隧道工程第6章

1、本章導(dǎo)讀：本章導(dǎo)讀：基本要求：基本要求：了解現(xiàn)行了解現(xiàn)行公路隧道設(shè)計規(guī)范公路隧道設(shè)計規(guī)范對隧道所受荷對隧道所受荷載的類型和組合，熟悉目前針對不同級別圍巖條件下的三載的類型和組合，熟悉目前針對不同級別圍巖條件下的三種隧道結(jié)構(gòu)計算模型，掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移法或力法計算種隧道結(jié)構(gòu)計算模型，掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移法或力法計算方法，學(xué)會分析計算隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力并進行強度和穩(wěn)定性方法，學(xué)會分析計算隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力并進行強度和穩(wěn)定性驗算，并了解掌握數(shù)值計算方法驗算，并了解掌握數(shù)值計算方法。重點：重點：三種隧道結(jié)構(gòu)計算模型，位移法或力法計算方法，三種隧道結(jié)構(gòu)計算模型，位移法或力法計算方法，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算并和驗算。隧

2、道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算并和驗算。難點：難點：在確定荷載類型和組合的基礎(chǔ)上，如何選用合適的在確定荷載類型和組合的基礎(chǔ)上，如何選用合適的力學(xué)模型對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算。力學(xué)模型對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算。第第6 6章章 隧道荷載-結(jié)構(gòu)計算方法6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 隧道襯砌上的荷載類型及其組合隧道襯砌上的荷載類型及其組合6.3 6.3 半襯砌的計算半襯砌的計算6.4 6.4 曲墻式襯砌計算曲墻式襯砌計算6.5 6.5 直墻式襯砌計算直墻式襯砌計算6.6 6.6 襯砌截面強度驗算襯砌截面強度驗算6.76.7隧道有限元計算方法隧道有限元計算方法6.1 6.1 概述概述1 1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化

3、、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型1、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化、隧道結(jié)構(gòu)環(huán)境及其簡化 隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別 隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計原則和隧道結(jié)構(gòu)工程特性、設(shè)計原則和方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同方法與地面結(jié)構(gòu)完全不同 隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別 隧道結(jié)構(gòu)是由隧道結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖周邊圍巖和支護和支護結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)兩者組成共同的并相互作用的結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系 周邊圍巖在很大程度上是隧道周邊圍巖在很大程度上是隧道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)承載的主體承載的主體 隧道襯砌的設(shè)計和計算應(yīng)結(jié)合隧道襯砌的設(shè)計和計算應(yīng)結(jié)合圍巖自承能

4、力圍巖自承能力進行，保證使用壽限進行，保證使用壽限內(nèi)的安全度內(nèi)的安全度 隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別隧道結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別 隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件如何簡化對計算結(jié)果影響非如何簡化對計算結(jié)果影響非常重要常重要根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件根據(jù)實際環(huán)境和邊界條件 隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題 隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題 在十九世紀末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)在十九世紀末，隧道襯砌結(jié)構(gòu)是作為是作為超靜定彈性拱超靜定彈性拱計算的，但僅計算的，但僅考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽考慮作用在襯砌上的圍巖壓力，忽視了圍巖對襯砌的約束

5、作用視了圍巖對襯砌的約束作用 彈性抗力彈性抗力：襯砌在受力過程中的：襯砌在受力過程中的變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成變形，一部分結(jié)構(gòu)有離開圍巖形成“脫離區(qū)脫離區(qū)”的趨勢，另一部分壓緊圍的趨勢，另一部分壓緊圍巖形成所謂巖形成所謂“抗力區(qū)抗力區(qū)”，在抗力區(qū)內(nèi)，在抗力區(qū)內(nèi)，約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被約束著襯砌變形的圍巖相應(yīng)地產(chǎn)生被動抵抗力動抵抗力 隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題 進入本世紀后，通過長期觀測，進入本世紀后，通過長期觀測，發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同發(fā)現(xiàn)圍巖不僅對襯砌施加壓力，同時還時還約束著襯砌的變形約束著襯砌的變形。圍巖對襯。圍巖對襯砌變形的約束，砌變形的約束，

