地下工程结构计算理论

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1、第1节  地下工程的受力特点与内力计算模型1、地下工程的受力有以下特点：（1）除了承受使用荷载，如设备重量、隧道中行驶车辆的重量等以外，地下工程结构还要承受周围岩土体和地下水的作用，而且后者往往构成地下铁道结构的主要荷载。（2）地下工程结构的荷载与众多的、随机性和时空效应明显的、往往难以量化的自然和工程因素有关；因此，现场量测围岩与结构的性状对于及时、合理地调整设计与施工往往是至关重要的。（3）地下工程结构的围岩既是荷载的来源，又与结构共同构成承载体系的一部分；2、计算模型（1）荷载结构模型—基

2、本概念是洞室围岩已经发生松弛或坍落，结构只是‘被动’地承受地层松动所带来的荷载；结构内力（和变形）按结构力学方法计算；被动地层反力是结构与地层相互作用的唯一反映；计算的关键在于确定地层荷载。荷载结构模型是规范推荐的结构内力计算模型。1）主动荷载模型：不考虑结构和地层的共同作用，除了在结构底部受地层约束外，其它部分在主动荷载作用下可以自由变形，这种模型适用于结构与地层“刚度比”较大的情况，较弱的地层没有能力去限制衬砌结构的变形；2）主动荷载加地层弹性约束模型地层不仅对衬砌结构施加主动荷载而且由于结

3、构与地层的共同作用，还要对衬砌结构施加被动弹性抗力。（2）地层结构模型—基本概念是围岩与结构共同构成承载体系，荷载来自地层的初始应力和施工所引起的应力释放；结构内力与地层重分布应力一起按连续介质力学方法计算（如弹塑性力学的有限单元法）；地层与结构的相互作用以变形协调条件来体现；计算的关键在于确定围岩的应力释放和地层结构的相互作用。荷载结构模型的概念清晰、计算过程明确，是目前最常用的、也是《地下铁道设计规范》推荐的地下铁道结构内力计算模型。地层结构模型虽然在概念和理论上比荷载结构模型更合理、更灵活

4、，但由于围岩应力释放和地层结构相互作用很难准确有效地模拟、且计算过程相对复杂，目前应用范围有限，目前常用作比选施工方案、分析开挖环境影响等工作的一种辅助工具。温克尔弹簧可以有几种基本布置方式：沿结构轴线的法线方向布置可以模拟地层对结构的法向弹性约束，沿结构轴线方向布置可以模拟地层的切向弹性约束（摩擦阻力），还可以布置成约束转动的环状弹簧。这些基本温克尔弹簧可以组合模拟地层对结构的各种弹性约束作用。图：弹性支撑方向的选择—（i）法向和切向，（ii）法向，（iii）法向加上摩擦力影响，（iv）简化成

5、水平方向2、地层压力（1）如何计算：地层压力是否就等于上覆地层的重量。作用在支护结构上的围岩的松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用”来解释。四个阶段：1）变形阶段：隧道开挖后，在围岩应力重分布的过程中，顶板开始沉陷，并出现拉裂纹。2）松动阶段：顶板的裂纹继续发展，并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为“松动”。3）塌落阶段：顶板岩体逐渐塌落4）成拱阶段。顶板岩体塌落停止，达到一个平衡状态，在隧道上方，塌落的岩体形成一个“拱形”。称之为“塌落拱”或“天然拱

6、”。天然拱范围内的岩体重量就是作用在支护结构上围岩松动压力的来源。（2）天然拱范围的影响因素：1）围岩地质条件；2）支护结构架设的时间；3）支护结构的刚度；4）支护结构与围岩的接触状态；5）隧道的形状、大小和尺寸；6）隧道的埋深；7）施工方法。（3）天然拱高度的确定确定了天然拱的高度，也就得出了围岩压力。以天然拱的范围为参照，兼顾天然拱以外岩体的某个变形范围，可以把地下铁道结构划分为深埋与浅埋两种类型，分别计算主动地层压力。用表示天然拱的高度,表示地下铁道结构的埋深，原则上可以把的洞室定义为深埋

7、，否则定义为浅埋；系数反映的是天然拱内外岩体的坍落与变形范围。一般取（围岩愈软弱，愈宜取大值）。1）深埋隧道：方法之一：经验公式法即《铁路隧道设计规范》（TB10003-2001）所推荐的方法其中，γ为围岩的重度（KN/m3）；S为围岩的级别；B为洞室的跨度，当B<5m，取i=0.2，当B＞5m，取i=0.1与之相应的侧向压应力用下式计算：围岩水平均布的松动压力：围岩类别:Ⅵ～ⅤⅣⅢⅡⅠ水平均布压力：0（0～1/6）q(1/6～1/3)q(1/3～1/2)q(1/2～1)q方法之二：理论公式-普

8、氏理论：所有的岩体都不同程度的被节理、裂隙切割，因此可以视为散粒体，但是，岩体不是一般的散粒体，其结构面存在一定程度的粘结力，基于这些认识，普氏提出了岩体的坚固性系数的概念。为了确定围岩的松动压力，普氏提出了基于天然拱概念的计算理论，他认为在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的天然拱，作用在支护结构上的围岩压力就是天然拱以内的松动岩体的重量，而天然拱的高度和跨度则与岩体的坚固性系数和隧道宽度有关。hk—天然拱高度；b—天然拱的半跨度。在坚硬岩体中，坑道侧壁比较稳定，天