2022年隧道结构力学计算复习资料.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 立身以立学为先,立学以读书为本第一章绪论1. 隧道 : 构筑在离地面肯定深度的岩层或土层中用作通究竟建筑物2. 隧道分类 : 按四周介质分： 岩石隧道和土层隧道 3. 大路隧道：穿越大路路线障碍物的交通隧道; 按用途不同分： 交通隧道和市政工程隧道4. 大路隧道的主要特点:1 断面外形复杂：宽而扁,高：宽=1.; 常有特别构造：岔洞,紧急停车带回车区,以及双连拱隧道,小间距隧道, 双层隧道 ;2 荷载形式单一：主要是围岩压力,方向不会转变;3 附属设施多：通风 , 照明 , 交通信号 , 消防 , 监控设施5. 断面几何外形 : 考虑功能和经济

2、的两方面: 马蹄形 , 圆形 盾构开挖 , 拱形 山岭隧道 , 双连拱 浅埋土层 , 地势受限 , 矩形 沉管法 , 城市隧道 6. 衬砌的结构类型分为四类 7. 整体式砼衬砌又可分为: 整体式砼衬砌 ; 装配式衬砌 ; 锚喷支护衬砌 ; 复合式衬砌 : 半衬砌 ; 厚拱薄墙衬砌 ; 直墙拱形衬砌 ; 曲墙拱形衬砌1 半衬砌 : 适用于岩石较坚硬并且整体稳固或基本稳固的围岩 ; 对于侧压力很大的较软岩层或土层 , 为防止直墙承担较大压力 , 采纳落地拱 2 厚拱薄衬砌 : 适用于水平压力很小的情形 ,拱脚较厚 , 边墙较薄 3 直墙拱形衬砌 : 铁路隧道常用 , 竖向压力较大 , 水平侧压力不

3、大 4 曲墙拱形衬砌 : 地质条件差 , 岩石破裂松散和易于坍塌地段8. 装配式衬砌 : 用于盾构法施工 , 深埋法施工 ,TBM法施工9. 锚喷支护衬砌 : 喷混凝土和加锚杆两方法的统称；锚杆喷混凝土,钢筋网锚杆混凝土,钢纤维喷混凝土法常用方法： 喷混凝土, 钢筋网喷混凝土,; 特点：有很强时效性,新奥法和挪威10. 复合式衬砌：主要应用于含水量较多的地段,外层为锚喷支护,中间有一层防水层,内 层多为整体式衬砌,新奥法多采纳11. 初始地应力场由两种力系组成: 自重应力重量 ; 构造应力重量影响因素：一类是和地壳的运动,地下水的变化以及人类活动等因素有关12. 构造应力场：区域性明显,测试方

4、法：解析反演法,原位测试法 1地质的构造过程不公转变了地质的重力应力场,而且仍有一总分残余在岩体内2 构造应力场在肯定深度内普遍存在且多为水平重量 3 构造应力具有明显的区域性和时间性13. 作用在隧道结构上的荷载分为三类 : 主要荷载 就是长期作用的荷载 , 包括地层压力 , 围岩弹性抗力 , 结构自重力 , 回填岩土重力, 地下静水压力及使用荷载; 附加荷载 （指非常常作用的荷载, 包括施工荷载, 灌浆压力, 局部落石以及有温度变化或砼收缩引起的温度应力和收名师归纳总结 缩用力） ; 特别荷载（一些偶然发生的荷载,如炮弹冲击力和爆炸时产生激波压力,地震力,第 1 页,共 7 页- - -

5、- - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 立身以立学为先,立学以读书为本车祸时冲撞力）14. 形变压力 : 由岩体变形所产生的挤压力 ; 15. 松散压力 : 岩体坠落、滑移、坍塌所产生的重力16. 围岩压力：形变压力和松散压力统称为围岩压力17. 影响围岩压力的因素：a. 岩土的重力b. 岩体的结构c. 地下水的分布d. 隧道洞室的外形和尺寸 e. 初始地应力18. 确定围岩压力的方法：a. 现场量测 b. 理论估算 c. 工程类比法19. 常用的围岩分类方法：a. 岩石牢固系数分类法 b. 太沙基理论 c. 铁路围岩分类法 d. 人工岩石洞室围岩分类法 e. 水工隧道

6、围岩分类法20. 隧道结构运算的任务：就是采纳数学力学的方法,运算分析在隧道修筑的整个过程中（包括竣工,运营）a. 隧道围岩及衬砌的强度 b. 刚度和稳固性,为隧道的设计及施工供应详细设计参数21. 隧道的运算方法可分为三大部分：a. 刚体力学法b. 结构力学法（荷载位移法）c. 连续介质力学法（地层结构法）22. 附： 19 世纪后期,砼材料与钢材料的显现,地下结构的建造于运算进入地下连续拱形框架结构阶段, 而运算的理论基础为线弹性结构力学；地下连续拱形框架结构式一种超静定弹性结构系统,荷载为地层压力,优点：以结构力学原理为运算理论基础缺点：没有考虑地层 对衬砌结构变形所产生的弹性抗击力 2

