《隧道工程》讲隧道支护结构设计计算方法的基本原理PPT课件
隧道工程第5章-隧道支护结构计算课件.ppt
e
ue
a
e
(4
3
)
a
e
e
(14
15
)
e
2 2
4
14
3
1
4
2
10
当基础无扩展时,墙顶位移为:
0 cp
uc0p
M
0 cp
1
M c0pu1
H
0
cp
2
H c0pu2
eeuee00
墙顶截面的弯矩Mc、水平力Hc、转角c、水平位移uc为:
Mc Hc
c
M
0 cp
X1
X2
另一种是开挖后,洞室围岩产生塑性区,此时洞室都要 采用承载的支护结构,支护结构对洞室围岩应力状态和位移 状态产生影响。
根据弹性力学和岩体力学可得,隧道壁的径向位移与支护阻 力之间的关系式:
u
பைடு நூலகம்
|r r0
r0 2G
(Hc
sin
C
cos)[(1
sin )
Hc C cot pa C cot
1sin
心某一距离的各点,其应力值是相同的,因此围岩中的塑性 区必然是个圆形区域。令这个圆形塑性区的半径为R0,那么
在塑性区与弹性区的交界面上(即在r=R0处),塑性区的应力 p与弹性区的应力 e一定保持平衡,同时,交界面上的应力
既要满足弹性条件,又要满足塑性条件,可得到在r=R0处:
围岩弹塑性区
p r
p
替,便可得到变位积分的近似计算公式:
ik
S E
ip
S E
MiMk
M
I iM
p
I
11
S E
隧道工程隧道支护结构设计计算方法的基本原理.pptx
其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定围岩
压力,围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性
支撑来体现的,而围岩的承载能力则在确定围岩压
力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。 竖向围岩主动压力
在围岩与支护结构
相互作用的处理上却有
几种不同的做法:
侧 向
围
➢主动荷载模式
岩
出。
第15页/共30页
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
(二) 弹性地基梁法 这种方法是将衬砌结构看成置于弹性地基上的曲梁
或直梁。 当曲墙的曲率是常数或为直梁时,可采用初参数
法求解结构内力一般直墙式衬砌的直边墙利用此法求 解。
第16页/共30页
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
直墙式衬砌的拱圈和边墙分开计算。拱圈为一个 弹性固定在边墙顶上的无铰平拱,边墙为一个置于弹 性地基上的直梁,计算时先根据其换算长度,确定是 长梁、短梁或刚性梁,然后按照初参数方法来计算墙 顶截面的位移及边墙各截面的内力值。
第19页/共30页
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
弹性支承的设置方向,当衬砌与围岩之间不仅能 传递法向力且能传递剪切力时,则在法向和切向各设 置一个弹性支承。如衬砌与围岩之间只能传递法向力 时,则沿衬砌轴线设置一个法向弹性支承。但为了简 化计算工作,可将弹性支承由法向设置改为水平方向 设置。对于弹性固定的边墙底部用一个即能约束水平 位移,又能产生转动和垂直位移的弹性支座来模拟。 图为隧道衬砌结构内力分析的一般计算图式。将主动 围岩压力简化为节点荷载,衬砌结构的内力计算,可 采用矩阵力法或矩阵位移法,编制程序进行分析计算。
弹性抗力就是指由于支护结构发生向围岩方向的
隧道工程隧道结构构造全解PPT课件
◆ 需要足够的拼装空间
◆ 制备构件尺寸上要求精度高
第9页/共122页
三、锚喷支护
喷射混凝土加设锚杆和金属网构成的一种支护形式,简 称“喷锚支护”,是目前常用的一种围岩支护手段。
适应软弱和膨胀性地层隧道开挖及可用于整治坍方和隧 道衬砌的裂损。
1 作用原理
喷射混凝土充填裂隙、封闭围岩壁面,靠喷层与围岩的粘 结力及自身的抗剪能力组成一个新的承载结构体系 通过锚杆的悬吊效应、组合梁效应 、加固效应以发挥围 岩自承能力 形成一种柔性衬砌结构,与围岩合成一体,共同作用, 充分调动或发挥围岩的自稳能力
必须与周围岩体大面积地牢固接触,即保证支护一围 岩作为一个统一的支护体系而共同工作 。
要允许围岩及支护结构产生有限制的变形,以充分发 挥围岩的承载作用而减少支护结构的受力,但又必须保证 支护结构及时施作。
第17页/共122页
六、衬砌结构一般规定
衬砌结构材料 隧道衬砌材料,应具有足够的强度和耐久性,在某
公
路
隧
道
C25素砼
隧线
级
道路 中中
围
线线
岩
复
合
衬
2%
路线设计标高
砌
隧底填充C10素砼
结
C25素砼
构
复合式衬砌结构图
第13页/共122页
复 合 衬 砌 防 水 层
第14页/共122页
衬砌结构受力状态:
