[發明專利]一種適用于穿越復合地層隧道的基底荷載計算方法

有效

• 申請號: 201910244842.4
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN110059370B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 肖明清;封坤;李策;孫文昊;鄧朝輝;謝俊
• 申請（專利權）人: 中鐵第四勘察設計院集團有限公司
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F119/14
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 李佑宏

1.一種適用于穿越復合地層隧道的基底荷載計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：獲取隧道的勘探參數，所述勘探參數包括：隧道頂部與水平地面之間的距離，復合地層中軟土層與硬土層的水平交界線與隧道水平中心線的位置關系，和隧道兩側硬土層的內摩擦角，以及所述硬土層在所述水平交界線處達到塑性極限狀態時的豎向荷載；

S2：根據軟、硬土層水平交界線與隧道水平中心線的位置關系建立復合地層的滑線場力學模型；在該滑線場力學模型中確定剛好與隧道底部相切的曲線，即硬土層的滑移線，所述滑移線包括呈直線的第一滑移線和呈對數螺旋線的第二滑移線，分別對應滑線場中的主動應力區和過渡應力區，兩應力區的交界線為呈直線的第一應力段，該第一應力段的兩端點分別為第一滑移線與第二滑移線的交點和所述水平交界線與隧道圓周的交點；

S3：根據復合地層中軟、硬土層分界線與隧道中心線的相對位置，結合滑移線與圓周相切的條件和切點的位置計算滑移區的寬度；

當所述水平交界線不低于所述隧道水平中心線時，滑移區的寬度可由下式進行計算：

式1中，b為滑移區的寬度；a為隧道的圓周半徑；為硬土層的摩擦角；θ₁為第一連線與第一應力段所成的夾角，該第一連線為第二滑移線上任意點與第一交界點的連續，所述第一交界點為所述水平交界線與隧道圓周的交點；

當所述水平交界線低于所述隧道水平中心線時，滑移區的寬度可由下式進行計算：

式2中，b為滑移區的寬度；a為隧道的圓周半徑；為硬土層的摩擦角；θ₃為第二連線與隧道水平中心線的夾角，該第二連線為第一交界點與隧道圓心的連線，θ₃＜0；

S4：計算隧道在所述第一交界點處所承受的荷載集度，計算公式如下所示：

式3中，q₂為所述第一交界點處的荷載集度；q₁為所述硬土層在所述水平交界線處達到塑性極限狀態時的豎向荷載；

由于隧道與硬土層交界的圓周上的荷載集度隨著與所述第一交界點距離的增大而減小，則隧道圓周上第一交界點與切點之間任意位置處的荷載集度可通過如下公式進行計算：

q_x＝q₂-λl_x (式4)

式4中，q_x為滑移區內弧線上任意位置X處的荷載集度；q₂為第一交界點處的荷載集度；lx為位置X與第一交界點在圓周上的距離；λ為荷載集度的折減系數。

2.根據權利要求1所述的適用于穿越復合地層隧道的基底荷載計算方法，其中，所述第二滑移線上任意點與第一交界點的距離可通過如下公式進行計算：

式5中，r₀為所述第一應力段的長度；θ′＝θ₁。

3.根據權利要求2所述的適用于穿越復合地層隧道的基底荷載計算方法，其中，步驟S3中式1的推導過程可包括如下步驟：

S31：以第一交界點為極坐標中心點，第一交界點與隧道圓心的連線為x軸建立極坐標系，且根據幾何關系可得到下式：

式6中，θ₂為第四連線與x軸的夾角，該第四連線為與滑移區接觸的隧道圓周上任意點與第一交界點的連線；

S32：根據所述第二滑移線與隧道圓周相切的條件，計算θ₁的大小，其公式如下：

S33：聯立式6和式7，并結合所述第二滑移線與隧道圓周相切的條件，可對應推導出式1。

4.根據權利要求1～3中任一項所述的適用于穿越復合地層隧道的基底荷載計算方法，其中，荷載集度的折減系數λ可通過第一交界點處的彎矩和為0進行推導計算，即

∑M_B＝M_AB+M_AC+M_CD+M_BD+M_W＝0 (式8)

式8中，M_B為第一交界點的彎矩；M_AB為水平交界線上的荷載對第一交界點的彎矩；M_AC為第一滑移線上的荷載對第一交界點的彎矩；M_CD為第二滑移線上的荷載對第一交界點的彎矩；M_BD為滑移區內弧線上的荷載對第一交界點的彎矩；M_W為重力對第一交界點的彎矩。