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隧道结构体系的计算模型与方法王丽琴主讲第五章隧道结构体系设计原理与方法第一节概述第二节围岩的二次应力场和位移场第三节隧道围岩与支护结构的共同作用第四节支护结构的设计原则第五节围岩压力第六节隧道结构体系的计算模型第七节隧道结构体系设计计算方法王丽琴主讲第六节隧道结构体系的计算模型一、计算模型的建立原则二、常用的计算模型王丽琴主讲一、计算模型的建立原则地下结构的力学模型必须符合下列条件：与实际工作状态一致能反映围岩的实际状态以及与支护结构的接触状态荷载假定应与在修建隧道过中（各作业阶段）中荷载发生的情况一致算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致材料性质和数学表达要等价。
王丽琴主讲目前,地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型：①工程类比模型：参照过去隧道工程实践经验进行设计②监控量测模型：以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法例如通过洞周位移和衬砌应力的量测不断优化支护参数③荷载结构模型：即作用与反作用模型例如假定弹性抗力法、弹性地基梁法和弹性链杆法④地层结构模型：即连续介质模型包括解析法、数值法、特征曲线法和剪切滑移破坏法。
数值计算法目前主要是有限单元法。
王丽琴主讲第一类模型：以支护结构作为承载主体围岩作为荷载主要来源同时考虑其对支护结构的变形起约束作用传统结构力学模型第二类模型：与上述模型相反是以围岩为承载主体支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。
现代岩体力学模型二、常用的计算模型从各国的地下结构设计实践看目前在设计隧道的结构体系时主要采用两类计算模型：王丽琴主讲第七节隧道结构体系设计计算方法一、结构力学方法二、岩体力学方法三、以围岩分级为基础的经验设计方法四、监控设计方法（信息化设计和施工）王丽琴主讲这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。
属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形)法假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。
第五章隧道结构体系设计
1.隧道结构的受力特点？隧道结构体系的概念？
受力特点
1荷载的模糊性
2围岩物理力学参数难以准确获得
3设计参数受到施工方法和施作时间的影响很大
4隧道与地面结构的不同点——弹性抗力
5隧道结构体系
隧道结构体系
发展历史：
刚性结构阶段：压力线理论（静力学原理）；上覆岩重（不考虑围岩的自承能力）。
弹性结构阶段：地层压力+弹性抗力；松动压力（深埋）。
假定弹性抗力阶段；弹性地基梁阶段。
连续介质阶段：岩体力学；围岩+支护体系；形变压力。
解析法、有限元法、离散元法、边界元法、反演分析、可靠度理论随机有限元蒙特卡洛法等4种设计模型：
;
—结构模型。
2两类计算模型：
结构力学模型特点：
：
1）围岩压力：围岩分级
2）围岩弹性抗力
岩体力学模型，又称为地层—结构模型。
与围岩视为一体，共同承受荷载，且以围岩作为承载主体；
+材料非线性特性的各种参数；
岩体力学方法与结构力学方法的区别
(1)对围岩和围岩压力的认识上：
(2)在围岩和支护间的相互作用关系上：
（3）在支护功能和作用原理上：
荷载；
（4）在计算方法上：
3.围岩弹性抗力？计算模型中有几种处理方式？温氏假定与它有什么关系？
弹性抗力是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。
局部变形理论和共同变形理论。
局部变形理论是以温克尔假定为基础，认为应力和变形之间呈直线关系，相当于认为围岩是一组各自独立的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱，忽略变形后各弹簧的相互影响。
共同变形理论是把围岩视为弹性板无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。
以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上设置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力；
1）假定抗力图形法
分布的范围及抗力区各点抗力变化的图形；
2）弹性地基梁法
基本特点
将衬砌结构看为置于弹性地基上的曲梁或直梁，适用：直墙式衬砌的直边墙
直墙式衬砌的拱圈和边墙分开计算。
拱圈为一个弹性固定在边墙上的无铰平拱。
边墙为一个置于弹性地基上的直梁;
移及边墙各截面的内力值。
3）弹性支承法
将衬砌结构离散为有限个杆系单元体
将弹性抗力范围内的连续岩体，离散为若干条彼此不相关的矩形岩柱，用具有一定弹性的支承代替岩柱；以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上，不承受弯矩，只承受轴力
弹性支承的设置方向：法向和切向弹性支承；法向支承；水平方向设置
边墙底部：弹性支座：产生转动和垂直位移，约束水平位移
围岩压力简化为节点荷载；内力可用矩阵力法或矩阵位移法计算
基本原理
矩阵位移法又叫直接刚度法。
①三种单刚
◆衬砌单刚：梁单元
◆抗力单刚：二力杆单元
◆基础单刚：支座单元
②拼总刚(结构刚度矩阵)
变形协调条件：联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移；
作用于某一节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡。
③边界条件～墙基础水平位移为0;
④求解以节点位移为未知量的方程组，高斯消去法等;
⑤由节点位移求出单元节点力～内力。
结构刚度矩阵的特点
(反力互等定理)；
5％左右；
4收敛-约束法（岩土力学方法）
基本原理
围岩压力与支护抗力相等。
弹性变形：不需要支护，围岩自承能力
塑性变形：需要支护。
与支架构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。
收敛-约束法就是以地层收敛线与支护限制线交于一点为依据的支护设计方法。
5衬砌截面强度检算
按破损阶段检算构件截面强度。
偏心受压构件的极限承载力，抗裂验算，地基容许承载力
6洞门检算
洞门可视作挡土墙，按计算挡土墙的方法进行计算。
①主动土压力按库仑理论进行计算；
②无论墙背仰斜或直立，土压力的作用方
向均假定为水平；
③不考虑被动土压力。
④取最不利位置的墙体条带计算，称为“检算条带”，条带宽度一般为1m，最不利位置～墙体最高点。
计算内容：
①墙身偏心及强度；
②绕墙趾的抗倾覆性(墙趾～墙身外表面与基底面的交点)；
③沿基底滑动的稳定性；
④基底应力检算。
7荷载及其分类
主动荷载
主要荷载：指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、衬砌自重、回填土荷载、地下水压力、车辆活载等；附加荷载：指非经常作用的荷载，有灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力、温差应力以及地震力等。
被动荷载：是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。
荷载组合：
结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本）
结构自重＋土压力＋公路车辆荷载＋附加恒载
结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载＋温度作用力
结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用。