➢ 外衬受力状态
◆ 保护围岩和加固围岩,促进围岩的应力调整,充分发挥围 岩的自承作用
➢内衬受力状态
第10页/共122页
2 锚喷支护类型
◆ 锚杆支护 ◆喷射混凝土支护 ◆喷射混凝土锚杆联合支护 ◆喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护 ◆以上类型加设型钢支撑(或格栅)而成的联合支护
隧道工程第5章--隧道支护结构设计--82页_讲解详细_权威资料_附图丰富
5.1 隧道结构的设计模型一、计算理论(力学模型)发展历史1.刚性结构阶段2.弹性结构阶段3.连续介质阶段1.刚性结构阶段将地下结构视为刚性结构的压力线理论。
支护结构上的压力是其上覆岩层的重力,没有考虑围岩自身的承载能力。
2.弹性结构阶段地下结构开始按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。
作用在结构上的压力:围岩坍落体积内松动岩体的重力——松动压力。
并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。
对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段:(1)假定弹性反力阶段(2)弹性地基梁阶段20世纪初期,假定弹性反力的分布图形位置线为三角形或梯形1934年,按结构的变形曲线假定地层弹性反力的分布图形为月牙形局部变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论3.连续介质阶段坑道开挖——向洞室内变形而释放的围岩压力——支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。
这种反作用力和围岩的松动压力极不相同,它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的压力,称为形变压力。
二、国际隧道协会归纳的四种设计模型①以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法;②以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法,例如以洞周位量测值为根据的收敛-约束法;③作用与反作用模型,即荷载—结构模型,例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法;(结构力学模型)④连续介质模型,包括解析法和数值法。
数值计算法目前主要是有限单元法。
(岩体力学模型)常用计算模型图5-23 隧道计算模型1、结构力学模型2、岩体力学模型1、结构力学模型——松弛(动)荷载理论主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌,支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。
它将支护结构和围岩分开来考虑,支护结构是承载主体,围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。
在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的,而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。
隧道工程图文讲解ppt课件
第四章 隧道结构构造
§4.1 洞身衬砌 §4.2 洞门 §4.3 明洞 §4.4 竖井、斜井 §4.5 内装、顶棚及路面 §4.6 隧道的放水与排水
.
隧道 结构 构造
主体构 造物
附属构 造物
洞身 衬砌
洞身衬砌洞身衬砌的平、纵、横断面 的形状由道路隧道的几何设计确定
衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定
① 当初支产生形变及形变压力时,隔离层允许其有少量的变形, 可降低形变压力;
② 当初支支护力不够时,可将少量形变压力均匀的传布到二衬 上,依靠二衬制止其继续变形,且不使初衬出现裂缝时,二衬 也出现裂缝。
.
③ 具有防水效果,且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
※ 预留初期支护变形量:在确定开挖尺寸时,应预留必要的初 期支护变形量以保证初期支护稳定后,二次衬砌的必要厚度
.
※ 仰拱的重要性
① 解决基础承载力不够,减少下沉:防止底鼓的隆起变形,调 整衬砌应力的作用;
② 封闭围岩,制止围岩过大的松弛变形,将围岩塑性变形和形 变压力控制在允许范围,提高结构的整体承载力;
③ 增加底部和墙部的支护抵抗力,防止内挤而产生剪切破坏。
※ 两层衬砌之间宜采用缓冲、隔离的防水夹层,即隔离层。
.
