3.5.1隧道的结构荷载

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8,隧洞的结构荷载,一、荷载及荷载组合,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,、,、,C,等。,岩体性态复杂多变，上两者难以准确确定。,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,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，,岩石抗剪强度，,岩石内摩擦角，,正应力，,c,粘结力,一、荷载及荷载组合,实际工程中：,R,c,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：,h,H,A,B,B,O,A,B,O,D,C,h,H,A,B,B,垂直山岩压力,L,45,o,/2,一、荷载及荷载组合,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%,）,B,h,岩石容重。,一、荷载及荷载组合,侧向山岩压力计算,e,1,、,e,2,为水平山岩压力强度。,A,）,在洞顶面处：,B,）,在洞底面处：,h,H,q,B,L,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,e,1,、,e,2,的平均值，即,e=,（,e,1,+e,2,）,/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,1966,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、裂隙或风化程度的影响，但并未克服普氏法的根本弱点。,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,1cm,2,的衬砌变位,1cm,所需的力，如果,P,的单位式,KN/,cm,3,，则,K,的单位,KN/,cm,2,。,附：,对于有衬砌的圆形有压隧洞，可以看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,K,o,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：,是坑道的半径，而不是衬砌里壁的半径。,是半径，不是直径。,对不是圆形的坑道 ，,B,坑道水平向最大净宽度。,一、荷载及荷载组合,K,0,值可以“查表”、“类比”、“按上式计算求得”，最好的办法是现场实测。,影响弹力抗力系数的因素很多，而且整个隧洞不一定用同一个,K,0,值。,在隧洞的衬砌计算中，考虑了弹性抗力，可抵消一部分作用于衬砌上的荷载，因而降低计算出来断面中的拉应力，设计结果，衬砌厚度可以减小，节约建材。,在什么情况下可考虑弹性抗力？,有压隧洞：,围岩厚度大于隧洞开挖直径的,3,倍。,洞周没有不利的滑动面，在内水压力作用下不致产生滑动和抬动。,衬砌和围岩的空隙，必须回填结实。,一、荷载及荷载组合,围岩厚度大于内水压力水头的,0.4,倍。,无压隧洞：,弹性抗力只存在于衬砌变位向着围岩 的部分，而不产生于背着围岩部分，因此，它在外周的分布形成，随着衬砌的不同而不同。,一、荷载及荷载组合,（三）内水压力及外水压力,内水压力,(1),无压隧洞：只要算出洞内的水面曲线，即可确定内水压力。,(2),有压隧洞：内水压力式有压隧洞中的重要荷载，常对衬砌的计算起控制作用。,为了使计算简单，将有压隧洞中的内水压力分解为两部分：均匀内水压力,+,非均匀无水头满水压力。,均匀内水压力的强度是：洞顶内壁到设计水位先之间水头引起的（）。,无水头满水头压力是指洞内刚刚充满水的情况：洞顶压力为,0,，洞底压力为,。,一、荷载及荷载组合,有压引水发电隧洞：内水压力,=,全水头,+,水击引起的压力,增值。,一、荷载及荷载组合,外水压力（地下水压力）,外水压力是地下水头引起的，规范规定：外水压力是作用,在衬砌外表的边界力。