地下结构的地层结构计算方法
地下结构的地层结构计算方法
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
地层、地层单位及其表示方法
地层、地层单位及其表示方法
地层是指地质起源的地下层次结构，是2500多万年来多次地壳构造活动的产物。
地层单位是指组成地层的基本构成，地层单位类型有岩性、沉积性和构造性。
地层的测量和表示形式有体积法、断面法和悬面法。
体积法是比较客观的测量地层的方法，即用地层体积表示地层厚度。
断面法是通过断裂面测量地层厚度，一般需要在地下取断层好的地方进行采集，以确定地层厚度。
悬面法是在露头单元中测量地层厚度，或者从野外边界到内部之间测量的地层厚度。
地层的表示形式有二维、三维和四维。
最常见的地层表示形式是二维，它是按照地层厚度在地面上放射或线性表示的。
三维表示形式是在断裂体积进行表示的，四维表示形式是加入了时间因素的三维表示形式，这是因为地层也受到环境和其他因素的影响。
总之，地层是地球显著特征之一，地层单位组成地层，而地层的表示形式又分为二维、三维和四维，以确定地层真实存在情况。
地下工程(5)
当K0=1的情况，这时 Ph=Pv=γh0，可得：
r
h0 (1
r02 r2
)
h0 (1
r02 r2
)
ur
h0r02
2Gr
r 0
u 0
图6-12 圆形洞室围岩内的微分单元
为了防止洞室破坏，对洞壁位移进行监测，随时 绘出位移与时间的关系，以便采取措施。
c、弹塑性围岩二次应力场和位移场的分布特点
一般浅埋：
q
hc
1
hc tan
2bt
式中符号意义见书中图5-5
5.2.2 主动围岩压力的计算
4 偏压地下结构主动围岩压力的计算
假定偏压分布图形与地面坡一致，其垂直 压力计算公式：
Q
2
2(h
h)bt
(h2
h2
)
tan
式中符号见课本p116
5.2.3 围岩被动反力的计算
当围岩性能比较好，并处于弹性状态时，围岩对结构 变形的反力称为弹性抗力。有两种计算理论：
5.2.2 主动围岩压力的计算
2 深埋结构主动围岩压力的计算方法 1)《隧规》所推荐的方法 以往铁路隧道的塌方资料统计分析得到围岩松动压力
的经验估算公式： B p 1.7 时：
h
双线隧道：q h g 0.45 2s1 1 i(B 5)
单线隧道： q (0.411.79s )
5.3.1 荷载结构法
2. 结构内力计算的力法和位移法 2）位移法的主要步骤： a 单元分析，建立单元刚度方程； b 进行整体分析，利用静力平衡条件和变形协调条件，建立以
结构节点位移为基本未知量的结构刚度方程； c 引入边界条件，求解结构刚度方程得到未知的结构节点位移； d 利用单元刚度方程，计算出结构的内力。 位移法数学表达形式具有一致性，便于实际计算
第四章 地下建筑结构的计算方法
Q系统分级与分级系数的关系
RQD J r J w Q= ⋅ ⋅ J n J a SRF
岩体质量分级
岩体 质量 特别 好
极好
良好
好
中等
不良
坏
极坏
特别坏
Q值
1000 ～400
400～ 100
100～ 40
40～ 10
10～ 4
4～1
1～ 0.1
0.1～ 0.01
0.01～ 0.001
Q系统分级的应用
3
§2工程类比法
隧道各级围岩自稳能力判断
自稳能力 围岩级别 Ⅰ Ⅱ 跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方 跨度10m ～20m，，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方； 跨度10m，可长期稳定，偶有掉块； 跨度10 ～20m，可稳定数日至1个月，可发生小～中塌方； 跨度5 ～10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小～中塌方 跨度5m,可基本稳定
18
§5 收敛限制法 5
收敛线概念： 收敛线概念： 据地层及洞室情况可有弹性、塑性、 据地层及洞室情况可有弹性、塑性、松动等三 段。 限制线概念： 限制线概念：
支护时间和结构刚度的 合理选择： 合理选择：（图 ）
19
§5 收敛限制法 5
收敛线的确定： 收敛线的确定： 解析法， 解析法，难，不同部位的收敛线不一样； 不同部位的收敛线不一样； 有限元方法； 有限元方法； 现场实测法 限制线的确定：与上类似 限制线的确定：
Ⅲ
Ⅳ
跨度5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展 为中～大塌方。 埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏 跨度小于5m，可稳定数日至1个月 无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日 无自稳能力
土层地下结构水、土压力的计算
