精品隧道结构力学计算.docx

1、精品隧道结构力学计算第一章绪论1.隧道:构筑在离地面一定深度的岩层或土层中用作通到底建筑物2.隧道分类:按周围介质分：岩石隧道和土层隧道;按用途不同分：交通隧道和市政工程隧道3.公路隧道：穿越公路路线障碍物的交通隧道4.公路隧道的主要特点:(1)断面形状复杂：宽而扁，高：宽=1.;常有特殊构造：岔洞，紧急停车带回车区，以及双连拱隧道，小间距隧道，双层隧道;(2)荷载形式单一：主要是围岩压力，方向不会改变;(3)附属设施多：通风,照明,交通信号,消防,监控设施5.断面几何形状:考虑功能和经济的两方面:马蹄形,圆形(盾构开挖),拱形(山岭隧道),双连拱(浅埋土层,地形受限),矩形(沉管法,城市隧道

2、)6.衬砌的结构类型分为四类:整体式砼衬砌;装配式衬砌;锚喷支护衬砌;复合式衬砌7.整体式砼衬砌又可分为:半衬砌;厚拱薄墙衬砌;直墙拱形衬砌;曲墙拱形衬砌(1)半衬砌:适用于岩石较坚硬并且整体稳定或基本稳定的围岩;对于侧压力很大的较软岩层或土层,为避免直墙承受较大压力,采用落地拱(2)厚拱薄衬砌:适用于水平压力很小的情况,拱脚较厚,边墙较薄(3)直墙拱形衬砌:铁路隧道常用,竖向压力较大,水平侧压力不大(4)曲墙拱形衬砌:地质条件差,岩石破碎松散和易于坍塌地段8.装配式衬砌:用于盾构法施工,深埋法施工,TBM法施工9.锚喷支护衬砌:喷混凝土和加锚杆两方法的统称。常用方法：喷混凝土，钢筋网喷混凝土

3、，锚杆喷混凝土，钢筋网锚杆混凝土，钢纤维喷混凝土;特点：有很强时效性，新奥法和挪威法10.复合式衬砌：主要应用于含水量较多的地段，外层为锚喷支护，中间有一层防水层，内层多为整体式衬砌，新奥法多采用11.初始地应力场由两种力系组成:自重应力分量;构造应力分量影响因素：一类是和地壳的运动，地下水的变化以及人类活动等因素有关12.构造应力场：区域性明显，测试方法：解析反演法，原位测试法(1)地质的构造过程不公改变了地质的重力应力场，而且还有一总分残余在岩体内(2)构造应力场在一定深度内普遍存在且多为水平分量(3)构造应力具有明显的区域性和时间性13.作用在隧道结构上的荷载分为三类:主要荷载(就是长期

4、作用的荷载,包括地层压力,围岩弹性抗力,结构自重力,回填岩土重力，地下静水压力及使用荷载);附加荷载（指非经常作用的荷载，包括施工荷载，灌浆压力，局部落石以及有温度变化或砼收缩引起的温度应力和收缩用力）;特殊荷载（一些偶然发生的荷载，如炮弹冲击力和爆炸时产生激波压力，地震力，车祸时冲撞力）14.形变压力:由岩体变形所产生的挤压力;15.松散压力:岩体坠落、滑移、坍塌所产生的重力16.围岩压力：形变压力和松散压力统称为围岩压力17.影响围岩压力的因素：a.岩土的重力b.岩体的结构c.地下水的分布d.隧道洞室的形状和尺寸e.初始地应力18.确定围岩压力的方法：a.现场量测b.理论估算c.工程类比法

5、19.常用的围岩分类方法：a.岩石坚固系数分类法b.太沙基理论c.铁路围岩分类法d.人工岩石洞室围岩分类法e.水工隧道围岩分类法20.隧道结构计算的任务：就是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）a.隧道围岩及衬砌的强度b.刚度和稳定性，为隧道的设计及施工提供具体设计参数21.隧道的计算方法可分为三大部分：a.刚体力学法b.结构力学法（荷载位移法）c.连续介质力学法（地层结构法）22.附：19世纪后期，砼材料与钢材料的出现，地下结构的建造于计算进入地下连续拱形框架结构阶段，而计算的理论基础为线弹性结构力学；地下连续拱形框架结构式一种超静定弹性结构系统，荷载为地层压

