隧洞设计方法探索同济大学学习教案

《隧洞设计方法探索同济大学学习教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧洞设计方法探索同济大学学习教案（63页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、会计学1隧洞设计方法探索隧洞设计方法探索(tn su)同济大学同济大学第一页，共63页。1ccF 有限元强度折减法计算过程有限元强度折减法计算过程(guchng)：不断降低岩土不断降低岩土C、 值和抗滑力，直到破坏。值和抗滑力，直到破坏。1arctan(tan )F 强度降低强度降低(jingd)的倍数就是隧洞的安全系数的倍数就是隧洞的安全系数并能求出围岩的破裂面并能求出围岩的破裂面第2页/共63页第二页，共63页。水泥、石膏水泥、石膏(shgo)、滑石粉的比例为、滑石粉的比例为0.2：0.6：0.2 405215cm 模型尺寸：模型尺寸：第3页/共63页第三页，共63页。 隧洞隧洞(su d

2、n)模型模型 试验试验(shyn)方方案案第4页/共63页第四页，共63页。 (a)方案方案(fng n)一一 (b)方案方案(fng n)二二第5页/共63页第五页，共63页。(c)方案方案(fng n)三三(d)方案方案(fng n)四四(e)方案方案(fng n)五五模型试验模型试验数值模拟数值模拟第6页/共63页第六页，共63页。第7页/共63页第七页，共63页。围岩等效塑性(sxng)应变与潜在破裂面(a)1号路径(ljng)第8页/共63页第八页，共63页。(b)2号路径(ljng)(c)3号路径(ljng)(d)4号路径(ljng)等效塑性应变与X坐标关系曲线图(e)5号路径第9

3、页/共63页第九页，共63页。n9.8mm第10页/共63页第十页，共63页。 (a)模型破坏模型破坏 (压力压力(yl)28KN) (b)数值模拟（压力数值模拟（压力(yl)26KN）浅埋隧洞浅埋隧洞(su dn)破坏面破坏面洞跨洞跨8m，埋深，埋深3m第11页/共63页第十一页，共63页。埋深埋深1米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.3 埋深埋深3米，安全系数米，安全系数0.52 洞跨12m 高5m2 2 埋深1米，在顶部中间破坏。埋深3m，在肩部破坏，安全系数随埋深增大。c=40kpa第12页/共63页第十二页，共63页。埋深埋深7米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)

4、0.65 埋深埋深8米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.64 埋深埋深9米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.66 随埋深增加逐步形成浅埋压力拱埋深9m形成浅埋压力拱安全系数逐渐增大第13页/共63页第十三页，共63页。埋深埋深10米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.69 埋深埋深12米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.7 埋深10m浅埋压力(yl)拱逐渐消失形成深埋压力(yl)拱（拱高5M)埋深910m是深浅埋的分界线按规范公式hq为12m埋深埋深15米，安全系数米，安全系数0. 7 逐渐形成两个破裂面压力拱高不变安全系数不变第14页/共63页第

5、十四页，共63页。埋深埋深18米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.7 埋深埋深30米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.67 埋深埋深50米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.61 安全系数基本不变拱顶与侧壁出现两破裂面安全系数随深度减少明显出现两侧先破坏安全系数随深度减少两侧破坏第15页/共63页第十五页，共63页。第16页/共63页第十六页，共63页。第17页/共63页第十七页，共63页。埋深埋深4米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.87 埋深埋深7米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.84 埋深1m拱顶中间破坏埋深4m，拱腰破坏 埋深

6、7m，拱肩破坏与矩形不同，随深度增加安全系数减少。拱形洞室受力优于矩形洞室。埋深埋深3.5米，安全系数米，安全系数0.88 第18页/共63页第十八页，共63页。埋深埋深10米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.82 埋深埋深8米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.82 浅埋压力拱逐渐形成拱顶(n dn)破坏埋深埋深9米，安全系数米，安全系数0.82 埋深9m,浅埋压力拱形成拱顶破坏埋深10m,浅埋压力拱逐渐消失同时出现侧向破坏,不形成深埋压力拱第19页/共63页第十九页，共63页。埋深埋深12米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.81 埋深埋深15米，安全系数米