第一节 经典土压力理论浅埋地下结构的竖向土压力计算：土柱理论，即竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。
侧向土压力计算的经典理论的主要依据：库伦(Coulomb)理论和朗肯〔Rankine)理论。
计算静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以称为经典理论。
1.1 静止土压力z K p γ00= （1-1）z c γσ= （1-2）μμ-=10K （1-3）02021K h E γ= （1-4）式中 γ-土的重度；z -由地表面算起至M 点的深度；0K -静止土压力系数；μ-土的泊松比，其值通常由试验来确定；0E 合力作用点位于距墙踵h /3处。
1.2 库伦土压力理论aa K h E 221γ= （1-5） p p K h E 221γ=（1-6）2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα-++-+-+=a K (1-7) 2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα++++-+-=p K (1-8) 粘性土中等效内摩擦角换算有多种, （1）根据土的抗剪强度相等的原则进行换算为：)(hctg arctg D γϕϕ+= (1-9) 还有其他换算方式：（2） 借助朗肯土压力理论进行换算，按朗肯理论同时考虑c 、ϕ值得到的土压力值要图1.1 静止土压力计算图式图1.2 库伦土压力计算图式和已换算成等效内摩擦角D ϕ后得到的土压力值相等，推算得到等效内摩擦角D ϕ。
（3）采用《建筑地基基础设计规范》计算。
1.3 朗肯土压力理论z z γσ= （1-10）z K x γσ0= （1-11）a a a K c zK p 2-=γ （1-12） P P P K c zK p 2+=γ （1-13）式中：)245(2ϕ-=tg K a ，)245(2ϕ+=tg K pγγ222221c K ch K h E a a a +-= （1-14） 图1.3 朗肯极限平衡状态第二节 地下结构的土层压力中南大学资源与安全学院 赵建平2.1 浅埋地下结构的竖向土层压力在软土地层中当地下结构物采用明挖法施工，埋置深度较浅(顶盖离地表面距离较近时)，称为浅埋地下结构。
大学_地下结构工程试题和答案
地下结构工程试题和答案地下结构工程试题和答案(一)一、填空题(每空2分，共40分)：1、地下结构的计算理论中以文克尔假定的基础局部变形理论以及弹性理论为基础的方法叫做。
2、土层地下建筑结构的计算方法有：、、等。
3、在无支护基坑竖直开挖分析中，坑壁自然稳定的最大临界深度与土的、、等力学性质有关。
4、地下水的处理方法可归结为两种：一种是，另一种是。
5、全长粘结锚杆的锚固剂主要有：、和水泥卷等。
6、锚杆对围岩的加固作用主要体现在它的、。
7、一般浅埋地下结构主要有：等结构形式。
8、沉管隧道基础处理方法的后填法有、二、简答题(每题6分，第3题9分，共21分)1、什么是SMW工法?此工法有何特点?2、简述沉井分类?3、什么是盾构法施工?三、论述题(每题20分，共40分)1、写出无支护基坑竖直开挖临界深度的计算公式，并分析其临界深度与土体的什么性质有关?2、分析新奥法和锚喷支护的联系和区别?答案1、地下结构的计算理论中以文克尔假定的基础局部变形理论以及弹性理论为基础的方法叫做。
文克尔理论2、土层地下建筑结构的计算方法有：、、等。
(写出3种即可) 荷载结构法、地层结构法、工程类比法3、在无支护基坑竖直开挖分析中，坑壁自然稳定的最大临界深度与土的、、等力学性质有关。
压缩性、抗剪能力、含水率4、地下水的处理方法可归结为两种：一种是，另一种是。
排水法、堵水法5、全长粘结锚杆的锚固剂主要有：、和水泥卷等。
树脂锚杆、聚氨酯锚杆、砂浆锚杆6、锚杆对围岩的加固作用主要体现在它的、、。
悬吊作用、组合作用、挤压作用7、一般浅埋地下结构主要有：、、等结构形式。
直墙拱形结构、矩形闭合结构和梁板式结构、8、沉管隧道基础处理方法的后填法有、、等。
喷砂法、砂流法、压浆法二、简答题1、什么是SMW工法?此工法有何特点?答：SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法，即在水泥土桩内插入H 型钢等(多数为H 型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等)，将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。
地下建筑结构的计算方法
地下建筑结构的计算⽅法4.1 计算⽅法现状和计算⽅法国际隧协认为可将其归纳为以下四种模型：⼀以参照已往隧道⼯程的实践经验进⾏⼯程类⽐为主的经验设计法；⼆以现场量测和实验室试验为主的实⽤设计⽅法，例如以洞周位移量测值为根据的收敛—限制法；三作⽤—反作⽤模型，例如对弹性地基圆环和弹性地基框架建⽴的计算法等；四连续介质模型，包括解析法和数值法，解析法中有封闭解，也有近似解，数值计算法⽬前主要是有限单元法。
