪力。其中弯矩和轴力是主要的，为一偏心受压杆件。e0=M/NQNMhNe0第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(一)极限状态法设计隧道结构截面检算对于承载能力极限状态γsc——混凝土衬砌抗压检算时作用效应分项系数；Nk——轴力标准值，由各种作用标准值计算得到；

φ

——构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及回填紧密的边墙，可取φ＝1.0；对于其他构件，应根据其长细比查得；α——轴向力偏心系数，可由e0/h值查得。b、h——截面宽度、厚度；fck——混凝土轴心抗压强度标准值；γRc——混凝土衬砌构件抗压检算时抗力分项系数；第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(一)极限状态法设计隧道结构截面检算正常使用极限状态γst——混凝土衬砌构件抗裂检算时的作用效应分项系数；e0——检算截面偏心距；fctk——混凝土轴心抗拉强度标准值。γRt——混凝土衬砌抗裂检算时的抗力分项系数；第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理混凝土衬砌构件抗压检算各分项系数分项系数深埋隧道偏压隧道明洞衬砌作用效应γsc3.951.602.67抗力γRc1.851.831.35混凝土衬砌构件抗裂检算各分项系数分项系数深埋隧道偏压隧道明洞衬砌作用效应γst3.101.401.52抗力γRt1.452.512.70第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理(二)按破损阶段法及允许应力法设计隧道结构截面检算抗压强度检算抗裂强度检算第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理式中K——安全系数；

N——轴向力；

Ra——混凝土或砌体的抗压极限强度；

Rl——混凝土的抗拉极限强度。

混凝土和砌体结构的强度安全系数圬工种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载加附加荷载主要荷载主要荷载加附加荷载