7、3. 假如人工考虑隧道衬砌和地层的相互作用,地下结构的运算方法仅分为结构力学方法和 连续介质力学方法24. 造成隧道结构运算结果不能直接应用的主要缘由:1 围岩的物理力学参数无法精确确定2 隧道的荷载量级很大, 无法精确给出3 围岩自承才能除受围岩自身条件影响外, 仍受施工方法、时间、支护形式、洞室几何尺寸等的影响（完善性,使围岩自承才能无法发挥 其次章隧道结构运算的结构力学法4）围岩本构关系复杂和屈服性准就不1. 在分析过程中第一要确定地层压力,然后运算衬砌在地层压力和其他荷载作用下的内力分布,最终依据内力分布对衬砌结构断面进行验算2. 荷载结构法和运算地表结构所采纳的结构力学方法基本相同,

8、过程中要受到四周介质的限制,分为力法与位移法主要差别是衬砌结构在变形名师归纳总结 3. 拱形半衬砌隧道的结构运算：（1）半衬砌结构可简化为弹性固定平面无铰拱（运算模型）第 2 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 立身以立学为先,立学以读书为本（2）拱顶截面建立位移和谐方程,由拱顶截面的位移和谐方程得拱脚处的位移和转角（3）将拱脚位移和转角方程代入拱顶截面位移和谐方程,得关于未知力 组,可得拱顶截面未知力（4）各截面强度校核 4. 拱形曲墙隧道的结构运算： （ 1）假定弹性抗力为镰刀形分布,X1,X2 的线性代数方程拱形曲墙式衬砌的运算模型为

9、墙角弹性固定而两侧受四周约束的无铰拱（2）通过 h 点的变形和谐条件运算弹性抗力h3 运算主动荷载作用下衬砌的内力 4 h=1 时衬砌的内力 5 求出最大抗力值 h6 用叠加的方法求出衬砌内任一点的内力5. 拱形曲墙隧道的结构运算模型：竖向荷载所引起的侧墙部分的变形,将受到侧面围岩的约束,形成一个抗力区,这里假定弹性抗力为镰刀形,其量值用3 个特点值掌握：抗力上零点对一般与对称中线夹角为 40 -60 ；抗力下零点在拱脚处；最大抗力点 h 在衬砌最大跨度处,一般在抗力区 2/3 处6. 拱形直墙隧道的局部变形法 : 在分析拱形直墙式隧道结构时 , 需将拱圈与直墙分开考虑 , 拱圈是一个拱脚弹性

10、固定的无铰拱 , 弹性抗力假定为二次抛物线分布 , 边墙视为弹性地基梁 , 全部抗力有文克勒假设确定 , 墙顶和拱脚弹性固结 , 墙脚与基岩间有较大的摩擦力 , 无水平位移发生 , 他在基岩的作用视为刚性体7. 外荷载产生的位移hp 和直墙拱的结构运算:1 由弹性地基梁公式, 运算系数1, 1, 2, 2 墙顶位移 2 由主动荷载及单位弹性抗力所产生的h 点位移运算单位弹性抗力所产生的位移 h （ 3）由 hp 和 h 求得弹性抗力 h（4）依据任一截面 i 处的内力表达式得拱的截面内力（5）求出直梁的内力（6）校核8. 隧道衬砌结构运算的矩阵力法运算步骤：（ 1）运算 F02 运算 SX并将

11、其转化为 SX3 运算 SP并将其转化为 SP （4）运算 Fxx,Fxp（5）运算赘余力 x （6）运算衬砌单元节点 s （7）运算衬砌节点位移 9. 隧道衬砌结结构运算的矩阵位移法运算步骤：（1）运算衬砌单元刚度位移矩阵（2）运算链杆刚度（ 3）运算墙底支座的刚度矩阵（4）集成总体刚度矩阵,并运算各元素值（5）消去已知位移（ 6）运算节点位移（7）运算单元节点力10. 拱形直墙运算模型：拱圈是一个拱脚弹性固定的无铰拱,拱圈弹性抗力假定为二次抛物线分布,边墙视为弹性地基梁,全部抗力由文壳勒假设确定；11. 弹性地基梁分类：对于弹性地基梁按其相对长度 al 不同,可分为以下三种情形：当 1al