6、對改善襯砌結(jié)構(gòu)的對改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有利受力狀態(tài)有利，不容忽視，不容忽視 隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題隧道結(jié)構(gòu)計算的簡化問題 局部變形理論和共同變形理論局部變形理論和共同變形理論 局部變形理論：是以溫克爾局部變形理論：是以溫克爾（E.Winkler）假定為基礎(chǔ)的。它認假定為基礎(chǔ)的。它認為應(yīng)力和變形之間呈為應(yīng)力和變形之間呈線性關(guān)系線性關(guān)系，即為，即為圍巖彈性抗力系數(shù)圍巖彈性抗力系數(shù) 共同變形理論把圍巖視為彈性半共同變形理論把圍巖視為彈性半無限體，無限體，考慮相鄰質(zhì)點之間變形的考慮相鄰質(zhì)點之間變形的相互影響相互影響。 局部變形理論和共同變形理論局部變形理論和共同變形理論人人工工噴噴射射混混凝凝土土的

7、的場場景景2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型 計算模型的如何建立？計算模型的如何建立？ 隧道結(jié)構(gòu)計算如何簡化？隧道結(jié)構(gòu)計算如何簡化？ 不同簡化計算結(jié)果差異大！不同簡化計算結(jié)果差異大！ 2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型 國際隧道協(xié)會國際隧道協(xié)會(ITA) (ITA) 認為，目前認為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以歸納為采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以歸納為以下以下4 4種設(shè)計模型種設(shè)計模型： 以工程類比為主的以工程類比為主的經(jīng)驗設(shè)計法經(jīng)驗設(shè)計法； 以現(xiàn)場量測和試驗為主的以現(xiàn)場量測和試驗為主的實用設(shè)計法實用設(shè)計法 荷載荷載結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型方法方法 巖體力學(xué)模型巖

8、體力學(xué)模型方法，包括解析法和數(shù)方法，包括解析法和數(shù)值法。值法。2 2、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型、隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型 從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐看，目前主要采從各國的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐看，目前主要采用兩類計算模型：用兩類計算模型： 一類是一類是以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體，結(jié)構(gòu)力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，又稱為荷載結(jié)構(gòu)模型模型，又稱為荷載結(jié)構(gòu)模型 ； 另一類則相反，視另一類則相反，視圍巖為承載主體圍巖為承載主體，支護結(jié)，支護結(jié)構(gòu)則為約束圍巖變形的模型構(gòu)則為約束圍巖變形的模型 ，即巖體力學(xué)模型，即巖體力學(xué)模型或稱為圍巖或稱為圍巖結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型。 6.2 6.2 隧道襯砌上的荷載類型隧道襯

9、砌上的荷載類型1 1、隧道結(jié)構(gòu)上的、隧道結(jié)構(gòu)上的基本荷載基本荷載2 2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型1 1、基本荷載、基本荷載 （1 1）圍巖壓力）圍巖壓力 （2 2）結(jié)構(gòu)自重力）結(jié)構(gòu)自重力2 2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型 按其性質(zhì)可以區(qū)分為兩大類按其性質(zhì)可以區(qū)分為兩大類: : 主動荷載主動荷載是主動作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)是主動作用于結(jié)構(gòu)、并引起結(jié)構(gòu)變形的荷載；構(gòu)變形的荷載； 被動荷載被動荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動抵抗力，即彈性抗力，它對結(jié)的圍巖被動抵抗力，即彈性抗力，它對結(jié)構(gòu)變形起限制作用。構(gòu)變形起限制作用

10、。2 2、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型、隧道結(jié)構(gòu)上的荷載及其類型 公路隧道設(shè)計規(guī)范公路隧道設(shè)計規(guī)范JTG D70-2004JTG D70-2004將將隧道結(jié)構(gòu)上荷載仿照橋規(guī)分為：隧道結(jié)構(gòu)上荷載仿照橋規(guī)分為： 永久荷載永久荷載 可變荷載可變荷載 偶然荷載偶然荷載編號編號荷載類型荷載類型荷荷 載載 名名 稱稱1 1永久荷載永久荷載（恒載）（恒載）圍巖壓力圍巖壓力2 2結(jié)構(gòu)自重力結(jié)構(gòu)自重力3 3填土壓力填土壓力 水壓力水壓力4 4混凝土收縮和徐變影響力混凝土收縮和徐變影響力5 5可可變變荷荷載載基本基本可變可變荷載荷載公路車輛荷載，人群荷載公路車輛荷載，人群荷載6 6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和