按照多年来地下建筑结构设计的实践，我国采⽤的设计⽅法似分属以下四种设计模型：(⼀)荷载结构模型荷载结构模型采⽤荷载结构法计算衬砌内⼒，并据以进⾏构件截⾯设计。
其中衬砌结构承受的荷载主要是开挖洞室后由松动岩⼟的⾃重产⽣的地层压⼒。
这⼀⽅法与设计地⾯结构时习惯采⽤的⽅法基本⼀致，区别是计算衬砌内⼒时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作⽤。
(⼆)地层结构模型地层结构模型的计算理论即为地层结构法。
其原理，是将衬砌和地层视为整体，在满⾜变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内⼒，并据以验算地层的稳定性和进⾏构件截⾯设计。
(三)经验类⽐模型由于地下结构的设计受到多种复杂因素的影响，使内⼒分析即使采⽤了⽐较严密的理论，计算结果的合理性也常仍需借助经验类⽐予以判断和完善，因此，经验设计法往往占据⼀定的位置。
经验类⽐模型则是完全依靠经验设计地下结构的设计模型。
(四)收敛限制模型收敛限制模型的计算理论也是地层结构法，其设计⽅法则常称为收敛限制法，或称特征线法。
4.1 计算⽅法现状和计算⽅法下图为收敛限制法原理的⽰意图。
图中纵坐标表⽰结构承受的地层压⼒，横坐标表⽰洞周的径向位移。
其值⼀般都以拱顶为准测读计算，曲线①为地层收敛线，曲线②为⽀护特征线。
两条曲线的交点的纵坐标（P e ）即为作⽤在⽀护结构上的最终地层压⼒，横坐标（u e ）则为衬砌变形的最终位移。
因洞室开挖后⼀般需隔开⼀段时间后才施筑衬砌，图4-3中以u 0值表⽰洞周地层在衬砌修筑前已经发⽣的初始⾃由变形值。
重庆大学版《地下结构设计》1-10章习题答案
第一章1.简述地下结构的概念和特点。
概念: 地下结构是指在保留上部地层（山体或土层）的前提下, 在开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构。
特点:（1）地下空间内建筑结构替代了原来的地层, 结构承受了原本由地层承受的荷载。
在设计和施工中, 要最大限度发挥地层自承能力, 以便控制地下结构的变形, 降低工程造价。
（2）在受载状态下构建地下空间结构物, 地层荷载随着施工进程发生变化, 因此, 设计时要考虑最不利的荷载工况。
（3）作用在地下结构上的地层荷载, 应视地层介质的地质情况合理概化确定。
（4）地下水状态对地下结构的设计和施工影响较大, 设计前必须弄清地下水的分布和变化情况。
（5）地下结构设计要考虑结构物从开始构建到正常使用以及长期运营过程的受力工况, 注意合理利用结构反力作用, 节省造价。
（6）在设计阶段获得的地质资料, 有可能与实际施工揭露的地质情况不一样。
因此, 地下结构施工中应根据施工的实时工况动态修改设计。
（7）地下结构的围岩既是荷载的来源, 在某些情况下又与地下结构共同构成承载体系。
（8）当地下结构的埋置深度足够大时, 由于地层的成拱效应, 结构所承受的围岩垂直压力总是小于其上覆地层的自重压力。
2.简述地下结构的分类与形式。
按断面形式分类: 1）矩形2）圆形3）拱形4）其他形式按使用功能分类: 可分为生活设施、城市设施、生产设施、储藏设施、输送设施和防灾设施等按结构形式及施工方法分类: （1）喷锚结构（2）复合衬砌结构（3）盾构结构（4）沉管结构（5）沉井结构（6）地下连续墙结构（7）其他结构按与地面结构联系情况分类（1）附建式结构（2）单建式结构按埋置深度分类1）浅埋地下结构2）深埋地下结构3.简述地下结构计算理论的发展阶段和代表理论1.刚性结构阶段: 压力线理论该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。
地下结构数值计算方法_福州大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
地下结构数值计算方法_福州大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.地下结构是建筑在地层中的结构，从结构力学分析几何体系约束的角度上看属于结构。
答案:超静定2.建设部行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012规定，对地下水位以下的黏性土、黏质粉土，可采用土压力、水压力的方法。
答案:合算3.作用于支护结构的土压力和水压力有水土合算和水土分算两种方法，采用哪种方法主要是依据。
答案:土体的渗透性4.二维实体单元、二维梁单元、三维实体单元和三维梁单元的单个结点自由度分别是几个？答案:2、3、3、65.平面应变问题，如果平面在XY平面上的话，那么。
