隧道地衬砌计算.ppt

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1、§8隧洞的衬砌计算一、荷载及荷载组合二、圆形有压隧洞的衬砌计算三、无压隧洞的衬砌计算四、渐变段衬砌计算简介五、衬砌的边值问题及数值解法前言目的：核算在设计规定的荷载组合条件下衬砌的强度，使之满足规范要求。计算方法：★一类：1、将围岩与衬砌分开，按文克尔假定考虑围岩的弹性抗力，衬砌上承受各项有关荷载，然后按超静定结构解算衬砌内力。缺点：与实际情况不太吻合。2、采用衬砌常微分方程边值问题数值解法。★二类：有限元法将围岩与衬砌视为整体，其准确性取决于计算模型和原始参数E、φ、C等。岩体性态复杂多变，上两者难以准

2、确确定。一、荷载及荷载组合作用在水工隧洞衬砌上的荷载有：山岩压力、内水压力、外水压力、衬砌自重及灌浆压力，温度荷载、地震力等。其中内水压力、自重比较明确，而其余的力只能在一些简化和假定的前提下进行近似计算。一、荷载及荷载组合（一）围岩压力（山岩压力）隧洞开挖后围岩变形或塌落作用在支护上的压力。影响山岩压力大小的因素：围岩的地质条件和力学特征（强度和变形性能节理，裂隙的分布和发育情况）；初始应力，地下水，隧洞的走向，埋深和几何形状；开挖方法；衬护时间，衬护形式。影响因素很多且错综复杂，难精确计算。一、荷载及荷载组合

3、目前，确定围岩压力的方法：★松散介质理论（塌落拱法）此方法视岩体为具有一定的凝聚力的松散介质，在洞室开挖后，由于岩体失去平衡形成“塔落拱”，拱处的围岩仍保持平衡，拱内岩块重量就是作用再衬砌上的荷载——山岩压力。普氏用“坚固系数”（亦称拟摩擦系数），代替岩石颗粒间的真实摩擦系数：式中，τ—岩石抗剪强度，φ—岩石内摩擦角，σ—正应力，c—粘结力一、荷载及荷载组合实际工程中：Rc—岩石单轴抗压强度A—小于1的修正系数近似计算为：普氏观测试验资料，制成各种岩石分类表。最坚硬的岩石达20；最差(松、软)只有0.3。一、荷载

4、及荷载组合普氏推导出坍落拱的形状为抛物线，坍落拱高度h按下式计算：两侧无滑动面时：两侧有滑动面时：hHABBOA‘B’ODChHABB垂直山岩压力L45o–φ/2一、荷载及荷载组合①没有侧向山岩压力作用岩体中的隧洞A）隧洞顶是平的，洞顶受到山岩压力的压强量q：B）曲线形洞顶：(认为铅直山岩压力可以减少30%）Bh岩石容重。一、荷载及荷载组合②侧向山岩压力计算e1、e2为水平山岩压力强度。A）在洞顶面处：B）在洞底面处：hHqBL垂直压强系数一、荷载及荷载组合为简化计算，在设计中多采用e1、e2的平均值，即e=（e

5、1+e2）/2作为均匀侧向水平山岩压力。对于中等坚硬以上的岩石,即,可以不考虑水平山岩压力。普氏理论提出仅与岩石的强度有关，而并未考虑到山岩压力有关的其它因素，因而理论上比较粗糙，实践也证明是很不准确的。一、荷载及荷载组合★围岩压力系数法①1966年《水工隧洞设计暂行规范》建议的方法：用“山岩压力系数法确定山岩压力”：铅直向强度：水平向强度：一、荷载及荷载组合、系数随围岩情况不同而异，应用时查表。山岩压力系数并不是实测成果，而是结合已建成的工程，对普氏理论中坚固系数分析整理得出的经验数据，粗略地反映了节理、裂隙或

6、风化程度的影响，但并未克服普氏法的根本弱点。②我国1983年《水工隧洞设计规范》根据全面分析，综合考虑的原则，采用从工程实际出发用经验估计的方法，即提出首先坝功臣所在的围岩进行分类，然后按围岩的类别采用经验公式计算围岩压力。一、荷载及荷载组合★弹塑性理论法此法是在理论化的基础上，简单的地质条件推导出来的，难以反映实际情况。岩体的工程地质，水文地质条件错综复杂，山岩压力显然不能用一个简单的公式予以概括。一、荷载及荷载组合（二）围岩的弹性抗力当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。弹性

7、抗力的大小和性质与工程地质条件有密切的关系，坚固完整的岩石，弹性抗力大；围岩软弱破碎，弹性抗力小，甚至不能利用。为了减少山岩压力，有效地利用弹性抗力，常对围岩进行灌浆加固，并填实衬砌与围岩间的空隙，以保证衬砌与围岩紧密相接。弹性抗力的计算：通常假定岩石为理想弹性体，按文克尔假定，认为岩石一、荷载及荷载组合的弹性抗力P与衬砌的变位Y成正比，即：P=KY，式中K—弹力抗力系数，K表示能够阻止面积为1cm2的衬砌变位1cm所需的力，如果P的单位式KN/cm3，则K的单位KN/cm2。附：对于有衬砌的圆形有压隧洞，可以看

8、作式位于理想弹性体围岩中一个厚壁圆筒，根据弹性理论可得：一、荷载及荷载组合经验和分析说明：在同样得围岩中，洞径大，K值小；洞径小，K值大，而且大致成反比。为了计算方便，人们采用半径为1m的圆形坑道的K值，作为标准，用Ko表示(亦称单位弹性抗力系数)，当用m为单位时：以cm为单位时：—表示实际开挖半径。说明：—①是坑道的半径，而不是衬砌里壁的半径。②是半径，不是直径。③对不