【文章內(nèi)容簡介】 ??? v/ ta n[ 1 e xp ( ]ta nc b b k hkb?????? ? ?（ ）3/3/2023 29 淺埋結(jié)構(gòu)圍巖松動壓力的計算 ? 一般來說 ， 對于埋深較淺的洞室 （ 如山嶺鐵路或公路隧道的洞口地段 、 明挖或暗挖的淺埋地鐵車站和區(qū)間隧道等 ） ， 開挖會引起整個上覆地層的變位 ， 如果不及時支撐 ， 地層就會大量變形和塌落 ， 波及地表而形成一個沉陷區(qū) 。 參照圖 ， 按平衡條件可得 松動圍巖壓力 =支護結(jié)構(gòu)反力 =滑動巖體的重力 滑移面上的摩擦阻力 式中滑移面上的摩擦阻力與具體的埋深情況有關(guān) 。 3/3/2023 30 圍巖彈性抗力 ? 前面所講的松動圍巖壓力 ， 如結(jié)構(gòu)自重等均屬主動荷載 。 地下結(jié)構(gòu)除承受主動荷載作用外 ， 還承受一種被動荷載 ， 即圍巖的彈性抗力 。 ? 結(jié)構(gòu)在主動荷載作用下要產(chǎn)生變形 ， 如圖 ， 在主動荷載 （ 垂直荷載大于水平荷載 ） 作用下 ， 產(chǎn)生的變形如虛線所示 。 在拱頂 ， 其變形背向地層 ， 在此區(qū)域內(nèi)圍巖對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生約束作用 ， 所以稱為 “脫離區(qū) ”， 而在靠近拱腳和邊墻的部位 ， 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓向地層的變形 。由于結(jié)構(gòu)與圍巖緊密接觸 ， 圍巖將制止結(jié)構(gòu)的變形 ， 從而產(chǎn)生了對結(jié)構(gòu)的反作用力 ， 對這個反作用力習慣上稱 “彈性抗力 ”。 因此 ， 圍巖的彈性抗力 是在主動荷載作用下 ， 襯砌向圍巖方向的變形而引起的圍巖被動力 。彈性抗力作用的范圍稱為 “抗力區(qū) ”。 3/3/2023 31 圍巖彈性抗力 ? 圍巖彈性抗力的存在是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點之一 。因為 ， 地面結(jié)構(gòu)在外力作用下 ， 可以自由變形不受外界的約束 ，而地下結(jié)構(gòu)在外力作用下 ， 其變形要受圍巖的約束 。 所以 ， 地下結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用 ， 這使得地下結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算變得復(fù)雜 ， 但這只是問題的 一個方面 ； 另一方面 ， 由于圍巖彈性抗力的存在 ， 限制了結(jié)構(gòu)的變形 ， 以致結(jié)構(gòu)的受力條件得以改善 ， 使其變形小而承載能力有所增加 。 3/3/2023 32 圍巖彈性抗力 ? 因為彈性抗力是由結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用產(chǎn)生的 ， 所以彈性抗力的大小和分布規(guī)律不僅決定結(jié)構(gòu)的變形 ， 還與圍巖的物理力學性質(zhì)有著密切的關(guān)系 。 ? 如何確定彈性抗力的大小和其作用范圍 （ 抗力區(qū) ） ， 目前有兩種理論：一種是 局部變形理論 ， 認為彈性地基 （ 圍巖 ） 某點上施加的外力只會引起該點的沉陷；另一種是 共同變形理論 ， 即認為彈性地基上的一點的外力 ， 不僅引起該點發(fā)生沉陷 ， 而且還會引起附近一定范圍的地基發(fā)生沉陷 。 后一種理論較為合理 ， 但由于局部變形理論計算較為簡單 ， 且一般能夠滿足工程精度要求 ， 所以目前多采用局部變形理論計算彈性抗力 。 k????3/3/2023 33 第 8章 地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法 地下結(jié)構(gòu)分類 地下結(jié)構(gòu)荷載 ? 地下結(jié)構(gòu)計算的力學方法 明挖基坑支護樁設(shè)計 3/3/2023 34 地下結(jié)構(gòu)計算的力學方法 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 ? 關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算 ， 目前有兩種不同的設(shè)計理念 ， 一種認為圍巖的作用只是向結(jié)構(gòu)施加荷載 ， 而結(jié)構(gòu)的作用只是承受荷載； 另一種 則認為圍巖既是荷載又有承載能力 ， 而結(jié)構(gòu)的作用是調(diào)整圍巖從而與之共同維持洞室的穩(wěn)定性 。 