第六章-隧道支护结构计算 PPT
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● 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力， 即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。只产生在被衬砌压 缩的围岩边界。
§6.2 结构力学方法
（2）隧道结构上的荷载及其类型
②被动荷载～围岩抗力 ◆ 共同变形理论（很少采用） ◆ 局部变形理论 （温克尔假定） 该理论认为围岩的弹性抗力与围 岩在改点的变形成正比。
i ki
该理论把围岩简化为一系列彼此 独立的弹簧，每个弹簧表示一个 小岩柱。
6.2.2 衬砌结构计算的直接刚度法
（1）计算原理 直接刚度法又称矩
阵位移法，是以结构节 点位移为基本未知量， 在节点处满足变形协调 条件和静力平衡条件。
基本结构计算图式 ➢衬砌结构的处理 ◆ 衬砌的处理：衬砌属于拱形结构，受弯矩和轴 力影响较大，将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元 （梁单元），并将单元的联接点称为节点。一般 将衬砌划分为30-60个单元。 ◆ 墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即 能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。如 图a中单元11及图b中单元12
第6章 隧道支护结构的计算
6.1 隧道结构体系的计算模型 6.2 结构力学方法 6.3 岩体力学方法
6.4 隧道抗震
§6.1 概述
6.1.1 隧道工程受力特点
1.荷载的模糊性
地面结构荷载比较明确，而且荷载量级不大，而隧道工程的荷载主要取决于 地应力，地应力难以准确量测。
2.围岩物理力学参数难以准确获得
Байду номын сангаас
抗力区
§6.2 荷载结构法
（3）实际荷载模型
采用量测仪器实地量 测作用在衬砌上的荷载值， 这是围岩与支护结构相互 作用的综合反映。切向荷 载的存在可减小荷载分布 的不均匀程度，从而改善 结构的受力情况。
测量的荷载值既包含围岩的主动荷载也 包含弹性反力。荷载值与围岩的性质、 支护结构的刚度、衬砌背后回填土的质 量有关
①主动围岩压力； ②被动围岩弹性抗力。 ◆ 荷载-结构模型，采用结构力学方法计算。 适用于：支护结构主动承担围岩松动压力的情况（模筑混凝土 衬砌）
第6章 隧道支护结构的计算
2.岩体力学模型
以围岩作为承载主体，支护结构限制围岩向隧道内变形的计算模型
特点： ◆ 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体； ◆ 支护结构约束围岩的变形； ◆ 采用岩体力学方法计算，围岩-结构模型； ◆ 围岩形变引起支护结构上的压力。 适用于：锚喷支护
基本结构计算图式
对于一些特殊形式的 衬砌，比如拱和边墙 的轴线不连续或者墙 基需要加宽时，需添 加一个特殊的单元-刚性单元，如图b中 单元7
➢围岩弹性抗力的处理 ◆ 以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设
置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力； ◆ 以温氏假定反映抗力与节点位移的关系； ◆ 弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。
a围岩与衬砌牢固粘结，可传递法向力和切应力，设置两个弹性链杆 b粘结差，只能传递法向压力，沿衬砌法向设置弹性链杆 c考虑摩擦力影响，弹性连杆偏离衬砌轴线法向一个摩擦角φ d简化计算，将链杆水平布置
围岩对衬砌的约束作用采用弹性链杆 模拟，托弹性链杆水平设置，其总体 坐标系与局部坐标系一直，设衬砌变 形后的弹性链杆的压缩位移为ui，围 岩对衬砌的弹性抗力为Rix，根据文克 尔假定：
Rix=（kibsi）ui ki---弹性抗力系数 b---隧道极端宽度，一般取1m si---相邻两衬砌单元竖直投影之和的 一半，si=（lisinαi+li+1sinαi+1）/2
上式写成矩阵形式为：R ieK R e ie
➢等效节点荷载的处理 在实际工程中，主动荷载和结构自重一般不直接作
用在节点上。为了配合衬砌的离散化，主动荷载和结 构自重也要进行离散，也就是将作用在衬砌上的分布 荷载置换成作用在节点上的等效节点荷载。
5作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时间的影 响 6与地面结构不同，隧道支护结构安全与否既要考 虑支护结构能否承载，又要考虑围岩是否失稳。
第6章 隧道支护结构的计算
