第06章 隧道襯砌結構計算ppt課件.ppt

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1、第06章隧道襯砌結構計算道路與橋梁工程系喬雄7/29/20211內(nèi)容6.1概述6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合6.3半襯砌的計算6.4曲墻式襯砌計算6.5襯砌截面強度驗算2021-07-292第06章隧道襯砌結構計算6.1概述7/29/202136.1概述隧道結構工程特性、設計原則和方法與地面結構完全不同，隧道結構是由周邊圍巖和支護結構兩者組成共同的并相互作用的結構體系。各種圍巖都是具有不同程度自穩(wěn)能力的介質，周邊圍巖在很大程度上是隧道結構承載的主體，其承載能力必須加以充分利用。隧道襯砌的設計計算必須結合圍巖自承能力進行

2、，對隧道襯砌的要求除必須保證有足夠的凈空外，還要求有足夠的強度，以保證在使用年限內(nèi)結構物有可靠的安全度。7/29/20214隧道建筑雖然是一種古老的建筑結構，但其結構計算理論的形成卻較晚。從現(xiàn)有資料看，最初的計算理論形成于十九世紀。最初的隧道襯砌使用磚石材料，其結構型式通常為拱形。采用的截面厚度常常很大，所以結構變形很小，可以忽略不計。因為構件的剛度很大，故將其視為剛性體，計算時按靜力學原理確定其承載時壓力線位置，檢算結構強度。7/29/202157/29/20216在十九世紀末，混凝土已經(jīng)是廣泛使用的建筑材料，它具有整體

3、性好，可以在現(xiàn)場根據(jù)需要進行模注等特點。這時，隧道襯砌結構是作為超靜定彈性拱計算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，而未將圍巖的彈性抗力計算在內(nèi)，忽視了圍巖對襯砌的約束作用。其計算原理和地面結構一樣。由于把襯砌視為自由變形的彈性結構，因而，通過計算得到的襯砌結構厚度很大，過于安全。7/29/202177/29/20218進入二十世紀后，通過長期觀測，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同時還約束著襯砌的變形。圍巖對襯砌變形的約束，對改善襯砌結構的受力狀態(tài)有利，不容忽視。襯砌在受力過程中的變形，一部分結構有離開圍巖形成“脫離區(qū)”的趨

4、勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂“抗力區(qū)”，如圖6-1所示。在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖，相應地產(chǎn)生被動抵抗力，即“彈性抗力”。彈性抗力因圍巖性質、圍巖壓力大小和結構變形的不同而異。但是對這個問題有不同的見解，即局部變形理論和共同變形理論。7/29/20219圖6-1抗力區(qū)和脫離區(qū)變形后外輪廓線脫離區(qū)襯砌抗力區(qū)7/29/202110局部變形理論局部變形理論是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎的。它認為應力（σi）和變形（δj）之間呈線性關系，即σi=kδi，k為獨立巖柱的彈性抗力系數(shù)，見圖6-2a。這一假定，相當于認

5、為圍巖是一組各自獨立的彈簧，每個彈簧表示一個小巖柱。6-2a獨立的彈簧7/29/202111共同變形理論共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，考慮相鄰巖柱之間變形的相互影響，即考慮獨立巖柱之間的聯(lián)系。它用縱向變形系數(shù)E和橫向變形系數(shù)μ表示地層特征，并考慮粘結力C和內(nèi)摩擦角φ的影響。但這種方法所需圍巖物理力學參數(shù)較多，計算相對復雜。6-2b聯(lián)合的彈簧7/29/202112國際隧道協(xié)會(ITA)在1987年成立了隧道結構設計模型研究組，收集和匯總了各會員國采用的地下結構設計方法。經(jīng)過總結，國際隧道協(xié)會認為，目前采用的地下結構設計

6、方法可以歸納為以下4種設計模型：（1）以參照過去隧道工程實踐經(jīng)驗進行工程類比為主的經(jīng)驗設計法；（2）以現(xiàn)場量測和試驗為主的實用設計方法；（3）荷載—結構模型。將圍巖對結構的作用簡化為荷載作用于結構上進行計算；（4）連續(xù)介質模型，將圍巖和結構作為整體進行計算。包括解析法和數(shù)值法，數(shù)值計算法目前主要是有限單元法，也可利用各種有限元軟件來計算。7/29/202113從各國的地下結構設計實踐看，主要采用上述后兩類計算模型，荷載-結構計算模型主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護結構主動承擔圍巖“松動”壓力的情況。利用這類模

7、型進行隧道支護結構設計的關鍵問題，是如何確定作用在支護結構上的主動荷載，其中最主要的是圍巖所產(chǎn)生的松動壓力，以及彈性支承給支護結構的彈性抗力。一旦這兩個問題解決了，剩下的就只是運用普通結構力學方法求出超靜定結構的內(nèi)力和位移了。屬于這一類模型的計算方法有：彈性連續(xù)框架（含拱形）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁和圓環(huán)）法等都可歸屬于荷載-結構法。7/29/202114第06章隧道襯砌結構計算6.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合7/29/2021156.2隧道襯砌上的荷載類型及其組合《公路隧道設計規(guī)范》（JTGD70-2004）

8、中在對隧道結構進行計算時，列出了荷載類型，如表6-1所示，并按其可能出現(xiàn)的最不利組合考慮。編號荷載類型荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結構自重力3填土壓力水壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載，人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生