第1讲隧道力学的基本概念与计算模型ppt课件.ppt

中南大学土木工程学院 隧道工程系,主讲教师：施成华,隧 道 力 学,课程安排：第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型第2讲 隧道开挖后的力学行为 第3讲 隧道结构计算的结构力学方法（1）力法第4讲 隧道结构计算的结构力学方法（2）位移法第5讲 隧道结构计算的岩体力学方法第6讲 隧道施工工作面稳定性的力学分析第7讲 隧道辅助施工措施的力学分析第8讲 隧道力学计算中的特殊问题,隧 道 力 学,土木工程学院隧道工程系,施成华,参考书目：（1）关宝树编，隧道力学概论（2）潘昌实编，隧道力学数值方法（3）彭立敏等编，隧道工程（4）夏永旭等编，隧道结构力学计算（5）孙钧等编著，地下结构（6）李志业等编，地下结构设计原理与方法,隧 道 力 学,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型,1、隧道力学的基本概念 众所周知，隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应于地面工程的理论和方法来解决隧道过程中所遇到的各种问题，因而常常不能正确的阐明隧道工程出现的各种力学现象和过程，使得隧道工程长期处于“经验设计”和“经验施工”局面。目前隧道工程正朝着“信息化设计、信息化施工”的目标迈进，在隧道与地下工程由“经验”到“科学”的转变过程中，隧道力学将起着重要的主导作用。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型基本概念,土木工程学院隧道工程系,施成华,1、隧道力学的基本概念 隧道力学(Tunnel mechanics)是岩土力学的一个重要组成部分。随着各种类型的地下结构物包括隧道(洞)、地下铁道、地下洞室、地下厂房、地下街道等在世界各地大量兴建，作为地下结构物设计理论基础的隧道力学日益显示出其重要性兼之过去数十年间地下结构理论有了很大发展，隧道力学从岩土力学中划分出来成为一门独立学科的条件业已成熟。隧道力学是以岩体力学、工程地质学、结构力学、弹塑性力学、以及建筑材料和结构设计原理为基础的一门综合性的边缘学科。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型基本概念,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（1）隧道工程的特点,1)荷载的模糊性2)围岩物理力学参数难以准确获得3)围岩支护结构承载体系 围岩不仅是荷载，同时又是承载体；地层压力由围岩和支护结构共同承受；充分发挥围岩自身承载力的重要性。4)设计参数受施工方法和施作时机的影响很大 5)隧道与地面结构受力的不同点围岩抗力的存在,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（2）隧道衬砌的类型,外部支护,整体式混凝土衬砌 砌石衬砌 拼装式衬砌 喷射混凝土支护,内部支护,锚杆 注浆,混合支护,喷锚支护 复合式衬砌,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（2）隧道衬砌的类型,1）整体式混凝土衬砌,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（2）隧道衬砌的类型,2）装配式混凝土衬砌,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（2）隧道衬砌的类型,3)复合式衬砌,土木工程学院隧道工程系,施成华,1）马蹄形,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（3）结构型式,土木工程学院隧道工程系,施成华,2）圆形 3）拱形,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（3）结构型式,土木工程学院隧道工程系,施成华,4）双连拱形,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（3）结构型式,土木工程学院隧道工程系,施成华,5）矩形及单跨双层结构,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（3）结构型式,土木工程学院隧道工程系,施成华,6）单层多跨结构,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道的特点与结构型式,2、隧道工程的特点与主要结构型式,（3）结构型式,土木工程学院隧道工程系,施成华,隧道是处在各种地质环境中的地下结构，因此，它必将受到周围环境的强烈影响。所谓的地质环境包括：地质体的形成及其经历；初始应力场（包括构造应力场在内）；各种地质体的物理的、力学的、构造的和时间的特性及其分类等。科学地认识地质环境对地下结构的影响是正确地进行结构设计和施工的前提。此外，隧道围岩的工程地质分类受到了极大的关注，因为隧道设计的工程类比方法大都是以围岩分类级别为依据的。