论文部分内容阅读
我国公路和铁路隧道结构设计计算时，常采用荷载—结构模式。正确确定结构的主动荷载和被动荷载(弹性抗力)是设计的关键，要合理确定弹性抗力就必须满足结构与围岩局部变形协调一致的理论。 拱形隧道的弹性抗力分布常采用布佳耶娃法。布佳耶娃法假定隧道结构的曲度，难以考虑隧道结构形式，荷载大小与组合以及弹性抗力系数等，因而内力计算结果与实际情况有很大出入。本文针对布佳耶娃法的不足，基于结构与围岩局部变形协调一致理论，提出了逐次逼近弹性抗力精确解的新的方法－迭代法，并采用迭代法对拱形隧道的弹性抗力分布规律进行了研究，研究成果对拱形隧道工程的设计具有重要的理论和实用意义。 本文的主要创新成果如下： ①对于围岩的松动压力与侧压力系数呈正变关系的情况下，本文给出了围岩松动压力计算公式。针对Ⅲ～Ⅵ围岩弹性抗力与衬砌结构的刚度，形状和尺寸，荷载的大小、组合形式，围岩的弹性抗力系数等的相关性，通过回归得出了弹性抗力系数的计算公式。 ②在弹性抗力精确确定的逐次逼近中，提出了迭代法确定弹性抗力和结构内力。迭代法只要几何模型正确，可随意改变岩体参数，可以将拱圈和墙体按整体基本结构，采用荷载—结构模式通过迭代运算，就可以得到弹性抗力的分布和结构的内力。迭代法不管采用excel工具还是采用Matlab编程软件都可以达到准确确定弹性抗力的目的。由于迭代法满足局部变形理论，从而克服了布佳耶娃法的缺点。 ③研究了曲墙式隧道弹性抗力分布特点。范围随围岩级别的降低而减小且与衬砌的变形和几何条件有关；弹性抗力的上零点与对称轴中心的夹角一般在25~40范围内。衬砌结构的弹性模量对弹性抗力的分布有一定的影响，但影响不大；衬砌厚度对弹性抗力分布的影响要比弹性模量的影响大。拱部由多曲率半径组成的单线铁路隧道，其弹性抗力的分布与公路隧道的区别很大。 ④研究了直墙式衬砌弹性抗力分布特点。当无侧压力时，墙高的变化不影响弹性抗力的大小与分布，弹性抗力主要分布在拱圈部分，弹性抗力的上零点＜，最大弹性抗力点不在拱底和墙顶的结点；弹性抗力的下零点位于结点以下一定位置，根据围岩级别而变化，一般不在墙底，只有墙体高度很小时，才会出现在墙底。边墙有侧压力时，墙高对弹性抗力的分布范围和大小产生影响。 ⑤研究了公路隧道曲墙衬砌结构的内力分布特点。轴力沿拱顶向墙底不断增加，最大轴力位于墙底；弯矩随围岩级别的降低而不断增加，最大值一般在拱顶位置；墙底的弯矩随围岩级别的降低和墙高的增加而增加。 本文所研究的围岩松动压力确定公式和弹性抗力的确定方法，对隧道的结构设计将会产生积极的意义。