第六章2-支護(hù)結(jié)構(gòu)的巖體力學(xué)計算方法.ppt

1、,邁步之前千萬不能向下看,去試腳下的地面,只有注視遠(yuǎn)處的人,才能找到正確的道路,美國作家 哈馬舍爾德,隧道工程力學(xué)原理,6.3 特征曲線法 一、基本原理 特征曲線法又叫收斂-約束法，或叫變形法。 收斂：圍巖產(chǎn)生擠向隧道內(nèi)的變形。 約束：支護(hù)對圍巖向坑道內(nèi)變形的阻止。 特征曲線法是通過支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作 用，求解隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形和圍巖 在支護(hù)結(jié)構(gòu)約束下的變形之間的協(xié)調(diào)平衡。即利用 圍巖的特征曲線與支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征曲線交會的辦法 來決定支護(hù)體系的最佳平衡條件。 交會點(diǎn)的物理意義:隧道開挖后為了穩(wěn)定圍巖 而在圍巖表面所需要提供的支護(hù)抗力與支護(hù)結(jié)構(gòu)本 身所提供的支護(hù)抗力相平衡。,隧道工

2、程力學(xué)原理,隧道工程力學(xué)原理,二、圍巖特征曲線 彈性 塑性 彈塑性分界點(diǎn)： 或塑性：,三、錨噴支護(hù)的特征曲線 假定： 只研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同所產(chǎn)生的力學(xué) 效應(yīng)，而不考慮其它因素的影響； 當(dāng)支護(hù)的材料強(qiáng)度達(dá)到最大時才開始 破壞。 錨噴支護(hù)的剛度方程式為： 噴砼支護(hù)抗力、位移及剛度的計算 最大支護(hù)抗力的計算 當(dāng)噴層 0.04 厚度時，按彈性力學(xué)中的 受徑向均布壓力作用的薄壁圓筒理論進(jìn)行 計算。 假定將圓筒用一假象面沿軸線切成兩半， 根據(jù)徑向應(yīng)力平衡條件得：,采用噴砼三天強(qiáng)度值 ，并認(rèn)為此時的噴砼支 護(hù)抗力達(dá)到最大，則： 支護(hù)最大位移 的計算 由于噴砼的徑向應(yīng)變 及切向應(yīng)變 較小，為 此假定 由彈性力

3、學(xué)的幾何方程得： 即： ， ， 因噴砼為彈性結(jié)構(gòu)，所以 ， ， 則 ， 為噴砼三天的彈性模量, 支護(hù)剛度K的計算 根據(jù)上述計算值，繪出噴砼支護(hù)的特征曲線 如噴砼中設(shè)置有鋼筋網(wǎng)，其作用是控制和分配 應(yīng)力，增強(qiáng)噴層的整體性，而對其剛度的增加不 大，所以在計算中不予考慮。 錨桿支護(hù)抗力、位移及剛度的計算 錨桿一般采用兩種基本模型：端部錨固型和全長 粘結(jié)型錨桿。 端部錨固型錨桿支護(hù)抗力、位移及剛度的計算 最大支護(hù)抗力 的計算,式中: T 為錨桿極限強(qiáng)度，由錨桿拉拔試驗(yàn)決定 、 分別為錨桿的縱向及橫向間距。 支護(hù)剛度K的計算 錨桿在工作中發(fā)生變形受拉后才能提供支護(hù)抗力 坑道周邊處位移為 ，錨桿端部位移為

4、 ，錨 桿r處位移 ， 則錨桿產(chǎn)生的位移為 距坑道中心r處的位移 所以 ，即,則 錨桿軸向力（作用在錨桿端部的集中力）： 或?qū)懗?一根錨桿提供的抗力 則錨桿的剛度,支護(hù)最大位移 的計算 根據(jù)上述計算值可繪出端部錨固型錨桿的特征曲線 全長粘結(jié)型錨桿支護(hù)抗力、位移及剛度的計算 最大支護(hù)抗力 P為錨桿軸向力 砂漿錨桿的破壞形式有：錨桿桿體本身屈服；錨桿桿體與砂漿脫離；砂漿與孔壁脫離。計算時，按三種破壞形式計算所得到的軸向力取最小者。,、錨桿桿體本身屈服時： 式中 A 錨桿截面積； 錨桿屈服強(qiáng)度. 錨桿工作條件系數(shù)， =0.91.0，一般 取低值。 、錨桿桿體與砂漿脫離時： 式中 d 錨桿直徑；l 錨

