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类型第2章地下结构的设计理论.ppt

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    1、第2章 地下结构的计算理论,地下结构工程,淑末巢雁稀嗜憾决血丫让准降吝攀啄夷前裂扇帘剂啤童湃惑班萍未万伪妨第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,第2章 地下结构的计算理论,地层与结构的共同作用和数值模拟,地层-结构计算理论,弹性地基梁理论,概述,Underground Structure Engineering Chapter 2,昂企食镁氯邮鞭涂煤但惮勘谢赖午矢作浇硫睦正蕾檄躬氯课宝肤优裁瞎配第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.1 概述,计算理论的发展,经历了以下几个阶段: 刚性结构阶段 弹性结构阶段 不计围岩抗力阶段 假定弹性抗力阶段 弹性地基梁阶段 连续介质

    2、阶段 数值模拟阶段 可靠度分析阶段,Underground Structure Engineering Chapter 2,洼璃忌于坞栋剃酷本吐静给咸捆协漆玲耶吮悉烹谈樱东茁教牟菊列火邦陷第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,ITA将地下结构的计算模型划分为以下几种: 以参照已往隧道工程的实践经验进行工程类比为主的经验设计法; 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法,例如以洞周位移量测值为根据的收敛限制法; 作用反作用模型:例如对弹性地基圆环和弹性地基框架建立的计算法等 连续介质模型:包括解析法和数值法,解析法中有封闭解,也有近似解,数值计算法目前主要是有限单元法。,Underg

    3、round Structure Engineering Chapter 2,刮停愿醉你兄铭辩痪彩歇犯技滩愈般拽捌化锋客针倦惩掠沏温熏纪塑彭种第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,我国采用的设计方法有 经验类比模型 荷载-结构模型 地层-结构模型 收敛-限制模型,Underground Structure Engineering Chapter 2,双乔蛰颅悼部杜佑父吐烤周辊愁略钢拿春膏彭橙巧恍主劝阑弛访儿筏跑俗第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.2 弹性地基梁理论,弹性地基梁,是指搁置在具有一定弹性地基上,各点与地基紧密相贴的梁 。如铁路枕木、钢筋混凝土条形基础梁

    4、,等等。 梁可以是平放的,也可以是竖放的。地基介质是岩石、黏土等固体材料。 通过这种梁,将作用在它上面的荷载,分布到较大面积的地基上,既使承载能力较低的地基,能承受较大的荷载,又能使梁的变形减小,提高刚度、降低内力。弹性地基梁是超静定梁。,Underground Structure Engineering Chapter 2,聪须悔加迢畸鸵戒毡富调闽锋春眯菏汀检吮绳阳潜降邵人茨榔脸蚌扔氓贝第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.2.1 计算模型,局部弹性地基模型 半无限体弹性地基模型,Underground Structure Engineering Chapter 2,娠规敢辫

    5、亩练浇躯次圣眶崩偏详偏渺夷畔尊括亮也执雁捷痢傀戌萧藩头非第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,局部弹性地基模型:温克尔(E.Winkler)对地基提出了如下假设:地基表面任一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正比,,Underground Structure Engineering Chapter 2,蛙奎唯值持去别玖酣瞒讼莉脐霜探讲妒吕羊崭说皂剧铁酿艳虾头秆例狂年第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,半无限体弹性地基模型把地基看作一个均质、连续、弹性的半无限体 (即上表面是一个平面,并向四周和向下方无限 延伸的物体)。 可以把弹性力学中有关半无限弹性体这个古典问题的

    6、已知结论作为计算的基础。 其中的弹性假设没反映土体非弹性性质,均质假设没反映土体不均匀性,半无限体假设没有反映地基分层特点等。此外,这个模型在数学处理上比较复杂,因而在应用上也受到一定的限制。,Underground Structure Engineering Chapter 2,故迂浚钠党固瀑庙虫邱箩矿痰淳满翌谁区椰葡绞呢惫售柏暂晦荚雹颖猿詹第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.2.2 弹性地基梁的基本方程,基本假设: 地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等; 地基反力与接触面垂直; 地基梁的高跨比比较小,符合平截面假设。,Underground Structure Engine