12、 2.75 ,认为是短梁,即梁的一端受力和变形会影响到另一端；当 al 2.75 ,认为是长梁,即梁的一端受力和变形不会影响到另一端；当al 1,认为是肯定刚性梁,即整个梁只名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 立身以立学为先,立学以读书为本产生平动和转动；12. 圆形隧道运算模型：作用在衬砌上的主要荷载包括土压力和水压力,其中竖向压力 q 由衬砌上方的全部土重组成,静水压力 P由沿圆环均布径向压力和由圆环顶部开头向下月牙形变化的径向压力,地层的反力由直线分布假定；13. 圆形隧道含水平拉杆的内力运算：一是仅考虑安装拉杆

13、所引起的衬砌内力,二是考虑拉杆安装后,在使用阶段的衬砌内力；14. 矩阵力法和位移法的区分：力法：柔度方程：力；位移法：刚度方程：位移；运算衬砌结构的单元有三种：一是模拟衬砌结构偏心受压的衬砌单元；二是模拟围岩约束衬砌自由变形的链杆单元；三是模拟墙底地层约束墙脚变形的弹性支座单元第三章隧道结构运算的弹性力学法1. 弹性力学的基本方程有：平稳方程,几何方程,物理方程附：平稳方程是从静力平稳条件动身,描述了应力重量与外力之间的平稳关系；几何方程是从变形连续条件动身,描述应力与位移之间的关系；物理方程表征了材料的本质属性,描述了戒指材料应力与应变之间的关系2. 三次应力状态： （1）一次应力： 地层

14、中的原始应力场 隧道未开挖前岩体的初始静应力场 （2）二次应力状态： 洞室开挖后,经应力重新分布,洞室四周的应力状态 由围岩初始应力场与开挖洞室引起的扰动应力场叠加得到 （3）三次应力状态：衬砌对围岩产生弹性抗力,使其达到三次应力状态 由于围岩的变形收到衬砌的限制, 衬砌对围岩产生弹性抗力, 使其达到三次应力状态 围岩三次应力场的位移是弹性抗力产生的位移与二次应力态位移的叠加第四章隧道结构运算的有限单元法1. 有限单元法是一种数值运算方法,其基本思路是将连续体模型离散成为有限个单元,而单元之间通过节点连接,要求每个单元满意肯定的力学条件,最终将全部单元再集成,组合求解问题的数值运算方法；2.

15、有限单元法分为：位移法和应力法,仍有介于两者之间的混合法；常用的单元类型有：线单元,面单元和体单元三大类型；二节点单元和以其为基础构成的面单元和体单元属于线性单元, 低阶单元； 三节点单元和以其为基础构成的面单元和体单元属于高阶单元；在隧道结构分析中, 用线性杆单元模拟锚杆,用梁单元模拟喷射砼土层,用面单元模拟隧道平面围岩,用体单元模拟空间围岩体,用夹层单元模拟节理名师归纳总结 3. 有限单元法的运算步骤：1）结构的离散2）建立单元节点,位移与节点力之间的关系3）第 4 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 立身以立学为先,立学以读书为本依据

16、虚功原理, 用等效节点力代替作用在结构体系上的全部外力；4 建立体系静力平稳方程5）引入边界条件,依据静力平稳方程求节点位移 6）依据几何方程求得单元应变,再依据物理方程,求得单元应力4. 有限单元法的求解方法：1 位移法：先假定满意应变相容条件的单元内位移模式,求出应变重量, 接着代入物理方程求出应力重量,然后把这些力学重量代入虚功原理得到以位移重量为未知量的联立代数方程组（2）应力法：第一假定单元内应力分布函数,并依据平稳方程求出内部和外部荷载的关系,然后由物理方程求出应变重量,把这些力学重量代入虚功原理组成以应力重量为未知数的代数方程组；5. 等参数单元的定义：位移模式和坐标变换式采纳相

17、同函数的单元称为等参元；6. 断层和节理的物理力学特点 夹层单元力学特点 : 脆弱面减弱了岩体的整体受力,变形以及稳固性, 可沿与层面垂直的方向传递压应力,也能沿与层面平行的方向传递剪应力,但不能传递拉应力； 由于这些脆弱结构面的抗剪强度低于岩体强度,超过某一限度时将发生相对滑动；所以在不连续面间的剪应力7. 二维闲适单元分析步骤： （1）结构的离散 （ 2）建立单元节点位移与节点力之间的关系（ 3）单元等效节点力的构成（4）建立体系静力平稳方程（5）求解节点力位移并运算单元应力和应变圆筒8. 组合结构法的详细步骤： （1）第一将原工程结构分解为如干个典型的子单元（2 然后分析各子单元的力学特

