《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

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。
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。
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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。
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Baidu Nhomakorabea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。
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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
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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。
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。
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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；
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。
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水平岩层
倾斜岩层
拱顶坍塌、冒落
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狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支 护结构上的作用力。
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(二)围岩压力分类
• 松动压力 • 形变压力 • 膨胀压力 • 冲击压力
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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。
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。
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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。
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变形阶段
(a)
塌落阶段
(c)
松动阶段
(b)
成拱阶段
(d)
自然拱
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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。
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
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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
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水平岩 层冒落
倾斜岩层掉 块、塌落
高边墙 坍塌
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裂隙岩体顶部掉块
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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。
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