11、土壓力立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力7 7 立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力和土壓力8 8其它其它可變可變荷載荷載立交渡槽流水壓力立交渡槽流水壓力9 9溫度變化的影響力溫度變化的影響力1010凍脹力凍脹力 施工荷載施工荷載1111偶然偶然荷載荷載落石沖擊力落石沖擊力1212地震力地震力隧規(guī)隧規(guī)P28P28：表：表6.1.1 6.1.1 作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載 荷載組合：荷載組合： 結(jié)構(gòu)自重圍巖壓力附加恒載結(jié)構(gòu)自重圍巖壓力附加恒載（基本）（基本） 結(jié)構(gòu)自重土壓力公路荷載附加恒載結(jié)構(gòu)自重土壓力公路荷載附加恒載 結(jié)構(gòu)自重土

12、壓力附加恒載施工荷載結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載施工荷載 溫度作用力溫度作用力 結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載地震作用結(jié)構(gòu)自重土壓力附加恒載地震作用附加恒載：伴隨隧道運營的各種設(shè)備設(shè)施的荷載等。附加恒載：伴隨隧道運營的各種設(shè)備設(shè)施的荷載等。6.3 6.3 半襯砌的計算半襯砌的計算 拱圈直接拱圈直接支承在隧道圍支承在隧道圍巖側(cè)壁上時，巖側(cè)壁上時，稱為半襯砌稱為半襯砌 適合于堅硬和適合于堅硬和較完整的圍巖較完整的圍巖(、級級) )；6.3 6.3 半襯砌的計算半襯砌的計算 在垂直荷載作用下拱圈向隧道內(nèi)變形為在垂直荷載作用下拱圈向隧道內(nèi)變形為自自由變形由變形，不產(chǎn)生彈性抗力，不產(chǎn)生彈性抗力 ； 1 1、基本假定、

13、基本假定 拱腳產(chǎn)生拱腳產(chǎn)生角位移和線位移角位移和線位移，并使拱圈內(nèi)力發(fā)，并使拱圈內(nèi)力發(fā)生改變，計算中除按固端無鉸拱考慮外，還必生改變，計算中除按固端無鉸拱考慮外，還必須考慮拱腳位移的影響須考慮拱腳位移的影響 拱腳拱腳沒有徑向位移沒有徑向位移，只有切向位移；，只有切向位移； aau 對稱的垂直分位移對拱圈內(nèi)力不產(chǎn)生影響；對稱的垂直分位移對拱圈內(nèi)力不產(chǎn)生影響； 拱腳的轉(zhuǎn)角拱腳的轉(zhuǎn)角 和切向位移的水平分位移和切向位移的水平分位移 是必須考慮的是必須考慮的1 1、基本假定、基本假定 fuuL/2ua2 2、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu) aau,fuuL/2ua01122111apXX02222211aapufX

14、X式中：式中： 是單位變位，即在基本結(jié)構(gòu)上，因是單位變位，即在基本結(jié)構(gòu)上，因作用時，在作用時，在 方向上所產(chǎn)生的變位；方向上所產(chǎn)生的變位； 為荷載變?yōu)楹奢d變位，即基本結(jié)構(gòu)因外荷載作用，在位，即基本結(jié)構(gòu)因外荷載作用，在 方向的變位；方向的變位；f f為拱圈的矢高；為拱圈的矢高；ik1kXiXipiX3 3、正則方程、正則方程 2 2、單位變位及荷載變位的計算、單位變位及荷載變位的計算 由結(jié)構(gòu)力學(xué)求變位的方法（軸向力與剪力影由結(jié)構(gòu)力學(xué)求變位的方法（軸向力與剪力影響忽略不計）知道：響忽略不計）知道：dsEJMMkiikdsEJMMpiip0uuu2 2、單位變位及荷載變位的計算、單位變位及荷載變位的