※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直,美观性差,影响司机在行车 中视觉感观,应根据需要考虑内装。 ※ 不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况 ① 在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚 喷衬砌作为永久衬砌; ② 对衬砌有特殊要求的隧道或地段,如洞口地段,要求衬砌 内轮廓很整齐、平整; ③ 有很高的防水要求的隧道; ④ 寒冷和严寒地区有冻害的地方(锚喷衬砌抗冻胀能力较差) ⑤ 围岩及覆盖太薄,且其上已有建筑物,不能沉落或拆除者 ⑥ 地下水有侵蚀性,可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀
《隧道工程》课件第10讲隧道支护结构设计计算方法的基本原理
钢筋混凝土支护结构设计计算方法
荷载分析
计算隧道所承受的外部和内部荷 载,确定支护结构的设计荷载。
应力计算
通过应力计算,确定支护结构在 各种荷载情况下的安全性。
变形控制
根据变形和位移要求,设计支护 结构的变形控制措施。
钢支撑支护结构设计计算方法
1
界面压力分析
计算支护结构与地层之间的界面压力,
挡土力计算
评估隧道建设的经济效益、技术可行性和环 境影响。
3 隧道施工技术
了解隧道施工过程中所需的设备、人力和技 术。
4 安全与环境管理
确保隧道施工过程中的安全和环境保护。
隧道支护结构设计的重要性
保护地质环境
隧道支护结构保护周围地质层免受损害和沉降。
确保结构安全
支护结构能够抵御隧道周围地质压力,保持隧 道结构的稳定和完整。
2
确定支护结构的底部侧面支撑方式。
根据地质条件和隧道深度,计算侧面土
体对支护结构的挡土力。
3
支护结构强度计算
基于设计荷载和荷载组合,计算支护结 构的强度和稳定性。
锚喷支护结构设计计算方法
1 基岩锚杆计算
根据岩石的力学特性,计算锚杆的数量和长度。
2 喷射混凝土计算
计算喷射混凝土的强度、厚度和附着力,确保其能够有效支护隧道。
隧道工程-隧道支护结构 设计计算方法的基本原理
本课件介绍《隧道工程》中隧道支护结构设计计算方法的基本原理,包括隧 道工程基础知识回顾、设计计算方法和其他常见支护结构设计方法。让我们 一起深入学习吧!
隧道工程基础知识回顾
1 地质条件分析
了解隧道所处地质特点以及可能遇到的地质 问题。
2 隧道项目可行性研究
3 锚杆喷射混凝土结合计算
第6章隧道结构计算ppt课件
6.4 隧道洞门计算
6.4.3 洞门计算内容
1. 计算内容 ①墙身偏心及强度; ②绕墙趾的抗倾覆性(墙趾:墙身外表面与基底面的交点); ③沿基底滑动的稳定性; ④基底应力检算。
6.4 隧道洞门计算
6.4.3 洞门计算内容
2. 洞门端墙及挡(翼)墙检算规定
墙身截面压应力
墙身截面偏心距 e 基底应力
1 主动荷载模式 适于软弱岩层,如:
明挖地铁 明洞工程
6.2 结构力学方法
2 主动荷载+弹性抗力模式
适于各类围岩在实际应用中,该模式基本能反映出 支护结构的实际受力状况。
6.2 结构力学方法
3 实际荷载模式
它采用量测仪器实地量测作用在衬砌上的荷载值,某种 实测荷载只能适用于类似情况。
6.2 结构力学方法
作为结构设计荷载
的设计状态
支护 围岩变形过大,松动坍 支护与围岩共同作用,共同变形所 阻力 塌所产生的松动压力 产生的接触形变压力
支护 开挖
临时支撑+整体式厚衬砌
初期支护+二次衬砌
分部开挖, 钻爆法+中小型机械
大断面开挖, 钻爆法+大中型机械掘进
6.2 结构力学方法
6.2.1 基本原理
支护和围岩分开考虑,支护是承载的主体,视围岩为荷载 来源和支护的弹性支承,荷载处理有三种模式:主动荷载,主 动荷载+被动抗力,实际荷载。
图3.2 弹性地基梁的受力和变形
隧道衬砌结构计算的矩阵位移法
基本原理
