隧道力学第11讲

第二节 结构力学方法
一、基本原理
地层对隧道结构的贡献只是产生作用在隧道结构上的荷 载(包括：地层压力和弹性反力)，荷载按围岩分级或由实 用公式确定，采用荷载——结构计算模型计算超静定结 构在荷载作用下产生的内力和变形的方法。
二、隧道衬砌受力变形特点
在拱顶，其变形背向地层，
不受围岩的约束而自由变形，
•弹性反力的作用范围 抗力区
(a)局部变形原理
(b)共同变形原理
图7-2-2弹性反力计算
i K i
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。
三、荷载模式
•主动荷载模式 •主动荷载+被动荷载模式 •实地量测荷载模式
四、荷载种类
第七章 隧道支护结构设计计算方法
概述 结构力学方法 连续介质的有限单元法 信息反馈法
第一节 概述
一、隧道设计的特征和流程
隧道设计的特征： (1)隧道埋置于地下 (2)框架或拱形超静定结构 (3)100年耐久性设计 设计流程： 选定设计断面→荷载计算→内力计算→结构配筋计算→ 结构设计图绘制→指导性的施工方法。
五、围岩压力
(一)围岩压力概念
广义概念：围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和 支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应 力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。 狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用 力。
(二)围岩压力分类
• 松动压力 • 形变压力 • 膨胀压力 • 冲击压力
1.松动压力
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护 结构上的压力称为松动压力。
松动压力常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切 破坏或拉坏等局部塌落。
荷载分类 永久荷载
可 变
基本可变 荷载
源自文库
荷
载 其他可变
荷载
偶然荷载
荷载名称
结构自重 地层压力
结构上部和破坏棱体范围内的设施及建筑物压力 水压力及浮力 混凝土收缩及徐变影响 预加应力 设备重量 地基下沉影响 地面车辆荷载及其动力作用(地面有行车时) 地面车辆荷载引起的侧向土压力(地面有行车时) 人群荷载 温度变化荷载 施工荷载 地震影响 爆炸荷载 人防荷载
这个区域称为 “脱离区”； 侧
而在两侧及底部，结构产生 向
朝向地层的变形，并受到围 围 岩
岩的约束阻止其变形，因而 主
围岩对衬砌产生了弹性抗力 ，动
这个区称为 “抗力区”。
压 力
竖向围岩主动压力 脱离区 弹性抗力
围岩对衬砌变形起双重作用： 主动压力使衬砌变形 被动压力阻止衬砌变形。
•弹性反力 由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的反力。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
4.冲击压力
冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后， 由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所 产生的压力。
上述松动压力、形变压力往往同时存在，难以严格区 分。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
（三）影响围岩压力的因素
影响围岩压力的因素通常可分为两大类。 地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性质、岩 体结构面等； 工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护设置时 间、支护刚度、坑道形状等。
水平岩层
倾斜岩层
拱顶坍塌、冒落
水平岩 层冒落
倾斜岩层掉 块、塌落
高边墙 坍塌
裂隙岩体顶部掉块
2.形变压力
形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护 如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变 形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。
软岩巷道严重底鼓变形
3.膨胀压力
当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而 膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基 本区别在于它是由吸水膨胀引起的。
二、隧道工作特性
结构与地层共同作用
三、常用设计方法
(1)经验类比法(Empirical Method) (2)结构力学方法或荷载-结构法(Action-reaction Method) (3)收敛限制法(Convergence-confinement Method) (4)连续介质法(Continuum Method)