6.1.2 隧道结构体系的计算模型
1.结构力学模型
以支护结构作为承载主体，围岩对支护结构的变形起约束作用的 计算模型。
特点： ◆ 以支护结构作为承载主体； ◆ 围岩对支护结构的作用只是在支护结构上产生荷载：
按时间分
作用在隧道结构上的荷载
§6.2 结构力学方法
隧道结构上的荷载及其类型
按其性质可以区分为两大类:
● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；
1主要荷载。包括围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、 地下静水压力级车辆活荷载等
2附加荷载。偶然的非经常作用的荷载。温差压力、灌浆压 力、冻胀压力、混凝土收缩压力及地震力等
结构产生的变形用虚线表示。
在拱顶，其变形背向地层，不受围岩 的约束而发生自由变形，该区域称为 脱离区。
在两侧及底部，衬砌产生朝向地层的 变形，并受到围岩的约束，围岩对衬 砌产生弹性抗力，该区域称为抗力区。
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。条件为：围岩与衬砌全面、紧密 的接触
地面工程中材料力学参数可通过试件实验获取，而隧道围岩物理力学参 数要通过现场测试，不仅难以进行且不同地段差别很大
3围岩压力-承载体系
◆围岩不仅是荷载，同时又是承载体； ◆ 地层压力由围岩和支护结构共同承受； ◆ 充分发挥围岩自身承载力是支护结构设计的根本出发点
§6.1 概述
6.1.1 隧道工程受力特点
第6章 隧道支护结构的计算
6.2 结构力学方法
6.2.1概 述
1.基本原理
◆将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩 作为荷载的来源和支护结构的弹性支承
◆当作用在支护结构上的荷载确定后，可用结构力学的方 法求解超静定结构的内力和位移
荷载-结构模型的应用有如下三种：
§6.2 荷载结构法
6.2.1 基本原理
（1）主动荷载模型 不考虑围岩与支护结
构的相互作用，因此，支 护结构在主动荷载作用下 可以自由变形，其计算原 理和地面结构一样。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交
§6.2 荷载结构法
（2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型
认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用， 围岩还对支护结构施加被动的弹性抗力。
§6.2 结构力学方法
（2）隧道结构上的荷载及其类型
②被动荷载～围岩抗力 ◆ 共同变形理论（很少采用） ◆ 局部变形理论 （温克尔假定） 该理论认为围岩的弹性抗力与围 岩在改点的变形成正比。
i ki
该理论把围岩简化为一系列彼此 独立的弹簧，每个弹簧表示一个 小岩柱。
6.2.2 衬砌结构计算的直接刚度法
（1）计算原理 直接刚度法又称矩
阵位移法，是以结构节 点位移为基本未知量， 在节点处满足变形协调 条件和静力平衡条件。
基本结构计算图式 ➢衬砌结构的处理 ◆ 衬砌的处理：衬砌属于拱形结构，受弯矩和轴 力影响较大，将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元 （梁单元），并将单元的联接点称为节点。一般 将衬砌划分为30-60个单元。 ◆ 墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即 能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移。如 图a中单元11及图b中单元12
第6章 隧道支护结构的计算
6.1 隧道结构体系的计算模型 6.2 结构力学方法 6.3 岩体力学方法
6.4 隧道抗震
§6.1 概述
6.1.1 隧道工程受力特点
1.荷载的模糊性
地面结构荷载比较明确，而且荷载量级不大，而隧道工程的荷载主要取决于 地应力，地应力难以准确量测。
2.围岩物理力学参数难以准确获得
Байду номын сангаас
抗力区
§6.2 荷载结构法
（3）实际荷载模型
采用量测仪器实地量 测作用在衬砌上的荷载值， 这是围岩与支护结构相互 作用的综合反映。切向荷 载的存在可减小荷载分布 的不均匀程度，从而改善 结构的受力情况。
测量的荷载值既包含围岩的主动荷载也 包含弹性反力。荷载值与围岩的性质、 支护结构的刚度、衬砌背后回填土的质 量有关
①主动围岩压力； ②被动围岩弹性抗力。 ◆ 荷载-结构模型，采用结构力学方法计算。 适用于：支护结构主动承担围岩松动压力的情况（模筑混凝土 衬砌）
第6章 隧道支护结构的计算
2.岩体力学模型
以围岩作为承载主体，支护结构限制围岩向隧道内变形的计算模型
