地下工程第一篇第三章精读.ppt

第一篇 地下工程概述 第3章 地下结构计算理论 计算理论发展概况 地下工程设计方法 设计内容概述 1.3.1 地下结构计算理论的发展 早期的地下工程建设都是沿用适宜于地面工程的理论和方法来指导地下工程的设计与施工。经过较长时间的实践，才逐渐认识到地下结构受力、变形的特点，并形成以考虑从地层对结构变形的约束为特点的地下结构计算理论和方法。 同时，地下结构计算理论的形成，与岩土力学理论的发展是密不可分的。土力学的发展促进了松散地层围岩稳定的发展，岩体力学的发展促进了围岩自承能力和支护结构理论的进一步飞跃。随着新奥法施工技术、监测技术、计算机模拟技术的发展，地下工程支护结构理论正在逐渐成为一门完善的学科。 地下结构计算理论发展经历了5个阶段： 刚性结构阶段 弹性结构阶段 连续介质阶段 数值模拟阶段 可靠度分析阶段 1.3.1.1 刚性结构阶段 刚性结构阶段的地下工程多为厚度较大的砖石拱形结构，抗拉强度低，接缝较多，容易断裂。为了维护结构的稳定，通常将这种地下结构近似为不变形的刚性结构。计算模式为结构力学中的压力线理论。 假定：地下砖石结构为绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰的位置分别在墙底和拱顶，所受荷载为上覆岩体重力，结构截面上内力完全按静力平衡条件求出。 以最大横推力Hmax和最小横推力Hmin的比值K的大小控制结构的稳定性，要求： 最大横推力Hmax: 假定压力线通过顶拱断面的最低点和墙脚断面的最外点。 最小横推力Hmin：假定压力线通过顶拱断面的最高点和墙脚断面的最内点。 19世纪的地下工程都是基于这种理论，没有考虑围岩的自承能力。作用在结构上的荷载有竖向压力和水平侧压力，侧压力系数为： 海姆理论(静水压力理论)： 朗肯理论（松散体理论）： 金尼克理论（弹性理论）： 这种理论偏于保守，所设计的衬砌厚度将偏大。 1.3.1.2 弹性结构阶段 随着混凝土材料的出现及在地下工程中的应用，不仅使得结构体系的整体性加强，而且结构尺寸显得轻巧、柔性，出现了按弹性连续拱形框架模型进行内力分析的方法。这种方法至今还在地下工程设计中采用。根据考虑围岩对结构变形的约束作用不同又可细分为三个阶段： （1）不计围岩抗力阶段 （2）假定弹性抗力阶段 （3）弹性地基梁阶段 这三个阶段反映了人们对地下结构受力状态认识的逐渐深入过程。 （1）不计围岩抗力阶段 进步：认为围岩压力不能简单地等于上覆岩体重力，而是围岩松动圈内那部分岩土体的重力，松动圈范围的大小与围岩类型及地下工程跨度有关。 普氏理论：松动体为抛物线形 太沙基理论：松动体为矩形 缺陷：没有认识到围岩的自承能力。不考虑结构变形时将受到围岩的约束而使结构变形受到限制这一客观事实。 （2）假定弹性抗力阶段 围岩抗力：地下结构由于围岩压力作用产生变形的时候，围岩必然会阻止结构的进一步变形，这种约束作用称为围岩抗力。 方法：假定不同的弹性抗力分布模型来考虑围岩抗力，使地下结构的内力分析较好地符合实际受力状态。 弹性抗力的分布与衬砌的变形相对应。 康姆列尔法：假定弹性抗力的分布为直线（三角形或梯形）。 缺点：过高估计了地层弹性抗力的作用，使结构设计偏于不安全。 朱拉夫、布加耶娃法：提出了月牙形分布的弹性抗力模式，而且要求弹性抗力与结构的变形曲线一致，弹性抗力的大小与围岩的压缩变形量呈正比。 优点：根据结构变形特征来确定抗力分布，降低了主观随意性，抗力分布假定较为合理。 （3）弹性地基梁阶段 弹性地基梁：指搁置在一定弹性性质的地基上的梁，如条形基础，铁轨下的枕木等。由于梁的各点都支承在弹性地基上，因而可使梁的变形减少、刚度提高。与普通梁的区别：1）普通梁超静定次数有限，而弹性地基梁与基础连续接触，有无数个支座，因此弹性地基梁有无数个超静定次数。2）普通梁的支座通常看作刚性支座，即略去地基的变形，只考虑梁的变形。弹性地基梁则必须同时考虑地基的变形，梁与地基是共同变形的。 弹性地基梁法：将隧道衬砌边墙视为支撑在两个竖直的弹性地基上的拱圈，可以计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。 局部变形理论： 1）圆环地基局部变形理论——计算圆形隧道衬砌 2）侧墙局部变形理论——计算拱形直墙衬砌结构 共同变形理论： 按地层共同变形的原理计算地下结构的方法。不但考虑了围岩力学特性，而且还考虑了各部分岩土体压缩的相互影响，比局部变形理论更合理。 1.3.1.3 连续介质阶段 随着岩体力学这门学科的形成和发展，将地下结构与围岩作为一个共同受力体系，按连续介质力学方法求解，可以得到结构以及围岩内部任何位置的