15、計算 在很多情況下，襯砌厚度是改變的，在很多情況下，襯砌厚度是改變的，給積分帶來不便，這時可將拱圈分成偶數(shù)給積分帶來不便，這時可將拱圈分成偶數(shù)段，用拋物線近似積分法代替。段，用拋物線近似積分法代替。 JMMESkiikEJMMESpiip0aaaahaha216aaabhWM2116aaabhkkaaaaaJkbhkh1122110au3 3、拱腳位移計算、拱腳位移計算 單位力矩作用時單位力矩作用時 單位水平力作用時單位水平力作用時 單位水平力可以分解為軸向分力單位水平力可以分解為軸向分力 和切向分和切向分力力 ，計算時只需考慮軸向分力的影響，作用在，計算時只需考慮軸向分力的影響，作用在圍巖表

16、面的均布應(yīng)力圍巖表面的均布應(yīng)力 和拱腳產(chǎn)生的均勻沉陷和拱腳產(chǎn)生的均勻沉陷 為：為：)cos1 (a)sin1 (a22aabhcos2aaaabhkkcos22 的水平投影即為點的水平投影即為點a a的水平位移的水平位移 ，均勻沉，均勻沉陷時拱腳截面不發(fā)生轉(zhuǎn)動，則有：陷時拱腳截面不發(fā)生轉(zhuǎn)動，則有： 22uaaaabhku222coscos021020100apapapapMHMaaaapapapapbhkNuHuMucos020100aha（3 3） 外荷載作用時外荷載作用時 在外荷載作用下，基本結(jié)構(gòu)中拱腳點處產(chǎn)在外荷載作用下，基本結(jié)構(gòu)中拱腳點處產(chǎn)生彎矩生彎矩 和軸向力和軸向力 ，如圖所示，拱

17、腳截面，如圖所示，拱腳截面的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角 和水平位移和水平位移 為：為： 0apM0apN0ap0apu(4) (4) 拱腳位移拱腳位移 拱腳的最終轉(zhuǎn)角拱腳的最終轉(zhuǎn)角 和水平位移和水平位移 可分別考慮可分別考慮 和外荷載的影響，按疊加原理求得，可和外荷載的影響，按疊加原理求得，可表示為：表示為： aau21,XX012211012211)()(apaapauu fuXuXufXX4 4 拱圈截面內(nèi)力拱圈截面內(nèi)力 將以上兩組方程代入正則方程可得：0)()()(0)()()(002122122221121101121221111apappappufffu fuXfuXfXX0020222121102

18、12111aXaXaaXaXa22112121012201122211212201210221aaaaaaaXaaaaaaaX00220011011211212211212212222211111apappappufaafufaaffu fuaa令02021cosipiiipiiNXNMyXXM則任意截面處的內(nèi)力為則任意截面處的內(nèi)力為xy6.4 6.4 曲墻式襯砌計算曲墻式襯砌計算 6.4 6.4 曲墻式襯砌計算曲墻式襯砌計算 常用于常用于級圍巖；級圍巖； 拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱計算拱計算 ； 施工時仰拱是在無鉸拱業(yè)已受力之施工時仰拱是在無鉸拱業(yè)已受力之

19、后修建的，不考慮仰拱對襯砌內(nèi)力的后修建的，不考慮仰拱對襯砌內(nèi)力的影響影響 ；1 1 計算假設(shè)計算假設(shè) 在主動荷載作用下，頂部襯砌向隧道在主動荷載作用下，頂部襯砌向隧道內(nèi)變形而形成脫離區(qū)，兩側(cè)襯砌向圍巖方內(nèi)變形而形成脫離區(qū)，兩側(cè)襯砌向圍巖方向變形，引起圍巖對襯砌的被動彈性抗力向變形，引起圍巖對襯砌的被動彈性抗力 上零點上零點b b（即脫離區(qū)與抗力區(qū)的分界（即脫離區(qū)與抗力區(qū)的分界點）與襯砌垂直對稱中線的夾角假定為點）與襯砌垂直對稱中線的夾角假定為 下零點下零點a a在墻腳在墻腳 45b 最大抗力點最大抗力點h h假定發(fā)生假定發(fā)生在最大跨度處附近，計算在最大跨度處附近，計算時一般取時一般取 為簡化為

