[發(fā)明專利]一種考慮隧道應(yīng)力拱效應(yīng)的荷載—結(jié)構(gòu)模型的建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110302912.0
• 申請(qǐng)日: 2011-10-10
• 公開（公告）號(hào): CN102368277A
• 公開（公告）日: 2012-03-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尹蓉蓉;唐柏鑒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種荷載-結(jié)構(gòu)模型的建立方法，適用于公路隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)

目前所采用的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型包括經(jīng)驗(yàn)類比模型、荷載-結(jié)構(gòu)模型和地層-結(jié)構(gòu)模型。其中，對(duì)于荷載-結(jié)構(gòu)模型，圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載(包括主動(dòng)圍巖壓力和被動(dòng)圍巖抗力)，據(jù)此計(jì)算襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。對(duì)于地層-結(jié)構(gòu)模型，襯砌與地層一起構(gòu)成受力變形的整體，并可按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來(lái)計(jì)算襯砌和周邊地層。在隧道設(shè)計(jì)中，除了確有可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比外，一般都要進(jìn)行受力分析，目前，我國(guó)隧道規(guī)范推薦的計(jì)算方法主要是荷載-結(jié)構(gòu)方法，在荷載-結(jié)構(gòu)法中，所謂結(jié)構(gòu)是指襯砌結(jié)構(gòu)，所謂荷載主要是指洞室開挖后有松動(dòng)巖土的自重產(chǎn)生的圍巖壓力。計(jì)算工程中需先確定圍巖壓力的分布與量值，然后計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖壓力及其他荷載作用下的內(nèi)力。這一方法與計(jì)算地面結(jié)構(gòu)時(shí)習(xí)慣采用的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法相一致，特點(diǎn)是需要考慮發(fā)生變形時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)可能受到周圍巖土介質(zhì)的約束作用。

對(duì)于荷載-結(jié)構(gòu)方法，根據(jù)地層對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束能力，又分為徑向和切向反力法、自由變形法、三角形反力法和徑向反力法四種計(jì)算模型形式：其中，徑向和切向反力法：是除了考慮地層的徑向反力作用，還考慮地層對(duì)結(jié)構(gòu)的切向摩擦力作用(即切向反力)，地層對(duì)結(jié)構(gòu)的徑向和切向摩擦作用分別用沿結(jié)構(gòu)的徑向彈簧和切向彈簧進(jìn)行模擬。自由變形法：是結(jié)構(gòu)處于自由變形狀態(tài)，結(jié)構(gòu)所承受的荷載作用只考慮土體的水平和垂直壓力、結(jié)構(gòu)自重以及豎向均布的地基反力，而不考慮地層對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性反力作用。三角形反力法：是假定在外荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生朝向地層方向的水平變形，地層阻止此種變形而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平的彈性反力作用，同時(shí)假定地層反力與襯砌水平變形成比例增加，按三角形分布，在水平直徑處地層反力最大，反力主要作用在結(jié)構(gòu)上與水平軸成±45°的范圍。徑向反力法：是當(dāng)結(jié)構(gòu)在外荷載作用下向地層發(fā)生位移時(shí)，地層會(huì)提供沿結(jié)構(gòu)的徑向彈性反力，但不考慮地層對(duì)結(jié)構(gòu)的切向摩擦力作用，在計(jì)算模型中，結(jié)構(gòu)外側(cè)用全環(huán)徑向彈簧單元模擬地層反力，僅考慮彈簧受壓而不考慮其受拉作用。

上述幾種荷載-結(jié)構(gòu)方法，實(shí)際工程計(jì)算中采用比較廣泛的計(jì)算模型形式是：在隧道襯砌全周設(shè)置徑向壓彈簧，或在拱頂處不設(shè)置彈簧而在其它部位設(shè)置徑向壓彈簧。在實(shí)際工程中，這兩種模型計(jì)算所得隧道襯砌的受力與變形情況與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料并不吻合，計(jì)算結(jié)果比襯砌實(shí)際承受的內(nèi)力和變形偏大，這主要是由于：(1)計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮圍巖的自承作用而使得作用在襯砌上的荷載比襯砌實(shí)際承受的荷載大；(2)在實(shí)際隧道工程中，隧道拱頂處由于受到圍巖壓力的作用會(huì)產(chǎn)生向下的變形，拱頂處的圍巖壓力向側(cè)墻傳遞，導(dǎo)致拱頂處襯砌所承受的圍巖壓力變小，側(cè)墻處襯砌所承受的圍巖壓力變大，這一現(xiàn)象與拱橋等拱形結(jié)構(gòu)中存在的壓力拱現(xiàn)象類似，因此，將這種由于拱頂襯砌變形而導(dǎo)致力的傳遞的現(xiàn)象定義為應(yīng)力拱效應(yīng)，即最終在隧道拱頂處形成應(yīng)力拱效應(yīng)。傳統(tǒng)的這種荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型不能很好地模擬圍巖與襯砌之間的相互作用，為了安全起見，設(shè)計(jì)中，襯砌之上的荷載取得偏大，計(jì)算所得襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形要比實(shí)際值大很多，這樣設(shè)計(jì)出的襯砌厚度要比實(shí)際滿足安全需要的襯砌厚度大很多，相應(yīng)的工程造價(jià)就高，從而造成不必要的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為避免由于現(xiàn)有公路隧道荷載-結(jié)構(gòu)方法計(jì)算模型沒(méi)有考慮拱頂處的圍巖壓力變小并向側(cè)墻傳遞導(dǎo)致側(cè)墻處襯砌受力增加從而在隧道拱頂處形成應(yīng)力拱效應(yīng)，最終產(chǎn)生計(jì)算所得的隧道襯砌的內(nèi)力與變形比襯砌實(shí)際承受的內(nèi)力和變形偏大這樣的缺陷(如圖2所示)，提出一種考慮隧道應(yīng)力拱效應(yīng)的荷載-結(jié)構(gòu)模型的建立方法，所建立的模型能反映隧道襯砌(尤其是拱頂和拱肩部位)的實(shí)際受力情況。