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型研究内容,3、隧道力学的研究内容,（1）隧道地质环境的研究,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型研究内容,（2）隧道施工过程的动态力学分析,隧道从开挖到初期支护的施作，再到二次衬砌的施作需要一个过程，而且一般的软弱围岩隧道，多采用分部开挖施工方法，不同开挖方法和支护时机对隧道结构体系的稳定性影响很大。隧道施工阶段的力学分析包括：围岩初始应力场和开挖效应；毛洞稳定性分析；初期支护(锚喷和钢拱支护等)和二次支护(衬砌)的受力状态分析；不同施工阶段支护与围岩的相互作用及围岩稳定性分析(包括弹性分析、粘弹性分析、弹塑性分析、弹粘塑性分析、二维和三维模型等)；地下施工引起的地面沉陷等等。,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型研究内容,（3）隧道使用阶段支护体系的稳定性分析,一个完整的支护体系是由周围岩体和支护结构组成的。因此，支护体系的设计必须包括对周围岩体支护效应及支护结构效应的评定。必须正确地确定支护结构与坑道围岩的接触状态及其相互作用机理，建立两者的相互作用力学模式。此外，隧道工程各种材料（包括岩石及岩体、混凝土、金属材料等）的性质，尤其是长期性质都与时间有关。因此，构成隧道支护体系的岩体和结构材料也必将受到时间的影响。例如支护结构参与工作的时间、围岩压力的时间效应、岩体或混凝土徐变、流变对应力应变的影响等。,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型研究内容,（4）隧道结构的动力分析,隧道工程的动力分析包括隧道工程的动力性态；隧道工程地震(爆振)反应分析；隧道施工振动与地下交通隧道车辆振动对环境影响分析；列车荷载下上下重叠和交叉隧道的动力响应分析等。,土木工程学院隧道工程系,施成华,现场测试和实验室试验是隧道力学不可缺少的组成部分。设计和施工前的隧址工程地质勘探；施工过程中结构和围岩（包括地面）的变形观测；这是指导施工和设计的重要反馈信息；实验室相似材料模型试验、光弹性模型试验以及离心机模型试验等；运营期间地下结构的静力和动力观测包括长时期的结构变形和应变观测、对地震和车辆振动反应的观测等。现场测试和实验室试验，一方面为地下结构物的设计和计算提供数据，另一方面又是检验设计和计算是否正确性的重要手段。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型研究内容,（5）现场测试和室内试验的研究,土木工程学院隧道工程系,施成华,岩土物理力学性质和本构关系的研究，既是岩土力学工作者的主要任务之一，也应该是隧道力学工作者的一项重要任务。严格地说数值分析结果是否正确，往往取决于所选用的材料本构模型和物理力学参数是否正确。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型研究内容,（6）岩土力学性质和本构关系的研究,土木工程学院隧道工程系,施成华,4、隧道力学的发展历史 最早(19世纪初期)的隧道（洞）多以砖石材料作衬砌，采用木支撑和断面分部开挖的方法施工。可以推断，当时隧道衬砌的设计是仿照拱桥进行的，其特点是只考虑衬砌承受围岩的主动荷载而未考虑围岩对衬砌变形的约束和由此产生的抗力，因此衬砌厚度偏大。其后，不同学者和工程师们在设计隧道衬砌时采用不同的假定来计及围岩对衬砌变形所产生的抗力，其中温克尔(winker)局部变形理论得到了广泛应用。这方面的代表学者有：O康姆裂尔(1910)，BH许特和S约翰勒逊(1922)，A.布耳(1944)，H舒尔茨和H杜德克(1964)等。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型发展历史,土木工程学院隧道工程系,施成华,与此同时，将村砌和围岩视作连续介质模型进行分析的方法也得到了发展，其中代表量学者有：H史密特(1926)，J塔罗勃(1957)，H卡斯特勒(1960)，AM缪尔伍德(1975)。50年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用作初期支护。人们逐渐认识到，这种支护能在保证围岩稳定的同时允许其有一定程度的变形，使围岩内部应力得到调整从而发挥其自持作用，因此可以将内层衬砌的厚度减小很多。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型发展历史,土木工程学院隧道工程系,施成华,60年代中期，随着数字电子计算机的更新和岩土本构定律研究的进展，隧道工程分析方法进入了以有限元法为代表的数值分析时期。这方面的代表学者有：SF瑞亚斯和DV迪尔(1966)，0C辛克维奇等(1968)(1974)，EL威尔逊(1968)，FH库乐荷威(1975)，W维特基(1977)。近年来数值分析有了新的进展，无限单元、边界单元、离散单元、节理单元等在地下结构静力和动力分析中得到了广泛应用。隧道工程反分析法有了发展，其要旨是根据现场测得的围岩变形数据反演推算围岩的各种物理力学参数和初始地应力等。