20、簡化計算可假定在分段的接縫計算可假定在分段的接縫上。上。 抗力圖形的分布假定抗力圖形的分布假定為二次拋物線為二次拋物線 abah32hhbibi2222coscoscoscoshhiiyy21bhbh段段：haha段段： 忽略襯砌與圍巖之間的摩擦力忽略襯砌與圍巖之間的摩擦力 墻腳支承在彈性巖體上，可發(fā)生轉(zhuǎn)動墻腳支承在彈性巖體上，可發(fā)生轉(zhuǎn)動和垂直位移和垂直位移( (無水平位移無水平位移) )2 2 、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力0022222111122111apappppappppufXXXX式中式中 為墻底位移。分為墻底位移。分別計算別計算 和外荷載

21、的影和外荷載的影響，然后按照疊加原理相加響，然后按照疊加原理相加得到得到apapu,ppXX21,2 2 、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力、主動荷載作用下的力法方程和襯砌內(nèi)力012211)(apppapfXX由于墻底無水平位移，故由于墻底無水平位移，故 0apu0)()(0)()(2122221211111221111appppappppffXfXfXX式中：式中： 是基本結(jié)構(gòu)的單位位移和主動荷載位移；是基本結(jié)構(gòu)的單位位移和主動荷載位移； 是墻底單位轉(zhuǎn)角；是墻底單位轉(zhuǎn)角； 為基本結(jié)構(gòu)墻底的荷載轉(zhuǎn)角；為基本結(jié)構(gòu)墻底的荷載轉(zhuǎn)角；f f 為為襯砌的矢高。襯砌的矢高。ipik,10ap求得求得 后

22、，在主動荷載作用下，后，在主動荷載作用下，襯砌內(nèi)力即可計算：襯砌內(nèi)力即可計算：ppXX21,02021cosipipipipippipNXNMyXXM 在具體進行計算時，還需進一步確定被動抗在具體進行計算時，還需進一步確定被動抗力力 的大小，這需要利用最大抗力點的大小，這需要利用最大抗力點h h處的變處的變形協(xié)調(diào)條件。形協(xié)調(diào)條件。 hhhhphhhphkk1hhkhhhphhhphkk1hhk3 3、最大抗力值的計算、最大抗力值的計算先求出先求出 和和 變位由兩部分組成，即結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變變位由兩部分組成，即結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變位和因墻底變位（轉(zhuǎn)角）而產(chǎn)生的變位之和位和因墻底變位（轉(zhuǎn)角）而

23、產(chǎn)生的變位之和 hphhaahhaahhhapahhpapahhphpyJMMEsydsEJMMyJMMEsydsEJMM h h點所對應(yīng)的點所對應(yīng)的 ，則該點的徑向位移，則該點的徑向位移約等于水平位移約等于水平位移 拱頂截面的垂直位移對拱頂截面的垂直位移對h h點徑向位移的影響點徑向位移的影響可以忽略不計可以忽略不計按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，在按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，在h h點加一單位力點加一單位力 ，可以求得可以求得 和和 90h1phph)()()()(yyJMEsdsEJyyMyyJMEsdsEJyyMhhhhphphp4 4、在單位抗力作用下的內(nèi)力、在單位抗力作用下的內(nèi)力 將抗力圖將抗力圖 視為外

24、荷載單獨作用時，未知力視為外荷載單獨作用時，未知力 及及 可以參照可以參照 及及 的求法得出的求法得出 1h1X2XpX1pX20)()(0)()(2122221211111221111aaffXfXfXX4 4、在單位抗力作用下的內(nèi)力、在單位抗力作用下的內(nèi)力 解出解出 及及 后，即可求出襯砌在單位抗力圖為荷后，即可求出襯砌在單位抗力圖為荷載單獨作用下任一截面內(nèi)力：載單獨作用下任一截面內(nèi)力：1X2X02021cosiiiiiiNXNMyXXM5 5、襯砌最終內(nèi)力計算及校核計算結(jié)、襯砌最終內(nèi)力計算及校核計算結(jié)果的正確性果的正確性 襯砌任一截面最終內(nèi)力值可利用襯砌任一截面最終內(nèi)力值可利用疊加原理求

