[发明专利]一种考虑隧道应力拱效应的荷载—结构模型的建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种荷载-结构模型的建立方法，适用于公路隧道结构的设计。

背景技术

目前所采用的隧道结构设计模型包括经验类比模型、荷载-结构模型和地层-结构模型。其中，对于荷载-结构模型，围岩对结构的作用只是产生作用在隧道结构上的荷载(包括主动围岩压力和被动围岩抗力)，据此计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形。对于地层-结构模型，衬砌与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层。在隧道设计中，除了确有可供借鉴的工程经验进行类比外，一般都要进行受力分析，目前，我国隧道规范推荐的计算方法主要是荷载-结构方法，在荷载-结构法中，所谓结构是指衬砌结构，所谓荷载主要是指洞室开挖后有松动岩土的自重产生的围岩压力。计算工程中需先确定围岩压力的分布与量值，然后计算衬砌结构在围岩压力及其他荷载作用下的内力。这一方法与计算地面结构时习惯采用的结构力学方法相一致，特点是需要考虑发生变形时衬砌结构可能受到周围岩土介质的约束作用。

对于荷载-结构方法，根据地层对结构变形的约束能力，又分为径向和切向反力法、自由变形法、三角形反力法和径向反力法四种计算模型形式：其中，径向和切向反力法：是除了考虑地层的径向反力作用，还考虑地层对结构的切向摩擦力作用(即切向反力)，地层对结构的径向和切向摩擦作用分别用沿结构的径向弹簧和切向弹簧进行模拟。自由变形法：是结构处于自由变形状态，结构所承受的荷载作用只考虑土体的水平和垂直压力、结构自重以及竖向均布的地基反力，而不考虑地层对结构的弹性反力作用。三角形反力法：是假定在外荷载作用下，衬砌结构两侧产生朝向地层方向的水平变形，地层阻止此种变形而对结构产生水平的弹性反力作用，同时假定地层反力与衬砌水平变形成比例增加，按三角形分布，在水平直径处地层反力最大，反力主要作用在结构上与水平轴成±45°的范围。径向反力法：是当结构在外荷载作用下向地层发生位移时，地层会提供沿结构的径向弹性反力，但不考虑地层对结构的切向摩擦力作用，在计算模型中，结构外侧用全环径向弹簧单元模拟地层反力，仅考虑弹簧受压而不考虑其受拉作用。

上述几种荷载-结构方法，实际工程计算中采用比较广泛的计算模型形式是：在隧道衬砌全周设置径向压弹簧，或在拱顶处不设置弹簧而在其它部位设置径向压弹簧。在实际工程中，这两种模型计算所得隧道衬砌的受力与变形情况与现场勘测资料并不吻合，计算结果比衬砌实际承受的内力和变形偏大，这主要是由于：(1)计算时，没有考虑围岩的自承作用而使得作用在衬砌上的荷载比衬砌实际承受的荷载大；(2)在实际隧道工程中，隧道拱顶处由于受到围岩压力的作用会产生向下的变形，拱顶处的围岩压力向侧墙传递，导致拱顶处衬砌所承受的围岩压力变小，侧墙处衬砌所承受的围岩压力变大，这一现象与拱桥等拱形结构中存在的压力拱现象类似，因此，将这种由于拱顶衬砌变形而导致力的传递的现象定义为应力拱效应，即最终在隧道拱顶处形成应力拱效应。传统的这种荷载-结构计算模型不能很好地模拟围岩与衬砌之间的相互作用，为了安全起见，设计中，衬砌之上的荷载取得偏大，计算所得衬砌结构的内力和变形要比实际值大很多，这样设计出的衬砌厚度要比实际满足安全需要的衬砌厚度大很多，相应的工程造价就高，从而造成不必要的浪费。

发明内容

本发明的目的是为避免由于现有公路隧道荷载-结构方法计算模型没有考虑拱顶处的围岩压力变小并向侧墙传递导致侧墙处衬砌受力增加从而在隧道拱顶处形成应力拱效应，最终产生计算所得的隧道衬砌的内力与变形比衬砌实际承受的内力和变形偏大这样的缺陷(如图2所示)，提出一种考虑隧道应力拱效应的荷载-结构模型的建立方法，所建立的模型能反映隧道衬砌(尤其是拱顶和拱肩部位)的实际受力情况。