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弹性抗力

2020-04-09 21:01

衬砌在内水压力等荷载的作用下向围岩方向变形时,受到围岩阻抗而产生的作用在衬砌上的力。弹性抗力是被动力,其大小与围岩特性、地质构造、地下结构物的埋深、围岩边界条件、岩体初始应力的大小与方向,特别是结构物的变形特性和所承受的其他荷载等有关。作用在隧洞衬砌上的弹性抗力,反映了围岩与衬砌共同承担荷载,对衬砌有利。确切计算弹性抗力比较困难,一般沿用1867年捷克文克勒提出的假定,即

式中,p为衬砌所承受的弹性抗力;K为围岩的弹性抗力系数;y为衬砌外表面法向变位。

假设在无限弹性介质中,有一半径为R的圆形孔洞,当洞的内壁作用有均匀法向压力p时,则洞周边的径向变位为

式中,E、μ分别为岩体的弹性模量和泊松比。

根据文克勒假设,则有

式(3)表明弹性抗力系数与隧洞开挖半径(R)有关,一般常用开挖半径为1 m时的单位弹性抗力特性。单位弹性抗力系数(K0)与开挖半径为R(m)的实际断面的弹性抗力系数(K)有下列关系:

上式仅适用于各向同性、无限连续介质中承受均匀内水压力的圆形隧洞,对于其他情况,K值并非常量。单位弹性抗力系数(K0)值可根据围岩类别,查阅有关表格,或根据工程类比法分析确定。

其他荷载作用下的弹性抗力在隧洞衬砌周边的分布比较复杂,常用的是苏联布加耶娃(О.Е.бугаева)1951年发表的计算方法。布氏认为,在山岩压力、衬砌自重、洞内水重等荷载作用下,顶拱90°范围内衬砌向内变形,不存在弹性抗力,其余部位弹性抗力分布为

式中,Kδa、Kδb分别为φ=π/2及φ=π处衬砌受到的弹性抗力(见图)。

圆形隧洞衬砌弹性抗力分布图

(a)山岩压力作用;(b)衬砌自重作用;(c)洞内水重作用

对于圆拱直墙式隧洞及马蹄形隧洞的衬砌,布氏用类似的方法推出了相应的图形和公式。

由于布氏公式只考虑衬砌与围岩个别点变位的协调,而且只计入径向变位的协调,有时误差很大。作为边值问题用数值解法进行衬砌计算,可不必事先假定弹性抗力的分布,但仍要事先确定K值。有限单元法可根据围岩及衬砌的变形特性,通过围岩和衬砌接触面变形的相容条件,直接求出衬砌及围岩的内力与位移,不必再用弹性抗力反映围岩与衬砌的联合作用。

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