25、得：疊加原理求得：ihipiihipiNNNMMM 校核計算結(jié)果正確性時，可以利用拱頂截面校核計算結(jié)果正確性時，可以利用拱頂截面轉(zhuǎn)角和水平位移為零條件和最大抗力點轉(zhuǎn)角和水平位移為零條件和最大抗力點a a的位移的位移條件條件： kyJyMEsyEJdsyMfJyMEsfEJdsyMJMEsEJdsMhaahihiaahihiaiiaiiaiai00式中式中 是墻底截面最終轉(zhuǎn)角是墻底截面最終轉(zhuǎn)角， aahapa6.5 6.5 直墻式襯砌計算直墻式襯砌計算 6.56.5直墻式襯砌計算直墻式襯砌計算 1 1、計算原理、計算原理 拱圈按拱圈按彈性無鉸拱彈性無鉸拱計算，邊墻按計算，邊墻按彈性地彈性地基上的

26、直梁基上的直梁計算，并考慮邊墻與拱圈之間計算，并考慮邊墻與拱圈之間的相互影響；的相互影響； 邊墻支承拱圈并承受圍巖壓力；邊墻支承拱圈并承受圍巖壓力； 拱腳區(qū)段的彈性抗力為二次拋物線分布拱腳區(qū)段的彈性抗力為二次拋物線分布hhbibi2222coscoscoscos 位于位于4545o o55 55 o o之間之間 bhii)cos21 (290,45hb Winkler Winkler假定成立，即假定成立，即 拱腳位移考慮邊墻頂變位的影響拱腳位移考慮邊墻頂變位的影響iik2 2、邊墻的計算、邊墻的計算 彈性地基上的直梁彈性地基上的直梁 直邊墻計算分類：直邊墻計算分類： 剛性邊墻剛性邊墻 短邊墻短

27、邊墻 長邊墻長邊墻1h75. 21 h75. 2h 邊墻為短梁的計算：邊墻為短梁的計算： 短梁的一端受力及變形對另一端有影響，短梁的一端受力及變形對另一端有影響，計算墻頂變位時，要考慮到墻腳的受力和變形計算墻頂變位時，要考慮到墻腳的受力和變形的影響。的影響。 墻頂在單位彎矩墻頂在單位彎矩 單獨作用下，墻頂?shù)膯为氉饔孟拢瑝數(shù)霓D(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 和水平位移和水平位移 為為 1cM11u)(2)(4111321121131AcuAc 墻頂在單位水平力墻頂在單位水平力 =1=1單獨單獨作用下，墻頂位移為作用下，墻頂位移為 和和 為為 cH22u)(2)(2131021113212AcuAcu在主動側(cè)壓力（梯形

28、荷載）作在主動側(cè)壓力（梯形荷載）作用下，墻頂位移用下，墻頂位移 為為： eeu,eAhhceAce10314434)(eAhceAcue)22(1)(14121514其中其中 為基底彈性抗力系數(shù)；為基底彈性抗力系數(shù)；k k是側(cè)向彈性抗力是側(cè)向彈性抗力系數(shù)；系數(shù)； 是基底作用有單位力矩時所產(chǎn)是基底作用有單位力矩時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角；生的轉(zhuǎn)角；h h為邊墻的側(cè)面高度；為邊墻的側(cè)面高度；最后結(jié)果為：最后結(jié)果為： 44EJk33362aanhkAkkn0)(109Akc0kaaJk0/1432213223141432221433222122222142kHkMuukHkMuHMkkuHHMkkuMccccc

29、ccccccccccc 長邊墻計算長邊墻計算彈性地基上的半無限長梁，彈性地基上的半無限長梁，墻頂受力與墻底無關(guān)，上述公式可得到一定的墻頂受力與墻底無關(guān)，上述公式可得到一定的簡化。簡化。墻項單位位移可以簡化為：墻項單位位移可以簡化為： kuk2213124)(1)(151434AcuAceeku22 邊墻為剛性梁邊墻為剛性梁 近似作為彈性地基上近似作為彈性地基上的絕對剛性梁，近似認的絕對剛性梁，近似認為為 （即（即 ）0hEJ 邊墻本身不產(chǎn)生彈性變形，邊墻本身不產(chǎn)生彈性變形，在外力作用下只產(chǎn)生剛體位移，在外力作用下只產(chǎn)生剛體位移，墻頂處為最大值為：墻頂處為最大值為： 2333412aaaaahJ

