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地下结构设计计算理论


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地下结构设计计算理论
目前普遍把地下结构理解为支护和地层(围岩)的结合体。支护是临时 和永久支护的通称,而永久支护又通常理解为衬砌。地下结构的设计计算理 论在许多情况下可以称为衬砌设计计算理论。 简史 地下结构的设计计算理论经历了几个主要的发展阶段。最初阶

以砖石为材料的隧道衬砌,模仿石拱桥进行设计,要求拱轴线尽量与推力 曲线相重合。这种方法始于19世纪末期,其特点是只考虑衬砌承受其周围岩 土所施加的主动荷载,而不计围岩对衬砌变形的约束和由此产生的围岩被动 抗力。在一般情况下设计的衬砌厚度偏大。 发展到第二阶段,是考虑地层对衬砌变形的约束,但仍按各种地压理论 确定作用在衬砌上的主动荷载。如O.科默雷尔分析整体式隧道衬砌时,考虑 刚性边墙上呈直线分布的地层被动抗力。其后,很多学者相继提出了假定抗 力图形的计算方法,并采用了局部变形的温克勒假定。苏联地下铁道设计局 (1936,1939年)和有些学者,均曾提出过局部变形弹性地基圆环理论,以计 算圆形隧道衬砌。C.C.达维多夫等曾企图用弹性介质共同变形理论来分析地 下结构。该理论以共同变形的弹性地基梁为基础,认为一点的作用力,不仅 引起该点地基沉陷,而且引起邻近范围内其他点地基沉陷。此外,苏联地下 铁道设计局还曾研究过按极限状态计算衬砌的方法。 第三阶段将衬砌和地层结合体按连续介质模型进行分析。不少研究者从 弹性力学理论出发曾得出圆形衬砌的弹性解。其后有人提出和发展了圆形衬 砌的简化弹性解,假定衬砌变形后的形状和与之相适应的径向应力分布规 律。J.塔洛布于1957年和H.卡斯特纳于1960年曾得到圆形洞室的弹塑性解。 国际上有些研究者近年来还采用岩土的各种流变模型进行了圆形隧道衬砌 与围岩的粘弹性分析。 50年代以来,喷射混凝土和锚杆被用作隧道支护。人们逐渐认识到,喷 锚支护能够在保证围岩稳定的前提下,允许其变形得到一定程度的发展,使
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围岩内部应力得以调整,充分发挥其自持作用,因而有可能将二次衬砌的厚 度减至最小。 60年代,随着电子数字计算机的推广和岩土本构关系(应力-应变关系) 研究的进展,以有限元法为主的地下结构计算数值方法, 使设计理论进入了一 个新的时期。早在1966年便有人应用德鲁克—普拉格屈服准则进行了圆形洞 室的弹塑性有限元分析。O.C.津凯维奇按无拉力分析研究过隧道的应力和变 形,提出了模拟开挖效应的初应力释放法,还曾利用弹粘塑性模型计算隧道 衬砌。E.L.威尔孙等进行过地下结构的有限元抗震和抗爆分析,还曾采用有 限元分析探讨了各种因素对地下洞室和围岩受力的影响,节理围岩洞室的稳 定问题,施工顺序对洞室稳定的影响,以及开挖面附近三维应力状态等问题。 近年来,国际上许多学者都在隧道和地下结构的有限元静、动力分析方面做 过许多工作。 上述的几个发展阶段,从时间上讲并不是截然分开的。有些较早时期采 用的设计方法,例如工程类比法,至今仍然广泛采用。 由于地下结构的力学性态受到多种复杂因素的影响,如:岩土性态及其 非均匀性和各向异性、结构面(见岩体结构)、地下水、围岩初应力(见岩 体中应力)、结构形状和尺寸、材料性态、施工工艺和步骤以及运营环境等 , 现有的计算理论还难以全面地考虑上述所有因素。可以认为,地下结构设计 计算理论尚未臻完善。 结构设计方法 国际隧道协会于1978年成立了结构设计模型研究组

(Working Group on Structure Design Models),其任务在于收集各会员国采用的 结构设计模型的资料。据该研究组统计、归纳为以下四种设计方法。 经验法 以工程类比法为主,根据以往类似工程的实际经验,确定隧

道与地下结构的形状、主体尺寸和衬砌厚度。 收敛-约束法 也称特性曲线法。是一种采用测试数据反馈于设计的

实用方法,通常以施工中隧道断面的变形量测值为依据。其要点为测绘洞室 壁面径向压应力与径向位移的关系曲线与洞壁位移-时间曲线,它反映四个阶
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段:①围岩无约束自由变形;②从初期支护开始,变形由于受支护约束抗力的 反作用而减缓;③从仰拱完成开始,由于形成了封闭结构使变形速度大为降 低;④最后变形稳定。若所采用的支护刚度较大,则地压急剧增长,若支护 时间过晚,则出现松动地压。由此可见,支护时间和支护自身刚度及其与围 岩接触好坏均影响到围岩的稳定和支护所受地层压力的大小。收敛变形曲线 可供判断支护是否适当和变形是否趋于稳定。此外,尚可配合现场和实验室 的岩土力学试验和应力与应变测试以及实验室模型试验等,作为设计计算的 依据(见新奥法)。 作用-反作用模型 也可归之为隧道计算的一种结构力学法。其特点

是考虑地下结构朝向围岩变形的区段上将受到围岩的被动压力(弹性抗力) 的作用。其中局部变形理论(温克勒假定)认为地基的沉陷仅与该点的应力 成正比。属于这类模型的计算方法有:①圆形隧道衬砌按弹性地基圆环的计 算方法。②按假定抗力图形计算圆形衬砌和马蹄形衬砌的方法。③伴随电子 计算机的发展而出现的矩阵力法。 连续介质模型 也可归之为连续介质力学法。包括解析法和数值法。

解析法中有封闭解和近似解。如圆形洞室的弹性力学解──基尔施解和圆形 洞室的弹塑性解──芬纳-塔洛布公式。数值法目前以有限元法为主,尚有 差分法、边界积分法等。有限元法将结构离散化为有限个单元,各相邻单元 在共同的节点上为铰结,建立结构体系的总体刚度矩阵和平衡方程,按各节 点位移推求各单元的应力。

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