特点： ◆ 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体； ◆ 支护结构约束围岩的变形； ◆ 采用岩体力学方法计算，围岩-结构模型； ◆ 围岩形变引起支护结构上的压力。 适用于：锚喷支护
基本结构计算图式
对于一些特殊形式的 衬砌，比如拱和边墙 的轴线不连续或者墙 基需要加宽时，需添 加一个特殊的单元-刚性单元，如图b中 单元7
➢围岩弹性抗力的处理 ◆ 以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设
置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力； ◆ 以温氏假定反映抗力与节点位移的关系； ◆ 弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定。
a围岩与衬砌牢固粘结，可传递法向力和切应力，设置两个弹性链杆 b粘结差，只能传递法向压力，沿衬砌法向设置弹性链杆 c考虑摩擦力影响，弹性连杆偏离衬砌轴线法向一个摩擦角φ d简化计算，将链杆水平布置
围岩对衬砌的约束作用采用弹性链杆 模拟，托弹性链杆水平设置，其总体 坐标系与局部坐标系一直，设衬砌变 形后的弹性链杆的压缩位移为ui，围 岩对衬砌的弹性抗力为Rix，根据文克 尔假定：
Rix=（kibsi）ui ki---弹性抗力系数 b---隧道极端宽度，一般取1m si---相邻两衬砌单元竖直投影之和的 一半，si=（lisinαi+li+1sinαi+1）/2
上式写成矩阵形式为：R ieK R e ie
➢等效节点荷载的处理 在实际工程中，主动荷载和结构自重一般不直接作
用在节点上。为了配合衬砌的离散化，主动荷载和结 构自重也要进行离散，也就是将作用在衬砌上的分布 荷载置换成作用在节点上的等效节点荷载。
5作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时间的影 响 6与地面结构不同，隧道支护结构安全与否既要考 虑支护结构能否承载，又要考虑围岩是否失稳。
第6章 隧道支护结构的计算
6.1.2 隧道结构体系的计算模型
1.结构力学模型
以支护结构作为承载主体，围岩对支护结构的变形起约束作用的 计算模型。
特点： ◆ 以支护结构作为承载主体； ◆ 围岩对支护结构的作用只是在支护结构上产生荷载：
按时间分
作用在隧道结构上的荷载
§6.2 结构力学方法
隧道结构上的荷载及其类型
按其性质可以区分为两大类:
● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；
1主要荷载。包括围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、 地下静水压力级车辆活荷载等
2附加荷载。偶然的非经常作用的荷载。温差压力、灌浆压 力、冻胀压力、混凝土收缩压力及地震力等
结构产生的变形用虚线表示。
在拱顶，其变形背向地层，不受围岩 的约束而发生自由变形，该区域称为 脱离区。
在两侧及底部，衬砌产生朝向地层的 变形，并受到围岩的约束，围岩对衬 砌产生弹性抗力，该区域称为抗力区。
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。条件为：围岩与衬砌全面、紧密 的接触
地面工程中材料力学参数可通过试件实验获取，而隧道围岩物理力学参 数要通过现场测试，不仅难以进行且不同地段差别很大
3围岩压力-承载体系
◆围岩不仅是荷载，同时又是承载体； ◆ 地层压力由围岩和支护结构共同承受； ◆ 充分发挥围岩自身承载力是支护结构设计的根本出发点
§6.1 概述
6.1.1 隧道工程受力特点
第6章 隧道支护结构的计算
6.2 结构力学方法
6.2.1概 述
1.基本原理
◆将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩 作为荷载的来源和支护结构的弹性支承
◆当作用在支护结构上的荷载确定后，可用结构力学的方 法求解超静定结构的内力和位移
荷载-结构模型的应用有如下三种：
§6.2 荷载结构法
6.2.1 基本原理
（1）主动荷载模型 不考虑围岩与支护结
构的相互作用，因此，支 护结构在主动荷载作用下 可以自由变形，其计算原 理和地面结构一样。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交
§6.2 荷载结构法
（2）主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模型
认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用， 围岩还对支护结构施加被动的弹性抗力。