6、力，优点：以结构力学原理为计算理论基础缺点：没有考虑地层对衬砌结构变形所产生的弹性抵抗力23.如果人工考虑隧道衬砌和地层的相互作用，地下结构的计算方法仅分为结构力学方法和连续介质力学方法24.造成隧道结构计算结果不能直接应用的主要原因:(1)围岩的物理力学参数无法准确确定(2)隧道的荷载量级很大,无法准确给出(3)围岩自承能力除受围岩自身条件影响外,还受施工方法、时间、支护形式、洞室几何尺寸等的影响（4）围岩本构关系复杂和屈服性准则不完善性，使围岩自承能力无法发挥第二章隧道结构计算的结构力学法1.在分析过程中首先要确定地层压力，然后计算衬砌在地层压力和其他荷载作用下的内力分布，最后根据内力分布

7、对衬砌结构断面进行验算2.荷载结构法和计算地表结构所采用的结构力学方法基本相同，主要差别是衬砌结构在变形过程中要受到周围介质的限制，分为力法与位移法3.拱形半衬砌隧道的结构计算：（1）半衬砌结构可简化为弹性固定平面无铰拱（计算模型）（2）拱顶截面建立位移协调方程，由拱顶截面的位移协调方程得拱脚处的位移和转角（3）将拱脚位移和转角方程代入拱顶截面位移协调方程，得关于未知力X1，X2的线性代数方程组，可得拱顶截面未知力（4）各截面强度校核4.拱形曲墙隧道的结构计算：（1）假定弹性抗力为镰刀形分布，拱形曲墙式衬砌的计算模型为墙角弹性固定而两侧受周围约束的无铰拱（2）通过h点的变形协调条件计算弹性抗力

8、h(3)计算主动荷载作用下衬砌的内力(4)h=1时衬砌的内力(5)求出最大抗力值h(6)用叠加的方法求出衬砌内任一点的内力5.拱形曲墙隧道的结构计算模型：竖向荷载所引起的侧墙部分的变形，将受到侧面围岩的约束，形成一个抗力区，这里假定弹性抗力为镰刀形，其量值用3个特征值控制：抗力上零点对一般与对称中线夹角为40-60；抗力下零点在拱脚处；最大抗力点h在衬砌最大跨度处，一般在抗力区2/3处6.拱形直墙隧道的局部变形法:在分析拱形直墙式隧道结构时,需将拱圈与直墙分开考虑,拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱,弹性抗力假定为二次抛物线分布,边墙视为弹性地基梁,全部抗力有文克勒假设确定,墙顶和拱脚弹性固结,墙

9、脚与基岩间有较大的摩擦力,无水平位移发生,他在基岩的作用视为刚性体7.外荷载产生的位移hp和直墙拱的结构计算:(1)由弹性地基梁公式,计算系数1，1，2，2(墙顶位移)(2)由主动荷载及单位弹性抗力所产生的h点位移计算单位弹性抗力所产生的位移h（3）由hp和h求得弹性抗力h（4）根据任一截面i处的内力表达式得拱的截面内力（5）求出直梁的内力（6）校核8.隧道衬砌结构计算的矩阵力法计算步骤：（1）计算F0(2)计算SX并将其转化为SX(3)计算SP并将其转化为SP（4）计算Fxx,Fxp（5）计算赘余力x（6）计算衬砌单元节点s（7）计算衬砌节点位移9.隧道衬砌结结构计算的矩阵位移法计算步骤：（

10、1）计算衬砌单元刚度位移矩阵（2）计算链杆刚度（3）计算墙底支座的刚度矩阵（4）集成总体刚度矩阵，并计算各元素值（5）消去已知位移（6）计算节点位移（7）计算单元节点力10.拱形直墙计算模型：拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱，拱圈弹性抗力假定为二次抛物线分布，边墙视为弹性地基梁，全部抗力由文壳勒假设确定。11.弹性地基梁分类：对于弹性地基梁按其相对长度al不同，可分为以下三种情况：当1al2.75，认为是短梁，即梁的一端受力和变形会影响到另一端。当al2.75，认为是长梁，即梁的一端受力和变形不会影响到另一端。当al1，认为是绝对刚性梁，即整个梁只产生平动和转动。12.圆形隧道计算模型：作用在衬