30、hMhhnhhhM1234233hhnhhJaaa稱為稱為 剛性墻的綜合轉(zhuǎn)動慣量，因而剛性墻的綜合轉(zhuǎn)動慣量，因而墻側(cè)面的轉(zhuǎn)角為：墻側(cè)面的轉(zhuǎn)角為： aahkJMkh6.6 6.6 襯砌截面強度驗算襯砌截面強度驗算1 1、襯砌結(jié)構(gòu)檢算、襯砌結(jié)構(gòu)檢算 目前我國公路隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，目前我國公路隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，隧道襯砌和明洞應(yīng)按破損階段檢算構(gòu)隧道襯砌和明洞應(yīng)按破損階段檢算構(gòu)件截面件截面強度強度。結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)抗裂抗裂有要求時，對有要求時，對混凝土構(gòu)件進行抗裂驗算?；炷翗?gòu)件進行抗裂驗算。2 2、偏心受壓構(gòu)件的極限承載能力，計算截面、偏心受壓構(gòu)件的極限承載能力，計算截面的抗壓（或抗拉）強度安全系數(shù)的抗壓（

31、或抗拉）強度安全系數(shù)K K。檢查是否。檢查是否滿足規(guī)范所要求的數(shù)值，即：滿足規(guī)范所要求的數(shù)值，即： gfjxKNNK式中：式中： 是截面的極限承載能力；是截面的極限承載能力； 為截面的實為截面的實際內(nèi)力際內(nèi)力( (軸向力軸向力) ; ) ; 是規(guī)范所規(guī)定的強度安是規(guī)范所規(guī)定的強度安全系數(shù)，見下表全系數(shù)，見下表 jxNNgfK混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù) 圬工種類圬工種類混混 凝凝 土土砌砌 體體荷載組合荷載組合永久荷載永久荷載+ +基本基本可變荷載可變荷載永久荷載永久荷載+ +基本基本可變荷載可變荷載+ +其其它可變荷載它可變荷載永久荷載永久荷載+ +基本基本可

32、變荷載可變荷載永久荷載永久荷載+ +基本基本可變荷載可變荷載+ +其其它可變荷載它可變荷載混凝土或砌體達到混凝土或砌體達到抗壓極限強度抗壓極限強度2.42.42.02.02.72.72.32.3混凝土達到抗拉極混凝土達到抗拉極限強度限強度3.63.63.03.0鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù) 荷載組合荷載組合 永久荷載永久荷載+ +基本基本可變荷載可變荷載 永久荷載永久荷載+ +基本可變荷基本可變荷載載+ +其它可變荷載其它可變荷載鋼筋達到設(shè)計強度或混凝土達到鋼筋達到設(shè)計強度或混凝土達到抗壓或抗剪極限強度抗壓或抗剪極限強度 2.02.01.71.7混凝土達到抗拉混凝土

33、達到抗拉極限強度極限強度 2.42.42.02.03 3、抗裂要求：、抗裂要求： 當當 時，按抗拉強度控制承載能力，時，按抗拉強度控制承載能力，并用下式計算：并用下式計算： de2 . 001675. 10debdRKNl 對隧道襯砌和明洞的混凝土偏心受壓對隧道襯砌和明洞的混凝土偏心受壓構(gòu)件的軸向力偏心距限制為：不宜大于構(gòu)件的軸向力偏心距限制為：不宜大于0.450.45倍截面厚度；倍截面厚度； 石料砌體偏心受壓構(gòu)件不宜大于石料砌體偏心受壓構(gòu)件不宜大于0.30.3倍倍截面厚度；截面厚度； 基底偏心距的限制為：巖石地基不應(yīng)基底偏心距的限制為：巖石地基不應(yīng)大于大于0.250.25墻底厚度；土質(zhì)地基不應(yīng)大于墻底厚度；土質(zhì)地基不應(yīng)大于1/61/6墻底厚度。墻底厚度。4 4、地基容許承載力、地基容許承載力 隧道襯砌地基容許承載力可根據(jù)圍隧道襯砌地基容許承載力可根據(jù)圍巖類別用工程類比和經(jīng)驗估算的方法加巖類別用工程類比和經(jīng)驗估算的方法加以確定，有條件的可進行現(xiàn)場實驗以確定，有條件的可進行現(xiàn)場實驗。 6.7 隧道有限元計算方法隧道有限元計算方法 1 1、有限元法概述、有限元法概述 2 2、隧道結(jié)構(gòu)