5、桿長度； 錨桿與砂漿之間單位表面積上的粘結(jié) 力，應(yīng)由試驗(yàn)確定，當(dāng)無試驗(yàn)時，可采 用經(jīng)驗(yàn)公式： （ 為噴砼的28天抗壓強(qiáng)度） K 錨桿工作長度修正系數(shù)，取0.60.7，計算時 取低值 工作條件系數(shù)，取0.60.8，計算時取低值,、砂漿與孔壁脫離時： 式中 錨桿孔直徑， （ 為錨桿直 徑） 砂漿與錨桿孔孔壁之間單位表面積上 的膠結(jié)力。它與圍巖強(qiáng)度、砂漿性質(zhì) 及施工質(zhì)量等有關(guān)，應(yīng)通過試驗(yàn)確定 一般情況下，砂漿與石灰?guī)r之間， =1.52.0MPa；砂漿與頁巖之間 =1.01.2MPa， 工作條件系數(shù)，取0.750.9，計算時 一般取低值 由上式計算取,最大軸向位移 的計算 錨桿最大軸向力為 。根據(jù)量測

6、錨桿測 得的實(shí)際軸向力呈三角形分布，其最大的軸向應(yīng)力 約在錨桿長度的1/2處。錨桿為彈性桿體，其應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系為： 有 r處錨桿的應(yīng)力為,所以 式中: 為錨桿的彈性模量 錨桿支護(hù)剛度K的計算 根據(jù)上述結(jié)果，同樣可繪出錨桿支護(hù)的特征曲線, 鋼支撐抗力、剛度及位移的計算 鋼支撐最大抗力 的計算 按受等距離分布集中荷載的薄壁圓筒原理，計算其 最大抗力 值為： 式中： 鋼支撐截面積； 鋼支撐截面慣性矩； 鋼材屈服強(qiáng)度；a 坑道開挖半徑； S 沿隧道長度方向支撐之間的間距； 鋼支撐兩墊塊之間夾角之半（弧度）; 鋼支撐截面厚度； 墊塊厚度。, 鋼支撐剛度K 式中 鋼支撐柔度； 鋼材彈性模量； 墊塊彈性模

7、量； 鋼支撐翼緣寬度 鋼支撐最大位移 按上式計算結(jié)果可繪出鋼 支撐的特征曲線。,四、錨噴聯(lián)合支護(hù)特征曲線 假定： 噴砼、錨桿、鋼支撐各自獨(dú)立受力而 互無影響； 每一個支護(hù)體系都能達(dá)到極限值，施 作的順序?yàn)椋?噴砼錨桿鋼支撐噴砼 可按疊加方法繪出特征曲線，繪制方案有兩 種： 頭尾相接：即前一次施作的支護(hù)達(dá)到極限值 后立即施作后一次支護(hù)。 頭尾搭接：即前一次施作的支護(hù)未達(dá)到極限 值時就施作后一次支護(hù)。各次支 護(hù)施作的時間間隔，應(yīng)根據(jù)量測 的位移來確定。,五、圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線的交會 根據(jù)圍巖特征曲線，可合理地設(shè)置支護(hù)特征曲 線，使兩者交會后的平衡點(diǎn)處于最佳位置。 初始位移值 的確定 隧道開挖后在進(jìn)行支護(hù)前，其周邊產(chǎn)生了因開挖而引起的初始徑向位移。對于淺埋隧道可采用從地表向下設(shè)置深孔位移計，測出拱頂處初始位移值作為 。對于深埋隧道若無量測資料可通過下列方法計算確定： 按彈性位移計算 認(rèn)為開挖面在支護(hù)前彈性位移已全部釋放完畢。, 按彈性位移的60計算 考慮開挖面的空間效應(yīng)，即由于開挖面的支撐 作用，彈性位移未全部釋放。 按總位移的2030計算 式中, 交會方法 順向交會法 當(dāng)圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線可直接相交 時，則采用順向交會法進(jìn)行。, 逆向交會法 當(dāng)圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線不可