第五章隧道结构设计案例.ppt

*;5.1 概述;1、隧道结构环境及其简化;⑴ 隧道结构与地面结构的区别; ● 隧道衬砌的设计和计算应结合围岩自承能力进行，保证使用寿限内的安全度 ;⑵ 隧道结构计算的简化问题;根据实际环境和边界条件;根据实际环境和边界条件;根据实际环境和边界条件;⑵ 隧道结构计算的简化问题;⑵ 隧道结构计算的简化问题;● 弹性抗力：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力;● 进入本世纪后，通过长期观测，发现围岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视 ;⑶ 局部变形理论和共同变形理论;● 共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。;2、隧道结构体系的计算模型 ;2、隧道结构体系的计算模型;● 以工程类比为主的经验设计法； ● 以现场量测和试验为主的实用设计法 ● 荷载—结构模型方法 ● 岩体力学模型方法，包括解析法和数值法。; 从各国的地下结构设计实践看，目前主要采用两类计算模型：;5.2 隧道衬砌上的荷载类型;1、基本荷载 （1）围岩压力 （2）结构自重力;2、隧道结构上的荷载及其类型 按其性质可以区分为两大类: ● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载； ● 被动荷载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。;2、隧道结构上的荷载及其类型 ;编号;荷载组合： ● 结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本） ● 结构自重＋土压力＋公路荷载＋附加恒载 ● 结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载 ＋温度作用力 ● 结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用 附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。;5.3.1 隧道工程的受力特点;5.3.2 隧道结构体系的计算模型;; 2.岩体力学模型 ;; 3.计算模型详细比较;5.4.1 基本原理;2 主动荷载+弹性抗力模式;3 实际荷载模式;5.4.2 隧道衬砌受力变形的特点 ;5.4.3 隧道衬砌荷载分类;共同变形理论：把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间的相互影响。其所需围岩物理力学参数较多，而且计算颇为繁杂，因而我国很少采用。 ;2. 半无限体弹性地基模型 ;局部变形理论 ★：以温克尔（E.Winkler）假定为基础的。该理论认为围岩的弹性抗力与围岩在该点的变形成正比。;优点： ;缺点： ;隧道衬砌结构计算的矩阵位移法 ;隧道衬砌结构计算的矩阵位移法 ;直刚法计算图式 ;直刚法计算流程 ;5.5.1 解析法 ;5.5.2 数值分析法 ;（2）计算范围的选取;（3）边界条件和初始应力;;;洞门视作挡土墙进行计算设计： ;5.6.2 计算部位（检算条带）的选取及计算要点;2．有挡、翼墙的洞门 ;5.6.3 洞门计算内容; 2. 洞门端墙及挡（翼）墙检算规定;5.6.4 洞门计算的概率极限状态法? ; 1.洞门墙墙身抗压承载能力计算(承载能力极限状态) ; 3.洞门墙地基承载能力计算 ;5.7.1 检算内容; 圬工种类及 荷载组合 破坏原因;式中：e0— 轴向力偏心距， e0 =M/N； K — 混凝土和石砌结构安全系数， M ,N — 轴向力； Ra— 混凝土或砌体的抗压极限强度； b, h — 截面的宽度和厚度（通常取1m）； φ— 构件的纵向弯曲系数，对隧道衬砌拱圈及墙背紧密回填的边墙可取1； α— 轴向力偏心影响系数。;式中： — 混凝土的抗拉极限强度， 其它符号意义同前。; 混凝土衬砌的偏心距不宜大于0.45倍截面厚度； 石砌体偏心距不应大于0.3倍截面厚度； 基底偏心距，对岩石地基不大于1/4倍墙底厚度， 对土质地基不大于1/6倍墙底厚度。;;;5.8 半衬砌的计算;● 适合于坚硬和较完整的围岩(Ⅱ、Ⅲ级)；; ⑴ 在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为自由变形，不产生弹性抗力 ； ;⑶ 拱脚没有径向位移，只有切向位移； ;;式中： 是单位变位，即在基本结构上，因作用时，在 方向上所产生的变位； 为荷载变位，即基本结构因外荷载作用，在 方向的变位；f为拱圈的矢高；;2、单位变位及荷载变位的计算 由结构力学求变位的方法（轴向力与剪力影响忽略不计）知道：;2、单位变位及荷载变位的计算 ;;⑵ 单位水平力作用时 单位水平力可以分解为轴向分力