隧道工程第2版陈秋南电子课件教学课件 2第5章 隧道支护结构计算.ppt

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1、第五章隧道支护结构计算『5.2▎隧道施工过程的力学特性『5.3▎隧道衬砌受力计算『5.4▎半衬砌结构计算隧道工程SUIDAOGONGCHENG『5.5▎直墙式衬砌结构计算『5.6▎曲墙式衬砌结构计算『5.9▎隧道洞门计算『5.8▎衬砌截面强度验算『5.1▎隧道支护体系形成过程及其力学特性『5.7▎衬砌初期支护的剪切滑移法验算初期支护和衬砌结构型式是否合理，对于结构的承载能力和经济效果都有很大的影响。其中围岩的稳定性对于结构型式的选择起决定的作用。隧道支护体系岩体支护结构通常情况下是主要承载单元初期

2、支护二次衬砌一方面承受围岩压力、结构自重以及其它荷载的作用；另一方面可以防止围岩风化、崩塌、防水。『5.1▎隧道支护体系形成过程及计算模式『5.1.1▎支护体系的形成过程及其对应的力学状态施工力学1.荷载的模糊性2.围岩物理力学参数难以准确获得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的重要性4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大5.隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在『5.1.2▎隧道工程受力特点1.结构力学模型特点：

3、以支护结构作为承载主体；围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：①围岩压力；②围岩弹性抗力。采用结构力学方法计算，如弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁和圆环）法等。适用于：模筑砼衬砌分为结构力学模型（荷载-结构模式）和岩体力学模型（地层模式）。★『5.1.3▎隧道工程计算模型2.岩体力学模型特点：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，围岩体现为形变压力。采用岩体力学方法计算，如解析法、收敛—约束法图解(又叫特征曲线法)、用剪切滑

4、移法、数值方法(有限单元法)等。适用于：锚喷支护『5.2▎隧道施工过程的力学特性『5.2.1▎隧道洞室开挖后的应力状态1．基本假定1）均质的，各向同性连续介质2）只考虑自重产生的初始应力场3）隧道形状是规则的圆形为主4）深埋，简化为无限体中的孔洞问题开挖后，围岩中可能会出现两种情况：一种是围岩仍处于弹性状态；另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，使部分围岩处于塑性状态。初始应力为常量场，并取其等于隧道中心点的自重应力，即2．隧道开挖后的弹性二次应力状态围岩的初始应力弹性力学中基尔西(G.Ki

5、rsch)公式，在洞室周边上且轴对称的情况，即r=r0处，当l=1，有：在洞室周边上，主应力sr和sq的差值最大(2p0)，由此衍生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实践也证明，洞室的破坏总是从周边开始，并逐步向深处发展的。围岩二次应力场随着r/r0的增大，sr和sq均迅速接近围岩的初始应力，当r/r0超过5时，相差都在5%之内。对于非圆形隧道的围岩二次应力场和位移场的确定，要用到复变函数担负映射理论，公式比较繁杂，这里不详述。对于浅埋圆形隧道，围岩的二次应力场和位移场就不能按以上各式确定

6、了，应采用弹性力学中的R.D.Mindilin公式，更进一步的方法是采用有限元法等。3．隧道开挖后的弹塑性二次应力状态自然界的岩体很少是线弹性的，因此，开挖隧道可能使局部区域的围岩进入塑性状态或受拉而破坏。对于承受任意应力状态作用的连续、均质、各向同性的岩土类材料，常采用莫尔—库仑(Mohr—Coulomb)条件作为塑性判据，亦称为屈服准则(图5-4)。对于在洞室周边上且轴对称的情况，l=1时，距隧道中心某一距离的各点，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

7、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sp与弹性区的应力se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：材料的屈服准则图(5-3)对于l≠1的情况，围岩弹塑性二次应力场和位移场比较复杂，这里不再详述。围岩弹塑性区『5.2.2▎隧道围岩定性判据强度与变形2个1．强度判据只有围岩应力状态超过岩体的强度条件，才能造成岩体的塑性变形、剪切破坏。所以，满足岩体的强度条件是围岩失稳和破坏的必要条件。2．变形判据隧道是超静定结构，围岩局

8、部区域进入塑性状态或受拉破坏，都不一定意味着隧道围岩就将丧失整体的稳定性。所以，满足围岩的变形条件是造成围岩失稳破坏的充分条件。『5.2.3▎支护结构与围岩的相互作用1．支护结构特性曲线洞室开挖后，洞室围岩应力的变化状态，称之为三次应力状态。洞室开挖后的应力状态有两种情况，一是开挖后的二次应力状态仍是弹性的，洞室围岩是稳定的。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