矩阵位移法又叫直接刚度法,它是以结构节点位移 为基本未知量,联接在同一节点各单元的节点位移应该 相等,并等于该点的结构节点位移(变形协调条件); 同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的 各个单元的节点力相平衡(静力平衡条件)。
《隧道工程》第10讲隧道支护结构设计计算方法的基本原理2_2023年学习资料
第五章隧道支护构设计计算方法的基本原理->主动荷载加被动荷载(弹性扰力)模式-竖向围岩主动压力-口-弹性抗 -侧向围岩主动压力
第五拿滤道支护结构设汁计算方法的基本原理->实际荷载棋式-径向荷载
第五拿隧道支护结构设计计第方法的基本原理-二、隧道衬哟受力变形特点-在主动荷载作用下,结构-竖向围岩主动压 -产生的变形用虚线表示。-在拱顶,其变形背向地层,-不受围岩的约束而自由变-侧-形,这个区域称为《脱-腐区 ;而在两侧及底部-结构产生朝向地层的变形,-弹性抗动-并受到围岩的约束阻止共-变形,因而围岩对衬物产-生了 性扰力,这个区称-“扰力区”。
第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理-弹性支永的设置方向,当衬物与围岩之间不仅能-传递法向力且能传递剪 力时,贝则在法向和勿向各设-置一个弹性支永。如衬的与围岩之间只能传递法向力-时,则沿衬砌轴线设置一个法向弹 支承。但为了简-化计算工作,可将弹性支永由法向设置改为水平方向-设置。对于弹性固定的边墙底部用一个即能约束 平-位移,又能产生转动和垂直位移的弹性支座来模拟。-图为隧道衬哟结构内力分析的一戟计算图式。将主动-围岩压 简化为节点荷栽,衬砌结构的内力计算,可-采用矩阵力法或矩阵位移法,编制程序进行分析计算。
第五章隧道支护结构设计计算方法的基本原理-围岩对衬物变形起双重作用:围岩产生主动压力使衬-砌变形,又产生被 压力阻止衬砌变形。-三、隧道衬永受的荷散-一主动荷栽-1.主要荷栽-长期及经常作用的荷载,如围岩松动压力、 护结-构的自重、地下水压力及列车、汽车活栽等。
第五拿滤道支护结构设汁计算方法的基本原理-支护结构自重:可按预先拟定的结构尺寸和材料-容重计弃确定。-对于 般的隧道结构,在含水地层中,静水压力-可按最低水位考虑,由于静水压力使衬的结构物中的-轴向力加大,对扰弯性 差的混疑土衬哟结构来说,-相当于改善了它的受力状态,对结构有利。
隧道工程(第六讲-隧道支护结构设计)
半拱形结构计算 典型方程的建立 正对称的结构,作用有正对称的荷载,利用对称性,从拱顶切开,取基本结构如右图
结构力学设计方法
计算关键: 拱顶单位位移和荷载位移的计算; 拱脚位移的计算。
半拱形结构计算
结构力学设计方法
拱顶单位位移和荷载位移的计算: 根据结构力学中位移计算方法,可求的某一点在单位力作用下,沿k方向的位移(忽略剪力作用)为:
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 1. 求主动荷载作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算 求单位弹性反力作用下的衬砌内力
结构力学设计方法
曲墙拱形结构计算
3. 位移及最大弹性反力值的计算
①主动荷载作用下最大抗力点h点位移的计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
③附加一个方程:墙顶变位 ④拱圈内力的计算:在原理上与弹性固定的高拱结构完全相同 ,只是计及墙顶变位 ⑤边墙:作为弹性地基上的直梁来计算
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算
计算原理
弹性地基梁,按其换算长度l的不同,可分为3种情况: ① 长梁 l≥2.75 ② 短梁 1<l<2.75 ③ 刚性梁 1≥l l为梁的长度(即边墙高度),为弹性地基梁的弹性特征值