7、，安全系数(nqun xsh)0.8 埋深12m 、15m,浅埋压力拱逐渐消失隧洞(su dn)侧向破坏，埋深10米是深浅埋分界线规范为12米第20页/共63页第二十页，共63页。埋深埋深30米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.77 埋深埋深20米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.78 先侧向破坏随埋深增加，安全系数不断减少侧向破坏后形成(xngchng)塌落平衡拱埋深埋深50米，安全系数米，安全系数0.75第21页/共63页第二十一页，共63页。埋深埋深4米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.87 埋深埋深4米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)1.3

8、2 （3）不同强度时拱形洞室）不同强度时拱形洞室(dn sh)等效塑性应变图比较等效塑性应变图比较强度不同，安全系数不同，图形基本相同强度不同，安全系数不同，图形基本相同。 2222埋深埋深3.5米，安全系数米，安全系数0.88 埋深埋深3.5米，安全系数米，安全系数1.37 c=40kpac=70kpa第22页/共63页第二十二页，共63页。埋深埋深8米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)为为1.22 埋深埋深8米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.82 埋深埋深9米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)1.20 埋深埋深9米，安全系数米，安全系数0.82 埋深埋深7米，

9、安全系数为米，安全系数为1.25 埋深埋深7米，安全系数米，安全系数0.84 第23页/共63页第二十三页，共63页。埋深埋深10米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)为为1.18 埋深埋深10米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.82 埋深埋深12米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)1.15 埋深埋深12米，安全系数米，安全系数0.81 第24页/共63页第二十四页，共63页。埋深埋深15米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)为为1.12 埋深埋深15米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.8 埋深埋深20米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)为为

10、1.07 埋深埋深20米，安全系数米，安全系数0.78 第25页/共63页第二十五页，共63页。埋深埋深30米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)为为1.03 埋深埋深30米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)0.77 埋深埋深50米，安全系数米，安全系数(nqun xsh)为为0.9 深、浅埋分界线取决于洞形与洞跨深、浅埋分界线取决于洞形与洞跨 埋深埋深50米，安全系数为米，安全系数为0.75 第26页/共63页第二十六页，共63页。第27页/共63页第二十七页，共63页。第28页/共63页第二十八页，共63页。 开挖后塑性开挖后塑性(sxng)区区 破坏时塑性破坏时塑性(sxn

11、g)区区 第29页/共63页第二十九页，共63页。第30页/共63页第三十页，共63页。弹性模量弹性模量 ( ) 2030405060拱顶最大垂直位移拱顶最大垂直位移(cm)9.47.34.74.43.6侧墙最大水平位移侧墙最大水平位移(cm)7.65.13.83.02.5安全系数安全系数1.62 1.62 1.62 1.62 1.62表表1 不同不同(b tn)弹性模量的计算结果弹性模量的计算结果岩土的弹性模量很难测准，严重岩土的弹性模量很难测准，严重(ynzhng)影影响计算结果响计算结果MPa第31页/共63页第三十一页，共63页。类围岩不同断面的相对收敛位移界限类围岩不同断面的相对收敛

12、位移界限(jixin)标准标准 三心圆拱三心圆拱扁平直墙拱扁平直墙拱窄高直墙拱窄高直墙拱小断面小断面(dun min)（57.55）大断面大断面(dun min)(101510)围岩围岩类别类别毛洞毛洞断面断面部位部位隧洞断面形状隧洞断面形状三心圆三心圆直拱扁平直拱扁平直拱窄高直拱窄高小断面小断面大断面大断面拱顶拱顶0.290H0.559H0.257H0.481H0.164H0.310H0.134H0.258H侧墙侧墙0.350D0.672D0.192D0.362D0.472D0.896D0.212D0.410D第32页/共63页第三十二页，共63页。第33页/共63页第三十三页，共63页。图

13、图1开挖后围岩开挖后围岩(wi yn)的塑性区的塑性区 ( =0.20) 图图2开挖后围岩开挖后围岩(wi yn) 的塑性区的塑性区 （ =0.25）图图3开挖后围岩开挖后围岩(wi yn) 的塑性区的塑性区 ( =0.30) 第34页/共63页第三十四页，共63页。图图4开挖后围岩开挖后围岩(wi yn) 的塑性区的塑性区 ( =0.35) 图图5开挖后围岩开挖后围岩(wi yn) 的塑性区的塑性区 ( =0.40)（图图6开挖开挖(ki w)后围岩后围岩 的塑性区的塑性区 ( =0.45) 第35页/共63页第三十五页，共63页。泊松比不易泊松比不易(b y)测准，对塑性区大小影响很大测准