,外水压力 对无压隧洞经常引起控制作用；,对有压隧洞径则对内水压力有抵消的作用。,地下渗流的情况十分复杂，影响因素也多，准确值无法确定，常用的方法：,1,、规范：将地下水面以上的水柱高乘以折减系数,作为,外水压力值。,值 视地质、水文地质及防渗、排水等情况而言。,本方法简单方便，在工程上一直广泛应用（虽然近似粗略）。,一、荷载及荷载组合,2,、,围岩于衬砌组成一个紧密结合的整体，两者又都是,不同程度的透水材料，因此内外水是连通的，不能截然的,分为内、外水压力，即不应将外水压力视为一种边界力，,而应视为在一定边界条件下，隧洞在地下水位以下的空间,渗透力，通过渗流场计算，可以求得作用在衬砌外表面得,水压力。,如果视钢板衬砌，外水压力才是边界力。,一、荷载及荷载组合,（四）衬砌自重,衬砌自重是指沿隧洞轴线,1m,长的衬砌的自重，均匀作,用于衬砌厚度的平均线上，计算的厚度应考虑平均超挖回,填部分，其平均厚度可取,0.1,0.3m,。,单位面积上的自重强度,g,为：,式中：,衬砌材料的容重（,KN/m,3,），,包括超挖在内的衬砌厚度,。,一、荷载及荷载组合,（五）灌浆压力,回填灌浆,产生原因：,衬砌在施工时，其顶部与围岩之间难于填满而留有空隙，需要进行回填灌浆。,荷载性质：,主要是存在于施工完建时期的荷载，完建以后，即逐渐减少（因水流的凝固，灌浆压力即逐渐消失）属施工情况的临时荷载。,分布规律：,与地质条件、施工方法关系很大。通常认为：分布载顶部中心角,900-1200,以内。沿衬砌背部均匀分布，并与背部正交（径向分布）。,施工灌浆压力值：,一般为,2,3kg/cm,2,。,固结灌浆,均匀分布于整个隧洞断面周围。,一、荷载及荷载组合,（六）温度压力,产生的原因：,衬砌之外的围岩阻碍衬砌自由胀缩，所以在衬,砌内部产生温度应力。,施工期：,混凝土的水化热和干缩。,运用期：,水温的变化，气温的变化对洞的影响小。,升温时产生压应力,降温时产生拉应力。混凝土耐压不耐拉,故温降为控制情况,隧洞衬砌混凝土能承受的降温度只有,7,10,超过则产生裂缝。,减小温度应力的工程设施：,施工期：,选择适宜的水泥（低热），控制水灰比，加强养,护，缩短浇筑的长度（洞线轴向），配置适量的温度钢筋。,如何考虑，如何计算？,非寒冷地区，影响较小，一般不考虑。,一、荷载及荷载组合,寒冷地区：,有压圆形隧洞，根据弹性理论折算为等效内水压力。,例：有压圆形隧洞，内直径,4,米，花岗岩,=2.5,T/,m,3,，,衬砌厚,0.40,米，岩石原始温度,T=12,冬季平均最低温度,0.2,混凝土浇筑温度,T,1,=12,，,混凝土在水中的膨胀值相当于,T,/,=5,求衬砌温度应力相当于多少内水压力？,T,使坑道半径减小,P,衬砌温度应力，相当于内水压力,16m,水头。,无压隧洞，在确定温差后，,用,结构力学的方法计算内力。,一、荷载及荷载组合,（七）地震力,地震力对埋置在地下建筑物的影响远小于对地面建筑物,的影响。埋置较深的比埋置较浅的要小。,隧洞埋在地下深处，与围岩紧密结合的衬砌，地震对其,影响很小，洞身设计时一般不予考虑。但当隧洞通过设计烈,度高于,8,度，特别是地基较弱，围岩破碎和节理发育地区，,则应进行抗震计算。,对隧洞进出口建筑物，应按规定进行抗震设计。,（八）荷载组合,基本荷载：,山岩压力、衬砌自重、正常水位或宣泄设计洪水,时的内水压力和外水压力。,一、荷载及荷载组合,特殊荷载：,校核水位时内、外水压力、灌浆压力、温度荷,载、地震力、施工荷载等。,衬砌计算时常采用下列荷载组合：,基本组合：,1,、正常运行情况：山岩压力,+,衬砌自重,+,宣泄设,计洪水时内水压力,+,外水压力。,不同地段岩 计弹性抗力 北方 考虑温度荷载,石情况不同 不考虑弹性抗力 非寒冷地区 不考虑温度荷载,特殊组合：,2,、施工、检修情况：山岩压力,+,衬砌自重,+,可能出,现的最大外水压力。,3,、非常运用情况：山岩压力,+,衬砌自重,+,宣泄校核,洪水时的内水压力,+,外水压力。,正常运用情况，用以设计衬砌的尺寸和进行配筋，其它情,况用来校核。,