结构力学设计方法
4.衬砌内力计算及校核计算结果的正确性
曲墙拱形结构计算
③ 按变形协调条件,校核整个计算过程:
直墙拱形结构计算 结构 拱圈支承在弹性地基梁上的弹性固定无铰拱; 边墙双向弹性地基梁 计算原理
结构力学设计方法
结构力学设计方法
直墙拱形结构计算 计算原理 ②弹性反力 拱圈:任意截面弹性反力荷载图形假设为二次抛物线,作用方向为径向;计算公式如下; 边墙:用弹性地基梁的方法计算
隧道结构设计隧道工程结构构造设计课件(ppt 43页)
柱式拱形明洞门路堑式
翼墙式拱形明洞门路堑式
台阶式拱形明洞门(半路堑式)
台阶式拱形明洞门(偏压式)
2、棚式明洞
当山坡坍方,落石数量较少,山体侧压力不大,或因受地 质、地形条件的限制,难以修建拱形明洞时,可采用棚式明洞
棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式。通常有 墙式、刚架式,柱式和悬臂式(不修建外墙时)等 ※ 墙式棚洞(墙式棚式明洞)
大拱脚薄边墙衬砌
曲墙式衬砌
3、曲墙式衬砌 ※ 适用范围 ※ 作用 ① 地质条件较差,为抵御底鼓压力,配以仰拱使
衬砌形成环状封闭结构;
② 基础地基较好,可采用无仰拱的曲墙式衬砌。
4、喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌
① 要求用光面爆破开挖,使洞室周边平顺光滑, 成型准确,减少超欠挖。适当的时间喷混凝土,即 为喷混凝土衬砌;
环框式洞门
3、隧道洞门构造
⑴ 洞门仰坡坡脚至洞门墙背后的水平距离不小于1.5m,水 沟沟底与衬砌拱顶外缘的高度不应小于1.0 m,洞门墙顶应高 出仰坡脚0.5m以上。
⑵ 洞门墙基基底埋入土质地基的深度不应小于1.0m,嵌入 岩石地基的深度不应小于0.5m ,墙基底埋设的深度应大于墙 边各种沟、槽基础底埋设的深度;
路堑对称型明洞
路堑偏压型明洞
※ 路堑偏压型
适用于两侧山坡高差较大的路堑,高侧边坡有坍塌,落石 或泥石流;低侧边坡明洞墙顶以下部分为挖方,且能满足外侧 边墙嵌入基岩要求的地段
※ 半路堑偏压型
适用于半路堑靠山侧边坡较高,有坍塌、落石或泥石流等 不良地质现象,而外侧地面较为宽敞和稳定,上部填土坡面线 能与地面相交以平衡山侧压力的地段
③ 增加底部和墙部的支护抵抗力,防止内挤而产生剪切破坏。
隧道工程图文讲解ppt课件
.
※ IV级以上围岩,地基松软,往往侧压力较大,故宜采用 曲墙带仰拱的衬砌。
设置 作用 仰拱
使结构及时封闭,提高整体承载力和侧墙抵抗侧 压力的能力
抵御结构下沉变形,调整围岩和衬砌的应力状态
※ 严寒地区隧道,不管围岩等级如何,只要有地下水存在, 衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌,并在施工中根据情况设置伸 缩缝
① 当初支产生形变及形变压力时,隔离层允许其有少量的变形, 可降低形变压力;
② 当初支支护力不够时,可将少量形变压力均匀的传布到二衬 上,依靠二衬制止其继续变形,且不使初衬出现裂缝时,二衬 也出现裂缝。
.
③ 具有防水效果,且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
※ 预留初期支护变形量:在确定开挖尺寸时,应预留必要的初 期支护变形量以保证初期支护稳定后,二次衬砌的必要厚度
.
4.3 明洞
当隧道埋深较浅,上覆岩(土)体较薄,难采用暗挖法时,则 应采用明挖法来开挖隧道。用这种明挖法修筑的隧道结构,通 常称明洞。
※ 明洞具有地面、地下建筑物的双重特点:①作为地面建筑 物用以抵御边坡、仰坡的坍方、落石、滑坡、泥石流等病害; ②作为地下建筑物用于深路堑、浅埋地段不适宜暗挖隧道时而 取代隧道的作用;③用于在与公路、灌溉渠立交处,以减少建 筑物之间的干扰。 ※ 明洞的结构形式应根据地形、地质、经济、运营安全及施工 难易等条件进行选择,采用最多的是拱形明洞和棚式明洞
.
