隧道结构力学计算第一二三章
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第一章
绪论
内容摘要： 内容摘要： 隧道的定义、分类、作用；公路隧道的主要 特点及结构形式；初始地应力场；隧道结构荷载 形式；隧道结构计算地理论与方法。 重点与难点： 重点与难点： 衬砌结构类型；重力应力场和构造应力场； 荷载分类；荷载结构法、地层结构法。 学时：2 学时：
隧 道 定 义：构筑在离地面一定深度的岩层 或土层中用做通道的建筑物。 隧 道 分 类：岩石隧道、土质隧道； 山岭隧道、水底隧道、城市道 路隧道； 交通隧道、市政工程隧道。 交通隧道作用：改善路线技术指标，缩短里 程和行车时间，提高运营效 益。
§２－７ 圆形隧道衬砌的假定抗力法
• 三角形抗力假定：假定圆形衬砌两侧的弹 性抗力为三角形分布，水平直径处最大。 • 镰刀形抗力假定：竖向围岩压力作用于圆 形衬砌时顶部变形方向脱离地层，形成一 个脱离区，假定脱离区的夹角为∏/2。
§２－８ 矩形框架结构计算
• 荷载计算 静载、动载、特载 • 内力计算
§１－４ 隧道结构计算的理论和方法
• 隧道结百度文库计算的任务 采用数学、力学的方法，计算分析在隧道修筑的整个 过程中（包括竣工运营）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及 稳定性，为隧道设计及施工提供具体的设计参数。 • 隧道结构计算的理论与方法 包括刚体力学法、结构力学法（即荷载结构法）、连 续介质力学法（即地层结构法）。 • 影响隧道结构计算的主要因素 力学参数无法确定，荷载量级大，围岩自承能力受多 种因素影响，本构关系和屈服准则的不完善性。
§２－１ 拱形半衬砌隧道的结构计算
• • • • 计算模型：拱脚弹性固定无铰拱 衬砌内力计算：对称问题和非对称问题 拱脚及拱圈的柔度系数计算 衬砌强度校核
§２－２ 拱形曲墙隧道的假定抗力法
• 计算模型：墙脚弹性固定而两侧受周围约束的无 铰拱，考虑弹性抗力为镰刀形分布。 • 衬砌内力计算 最大抗力点的位移协调条件 主动荷载作用下衬砌的内力 假定最大抗力为1时的衬砌内力 最大抗力的求解 衬砌的内力 计算结果校核
• 弹性力学法是建立在连续介质力学的基础 上，认为在变形过程中，衬砌和地层是一 个整体，两者相互之间依赖连续条件来联 系。 • 用弹性力学分析隧道结构不仅可以计算衬 砌的结构内力，还可以计算洞室周围的地 层应力。
§３－１
岩土材料的线弹性理论
• 岩土材料的本构关系 • 弹性力学基本方程 物理方程 平衡方程、几何方程、
§２－３ 拱形直墙隧道的局部变形法
• 计算模型：将拱圈和直墙分开考虑，拱圈 是一个拱脚弹性固定的无铰拱，边墙视为 弹性地基梁。 拱圈衬砌内力的计算 • 求最大抗力σh • 边墙顶端处位移的计算 • 边墙内力和位移的计算 • 计算结果的校核
§２－４ 隧道衬砌结构计算的矩阵力法 • • • • • • • 计算模型 单元节点力 单元的柔度矩阵 整体柔度矩阵 ［Fxx］、［Fxp］的计算 衬砌结构内力计算 各有关矩阵的计算
§１－１ 公路隧道主要特点及结构形式 １.公路隧道的主要特点：断面型状复杂，荷 载形式单一，附属设施多。 ２.隧道横断面几何形状：马蹄形、圆形、拱 形。 ３.衬砌结构类型：整体式衬砌（包括半砌、 厚拱薄墙衬砌、直墙拱形衬砌、曲墙拱形 衬砌），装配式衬砌，锚喷支护衬砌，复 合式衬砌。
§１－２ 初始应力场
§３－４ 圆形隧道衬砌的结构计算
• 位移协调条件 • 衬砌的内力 • 衬砌和围岩间存在不连续位移 • 衬砌的强度校核
第二章 隧道结构计算的结构力学法
内容摘要： 内容摘要： 拱形半衬砌的结构计算、拱形曲墙隧道的假 定抗力法、拱形直墙隧道的局部变形法、隧道衬 砌结构计算的矩阵力法、隧道衬砌结构计算的矩 阵位移法、圆形隧道衬砌的自由变形法、圆形隧 道衬砌结构的假定抗力法、矩形框架结构计算。 重点与难点： 重点与难点： 各种衬砌类型、各种方法的原理、假定条件、 具体计算方法和解题步骤。 学时： 学时：12
• 边界条件 应力边界条件、位移边界条件、 混合边界条件
§３－２
圆形隧道的弹性力学法