11、砌上的主要荷载包括土压力和水压力，其中竖向压力q由衬砌上方的全部土重组成，静水压力P由沿圆环均布径向压力和由圆环顶部开始向下月牙形变化的径向压力，地层的反力由直线分布假定。13.圆形隧道含水平拉杆的内力计算：一是仅考虑安装拉杆所引起的衬砌内力，二是考虑拉杆安装后，在使用阶段的衬砌内力。14.矩阵力法和位移法的区别：力法：柔度方程：力；位移法：刚度方程：位移。计算衬砌结构的单元有三种：一是模拟衬砌结构偏心受压的衬砌单元；二是模拟围岩约束衬砌自由变形的链杆单元；三是模拟墙底地层约束墙脚变形的弹性支座单元第三章隧道结构计算的弹性力学法1.弹性力学的基本方程有：平衡方程，几何方程，物理方程附：平衡方程

12、是从静力平衡条件出发，描述了应力分量与外力之间的平衡关系；几何方程是从变形连续条件出发，描述应力与位移之间的关系；物理方程表征了材料的本质属性，描述了戒指材料应力与应变之间的关系2.三次应力状态：（1）一次应力：地层中的原始应力场(隧道未开挖前岩体的初始静应力场)（2）二次应力状态：洞室开挖后，经应力重新分布，洞室周围的应力状态(由围岩初始应力场与开挖洞室引起的扰动应力场叠加得到)（3）三次应力状态：衬砌对围岩产生弹性抗力，使其达到三次应力状态(由于围岩的变形收到衬砌的限制,衬砌对围岩产生弹性抗力,使其达到三次应力状态)围岩三次应力场的位移是弹性抗力产生的位移与二次应力态位移的叠加第四章隧道结

13、构计算的有限单元法1.有限单元法是一种数值计算方法，其基本思路是将连续体模型离散成为有限个单元，而单元之间通过节点连接，要求每个单元满足一定的力学条件，最后将所有单元再集成，组合求解问题的数值计算方法。2.有限单元法分为：位移法和应力法，还有介于两者之间的混合法；常用的单元类型有：线单元，面单元和体单元三大类型。二节点单元和以其为基础构成的面单元和体单元属于线性单元，低阶单元。三节点单元和以其为基础构成的面单元和体单元属于高阶单元。在隧道结构分析中，用线性杆单元模拟锚杆，用梁单元模拟喷射砼土层，用面单元模拟隧道平面围岩，用体单元模拟空间围岩体，用夹层单元模拟节理3.有限单元法的计算步骤：1）结

14、构的离散2）建立单元节点，位移与节点力之间的关系3）根据虚功原理，用等效节点力代替作用在结构体系上的所有外力。4)建立体系静力平衡方程5）引入边界条件，根据静力平衡方程求节点位移6）根据几何方程求得单元应变，再根据物理方程，求得单元应力4.有限单元法的求解方法：(1)位移法：先假定满足应变相容条件的单元内位移模式，求出应变分量，接着代入物理方程求出应力分量，然后把这些力学分量代入虚功原理得到以位移分量为未知量的联立代数方程组（2）应力法：首先假定单元内应力分布函数，并根据平衡方程求出内部和外部荷载的关系，然后由物理方程求出应变分量，把这些力学分量代入虚功原理组成以应力分量为未知数的代数方程组。

15、5.等参数单元的定义：位移模式和坐标变换式采用相同函数的单元称为等参元。6.断层和节理的物理力学特征(夹层单元力学特征):软弱面削弱了岩体的整体受力，变形以及稳定性，可沿与层面垂直的方向传递压应力，也能沿与层面平行的方向传递剪应力，但不能传递拉应力。由于这些软弱结构面的抗剪强度低于岩体强度，所以在不连续面间的剪应力超过某一限度时将发生相对滑动。7.二维悠闲单元分析步骤：（1）结构的离散（2）建立单元节点位移与节点力之间的关系（3）单元等效节点力的构成（4）建立体系静力平衡方程（5）求解节点力位移并计算单元应力和应变圆筒8.组合结构法的具体步骤：（1）首先将原工程结构分解为若干个典型的子单元（2

