隧道与地下工程 课件 第5、6章 喷锚支护原理与计算、 衬砌结构安全分析.pptx

第五章喷锚支护理论与计算;第五章喷锚支护理论与计算;5.1概述;喷锚支护优点;支护的类型;5.1.2喷锚支护设计和施工原则;锚杆的支护作用

锚杆是利用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。使用机械装置、粘结材料，将锚杆安设在地下工程的围岩或其他岩体中，形成能承受荷载，阻止围岩变形的支护形式，即锚杆支护。

;1.锚杆支护的作用;①悬吊作用;②减跨作用;③组合梁作用;④挤压加固作用;2.锚杆的类型;①机械式锚杆;②黏结式锚杆;②黏结式锚杆;③自进式中空注浆锚杆;5.2.2喷射混凝土支护作用;5.3基于弹塑性理论的喷锚支护分析与计算;5.3.1轴对称条件下喷层上围岩压力的计算;平衡方程及塑性方程为

由式（5-1）和式（5-2）得

;当r=r0时，σr=Pα+Pi得积分参数;令锚杆内端点的径向应力为σc并位于塑性区内，则弹塑性界面上有

由此得：

考虑锚杆内端的分布力，则：;上式可得有锚杆时的塑性区半径

当锚杆内端位于塑性内，且在松动区之外时，有锚杆时的最大松动区半径为;当锚杆内端位于松动区时，则有

有锚杆时的洞壁位移及围岩位移为;对于点锚式锚杆，可按锚杆与围岩共同变形理论获得锚杆轴力

在计算锚杆拉力时应乘以一个小于1的系数,即;因为锚杆是集中加载,其围岩变位实际上是不均匀的,如图所示

当锚杆有预拉力Q1作用时，则

按下式求出洞壁位移及锚杆拉力;

考虑锚杆上任意点的位移为

;当r0≤r≤ρ(中性点半径)时，锚杆轴力Q1为;当r=r0时，Q=0，故

当ρ≤r≤r0，其轴力Q2为;当r=p时，Q1=Q2，则有

由此算得锚杆最大轴力为;点锚式锚杆中，式(5-25)还可以写成(r0≠rc时)

为使计算简化，可将黏结式锚杆按点锚式锚杆进行计算;5.3.2喷锚支护计算;锚杆有一最佳长度，在这一长度时将使喷层受力最小。为防止锚杆和围岩一起塌落，锚杆长度必须大于松动区厚度，而且有一定安全度，即要求rcRɑ;2.喷层的计算;作为喷层强度校核，要求喷层内壁切向应力小于喷混凝土抗压强度。按厚壁筒理论有;5.3.3一些计算参数的确定;2.围岩初始位移u0的确定;[例5-1]均质围岩中圆形??室的喷锚支护计算，其有关计算参数如下：P=15MPa，C=0.2MPa，φ1=30o，E=2×103MPa，u0=0.1m，，r0=3.5m，r1=3.35m，rc=5.5m，e=0.5m，i=1m，As=3.14cm2，k=2/3，Eɑ=2.1×105MPa，τɑ=312MPa，Ec=2.1×104MPa，μc=0.167，fc=11MPa。试计算喷锚支护的喷层厚度。;将Pi、Pɑ及三式试算得Pi=0.338MPa，=7.72m，Pɑ=0.067MPa，Q′=33.81MN，;最后验算喷层厚度t;5.3.4非轴对称情况下喷锚支护解析与计算;1.围岩的塑性滑移方程;2.λ1时圆形洞室围岩破坏分析;3.喷混凝土支护的计算;有锚杆作用时，需将式(5-36)改写为;[例5-2]某圆形巷道半径为2m，埋深300m，C=0.3MPa，φ=40o，λ=0.5，岩层平均容重γ=25kN/m3，喷混凝土设计抗压强度fc=11MPa。试计算：（1）只喷射混凝土时喷层厚度；（2）锚杆和喷射混凝土时喷层厚度；（3）锚杆、钢筋网和喷射混凝土喷层厚度。

;K3取1.2，τc=0.2fc，则;故采用14cm厚的混凝土喷层。;用锚杆锚固后围岩C值的提高值为;喷层厚度;喷层厚度;5.3.5局部锚杆和喷层设计;2.锚杆长度的确定;2.锚杆长度的确定;2.锚杆长度的确定;;;4.喷射厚度;冲切破坏计算喷射混凝土若被危石冲切破坏时，其喷层厚度按下式计算;5.4钢拱架的受力分析;

由于钢拱架的受力比较复杂，所以要进行必要的简化，先从最简单的情况入手。隧道开挖后，架设钢拱架,钢拱架的受力按下图形式进行简化，围岩压力按均布荷载,沿钢拱架径向分布。设隧道宽度为B，高度为H。;建立坐标系，从而容易得到曲线的方程为

转换为极坐标方程：

根据竖向的力学平衡可得：;

根据水平方向的力学平衡容易得到界面上的轴力

根据力矩平衡，对A点的弯矩为零

可以求得断面处的弯矩M：;

令：cosα=t，则原式变为：;

所以，钢拱架拱顶处的弯矩为：;

在隧道开挖过程中，当遇到断层带或破碎围岩的时候，容易在拱顶发生塌方，此时钢拱架的作用主要是承载拱顶这部分松动岩体的重力，针对这种情况，进行简化，得到了图所示的钢拱架受力简图。;

根据力矩平衡，对A点的弯矩为零

根据竖向的力学平衡，可以得到：

所以;然后，钢拱架进行局部受力分析根据竖向的受力平衡，可以求出断面上