隧道衬砌详尽计算.ppt

隧洞的衬砌计算 一、荷载及荷载组合 二、圆形有压隧洞的衬砌计算 三、无压隧洞的衬砌计算 四、渐变段衬砌计算简介 五、衬砌的边值问题及数值解法 前 言 目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之 满足规范要求。 计算方法： ★一类：1、将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹 性抗力，衬砌上承受各项有关荷载，然后按超静定 结构解算衬砌内力。 缺点：与实际情况不太吻合。 2、采用衬砌常微分方程边值问题数值解法。 ★二类：有限元法 将围岩与衬砌视为整体，其准确性取决于计算模型和原始参数E、φ、C等。 岩体性态复杂多变，上两者难以准确确定。 一、荷载及荷载组合 作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重及灌浆压力，温度荷载、地震力等。 其中内水压力、自重比较明确，而其余的力只能在一些简化和假定的前提下进行近似计算。 一、荷载及荷载组合 （一）围岩压力（山岩压力） 隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。 影响山岩压力大小的因素：围岩的地质条件和力学特征（强度和变形性能节理，裂隙的分布和发育情况）；初始应力，地下水，隧洞的走向，埋深和几何形状；开挖方法；衬护时间，衬护形式。 影响因素很多且错综复杂，难精确计算。 一、荷载及荷载组合 目前，确定围岩压力的方法： ★ 松散介质理论（塌落拱法） 此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散介质，在洞室开挖后，由于岩体失去平衡形成“塔落拱”，拱处的围岩仍保持平衡，拱内岩块重量就是作用再衬砌上的荷载——山岩压力。 普氏用“坚固系数” （亦称拟摩擦系数），代替岩石颗粒间的真实摩擦系数： 一、荷载及荷载组合 一、荷载及荷载组合 一、荷载及荷载组合 一、荷载及荷载组合 一、荷载及荷载组合 一、荷载及荷载组合 ★ 围岩压力系数法 ①1966年《水工隧洞设计暂行规范》建议的方法： 用“山岩压力系数法确定山岩压力”： 铅直向强度： 水平向强度： 一、荷载及荷载组合 、 系数随围岩情况不同而异，应用时查表。 山岩压力系数并不是实测成果，而是结合已建成的工程，对普氏理论中坚固系数 分析整理得出的经验数据，粗略地反映了节理、裂隙或风化程度的影响，但并未克服普氏法的根本弱点。 ②我国1983年《水工隧洞设计规范》 根据全面分析，综合考虑的原则，采用从工程实际出发用经验估计的方法，即提出首先坝功臣所在的围岩进行分类，然后按围岩的类别采用经验公式计算围岩压力。 一、荷载及荷载组合 ★ 弹塑性理论法 此法是在理论化的基础上，简单的地质条件推导出来的，难以反映实际情况。 岩体的工程地质，水文地质条件错综复杂，山岩压力显然不能用一个简单的公式予以概括。 一、荷载及荷载组合 （二）围岩的弹性抗力 当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。 弹性抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系，坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。 为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间的空隙，以保证衬砌与围岩紧密相接。 弹性抗力的计算： 通常假定岩石为理想弹性体，按文克尔假定，认为岩石 一、荷载及荷载组合 的弹性抗力P与衬砌的变位Y成正比，即：P=KY，式中 K—弹力抗力系数，K表示能够阻止面积为1cm2的衬砌变位 1cm所需的力，如果P的单位式KN/ cm3，则K的单位KN/cm2。 附： 对于有衬砌的圆形有压隧洞，可以看作式位于理想弹性体围岩中一个厚壁圆筒，根据弹性理论可得： 一、荷载及荷载组合 经验和分析说明：在同样得围岩中，洞径大， K 值小；洞径小， K值大，而且大致成反比。为了计算方便，人们采用半径为1m的圆形坑道的K值，作为标准，用Ko表示(亦称单位弹性抗力系数)，当用m为单位时： 以cm为单位时： —表示实际开挖半径。 说明： — ①是坑道的半径，而不是衬砌里壁的半径。 　　　　　②是半径，不是直径。 ③对不是圆形的坑道