18、性,单元之间的作用当做已知条件代入（将各个子结构组合在一起3）最终利用单元间的和谐关系9. 平接岔洞的空间框架运算法：（1）将斜交平接岔洞简化为在空间汇交的三支半跨拱墙结构（2）主要静荷载为围岩压力（垂直荷载）运算方法同结构运算法中的力法；第六章隧道结构运算的空间问题1. 掌子面空间效应： 隧道开挖面前端原来就是一个原始的三维应力状态,而从开挖到洞身成型的呈平面应变状态的隧道段隧道的围岩压力从三维逐步转变为二维,这种现象称为开挖面支承产生的空间效应；2. 关于围岩压力的空间问题,目前在工程上大多只按一些体会公式进行运算,依据地下洞室的埋深, 分为深埋和浅埋两种情形；对于深埋的矩形洞室,在运算垂

19、直地层压力时引入小于1 的空间系数,且空间工作系数随矩形长宽比的减小而减小；对于圆形深埋洞室,一般在计名师归纳总结 算压力拱高时也引入一个给定的折减系数,以考虑空间工作状态的影响,折减系数不同, 相第 5 页,共 7 页应运算结果也不同,上述所讲的运算空间围岩压力的方法的基础仍旧是普氏压力原理,和过- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 立身以立学为先,立学以读书为本去的平面问题围岩压力运算的考虑没有本质区分,对于浅埋洞室的垂直地层压力,一般在考虑岩柱摩擦力时做适当修改,以运算空间因素的影响；3. 矩形隧道的空间运算方法 : 1 弹性地基基础 2 组合结构法

20、；步骤分三步；第一将原工程结构分为如干典型的子单元,然后分析各个子单元的力学特点,单元之间的作用当做已知条件代入,最终利用单元间的协调关系,将如干子单元组合在一起；矩形隧道：4 个板单元,板与板之间弹性连接,板的计算模型为两边简支无限长薄板 3 局部压力运算；4. 平接岔洞的空间框架运算法: 斜交岔洞的结构形式, 简化为空间汇交的三支半跨拱墙结构；第七章隧道结构运算的位移反分析法1、 位移反分析法的思路定义 ：利用力学系统的某些力学行为,来推算该系统的各项或某些初始参数2、 反分析法的优点： （1）对工程范畴内岩体的初始应力和物理参数给出了较为合理的估量（2）将反分析方法同现场监控技术及工程稳

21、固性分析相结合,对工程的牢靠性作出了合理的评判和符合实际的猜测,并对施工中支护参数的选取和方案的反馈设计都起了很大的作用3、 反分析方法又可分为位移反分析法、应力反分析法和混合反分析法；4、 如何运用位移反分析法 基本原理 ：拱顶下沉、周边收敛、地表下沉现场位移量测数据处理位移反分析及其结果检验有限元或边界元正分析及其猜测猜测结构输出（猜测变形曲线、 围岩稳固性评判、支护安全度评判）工程决策措施时间及监测对预报结果验证 回到开头循环 第八章隧道结构运算粘弹塑性问题1、 岩土材料的弹塑性本构模型（2、 岩土材料的粘弹塑性本构关系（1）全量理论（ 2）增量理论（ 3）塑性势理论 1）粘弹性模型（粘

22、性元件和一弹簧元件串联组成）常用的有马克斯威尔模型和开尔文模型,（2）粘弹塑性模型：宾汉姆模型（粘壶与滑块并联再与弹簧串联）和西原模型（开尔文模型与一个宾汉姆模型串联而成）；3、 岩土材料的屈服准就： （1）太斯伽准就（2）米赛斯准就（3）摩尔库伦准就（4）德鲁克普拉格准就（5）辛克维奇潘迪准就（6 双剪应力屈服准就4、 弹塑性围岩的应力状态图四个同心圆内往外依次为（1）松动区（ 2）承载区（ 3）承载区（ 4）初始应力区；其中1 、2 是塑性区, 3 、4 为弹性区；第九章明洞与洞门的结构运算名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - -

23、- - - 立身以立学为先,立学以读书为本1. 明洞的荷载形式： （1）拱顶回填土石垂直压力qi= ihi （2）拱圈回填土石侧压力ei= ihi i 是拱背回填土石容重 hi 明洞结构上待考擦点的岩土桩体高度） 3 边墙回填土石侧压力 e= 2hi （ 2 墙背回填土石容重 hi 边墙运算换填高度）2. 洞门结构的稳固性验算：洞门的稳固性验算包括抗倾覆,抗水平滑动,抗洞门基础沉陷；对抗倾覆而言, 要求全部合外力使洞门对墙趾点0 不发生旋转, 对抗水平滑动而言,要求所有压力不能使洞门发生水平向外滑动,足而发生沉陷；洞门基础承载力验算要求洞门不能由于地基承载力不3. 洞门强度运算主要是校核洞门墙承担的弯拉应力和剪应力；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页