相應(yīng)地 ， 地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算模型可以劃分為如下兩種類型： 結(jié)構(gòu)模型 ——認為圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在結(jié)構(gòu)上的荷載 （ 包括主動的圍巖壓力和被動的彈性抗力 ） ，以計算支護結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法稱為 荷載 結(jié)構(gòu)法 。 3/3/2023 35 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 1. 荷載 結(jié)構(gòu)模型 ? 荷載 結(jié)構(gòu)模型只 適用 于淺埋情況及圍巖塌落而出現(xiàn)松動壓力的情況 。 3/3/2023 36 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 1. 荷載 結(jié)構(gòu)模型 ? 荷載 結(jié)構(gòu)模型還可按荷載不同細分成如下幾種模式： （ 1） 主動荷載模型 。 （ 2） 主動荷載 +被動荷載模型 。 （ 3） 量測壓力模型 。 3/3/2023 37 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 2. 地層結(jié)構(gòu)模型 ? 主要用于由于圍巖變形而引起的壓力 ， 壓力值必須通過支護結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得 ， 這是反映當前現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)原理的一種計算方法 ， 需采用巖石力學方法進行計算 。 3/3/2023 38 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 2. 地層結(jié)構(gòu)模型 ? 計算方法通常有 數(shù)值解法 和 解析解法 兩類 。 ① 數(shù)值解法 是把圍巖視作彈塑性體或黏彈塑性體 ， 并與支護一起采用有限元或邊界元數(shù)值法求解 。 數(shù)值解法可以直接算出圍巖與支護的應(yīng)力和變形狀態(tài) ， 以判斷圍巖是否失穩(wěn)和支護是否破壞 。 數(shù)值解法往往有多種功能 ， 能考慮巖體中的節(jié)理裂隙 、 層面 、 地下水滲流及巖體膨脹性等影響 ，是目前理論計算法中的主要方法 。 3/3/2023 39 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 2. 地層結(jié)構(gòu)模型 ? 計算方法通常有 數(shù)值解法 和 解析解法 兩類 。 ② 解析解法 主要適用于一些簡單情況下 ， 以及某些簡化情況下的近似計算 。 目前 ， 國內(nèi)外這類方法已經(jīng)很多 ， 一般可概括成如下幾種： ③ （ 1） 支護結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的解析解法 。 利用圍巖與支護襯砌之間的位移協(xié)調(diào)條件 ， 得簡單洞形 （ 如圓形 ） 條件下圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的彈性 、 彈塑性及黏彈性解 。 3/3/2023 40 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 2. 地層結(jié)構(gòu)模型 ? 計算方法通常有 數(shù)值解法 和 解析解法 兩類 。 ② 解析解法 ③ （ 2） 收斂 約束法或特征曲線法 。 原理 ：按彈塑 黏性理論等推導公式后 ， 再以洞周位移為橫坐標 、 支護反力為縱坐標的坐標平面內(nèi)繪出表示圍巖受力變形特征的洞周收斂線 ， 并按結(jié)構(gòu)力學原理在同一坐標平面內(nèi)繪出表示支護結(jié)構(gòu)受力變形特征的支護限制線 ， 得出以上兩條曲線的交點 ， 根據(jù)交點處表示的支護抗力值進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計 。 3/3/2023 41 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學模型 2. 地層結(jié)構(gòu)模型 ② 解析解法 ③ （ 3） 剪切滑移楔體法 。 基于 Robcewicz提出的 “剪切破壞理論 ”。該理論認為 ， 圍巖穩(wěn)定性的喪失 ， 主要發(fā)生在洞室與主應(yīng)力方向垂直的兩側(cè) ， 并形成剪切滑移楔體 。 由于地下洞室開挖在側(cè)壓系數(shù)λ1的條件下 ， 巖體的破壞過程如圖 。 首先兩側(cè)壁的楔形巖塊由于剪切而分離 ， 并向洞內(nèi)移動 （ 圖 ） ， 而后 ， 上部和下部巖體由于楔形巖塊滑移造成跨度加大 ， 上下巖體向洞內(nèi)撓曲 （ 圖） ， 甚至移動 （ 圖 ） 。 支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計按照由錨桿 、 噴射混凝土及鋼拱