柱式拱形明洞门路堑式
翼墙式拱形明洞门路堑式
台阶式拱形明洞门(半路堑式)
台阶式拱形明洞门(偏压式)
2、棚式明洞
当山坡坍方,落石数量较少,山体侧压力不大,或因受地 质、地形条件的限制,难以修建拱形明洞时,可采用棚式明洞
隧道工程第讲隧道支护结构设计计算方法基本原理.pptx
第34页/共50页
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
对于单线隧道、按概率极限状态设计时:
q hq 0.411.79S
式中 hq——等效荷载高度值; S——围岩级别,如Ⅲ级围岩S=3; γ——围岩的容重;
第35页/共50页
bt b Ht tg45 0 2
式中 b——坑道的净跨之半; Ht——坑道的净高;
0 ——岩体的似摩擦角,0 arctgf
第28页/共50页
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
围岩垂直均布松动压力:
q hk
围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算:
e
q
1 2
H
t
tg 2 45
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17页/共50页
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
二、影响围岩压力的因素
影响围岩压力的因素很多,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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
二、弹性结构阶段
按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算 结构内力。作用在结构上的荷载是主动的地层压 力,并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束 作用。 这类计算理论认为,当地下结构埋置深度较大 时,作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力而 只是围岩坍落体积内松动岩体的重力——松动压 力。
hk bt f
式中 hk——自然拱高度; bt——自然拱的半跨度。
隧道工程结构力学计算方法ppt培训课件
第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的自由变形法
2、衬砌内力计算
基本计算结构图示如图:
土木工程学院隧道工程系
第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的假定抗力法
四、圆形隧道衬砌的假定抗力法
当圆形隧道不是设置在软泥或者饱和的软土中,隧道发生 变形时,周围的地层必然会产生约束隧道变形的抗力,此时 计算中要考虑抗力。
1、三角形抗力假定
作用在衬砌上的荷载仍按自由变形法进行计算。 作用在圆形隧道衬砌两侧的弹性抗力分布假定为三角形, 水平直径出处的抗力最大。
土木工程学院隧道工程系
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 第3讲 结构力学方法—圆形隧道衬砌的假定抗力法
1、三角形抗力假定
任一截面的水平抗力为:
计算中必须先建立补充方程 求出 ,
土木工程学院隧道工程系
隧道力学
主讲教师:
隧道工程结构力学计算方法
本讲主要内容: 1、拱形半衬砌隧道的结构计算 2、拱形曲墙隧道的假定抗力法 3、圆形隧道衬砌的自由变形法 4、圆形隧道衬砌的假定抗力法 5、矩形框架结构的计算
第3讲 结构力学方法
结构力学方法的计算过程
(1)确定围岩压力及其它荷载 (2)计算隧道衬砌结构在围岩压力及其它荷载作用下的内力 分布 (3)根据内力分布进行隧道衬砌结构的断面检算
土木工程学院隧道工程系
第3讲 结构力学方法—拱形半衬砌隧道
3、拱脚及拱圈柔度系数的计算 (3)单位竖向力作用时
土木工程学院隧道工程系
第3讲 结构力学方法—拱形半衬砌隧道
3、拱脚及拱圈柔度系数的计算 (4)外荷载作用下的柔度系数 1)外荷载在拱脚处产生弯矩 和轴向力 时,相应 的拱脚弹性固定系数为:
土木工程学院隧道工程系
《隧道工程》课件第12讲 隧道支护结构设计计算方法的基本原理4
sin sin
3
2 cos 1 sin
C 0
(3)
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
1
3
2 cos 1 sin
( 3
C
co t )
(4)
2、建立平衡方程
仍用圆形洞室双向受压的条件、用极坐标系表 达单元体受力状态如图 。
dθ/2
σrp+ dσrp
dr
σrp
dθ
σθp
dθ/2
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
另一处理方法是把混凝土层仍处理为承受轴力的直 梁单元,那么可以解决上述矛盾,但由于出现了转角, 不能和平面单元的节点位移相协调,必须再作特殊处 理,比如在其中加一杆单元(模拟回填层)等等。
(二)开挖效果的模拟
岩体在开挖洞室之前都具有初始应力,开挖以后, 在洞壁处应力解除。
τ
φ ccotφ
Rc/2 c
σr
(σθ- σr)/2
2θ Rc
σθ
σ
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
图中的斜线,即岩体破坏分界线上的各点都符合 下列算式:
f n tan [ ] C 0
其物理意义是该质点某一面出现的剪应力及与其 具备的抗剪强度相等。
莫尔—库仑准则表达式:
f
1
1 1
(二)弹性阶段围岩二次应力场及位移场的计算
➢围岩为均质、各向同性的连续介质; ➢只考虑自重形成的初始应力场; ➢隧道形状以规则的圆形为主; ➢隧道埋设于相当深度,可以看作无限平面中的孔 洞问题。
在这样假设下,建立计算模型。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
变形阶段
(a)
塌落阶段
(c)
松动阶段
(b)
成拱阶段
(d)
自然拱
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、 支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态 等因素影响外,还取决于以下诸因素: 隧道的形状和尺寸; 隧道的埋深; 施工因素。