16、)然后分析各子单元的力学特性，单元之间的作用当做已知条件代入（3）最后利用单元间的协调关系将各个子结构组合在一起9.平接岔洞的空间框架计算法：（1）将斜交平接岔洞简化为在空间汇交的三支半跨拱墙结构（2）主要静荷载为围岩压力（垂直荷载）计算方法同结构计算法中的力法。第六章隧道结构计算的空间问题1.掌子面空间效应：隧道开挖面前端本来就是一个原始的三维应力状态，而从开挖到洞身成型的呈平面应变状态的隧道段隧道的围岩压力从三维逐渐转变为二维，这种现象称为开挖面支承产生的空间效应。2.关于围岩压力的空间问题，目前在工程上大多只按一些经验公式进行计算，根据地下洞室的埋深，分为深埋和浅埋两种情况。对于深埋的矩

17、形洞室，在计算垂直地层压力时引入小于1的空间系数，且空间工作系数随矩形长宽比的减小而减小。对于圆形深埋洞室，一般在计算压力拱高时也引入一个给定的折减系数，以考虑空间工作状态的影响，折减系数不同，相应计算结果也不同，上述所讲的计算空间围岩压力的方法的基础仍然是普氏压力原理，和过去的平面问题围岩压力计算的考虑没有本质区别，对于浅埋洞室的垂直地层压力，一般在考虑岩柱摩擦力时做适当修改，以计算空间因素的影响。3.矩形隧道的空间计算方法:(1)弹性地基基础(2)组合结构法；步骤分三步；首先将原工程结构分为若干典型的子单元，然后分析各个子单元的力学特征，单元之间的作用当做已知条件代入，最后利用单元间的协调

18、关系，将若干子单元组合在一起。矩形隧道：4个板单元，板与板之间弹性连接，板的计算模型为两边简支无限长薄板(3)局部压力计算。4.平接岔洞的空间框架计算法:斜交岔洞的结构形式，简化为空间汇交的三支半跨拱墙结构。第七章隧道结构计算的位移反分析法1、位移反分析法的思路(定义)：利用力学系统的某些力学行为，来推算该系统的各项或某些初始参数2、反分析法的优点：（1）对工程范围内岩体的初始应力和物理参数给出了较为合理的估计（2）将反分析方法同现场监控技术及工程稳定性分析相结合，对工程的可靠性作出了合理的评价和符合实际的预测，并对施工中支护参数的选取和方案的反馈设计都起了很大的作用3、反分析方法又可分为位移

19、反分析法、应力反分析法和混合反分析法。4、如何运用位移反分析法(基本原理)：拱顶下沉、周边收敛、地表下沉现场位移量测数据处理位移反分析及其结果检验有限元或边界元正分析及其预测预测结构输出（预测变形曲线、围岩稳定性评判、支护安全度评判）工程决策措施时间及监测对预报结果验证(回到开头循环)第八章隧道结构计算粘弹塑性问题1、岩土材料的弹塑性本构模型（1）全量理论（2）增量理论（3）塑性势理论2、岩土材料的粘弹塑性本构关系（1）粘弹性模型（粘性元件和一弹簧元件串联组成）常用的有马克斯威尔模型和开尔文模型，（2）粘弹塑性模型：宾汉姆模型（粘壶与滑块并联再与弹簧串联）和西原模型（开尔文模型与一个宾汉姆模型

20、串联而成）。3、岩土材料的屈服准则：（1）太斯伽准则（2）米赛斯准则（3）摩尔库伦准则（4）德鲁克普拉格准则（5）辛克维奇潘迪准则（6)双剪应力屈服准则4、弹塑性围岩的应力状态图四个同心圆内往外依次为（1）松动区（2）承载区（3）承载区（4）初始应力区。其中1、2是塑性区，3、4为弹性区。第九章明洞与洞门的结构计算1.明洞的荷载形式：（1）拱顶回填土石垂直压力qi=ihi（2）拱圈回填土石侧压力ei=ihi(i是拱背回填土石容重hi明洞结构上待考擦点的岩土桩体高度）(3)边墙回填土石侧压力e=2hi（2墙背回填土石容重hi边墙计算换填高度）2.洞门结构的稳定性验算：洞门的稳定性验算包括抗倾覆，抗水平滑动，抗洞门基础沉陷。对抗倾覆而言，要求所有合外力使洞门对墙趾点0不发生旋转，对抗水平滑动而言，要求所有压力不能使洞门发生水平向外滑动，洞门基础承载力验算要求洞门不能因为地基承载力不足而发生沉陷。3.洞门强度计算主要是校核洞门墙承受的弯拉应力和剪应力。