14、，对塑性区大小影响很大,但对安全系数影响很小但对安全系数影响很小0.200.250.300.350.400.45围岩塑性区围岩塑性区面积面积( ()294.5638.3912.858.968.718.68围岩塑性区围岩塑性区最大深度最大深度(m(m)14.006.262.761.571.281.20安全系数安全系数1.6241.6261.6251.6251.6261.627泊松比泊松比 第36页/共63页第三十六页，共63页。ANSYS软件软件(run jin)计算的塑性区计算的塑性区 PLASIX软件软件计算计算(j sun)的塑性区的塑性区 FLAC软件软件计算的塑性区计算的塑性区 第37

15、页/共63页第三十七页，共63页。PLAXIS FLAC ANSYS分析软件分析软件ANSYS PLAXISFLAC围岩塑性区面积围岩塑性区面积( ()8.9624.7822.40围岩塑性区最大围岩塑性区最大深度深度(m(m)1.573.092.80安全系数安全系数1.621.601.64第38页/共63页第三十八页，共63页。第39页/共63页第三十九页，共63页。cctanarc()第40页/共63页第四十页，共63页。第41页/共63页第四十一页，共63页。表表5 土体物理力学土体物理力学(l xu)参数参数弹性弹性模量模量泊松比泊松比容容 重重粘聚力粘聚力内摩内摩擦角擦角( ) 抗拉抗

16、拉强度强度400.35170.05250.02()MPa3(/)KNm()MPa()MPa)(MPa第42页/共63页第四十二页，共63页。表表6 不同矢跨比条件不同矢跨比条件(tiojin)的下剪切安全系数的下剪切安全系数 、矢跨矢跨比比拱高拱高（m）只折减只折减 、 折减折减 、抗拉强度抗拉强度00.01.721.731/60.51.711.711/31.01.671.681/21.51.641.642/32.01.591.59ccc第43页/共63页第四十三页，共63页。不同不同(b tn)矢跨比的剪切安全系数（矢跨比的剪切安全系数（ ANSYS ）、粘聚力粘聚力( )内摩擦角内摩擦角（

17、 ）跨度跨度( m )拱高拱高( m )矢跨比矢跨比 剪切安全剪切安全系数系数0.052530.51/61.69(1.71)11/31.65(1.68)1.51/21.62(1.64)0.021830.51/60.9311/30.901.51/20.88两种软件两种软件(run jin)计算误差小计算误差小于于2%MPa老黄土中洞室老黄土中洞室(dn sh)安全，新黄土中洞安全，新黄土中洞室室(dn sh)不安全不安全第44页/共63页第四十四页，共63页。开挖开挖(ki w)后的塑性区后的塑性区 破坏破坏(phui)时的塑性区时的塑性区 拱高拱高0.5米米等效塑性应变和潜在等效塑性应变和潜在

18、(qinzi)破裂面破裂面 第45页/共63页第四十五页，共63页。开挖开挖(ki w)后的塑性区后的塑性区 破坏破坏(phui)时的塑性区时的塑性区 等效塑性应变等效塑性应变(yngbin)和潜在破裂面和潜在破裂面 拱高拱高1米米第46页/共63页第四十六页，共63页。开挖开挖(ki w)后的塑性区后的塑性区 破坏破坏(phui)时的塑性区时的塑性区 等效塑性应变等效塑性应变(yngbin)和潜在破裂面和潜在破裂面 拱高拱高1.5米米第47页/共63页第四十七页，共63页。第48页/共63页第四十八页，共63页。(1) 对初期支护：围岩应力释放对初期支护：围岩应力释放50%后，施加后，施加初

19、期支护初期支护,要求围岩具有要求围岩具有1.151.20的安全系数的安全系数.(2) 对二次支护：在初期支护以后施加二衬，对二次支护：在初期支护以后施加二衬，要求围岩安全系数高于要求围岩安全系数高于1.151.20。对于。对于(duy)衬砌按现行规范的规定安全系数大于衬砌按现行规范的规定安全系数大于2.02.4，确保长期安全，确保长期安全 第49页/共63页第四十九页，共63页。表表 土体力学物理土体力学物理(wl)参数参数变形变形 模量模量泊泊松松比比容重容重粘聚力粘聚力内摩内摩 擦角擦角 抗拉抗拉 强度强度400.35170.05250.02第50页/共63页第五十页，共63页。图图 开挖