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型发展历史,土木工程学院隧道工程系,施成华,由于地下结构物的地质条件和它们的用途、使用期限以及运营条件的不同，需要采用不同的设计计算方法。同时，经验、工程类比和工程师们的判断也都是必要的。有头脑的工程师们善于尊重隧道力学对某项具体工程的分析成果，并根据自己的经验和判断做出合理的设计和施工方案来指导设计和施工。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型发展历史,土木工程学院隧道工程系,施成华,5、隧道结构的力学计算模型（1）国内外常用的隧道结构计算模型 国际隧道协会(ITA)于1978年曾成立结构设计模型研究组(Working Group on Structural design Models)，其任务在于汇集与交流各会员国所采用的结构设计模型。该工作组于1981年提出了工作报告，给出了各会员国对四种不同类型的隧道所采用的结构设计模型。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,土木工程学院隧道工程系,施成华,（1）国内外常用的隧道结构计算模型,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（1）国内外常用的隧道结构计算模型,土木工程学院隧道工程系,施成华,由此，目前国内外采用的隧道结构设计模型可归纳为四种类型：1）以工程类比为依据的经验法（Empirical Method）。2）以测试为依据的实用法。包括收敛约束法(convergenceconfinement Method)、现场和实验室的岩土力学试验、应力(应变)量测以及实验室模型试验。3）结构力学方法（作用反作用模型，Action-reaction Model)，例如弹性地基框架，弹性地基圆环（全部支承或部分支承），矩阵位移法等。这种模型亦可称为荷载结构法。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（1）国内外常用的隧道结构计算模型,土木工程学院隧道工程系,施成华,4）岩体力学方法（连续介质模型，Continuum Model)，包括解析法和数值法两种主要的方法。解析法又分为封闭解和近似解两种方法，目前它已逐渐被数值法所取代。数值法以有限元法为主，这种模型亦可称之为连续介质力学法。隧道工程技术人员在设计隧道与地下结构物时，往往要考虑和比较各种方法，或以某一种方法为主，以其它的方法作为校核。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（1）国内外常用的隧道结构计算模型,土木工程学院隧道工程系,施成华,该方法认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的围岩弹性抗力），该模型是仿效地面结构的计算模型，即将荷载作用在结构上，用一般结构力学的方法进行计算。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过围岩对支护结构的变形产生弹性抗力来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性抗力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的主动压力越小，而约束支护结构变形的弹性抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（2）结构力学方法,土木工程学院隧道工程系,施成华,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坍塌，支护结构主动承担围岩“松动压力”的情况。利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载（其中最主要的是围岩产生的松动压力），以及围岩给支护结构的弹性抗力。荷载结构模型在隧道工程的初期，曾经被广泛地采用，因为它与当时的施工技术水平是相符的。由于这种计算模型概念清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，故至今仍较为广泛的使用，尤其是对模筑混凝土衬砌。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（2）结构力学方法,土木工程学院隧道工程系,施成华,它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承受荷载的隧道结构体系，故又称为复合整体模型。这种模型主要应用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩的共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种计算方法。在这种模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形。