地下结构的地层结构计算方法
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开挖效应与 释放荷载
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
位移清零
模型建立要点
midas地层结构算例
初始地 应力场
计算开挖边界 等效结点力
删除开挖网格 反向施加结点力
确定释放系数
第七章 地层结构法的适用性
荷载分步释放 与围岩特性
岩爆
模型建立要点
midas地层结构算例
高地应 力
0.7m
E砼＝23Gpa A砼＝0.28m2 I砼＝0.00183m4
E钢＝210Gpa A钢＝39.578×10-4m2 I钢＝2500×10-8m4
E A ＝ E砼 A砼+ E钢A钢/S E I ＝ E砼 I砼+ E钢I钢/S
取E ＝ E砼
A ＝ A砼+ E钢A钢/(SE砼) =0.3316 I ＝ I砼+ E钢I钢/(SE砼) =0.002155
岩土材料
• 根据岩土性质和计算目的选择适合的本构模型。 • 定量分析时应注意材料参数的确定，必要时采用反分析。
结构材料
• 弹性或弹塑性 • 初期支护内的钢拱架与喷射砼一般视为整体计算
加固地层材料
• 直接模拟 • 不模拟，作为安全储备 • 提高地层材料参数
第七章 地层结构法的适用性
边界条件
模型建立要点
576个四边形单元
35个梁单元
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
地层与结构连接
公共节点，变形协调
. . . 1 node . A. B.
不同节点，相互独立
. . .. . 2 nodes . A. B.
摩擦接触，接触单元
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
模型建立要点
midas地层结构算例
地层－结构法
考虑地层与结构共同承载
研究对周边环境影响
分析对比施工工序 需考虑土体稳定、渗流、
流变、动力等特性时
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
何时选用 地层—结构
模型？
如何建立 地层—结构
地层-结构方法适用范围表
项目 Ⅰ级、Ⅱ级
Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级 Ⅵ级
双车道隧道 三车道隧道 连拱隧道 小净距隧道
※
※
※
※
※
★
★
★
★
★
★
★
●
●
●
●
—
—
—
—
— 表示本方法不适用于隧道衬砌结构设计的计算，
但仍可用于研究对周围环境的影响。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
基坑 《建筑基坑支护技术规程》
地层—结构 模型midas
分析实例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
算例：公路隧道施工模拟
某两车道分离式公路隧道， 采用复合型支护，要求对 其Ⅴ级围岩浅埋段进行施 工过程的地层结构法模拟。
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
几何模型 单元选择 材料属性 边界条件 查看结果
第七章 地下结构的地层—结构计算方法
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
何时选用 地层—结构
模型？
如何建立 地层—结构
模型？
地层—结构 模型midas
分析实例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
结构与地层相互作用方式的不同
地下结构的力 学模型
荷载—结构模型 地层—结构模型
模型？
地层—结构 模型midas
分析实例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
几何 模型
有限元 计算
读取计 算结果
网格剖 分
边界条 件
撰写计 算书
第七章 地层结构法的适用性
结构体系理想化
二维还是三维？
• 平面应变？ • 空间效应？
模型建立要点
midas地层结构算例
隧道施工纵剖面示意图
自承能力 共同承载
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
隧道
《公路隧道设计细则》 JTG/T D70-2010
9.1.2 在具有一定自承 能力的围岩中建造的隧道, 可采用地层—结构法对洞室 及支护结构的稳定性进行分 析计算。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
材料物理力学参数表
材料
容重 γ(kN/m3)
Ⅴ级
18
C25喷射砼 24
锚杆加固区 18
弹性模量 E(GPa)
1.3
23
1.3
泊松比 μ 0.4
0.2
0.4
内摩擦角 φ（°）
22
/
26.4
黏聚力 c（MPa）
0.12
/
0.144
第七章 地层结构法的适用性
确定模型位移边界条件。
• 地表自由 • 其余方向约束法向位移
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
荷载
初始地 应力
围岩 特性
施工 步骤
midas地层结构算例
地层压力为释放荷载
第七章 地层结构法的适用性
自重应 力场
构造应 力场
模型建立要点
midas地层结构算例
初始应 力场
第七章 地层结构法的适用性
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
几何模型 单元选择 材料属性 边界条件 查看结果
CAD导入
平面应变单元 梁、杆单元
理想弹塑性 MC屈服准则， C35砼、钢材
地表自由，约束其余 边界法向位移