狭义概念:指围岩变形受阻而作用在支 护结构上的作用力。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
(二)围岩压力分类
• 松动压力 • 形变压力 • 膨胀压力 • 冲击压力
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
2.弹性地基梁阶段
将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向 弹性地基梁,计算在主动荷载作用下拱圈和边墙 的内力。
•局部变形弹性地基梁理论 •共同变形弹性地基梁理论
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
三、连续介质阶段
用连续介质力学理论计算地下结构内力 这种计算方法以岩体力学原理为基础,认为坑道开挖后 向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组 成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护 结构提供了一定的支护阻力,从而引起它的应力调整达 到新的平衡;另一方面,由于支护结构阻止围岩变形, 它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反 作用力和围岩的松动压力极不相同,它是支护结构与围 岩共同变形过程中对支护结构施加的压力,称为形变压 力。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
1.假定弹性反力阶段
衬砌在承受岩体所给的主动压力作用产生弹性变 形的同时,将受到地层对其变形的约束作用。地 层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力。
假定弹性反力
弹性反力的分布图形为直线(三 角形或梯形)
对拱形结构按变形曲线假定 了月牙形的弹性反力图形
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
地下工程支护结构理论的一个重要问题是如 何确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩 的承载能力。从这方面讲,支护结构计算理论的 发展大概可分为3个阶段。
一、刚性结构阶段
将地下结构视为刚性结构的压力线理论。压力线 理论认为,地下结构是由一些刚性块组成的拱形 结构,所受的主动荷载是地层压力,当地下结构 处于极限平衡状态时,它是由绝对刚体组成的三 铰拱静定体系,铰的位置分别假设在墙底和拱顶, 其内力可按静力学原理进行计算。
软岩巷道严重底鼓变形
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
软岩巷道变形、支撑断裂
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
三、围岩松动压力的形成和确定方法
(一)围岩松动压力的形成
深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整 个变形过程,称为围岩的成拱作用。在成拱过程中 形成的相对稳定的拱形坍腔结构,成为自然拱或坍 落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来 源。
水平岩 层冒落
倾斜岩层掉 块、塌落
高边墙 坍塌
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
裂隙岩体顶部掉块第五章Leabharlann 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
态以及与支护结构的接触状态; • 荷载假定应与在修建洞室过程(各作业阶段)
中荷载发生的情况一致; • 算出的应力状态要与经过长时间使用的结构
所发生的应力变化和破坏现象一致; • 材料性质和数学表达要等价。
只要符合上述条件,任何计算方法都会获 得合理的结果。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第二节 围岩压力
本节内容 •围岩压力概念,分类; •围岩松动压力的确定方法。 本节重点 •围岩压力的概念; •我国铁路隧道围岩压力的计算方法。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理 一、围岩压力及分类
(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。
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。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
水平岩层
倾斜岩层
拱顶坍塌、冒落
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
二、弹性结构阶段
按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算 结构内力。作用在结构上的荷载是主动的地层压 力,并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束 作用。
这类计算理论认为,当地下结构埋置深度较大 时,作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力而 只是围岩坍落体积内松动岩体的重力——松动压 力。
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
二、影响围岩压力的因素
影响围岩压力的因素很多,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;
第五章 隧道支护结构设计计 算方法的基本原理
• 隧道设计计算理论的发展 • 围岩压力 • 结构力学方法 • 岩体力学方法 • 信息反馈方法及经验方法 • 衬砌结构耐久性设计概要
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
第一节 隧道设计计算理论的发展
地下结构的力学模型必须符合下述条件: • 与实际工作状态一致,能反映围岩的实际状