该方法是目前隧道结构体系设计计算中力求采用的和正在发展的模型，在该种模型中可以考虑隧道结构的各种几何形状，围岩和支护材料的非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中的不连续面等等。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（3）岩体力学方法,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（4）两大计算方法的比较,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（4）两大计算方法的比较,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型计算模型,（4）两大计算方法的比较,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,6、初始地应力场及隧道结构荷载形式,（1）初始地应力场,在地层中修建隧道，隧道周围岩体的原有平衡状态被打破，并产生应力重分布。当隧道周围岩体的强度不能适应这种应力变化时，岩体可能产生失稳破坏，进而转化为需要隧道衬砌结构承担的围岩压力。而这种围岩压力正是由于岩体初始应力状态的改变所产生的。所以，地层中的初始地应力场是产生围岩压力的根本原因。,初始应力自重应力构造应力,土木工程学院隧道工程系,施成华,（1）初始地应力场,岩体的垂直应力：,1）自重应力场,岩体的水平应力：,在自重应力场中，通常侧向应力小于垂直应力。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,土木工程学院隧道工程系,施成华,（1）初始地应力场,1）地质的构造过程不仅改变了地质的重力应力场，而且还有一部分残余在岩体内，这些残有的应力必将对隧道工程产生一定的影响。2）构造应力场在岩层一定深度内普遍存在。而且由于地壳运动所产生的拉、压、扭剪作用，局部的最大构造应力多为水平方向，其值往往大于重力应力场中的水平应力分量，有时候甚至大于垂直应力分量。3）构造应力场具有明显的区域和时间性，即它受所在区域地壳运动和时间的影响很大。,2）构造应力场,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,土木工程学院隧道工程系,施成华,（1）初始地应力场,确定初始地应力场，可用解析反演法和原位测试法。而用解析的方法来分析地质的初应力场，仅是一个大概的结果，有时由于受多种因素的影响，误差很大。因此，在一般的理论分析中，常把初始应力场按静水应力场来处理，而在一些较为重大的工程中多采取实地测量的方法来确定，具体包括地震法、水压致裂法、超前钻孔应力解除法等。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,土木工程学院隧道工程系,施成华,（2）隧道结构荷载形式,作用在隧道结构上的荷载可分为三类，即主要荷载、附加荷载、特殊荷载。主要荷载就是长期作用的荷载，它包括地层压力、围岩弹性抗力、结构自重力、回填岩土重力、地下静水压力以及使用的荷载。附加荷载是指非经常作用的荷载，他包括施工荷载、灌浆压力、局部落石以及由温度变化引起的温度应力等。特殊荷载包括一些偶然发生的荷载，如冲击力等。在上述各荷载项中，地层压力是隧道结构所承受的固有荷载，但地层压力又有围岩压力和土压力之分。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,土木工程学院隧道工程系,施成华,参见相关书籍,1）围岩压力,（2）隧道结构荷载形式,2）土压力,修筑在土层中的隧道，一般埋深较浅，施工方法常见的有明挖法和盾构法。在明挖法中，衬砌结构所承受的土压力可以用静止土压力计算公式、朗金（Rankine）土压力计算公式、库伦（Couloum）土压力计算公式进行计算。,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,土木工程学院隧道工程系,施成华,（2）隧道结构荷载形式,2）土压力,对于一般明挖法修建的隧道，其土压力计算公式参照相关书籍。对于盾构法修建的隧道，其土压力计算公式为：,隧道衬砌半径,隧道顶部到地面的高度,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,土木工程学院隧道工程系,施成华,（2）隧道结构荷载形式,2）土压力,对于盾构法修建的隧道，水平土压力计算公式为：,底部竖向反力计算公式为：,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道荷载形式,土木工程学院隧道工程系,施成华,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型隧道结构型式,（2）隧道结构荷载形式,2）土压力,如果存在水压力，则有：,土木工程学院隧道工程系,施成华,讨论题：,（1）隧道结构施工及运营阶段安全性的主要影响因素及其在力学计算中如何进行考虑？,第1讲 隧道力学的基本概念与计算模型讨论题,土木工程学院隧道工程系,施成华,