• 基本方程 平面极坐标系下的基本方程 应力函数与控制方程 • 圆形隧道的力学分析 围岩初始应力场的求解
§３－３
圆形隧道围岩的应力场
• 二次应力场：由围岩初始应力场和开挖洞室引起 的扰动应力场叠加得到。 • 洞周围岩的位移 • 围岩三次应力场及位移：毛洞施做衬砌后，衬砌 和围岩形成一个整体，由于围岩的变形受到衬砌 的限制，衬砌对围岩产生弹性抗力，从而达到三 次应力状态。 弹性抗力产生的应力分量和二次应力状态叠 加，得到围岩的三次应力状态。 弹性抗力产生的位移分量和二次应力状态下 的位移叠加，得到围岩的三次位移。
第三章 隧道结构计算的弹性力学法
内容摘要： 内容摘要： 岩土材料的线弹性理论、圆形隧道的 弹性力学分析、圆形隧道围岩的应力场、 圆形隧道衬砌的结构计算。 重点与难点： 重点与难点： 线弹性理论，平面极坐标系下的基本 方程，圆形隧道施工中三个阶段应力场的 概念，三个阶段应力场、位移场的计算。 学时：5 学时：
§２－５ 隧道结构计算的矩阵位移法
• 计算模型：把隧道衬砌看作许多偏心受压 的衬砌单元和支撑链杆单元的集合体 • 单元刚度矩阵：衬砌单元、链杆单元、墙 底弹性支座单元 • 结构刚度方程与结构刚度矩阵 • 边界条件的处理
§２－６
圆形隧道衬砌的自由变形法
• 计算模型：处于淤泥、流砂、饱和砂、塑性土等 松软含水地层中，隧道衬砌沿地层方向变形时， 地层不会产生很大的抗力，此种受力的衬砌可按 自由变形圆环进行计算。 竖向压力计算、水平压力计算、地层反力计算 • 衬砌内力计算 • 装配阶段的内力计算 • 具有水平拉杆的衬砌内力计算： 仅考虑安装拉杆所引起的衬砌内力计算 考虑拉杆安装后在使用阶段的衬砌内力计算
• 重力应力场 • 构造应力场 • 确定初始应力场的方法 位测试法 解析反演法、原
§１－３ 隧道结构荷载形式
荷载分类：主要荷载、附加荷载、特殊荷载。 围岩压力 形变压力和松散压力统称为围岩压力。 确定围岩压力的方法：现场量测、理论估算、工 程类比。 常用的围岩分类法：岩石坚固系数分类法、太沙 基理论、铁路围岩分类法、人工岩石洞室围岩分类法、水 工隧道围岩分类法等。 土压力 明挖法：可用静止土压力公式、朗金土压力公式、 库仑土压力公式计算。 盾构法：σz、 σH 、pk
绪论
内容摘要： 内容摘要： 隧道的定义、分类、作用；公路隧道的主要 特点及结构形式；初始地应力场；隧道结构荷载 形式；隧道结构计算地理论与方法。 重点与难点： 重点与难点： 衬砌结构类型；重力应力场和构造应力场； 荷载分类；荷载结构法、地层结构法。 学时：2 学时：
隧 道 定 义：构筑在离地面一定深度的岩层 或土层中用做通道的建筑物。 隧 道 分 类：岩石隧道、土质隧道； 山岭隧道、水底隧道、城市道 路隧道； 交通隧道、市政工程隧道。 交通隧道作用：改善路线技术指标，缩短里 程和行车时间，提高运营效 益。
§２－７ 圆形隧道衬砌的假定抗力法
• 三角形抗力假定：假定圆形衬砌两侧的弹 性抗力为三角形分布，水平直径处最大。 • 镰刀形抗力假定：竖向围岩压力作用于圆 形衬砌时顶部变形方向脱离地层，形成一 个脱离区，假定脱离区的夹角为∏/2。
§２－８ 矩形框架结构计算
• 荷载计算 静载、动载、特载 • 内力计算
§１－４ 隧道结构计算的理论和方法
• 隧道结百度文库计算的任务 采用数学、力学的方法，计算分析在隧道修筑的整个 过程中（包括竣工运营）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及 稳定性，为隧道设计及施工提供具体的设计参数。 • 隧道结构计算的理论与方法 包括刚体力学法、结构力学法（即荷载结构法）、连 续介质力学法（即地层结构法）。 • 影响隧道结构计算的主要因素 力学参数无法确定，荷载量级大，围岩自承能力受多 种因素影响，本构关系和屈服准则的不完善性。
§２－１ 拱形半衬砌隧道的结构计算
• • • • 计算模型：拱脚弹性固定无铰拱 衬砌内力计算：对称问题和非对称问题 拱脚及拱圈的柔度系数计算 衬砌强度校核
§２－２ 拱形曲墙隧道的假定抗力法
• 计算模型：墙脚弹性固定而两侧受周围约束的无 铰拱，考虑弹性抗力为镰刀形分布。 • 衬砌内力计算 最大抗力点的位移协调条件 主动荷载作用下衬砌的内力 假定最大抗力为1时的衬砌内力 最大抗力的求解 衬砌的内力 计算结果校核