变形、围岩应力、支护内力
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
18 25 10.5 15.74 35 / /
黏聚力 c（kPa）
6 3 17.8 35 5 / /
本节结束！
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第七章 地层结构法的适用性
网格剖分
地层
模型建立要点
实体单元 节理单元
单元选择
结构
实体单元 结构单元
地层与结构连接
midas地层结构算例
对应力精度要求高 时可采用高阶单元
可模拟实际形状 需要更多单元 获取内力结果不易
单元少 直接得到内力结果 不能体现结构截面
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
围岩+初期支护
50~30 25~35 60~75 10~30
围岩+初期支护+ 二次衬砌
0 45~25 35~15 85~60
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
何立 地层—结构
模型？
综合考虑计算精度和时间。
>3~5B
midas地层结构算例 地表
B
>3~5B
H
>3~5H
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
结构体系理想化
确定几何模型的点、线、面。
• 结构关键点、荷载作用点、变化点、需读取结果的典型位置 • 模型边界 • 不同地层或不同材料的分界面 • 开挖、施工过程需考虑的点、线、面 • 适当简化，便于网格剖分
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
算例：地铁车站基坑
某地铁车站基坑，标准 段深度为18.6m，宽度为 21.5m。围护结构采用 0.8m厚地下连续墙结合1 道砼支撑+4道钢支撑，连 续墙插入深度为25m。 采用地层结构法计算基 坑开挖支护全过程。
midas地层结构算例
软岩大变 形
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
初始地 应力场
围岩承载阶段 释放部分荷载
围岩初支共同承载 再释放部分荷载
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
围岩级别
Ⅲ级 IV级
初支 V级
二衬
荷载释放系数建议值
围岩
50~70 30~40 5~10 5~10
CAD导入
平面应变单元 梁单元
理想弹塑性 MC屈服准则， C25喷射砼
地表自由，约束其余 边界法向位移
变形、围岩应力、支护内力
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性 初支刚度折算
模型建立要点
midas地层结构算例
1m
0.28m
初期支护：28cm厚的
C25喷射混凝土，Φ6双
层钢筋网以及间距为 70cm的工20b钢支撑。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
二维平面 应变 三维无限长 实体
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
模型范围——减小边界效应影响
上表面一般取到地表，并视分 析目的决定对实际地形模拟的 精细程度。
其它边界原则上要达到地下结 构施工不使其产生变形的边界 为止。
至少超过三到五倍施工跨度。 二维模型尽量取大，三维模型
《基坑工程手册》
当有可靠经验时，可采用 空间结构分析方法对支挡式结 构进行整体分析或采用数值分 析方法对支挡式结构与土进行 整体分析。 采用连续介质有限元法可 以比较好的模拟开挖卸载、支 撑预应力等实际施工工艺。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
材料
杂填土 中砂 淤泥质土 粉质粘土 卵石 C35砼 钢支撑
材料物理力学参数表
容重 γ(kN/m3)
18.5 19.3 17.1 19.8 18 25 78.5
弹性模量 E(MPa)
9 15 6 18 40 31 210
泊松比 μ
0.35 0.3 0.38 0.44 0.22 0.2 0.3
内摩擦角 φ（°）
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
位移清零
模型建立要点
midas地层结构算例
初始地 应力场
计算开挖边界 等效结点力
删除开挖网格 反向施加结点力
确定释放系数
第七章 地层结构法的适用性
荷载分步释放 与围岩特性
岩爆
模型建立要点
midas地层结构算例
高地应 力
0.7m
E砼＝23Gpa A砼＝0.28m2 I砼＝0.00183m4
E钢＝210Gpa A钢＝39.578×10-4m2 I钢＝2500×10-8m4
E A ＝ E砼 A砼+ E钢A钢/S E I ＝ E砼 I砼+ E钢I钢/S
取E ＝ E砼
A ＝ A砼+ E钢A钢/(SE砼) =0.3316 I ＝ I砼+ E钢I钢/(SE砼) =0.002155
岩土材料
• 根据岩土性质和计算目的选择适合的本构模型。 • 定量分析时应注意材料参数的确定，必要时采用反分析。
结构材料
• 弹性或弹塑性 • 初期支护内的钢拱架与喷射砼一般视为整体计算
加固地层材料
• 直接模拟 • 不模拟，作为安全储备 • 提高地层材料参数
第七章 地层结构法的适用性
边界条件
模型建立要点
576个四边形单元
35个梁单元
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
地层与结构连接
公共节点，变形协调
. . . 1 node . A. B.
不同节点，相互独立
. . .. . 2 nodes . A. B.
