第4章地下建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

本章內(nèi)容概述荷載－結(jié)構(gòu)法地層－結(jié)構(gòu)法1234算例1.概述

4.1.1地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展早期完全依靠經(jīng)驗(yàn)，19世紀(jì)才逐漸形成計(jì)算理論；最早的計(jì)算理論為剛性理論（壓力線理論）；柔性材料被用于地下工程后開(kāi)始按彈性理論計(jì)算；逐步認(rèn)識(shí)到地層與結(jié)構(gòu)是一個(gè)受力整體，20世紀(jì)以來(lái)，按連續(xù)介質(zhì)理論建立起新的計(jì)算方法。剛性理論經(jīng)驗(yàn)1.概述彈性理論連續(xù)介質(zhì)理論4.1.2地下結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型國(guó)際隧道協(xié)會(huì)在1978年成立了隧道結(jié)構(gòu)談倔型研究組、收集和匯總了各會(huì)員國(guó)目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法．如表4－1所示。經(jīng)過(guò)總結(jié)，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)認(rèn)為，目前采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以歸納為以下4種設(shè)計(jì)模型：1.概述(1)以參照過(guò)去隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類(lèi)比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；

(2)以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法；例如，以洞周位移量側(cè)值為根據(jù)的收斂—限制法；

(3)作用一反作用模型，即荷載一結(jié)構(gòu)模型。例如，彈性地基因環(huán)計(jì)算和彈性地基框架計(jì)算等計(jì)算法；

(4)連續(xù)介質(zhì)模型，包括解析法和數(shù)值法c數(shù)值計(jì)算法目前主要是有限單元法。1.概述從各國(guó)的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐看，目前．在設(shè)計(jì)隧道的結(jié)構(gòu)體系時(shí)，主要采用兩類(lèi)計(jì)算模型，一類(lèi)是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體、圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形約束作用的模型。另一類(lèi)則相反，視圍巖為承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)則為約束圍巖變形的模型。1.概述我國(guó)采用的設(shè)計(jì)方法似可分屬以下四種設(shè)計(jì)模型：1.荷載—結(jié)構(gòu)模型1.概述將支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)和圍巖分分開(kāi)來(lái)考慮慮，支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)是承載載主體．圍圍巖作為荷荷載；結(jié)構(gòu)構(gòu)與圍巖的的相互作用用是通過(guò)彈彈性支承對(duì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)施加約束來(lái)體現(xiàn)的，，而圍巖的的承載能力力則在確定定圍巖壓力力和彈性支支承的約束束能力時(shí)間間接地考慮慮。1.概述2.地層—結(jié)構(gòu)模型1.概述1.概述將支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)與圍巖視視力一體，，作為共同同承載的隧隧道結(jié)構(gòu)體體系，故又又稱為圍巖巖一結(jié)構(gòu)模模型或復(fù)合合整體模型型，在這個(gè)個(gè)模型中圍圍巖是直接接的承載單單元，支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)只是是用來(lái)約束束和限制圍圍巖的變形形，這一點(diǎn)點(diǎn)正好和上上述模型相相反。1.概述3.經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比模模型在大多數(shù)情情況下，隧隧道支護(hù)體體系還是依依賴“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的，在實(shí)實(shí)施過(guò)程中中，依據(jù)量量測(cè)信息加加以修改和和驗(yàn)證。經(jīng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的的前提要正正確地對(duì)坑坑道圍巖進(jìn)進(jìn)行分類(lèi)、、然后在分分類(lèi)的基礎(chǔ)礎(chǔ)上編制支支護(hù)結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)的基本本圖示。它是完全依依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)設(shè)計(jì)地下結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)模型。1.概述4.收斂限制模模型其計(jì)算理論論也是地層結(jié)構(gòu)法法，其設(shè)計(jì)方法常常稱為收斂限制法法，或稱特征線法法。只是計(jì)算時(shí)時(shí)采用收斂—約束法圖解考慮。。1.概述荷載—結(jié)構(gòu)模型模模型設(shè)計(jì)的的隧道支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)偏于保守地層—結(jié)構(gòu)模型是是目前隧道道結(jié)構(gòu)體系系設(shè)計(jì)中力力求采用的或正正在發(fā)展的的模型，因因?yàn)樗虾袭?dāng)前的施施工技術(shù)水水平。4種模型中前前3種較為常用用。2.荷載—結(jié)構(gòu)法對(duì)應(yīng)于荷載載－結(jié)構(gòu)模模型的計(jì)算算方法稱為為荷載－結(jié)結(jié)構(gòu)法。地層對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)的作用只只是產(chǎn)生在在地下建筑筑結(jié)構(gòu)上的的荷載，襯襯砌在荷載載的作用下下產(chǎn)生內(nèi)力力和變形。。這里介紹《公路隧道設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2004）中的計(jì)算算方法。2.荷載—結(jié)構(gòu)法4.2.1設(shè)計(jì)原理認(rèn)為隧道開(kāi)開(kāi)挖后地層層的作用主主要是對(duì)襯襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)產(chǎn)生荷載，，襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)能安全全可靠地承承受地層壓壓力等荷載載的作用。。計(jì)算時(shí)先計(jì)計(jì)算出地層層壓力，然然后按彈性性地基上結(jié)結(jié)構(gòu)物的計(jì)計(jì)算方法計(jì)計(jì)算襯砌的的內(nèi)力，并并進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)截面設(shè)計(jì)計(jì)。2.荷載—結(jié)構(gòu)法4.2.2計(jì)算原理2.荷載—結(jié)構(gòu)法2.荷載—結(jié)構(gòu)法2.荷載—結(jié)構(gòu)法2.荷載—結(jié)構(gòu)法3.地層反力的的作用模式式2.荷載—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法對(duì)應(yīng)于地層層－結(jié)構(gòu)模模型的計(jì)算算方法稱為為地層－結(jié)結(jié)構(gòu)法。把地下結(jié)構(gòu)構(gòu)與地層作作為一個(gè)受受力變形的的整體，按按照連續(xù)介介質(zhì)力學(xué)原原理來(lái)計(jì)算算地下建筑筑結(jié)構(gòu)以及及周?chē)貙訉拥淖冃?；；不僅計(jì)算算出襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力力及變形，，而且計(jì)算算周?chē)貙訉拥膽?yīng)力。。充分體現(xiàn)了了相互作用用原理。這里仍重點(diǎn)點(diǎn)介紹《公路隧道設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2004）中的計(jì)算算方法。4.3.1設(shè)計(jì)原理將襯砌和地地層視為整整體共同受受力的統(tǒng)一一體系，在在滿足變形形協(xié)調(diào)條件件的前提下下分別計(jì)算算襯砌與地地層的內(nèi)力力。計(jì)算方法以以有限單元元法為主。。3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法4.3.2計(jì)算初始地地應(yīng)力3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法3初始地應(yīng)力力將初始自重重應(yīng)力與構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力疊疊加，即得初始地地應(yīng)力3.地層—結(jié)構(gòu)法4.3.3本構(gòu)模型3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法3.地層—結(jié)構(gòu)法