• 弹性力学法是建立在连续介质力学的基础 上，认为在变形过程中，衬砌和地层是一 个整体，两者相互之间依赖连续条件来联 系。 • 用弹性力学分析隧道结构不仅可以计算衬 砌的结构内力，还可以计算洞室周围的地 层应力。
§３－１
岩土材料的线弹性理论
• 岩土材料的本构关系 • 弹性力学基本方程 物理方程 平衡方程、几何方程、
§２－３ 拱形直墙隧道的局部变形法
• 计算模型：将拱圈和直墙分开考虑，拱圈 是一个拱脚弹性固定的无铰拱，边墙视为 弹性地基梁。 拱圈衬砌内力的计算 • 求最大抗力σh • 边墙顶端处位移的计算 • 边墙内力和位移的计算 • 计算结果的校核
§２－４ 隧道衬砌结构计算的矩阵力法 • • • • • • • 计算模型 单元节点力 单元的柔度矩阵 整体柔度矩阵 ［Fxx］、［Fxp］的计算 衬砌结构内力计算 各有关矩阵的计算
§１－１ 公路隧道主要特点及结构形式 １.公路隧道的主要特点：断面型状复杂，荷 载形式单一，附属设施多。 ２.隧道横断面几何形状：马蹄形、圆形、拱 形。 ３.衬砌结构类型：整体式衬砌（包括半砌、 厚拱薄墙衬砌、直墙拱形衬砌、曲墙拱形 衬砌），装配式衬砌，锚喷支护衬砌，复 合式衬砌。
§１－２ 初始应力场
§３－４ 圆形隧道衬砌的结构计算
• 位移协调条件 • 衬砌的内力 • 衬砌和围岩间存在不连续位移 • 衬砌的强度校核
第二章 隧道结构计算的结构力学法
内容摘要： 内容摘要： 拱形半衬砌的结构计算、拱形曲墙隧道的假 定抗力法、拱形直墙隧道的局部变形法、隧道衬 砌结构计算的矩阵力法、隧道衬砌结构计算的矩 阵位移法、圆形隧道衬砌的自由变形法、圆形隧 道衬砌结构的假定抗力法、矩形框架结构计算。 重点与难点： 重点与难点： 各种衬砌类型、各种方法的原理、假定条件、 具体计算方法和解题步骤。 学时： 学时：12
• 边界条件 应力边界条件、位移边界条件、 混合边界条件
§３－２
圆形隧道的弹性力学法
• 基本方程 平面极坐标系下的基本方程 应力函数与控制方程 • 圆形隧道的力学分析 围岩初始应力场的求解
§３－３
圆形隧道围岩的应力场
• 二次应力场：由围岩初始应力场和开挖洞室引起 的扰动应力场叠加得到。 • 洞周围岩的位移 • 围岩三次应力场及位移：毛洞施做衬砌后，衬砌 和围岩形成一个整体，由于围岩的变形受到衬砌 的限制，衬砌对围岩产生弹性抗力，从而达到三 次应力状态。 弹性抗力产生的应力分量和二次应力状态叠 加，得到围岩的三次应力状态。 弹性抗力产生的位移分量和二次应力状态下 的位移叠加，得到围岩的三次位移。
第三章 隧道结构计算的弹性力学法
内容摘要： 内容摘要： 岩土材料的线弹性理论、圆形隧道的 弹性力学分析、圆形隧道围岩的应力场、 圆形隧道衬砌的结构计算。 重点与难点： 重点与难点： 线弹性理论，平面极坐标系下的基本 方程，圆形隧道施工中三个阶段应力场的 概念，三个阶段应力场、位移场的计算。 学时：5 学时：
§２－５ 隧道结构计算的矩阵位移法
• 计算模型：把隧道衬砌看作许多偏心受压 的衬砌单元和支撑链杆单元的集合体 • 单元刚度矩阵：衬砌单元、链杆单元、墙 底弹性支座单元 • 结构刚度方程与结构刚度矩阵 • 边界条件的处理
§２－６
圆形隧道衬砌的自由变形法
• 计算模型：处于淤泥、流砂、饱和砂、塑性土等 松软含水地层中，隧道衬砌沿地层方向变形时， 地层不会产生很大的抗力，此种受力的衬砌可按 自由变形圆环进行计算。 竖向压力计算、水平压力计算、地层反力计算 • 衬砌内力计算 • 装配阶段的内力计算 • 具有水平拉杆的衬砌内力计算： 仅考虑安装拉杆所引起的衬砌内力计算 考虑拉杆安装后在使用阶段的衬砌内力计算
• 重力应力场 • 构造应力场 • 确定初始应力场的方法 位测试法 解析反演法、原
§１－３ 隧道结构荷载形式
荷载分类：主要荷载、附加荷载、特殊荷载。 围岩压力 形变压力和松散压力统称为围岩压力。 确定围岩压力的方法：现场量测、理论估算、工 程类比。 常用的围岩分类法：岩石坚固系数分类法、太沙 基理论、铁路围岩分类法、人工岩石洞室围岩分类法、水 工隧道围岩分类法等。 土压力 明挖法：可用静止土压力公式、朗金土压力公式、 库仑土压力公式计算。 盾构法：σz、 σH 、pk