396、试述隧道设计计算理论的发展历程。

答案解析

正确答案：隧道支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在隧道结构上的荷载以及如何考虑围岩的承载能力。从这方面讲,隧道支护结构计算理论的发展大概可分为3个阶段:(1)刚性结构阶段:19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构,这类建筑材料的抗拉强度很低,且结构物中存在有较多的接触缝,容易产生断裂。为了维护结构的稳定,当时的地下结构截面都拟定得很大,结构受力后产生的弹性变形较小,因而最先出现的理论是将地下结构视为刚性结构的压力线理论。(2分)压力线理论认为,地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构,所受的主动荷载是地层压力,当地下结构处于极限平衡状态时,它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系,铰的位置分别假设在墙底和拱顶,其内力可按静力学原理进行计算。这种计算理论认为,作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力,没有考虑围岩自身的承载能力。(2分)(2)弹性结构阶段:19世纪后期,混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现,并用于建造地下结构,使地下结构具有较好的整体性。从这时起,地下结构开始按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。作用在结构上的荷载是主动的地层压力,并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。这类压力理论认为,当地下结构埋置深度较大时,作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力,而只是围岩坍落体积内松动岩体的重力-松动压力。(2分)对于围岩自身承载能力的认识又分为两个阶段:①假定弹性反力阶段:这种理论假定了弹性反力的形状,以此来计算结构内力。②弹性地基梁阶段:将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向弹性地基梁,即可计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。(1分)(3)连续介质阶段:由于人们认识到地下结构与地层是一个受力整体,20世纪中期以来,随着岩体力学开始形成一门独立的学科,用连续介质力学理论计算地下结构内力的方法也逐渐发展起来。(1分)这种计算方法以岩体力学原理为基础,认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力,从而引起它的应力调整,达到新的平衡;另一方面,由于支护结构阻止围岩变形,它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。(2分)