摩擦接触，接触单元
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
模型建立要点
midas地层结构算例
地层－结构法
考虑地层与结构共同承载
研究对周边环境影响
分析对比施工工序 需考虑土体稳定、渗流、
流变、动力等特性时
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
何时选用 地层—结构
模型？
如何建立 地层—结构
地层-结构方法适用范围表
项目 Ⅰ级、Ⅱ级
Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级 Ⅵ级
双车道隧道 三车道隧道 连拱隧道 小净距隧道
※
※
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— 表示本方法不适用于隧道衬砌结构设计的计算，
但仍可用于研究对周围环境的影响。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
基坑 《建筑基坑支护技术规程》
地层—结构 模型midas
分析实例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
算例：公路隧道施工模拟
某两车道分离式公路隧道， 采用复合型支护，要求对 其Ⅴ级围岩浅埋段进行施 工过程的地层结构法模拟。
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
几何模型 单元选择 材料属性 边界条件 查看结果
第七章 地下结构的地层—结构计算方法
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
何时选用 地层—结构
模型？
如何建立 地层—结构
模型？
地层—结构 模型midas
分析实例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
结构与地层相互作用方式的不同
地下结构的力 学模型
荷载—结构模型 地层—结构模型
模型？
地层—结构 模型midas
分析实例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
几何 模型
有限元 计算
读取计 算结果
网格剖 分
边界条 件
撰写计 算书
第七章 地层结构法的适用性
结构体系理想化
二维还是三维？
• 平面应变？ • 空间效应？
模型建立要点
midas地层结构算例
隧道施工纵剖面示意图
自承能力 共同承载
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
隧道
《公路隧道设计细则》 JTG/T D70-2010
9.1.2 在具有一定自承 能力的围岩中建造的隧道, 可采用地层—结构法对洞室 及支护结构的稳定性进行分 析计算。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
材料物理力学参数表
材料
容重 γ(kN/m3)
Ⅴ级
18
C25喷射砼 24
锚杆加固区 18
弹性模量 E(GPa)
1.3
23
1.3
泊松比 μ 0.4
0.2
0.4
内摩擦角 φ（°）
22
/
26.4
黏聚力 c（MPa）
0.12
/
0.144
第七章 地层结构法的适用性
确定模型位移边界条件。
• 地表自由 • 其余方向约束法向位移
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
荷载
初始地 应力
围岩 特性
施工 步骤
midas地层结构算例
地层压力为释放荷载
第七章 地层结构法的适用性
自重应 力场
构造应 力场
模型建立要点
midas地层结构算例
初始应 力场
第七章 地层结构法的适用性
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
几何模型 单元选择 材料属性 边界条件 查看结果
CAD导入
平面应变单元 梁、杆单元
理想弹塑性 MC屈服准则， C35砼、钢材
地表自由，约束其余 边界法向位移
变形、围岩应力、支护内力
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
18 25 10.5 15.74 35 / /
黏聚力 c（kPa）
6 3 17.8 35 5 / /
本节结束！
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第七章 地层结构法的适用性
网格剖分
地层
模型建立要点
实体单元 节理单元
单元选择
结构
实体单元 结构单元
地层与结构连接
midas地层结构算例
对应力精度要求高 时可采用高阶单元
可模拟实际形状 需要更多单元 获取内力结果不易
单元少 直接得到内力结果 不能体现结构截面
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
围岩+初期支护
50~30 25~35 60~75 10~30
围岩+初期支护+ 二次衬砌
0 45~25 35~15 85~60
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
何立 地层—结构
模型？
综合考虑计算精度和时间。
>3~5B
midas地层结构算例 地表
B
>3~5B
H
>3~5H
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
结构体系理想化
确定几何模型的点、线、面。
• 结构关键点、荷载作用点、变化点、需读取结果的典型位置 • 模型边界 • 不同地层或不同材料的分界面 • 开挖、施工过程需考虑的点、线、面 • 适当简化，便于网格剖分
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
算例：地铁车站基坑
某地铁车站基坑，标准 段深度为18.6m，宽度为 21.5m。围护结构采用 0.8m厚地下连续墙结合1 道砼支撑+4道钢支撑，连 续墙插入深度为25m。 采用地层结构法计算基 坑开挖支护全过程。
midas地层结构算例
软岩大变 形
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
初始地 应力场
围岩承载阶段 释放部分荷载
围岩初支共同承载 再释放部分荷载
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
围岩级别
Ⅲ级 IV级
初支 V级
二衬
荷载释放系数建议值
围岩
50~70 30~40 5~10 5~10
CAD导入
平面应变单元 梁单元
理想弹塑性 MC屈服准则， C25喷射砼
地表自由，约束其余 边界法向位移
变形、围岩应力、支护内力
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性 初支刚度折算
模型建立要点
midas地层结构算例
1m
0.28m
初期支护：28cm厚的
C25喷射混凝土，Φ6双
层钢筋网以及间距为 70cm的工20b钢支撑。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
二维平面 应变 三维无限长 实体
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
模型范围——减小边界效应影响
上表面一般取到地表，并视分 析目的决定对实际地形模拟的 精细程度。
其它边界原则上要达到地下结 构施工不使其产生变形的边界 为止。
至少超过三到五倍施工跨度。 二维模型尽量取大，三维模型
《基坑工程手册》
当有可靠经验时，可采用 空间结构分析方法对支挡式结 构进行整体分析或采用数值分 析方法对支挡式结构与土进行 整体分析。 采用连续介质有限元法可 以比较好的模拟开挖卸载、支 撑预应力等实际施工工艺。
第七章 地层结构法的适用性
模型建立要点
midas地层结构算例
第七章 地层结构法的适用性
材料
杂填土 中砂 淤泥质土 粉质粘土 卵石 C35砼 钢支撑
材料物理力学参数表
容重 γ(kN/m3)
18.5 19.3 17.1 19.8 18 25 78.5
弹性模量 E(MPa)
9 15 6 18 40 31 210
泊松比 μ
0.35 0.3 0.38 0.44 0.22 0.2 0.3
内摩擦角 φ（°）