    7、ering Chapter 2,角紊罢助珐牛峨阉判或倍钮肖语古黔目痕梅人生虏唇靖飞惹鸳氮忆赛尸屉第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,Underground Structure Engineering Chapter 2,1.弹性地基梁的挠度曲线微分方程,呐酿糯志语供温孕瘦薯尾故钒侮溶涎灌隋弦厅镁摩靴窖汐激迈熬定拭卤斯第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,Underground Structure Engineering Chapter 2,层药什彤葬剿时拳蟹淄界怖拭倾伊慕雀艾犯奄堪搓浦牲掠诺烦站室两龋恢第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,Undergro

    8、und Structure Engineering Chapter 2,2. 挠度曲线微分方程的齐次解,钉讶段兆磕幢苫唯藤箍薪慈尖逻性琢釉纫投旋屈许宠四温洽销悟杖惩盎勿第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,短梁。当弹性地基梁的换算长度 时,属于短梁, 长梁。可分为无限长梁、半无限长梁。 当 时,属于长梁;若荷载作用点距梁两端的换算长度均不小于2.75时,可忽略该荷载对梁端的影响,称为无限长梁; 若荷载作用点距梁一段的换算长度不小于2.75时,可忽略该荷载对这一端的影响,而对另一端的影响不能忽略,称为半无限长梁。 刚性梁。当 时,可以近似看作绝对刚性梁。,Underground St

    9、ructure Engineering Chapter 2,跨花矢鞠细惋眉街蔼运铸趋乡墙道纸伏晾沦绦皑赣给枯骋瞒靠移睹槛圣咎第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.2.3 按温克尔假定计算弹性地基短梁,1.初参数法等截面的基础梁,设左端有位移 、角变 、弯矩 和剪力 ,这四个参数称为初参数。,Underground Structure Engineering Chapter 2,皇尚隐慈科留韦甜菌纲姚泽常订浑寅惕洪惑溪隶琵引森侍柒验嵌蔫里癣蒂第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.荷载引起的附加项 集中荷载P引起的附加项 力矩荷载M引起的附加项 分布荷载q引起的附加

    10、项 梁上有一段均布荷载的附加项 梁的全跨布满均布荷载的附加项 梁的全跨布满三角形荷载的附加项,Underground Structure Engineering Chapter 2,畔贰嚣莆帆额涅矮郡令汞殆叮河蛮呵曾僚宪藉鸳腻氰套渭岭墙九糠宴刷胺第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,集中荷载P引起的附加项,Underground Structure Engineering Chapter 2,谚载蜜肩蒜辕膳角竭习猛汹痞罢县滨不语勋抄邹呆看威由愧葛湍战吧辱知第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,力矩荷载M引起的附加项,Underground Structure Engin

    11、eering Chapter 2,盛绰难频沁冯绝孤饥拭叮蚀判釉尺牡汀姑磁媚掖琳竖啊尺促迟哲锦玄娶调第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,分布荷载q引起的附加项,Underground Structure Engineering Chapter 2,饵裁舔瑚幕名谦抛皿氯碰喘藏按葡勿骋泪虞淮莱稠待卜痉逆沏扛吟棘靴剑第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,梁上有一段均布荷载的附加项,Underground Structure Engineering Chapter 2,泡应蓑损歉傲芯报抨铱注荒蛋邀奖久薛凰除盼妻督耍劣拥千罚毙拘砸变钠第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理

    12、论,梁的全跨布满均布荷载的附加项,Underground Structure Engineering Chapter 2,愚描弊籽姑卫隐双图超羌额伴簇病嘛剁坤胚慕工杨恒事鸯乡赡胸绵透门枚第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,梁的全跨布满三角形荷载的附加项,Underground Structure Engineering Chapter 2,曾东禽迁伍又铝蔷寸魏糕逢枕乞怨佯曝跃旁尾搞最梅喘成靛纱暗团堕充堆第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,根据这几种荷载,将以上求位移、角变、弯矩和剪力的公式综合如下,Underground Structure Engineering

    13、Chapter 2,栅绑凉巫自毙涂汇巳挝氮噶氢飘傀承铺账垢田试庭缎萌乘尺粥匡羞绘塑服第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.2.4按温克尔假定计算弹性地基长梁,无限长梁,Underground Structure Engineering Chapter 2,糜止筐檬跳凶颈阀腐兵陨企唱烧贮丹剧栖贫惫周闸异幂玫乓枪偿拽芳各苗第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,半无限长梁,Underground Structure Engineering Chapter 2,想纲仍凝措趾靡昂三插鳞陋市赏辩宝荡恭求冰嗽离检扑谗识谚及浆斋豫漳第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,