20、后围岩开挖后围岩(wi yn)塑性区塑性区支护支护围岩安全系数围岩安全系数未支护时未支护时0.840.84采用采用(ciyng)强度折减法求围岩安全系数强度折减法求围岩安全系数第51页/共63页第五十一页，共63页。00 .5eh0.9aKNR A第52页/共63页第五十二页，共63页。弯矩图 轴力图(lt)衬砌安全系数(nqun xsh)第53页/共63页第五十三页，共63页。无初期无初期(chq)支护时支护时,衬砌结构安全系数表衬砌结构安全系数表衬衬砌厚砌厚度度h/m开挖开挖后应后应力释力释放率放率最最不利不利位位置置弯距弯距/(KNm轴轴力力/MN偏心偏心距距e0/m衬砌衬砌安全安全系数

21、系数围岩围岩安全安全系数系数0.25 50%拱脚拱脚4282.74 0.151.621.22第54页/共63页第五十四页，共63页。第55页/共63页第五十五页，共63页。表表 衬砌以及衬砌以及(yj)围岩安全系数表围岩安全系数表初期支初期支护应力护应力释放率释放率二次衬二次衬砌应力砌应力释放率释放率最不最不利利位置位置弯距弯距/(KNm)轴力轴力/MN偏心偏心距距衬砌衬砌安全安全系数系数围岩围岩安全安全系数系数初期初期 50%1.21二次二次50%0拱脚拱脚5191.620.3205.00 1.42第56页/共63页第五十六页，共63页。洞跨洞跨12m初衬厚度初衬厚度(hud)为为30cm二

22、衬厚度二衬厚度(hud)60cm老黄土老黄土(hungt), C= 0.05 = 25新黄土新黄土(hungt), C= 0.022 = 20第57页/共63页第五十七页，共63页。 老黄土老黄土(hungt)衬砌以及围岩安全系数表衬砌以及围岩安全系数表初期支护初期支护应力释放应力释放率率二次衬砌二次衬砌应力释放应力释放率率弯弯距距/(KNm)轴轴力力/MN偏偏心心距距e0/m衬砌衬砌安全安全系数系数围岩围岩安全安全系数系数0（未支护）（未支护）0.750（只加锚杆）（只加锚杆）0.8350%（加锚（加锚杆）杆）0（不做（不做二衬）二衬）470.9034.460.1061.18初期支护初期支护

23、(zh h)安全系数安全系数第58页/共63页第五十八页，共63页。50%（加锚（加锚杆）杆）二二衬衬厚厚40cm016303.060.5334.63 1.3150%（加锚（加锚杆）杆）二二衬衬厚厚60cm023603.430.6885.31 1.37初期支初期支护应力护应力释放率释放率二次衬砌二次衬砌应力释放应力释放率率弯距弯距/(KNm)轴力轴力/MN偏心偏心距距e0/m衬砌衬砌安全安全系数系数围岩围岩安全安全系数系数二次支护二次支护(zh h)安全系数安全系数第59页/共63页第五十九页，共63页。新黄土新黄土(hungt)衬砌以及围岩安全系数表衬砌以及围岩安全系数表初期支护初期支护应力

24、释应力释放率放率二次衬砌二次衬砌应力释应力释放率放率弯距弯距/(KNm)轴轴力力/MN偏心偏心距距e0/m衬砌安衬砌安全全系系数数围岩围岩安安全全系系数数0（未支护）（未支护）0.510（只加锚杆）（只加锚杆）0.7250%（加（加锚杆）锚杆）0（未做二（未做二衬）衬）8876.720.1311.1550%（加（加锚杆）锚杆）0 （二衬后（二衬后60cm）37108.300.4362.201.33第60页/共63页第六十页，共63页。1.15n二次支护二次支护 厚度厚度60 cm 围岩围岩1.33 衬砌衬砌2.20 第61页/共63页第六十一页，共63页。有限元法自动求得；有限元法自动求得；n五、隧洞设计既要保证围岩安五、隧洞设计既要保证围岩安全，又要保证衬砌安全；既要全，又要保证衬砌安全；既要保证施工安全，又要保证运行保证施工安全，又要保证运行安全。安全。第62页/共63页第六十二页，共63页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第63页/共63页第六十三页，共63页。