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[隧道设计] 安全经济的圆形竖井设计方法——GEO5竖井设计模块/Shaft

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发表于 2015-2-10 16:47:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 利百家 于 2016-3-30 11:31 编辑

  GEO5_v19版中新增竖井设计模块(Shaft),该模块主要用于分析和计算作用在圆形截面竖井上的三维土压力,以及竖井壁和其腰梁的内力分布。应用的是空间土压力(三维土压力)理论,该理论确保了竖井设计方案的经济可靠。下面就给大家简要介绍下该理论。

1.空间土压力
  如果圆形竖井的深度大于其直径,那么空间土压力将远小于采用经典土压力理论(平面应变假设)计算得到的土压力。如果将无限开挖(纵向长度无限)、有限开挖和圆形竖井的典型破坏面进行比较,可以明显看出三者之间的区别,如图1。
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图1 无限开挖、有限开挖和圆形竖井的破坏面形状
  基于不同的支护结构和施工方法,作用在圆形竖井上的空间土压力可以分为三种不同的情况。

(1)柔性支护结构
  典型的柔性支护结构有喷射混凝土衬砌(shotcrete shaft lining)和柔性钢(yielding steel mining support)。采用这种支护结构时,假设施加衬砌前,土体就已经发生了变形。因此,根据Berezantzev理论,此时作用在竖井上的土压力为空间主动土压力。

(2)刚性支护结构
  典型的刚性支护结构为钻孔灌注桩(bored pile shaft),且各灌注桩共同形成一个无缝圆。采用这种支护结构时,假设桩后土体在开挖过程中不发生变形。因此,基于Cheng&Hu理论,此时作用在竖井上的土压力为空间静止土压力。

(3)半刚性支护结构
  典型的半刚性支护结构为带腰梁的板桩墙(sheet pile walls supported by wale beam)。采用这种支护结构时,假设土体开挖后,施加腰梁之前,桩后土体会发生一定的变形。因此,此时作用在竖井上的土压力为1/2柔性结构假设下的土压力+1/2刚性结构假设下的土压力。
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图2 柔性结构、刚性结构、半刚性结构

3.竖井截面上的土压力分布
  当竖井截面上的土压力为均布分布时,竖井衬砌仅受轴力作用。但是,实际情况中的土体通常是非均质的。因此,可以通过以下函数来表示作用在竖井截面上的土压力,从而在设计时对土体的非均质性加以考虑(图3)。
Pd= P + 0.25Pcos2φ
14.png
图3 竖井截面上的土压力分布

4.柔性支护结构
  对于布拉格地铁C号线某隧道竖井,其开挖半径为2m,深度为20m,土体参数为:γ =19kN/3, φ = 25°, c = 10kPa。按照空间土压力理论设计后,实际监测数据证明设计方案安全可靠。
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图 4 平面土压力(蓝色短划线)和空间土压力(红色连续线)
6. 结论
  总的来说,空间土压力要小于平面土压力(二维土压力)。在第4节的例题中,平面土压力比空间土压力大14倍(图4)。因此,当竖井的深度和直径之比较大时,如果依然按照平面土压力理论计算,将使得设计过于保守,从而造成大量的浪费。

  有关详细介绍,大家可以查看“GEO5用户手册/理论/Shaft”章节。GEO5用户手册官网下载地址:http://www.geo5.cn/a/jiaochengziliao/wdjc/



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