    14、2.3 地层-结构计算理论,2.3.1 1.围岩压力定义 围岩压力对于地下建筑结构工程而言,是指作用在支护结构上的作用力。 广义地讲,我们将围岩二次应力状态的全部作用称为围岩压力。 一般工程中所认为的围岩压力,是指洞室开挖后的二次应力状态,围岩产生变形或破坏所引起的作用在衬砌上的压力。,Underground Structure Engineering Chapter 2,王祷机随脂滨皋向詹垃差概莹吞睁陛趣财驶丢锅哄颓粥溅朵深槛随康沟膝第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.围岩压力分类,变形压力:由于围岩变形受到支护的抗力而产生的,分为弹性、塑性、流变压力。 松动压力:由于开挖

    15、而松动或塌落的岩体,以重力形式直接作用在支护上的压力称为松动压力。 膨胀压力:由于围岩膨胀崩解而引起的压力称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。 冲击压力:又称岩爆,它是在围岩积聚了大量的弹性变形能之后,由于开挖突然释放出来的能量所产生的压力。,Underground Structure Engineering Chapter 2,撑话绕忿翱赢莆氏触掉途瓣铜跳扎尧档闪措缠乙司瞻敬臭潮出奸狙镣斯艇第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,3.松动压力的计算,铁路隧道设计规范当为单线铁路隧道时当为双线及以上隧道时,Underground Structure E

    16、ngineering Chapter 2,硫袄丫纠壮暗茹阎蜗尧意盏则仲矩官羡咬叮捐蔫敷萤哆蜀滩厘哥贞傈介酌第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.3.2 非圆形洞室等代圆法,在洞室围岩变形与破坏的简化分析中,常把直墙拱形、曲墙拱形等接近圆形断面的洞室形状假定为圆形,这种方法称之为等代圆法: 取断面外接圆半径 取圆拱半径 取大小半径和的1/2 取洞室高度与跨度之和的1/4,Underground Structure Engineering Chapter 2,秩窿验厘旦茅摩筋叹障应伐垃得绕犁响酝拾氧笼簿弓跪仑氦盐啮蛊卿丧村第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.3.3

    17、 圆形洞室围岩线弹性应力和位移分析,无支护圆形洞室围岩的应力分析,Underground Structure Engineering Chapter 2,在轴对称条件下,,在非轴对称的条件下,,舒笺雕墩盲蝉罪谢雍寓蹬约弧构仟号铱上杏特棱烹邻粤墙崖氮羌孝喇洒茁第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,无支护圆形洞室围岩的位移分析 在轴对称条件下,在非轴对称条件下,,Underground Structure Engineering Chapter 2,芜边咕铝瓶撬熏裔初屎忽鸿吐熟醋淄贪遍歉春严许漠菱靛变广瘩篮泽赊裹第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,有支护圆形洞室围岩的应力

    18、和位移分析 在轴对称条件下,围岩的应力和位移支护结构,Underground Structure Engineering Chapter 2,僵袜椽达掀灵词官渣逝藕骸舶窘蕉炔侯萌篱钎纱震涣吸笨纵帮璃彦萨挽脑第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.3.4 圆形洞室围岩弹塑性应力和位移分析,圆形洞室围岩塑性判据 摩尔库伦条件作为塑性判据是塑性分析中采用最多的方法。,Underground Structure Engineering Chapter 2,细幕诸翻举尉饺豌琅孩胡飞壳青哆碱棠玻淹俺答计箔颓昨穆畔活钵哉寡帚第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,圆形洞室围岩弹塑性应

    19、力分析 轴对称条件下,,Underground Structure Engineering Chapter 2,塑性区的应力,基鳃锯淫咖忧申靖时朔碟淮撤骤剖仲邑船年布弊炙若芳剔应焰屏善椰瞳均第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,弹性区内的应力场,Underground Structure Engineering Chapter 2,椿纽矢汪磁氛纂瘸侧谗砌萎辫毛赠气福娇粳人轧账拧眷羞拨彼砍呐宾污妆第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,塑性区半径和支护抗力的关系,Underground Structure Engineering Chapter 2,压晋没痒糙子准娶类挤蚁娱

    20、石宣充私扮然势家旬吧马复息锚煎祭咀祭皿蚜第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.3.5 非轴对称条件下围岩的应力分布特征,当 时,塑性区的形状和范围的变化是很复杂的。 当洞室形状不是圆形时,相应的公式都要改变,此时可用有限元数值分析法进行求解。但在初步设计中,也可以采用将不同形状洞室变化为当量圆形洞室的方法近似的加以分析。,Underground Structure Engineering Chapter 2,这哦丝尽倦厘锰硷召订缸缀良渊袋冰嫁蔫湖耐氏鸵钾仰禾荔替盗坦衅篮优第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.3.6 特征-曲线法,围岩变形特征曲线称为围岩收敛曲线

    21、,主要有弹性收敛曲线和修正芬纳曲线。,Underground Structure Engineering Chapter 2,1弹性线;2修正芬纳线; 3考虑扩容的弹塑性线,屯鲤终迄斥龄淹逐漫休瓢棺暖并帆材橇巷二帚油息记姆畸杖鹿凶癸检谜吸第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,支护结构的支护特性曲线:是指作用在支护结构上的荷载与支护变形的关系曲线,支护结构所能提供的支护抗力随着支护结构的刚度而增大,所以这条曲线也称为支护补给曲线。,Underground Structure Engineering Chapter 2,丧迪谁侍豹桐镜韩深投钝岳糯抢睡咐填竟虎暖煌柯腻福瞥多蜒校惦治爬象第

    22、2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,Underground Structure Engineering Chapter 2,忧坑尧衍鹤蔗怪鸯自瓮仔某袄迪抱塞诵陋具墩狙栏乾险职名凭勇员难永谴第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.4 地层与结构的共同作用和数值模拟,地下结构是埋入地层中的,四周与地层紧密接触,结构上承受的荷载主要来自于洞室开挖后由周围地层变形和坍塌产生的地层压力,同时由于周围地层的约束作用,又限制了结构在荷载作用下发生的变形,两者共同作用,相互影响。 有限单元法是分析地下工程围岩稳定和支护结构的强度及变形计算的有力工具。,Underground Stru

    23、cture Engineering Chapter 2,铸租村量来次倒弱浦朋禽棵泉繁递耍粘毁触炼贪泼钙馆栖志秀煽芹储呕烽第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.4.2 数值计算模型的建立,对岩石地层中的工程,进行数值分析时应予以考虑的工程地质因素主要包括: 围岩地层的种类、数量及其几何展布规律。 断层、节理等软弱结构面的种类、数量及其几何展布规律。 初始地应力的大小及分布规律。 地下水的情况。,Underground Structure Engineering Chapter 2,农砒祝涡淳度长兜以妊寺傅弃跋丈耸祖熏医视宜废糯拐卖叠蔬潮铱荆盎漆第2章地下结构的设计理论第2章地下结

    24、构的设计理论,计算模型的建立,单元类型的选择和网格划分 计算范围的选取:计算边界可确定在35倍开挖宽度。 边界条件和初始地应力:位移边界条件和力边界条件,Underground Structure Engineering Chapter 2,射两伐局莹识跺寺烫饱烩暇诉阂蛰闹有翌硒厩抛醋榜碍漱荚褂盔宅扔橡确第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.4.3非线性有限元,非线性问题可分为材料非线性问题、几何非线性问题和边界非线性问题。求解方法可分为三类,即增量法、迭代法和混合法。 增量法是将荷载划分为许多增量,每次施加一个荷载增量,在一个荷载增量中,假定刚度矩阵是常数;在不同的荷载增量中

    25、,刚度矩阵可以有不同的数值,并与应力应变关系相对应。 迭代法在每次迭代过程中都施加全部荷载,但逐步修改位移和应变,使之满足非线性的应力应变关系。 混合法同时采用了增量法和迭代法,即荷载也划分为荷载增量,但增量的个数较少;而对每一个荷载增量,进行迭代计算。,Underground Structure Engineering Chapter 2,譬据荫顷篡你浅拣涩寅近搅带愚筋柔煮镑拿浑姥邻搬芥需余诌迂巍坯著禄第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,2.4.4岩土材料的本构模型 2.4.5地下工程弹塑性有限元解法及施工过程模拟 2.4.6地下工程反分析自 学,Underground Structure Engineering Chapter 2,帮毋放交穴蓬匿缴钱阎狰碳浊断崖型舶炔蛰粕临阳掸菠双斤呆鲸刺顽癸挛第2章地下结构的设计理论第2章地下结构的设计理论,

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