答案:σz≠0, εz=06.下图中的模型在二维有限元计算中，可以如何简化？答案:不能采用二维计算7.弹性力学的三大方程中，建立了应变和位移的关系。
答案:几何方程8.如果采用荷载—结构法模拟基坑，桩、墙式围护结构的设计应根据设定的开挖工况和施工顺序按模型逐阶段计算其内力和变形，也就是采用法来计算。
答案:竖向弹性地基梁，荷载-结构9.下关于荷载类型分类的说法正确的是（）。
答案:围岩松散压力属于永久荷载10.有限单元法的刚度矩阵元素的量纲是？（）答案:11.某地铁盾构隧道为单心圆双线隧道，外径为11.0m，衬砌厚度为0.6m，现采用荷载结构法计算衬砌结构，则建立几何模型时，画圆的半径应取（）。
答案:5.2m12.在有限元软件中可以通过以下哪个结果查看弹塑性分析的屈服区结果。
（）答案:塑性应变13.关于Midas软件中“定义施工阶段”对话框中“激活数据”和“钝化数据”代表的含义，以下说法正确的是（）。
答案:“激活数据”表示使单元参与计算，常用于模拟支护过程；“钝化数据”表示使单元不参与计算，常用于模拟开挖过程。
14.在三维有限元地层－结构法计算中，如果用六结点三角形板壳单元模拟结构底板，则应用以下哪一种单元模拟周围的地层？（）答案:十结点四面体单元15.进行地层－结构法计算时，若要得到地层的屈服区，可选用以下哪种本构模型？（）答案:剑桥模型16.围岩级别从Ⅰ级到Ⅵ级，自稳能力逐渐（）。
地下结构的荷载结构计算方法
荷载来源 弹性支承
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
隧道
《公路隧道设计细则》 JTG/T D70-2010
10.1.1 当隧道支护结 构在稳定洞室过程中起主要 作用、承担外部荷载较明确 、自重荷载可能控制结构强 度时，宜采用荷载—结构模 型进行内力计算，并对其极 限状态进行校核。
ANSYS：地铁车站
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
地铁
《 地铁设计规范 》 GB 50157-2013
11.6.2 桩、墙式围护 结构的设计应根据设定的 开挖工况和施工顺序按竖 向弹性地基梁模型逐阶段 计算其内力和变形。
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
结构体系理想化
二维还是三维？
• 隧道——平面应变？ • 洞口段、横洞的交叉段 • 初期支护刚支撑 • 注意荷载是否沿纵向不变
ANSYS：地铁车站
第四章 荷载结构法的适用性
结构体系理想化
二维还是三维？ • 基坑 • 空间效应
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
第四章 荷载结构法的适用性
模型建立要点
ANSYS：地铁车站
何时选用 荷载—结构
模型？
如何建立 荷载—结构
模型？
荷载—结构 模型ANSYS
地下建筑结构知识点总结
地下建筑结构知识点总结上课补充知识点：名词解释：共同沟（地下综合管廊、地下综合体）：在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信、燃气、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理。
地下建筑：分为两类，一类是修建在土层中的地下建筑结构；另一类是修建在岩层中的地下建筑结构。
地下建筑通常包括在地下开挖的各种隧道与洞室。
地下建筑结构：埋置于地层内部的结构。
流变包括：蠕变、松弛、弹性后效填空题：隧道按间距分为：1.分离式隧道2.小净距隧道3.连拱隧道4.大跨隧道浅埋暗挖法十八字方针：管超前、严注浆、短开挖、强支护、紧封闭、勤测量简答题：什么是明挖法？（了解）明挖法是指一种先将地面挖开，在露天情况下修筑衬砌，然后再覆盖回填的地下工程施工方法什么是暗挖法？（了解）暗挖法是即不挖开地面，采用在地下挖洞的方式施工什么是盖挖法？（了解）当地下工程施做时需要穿越公路、建筑等障碍物而采取的新型工程施工方法，是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工。
什么是盖挖顺做法？（可能考）挖到底再做主体结构（结合盖挖法的含义自己编）什么是盖挖逆作法？（可能考）边挖边做主体结构（结合盖挖法的含义自己编）第一章：绪论衬砌的定义：沿洞室周边修建的永久性支护结构衬砌的作用：衬砌结构主要起承重和维护作用。
承重，即承受岩土体压力、结构自重以及其他荷载的作用；围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。
衬砌分类及适用条件：地下建筑结构断面形式：圆形、矩形、马蹄形、直墙拱形、曲墙拱形、多边形、扁圆形土层下地下建筑结构：浅埋式结构、附建式结构、沉井（沉箱）结构、地下连续墙结构、盾构结构、沉管结构、顶管结构等。
(后面所学的章节就是这些结构，这里可以做一个总述)岩层下地下建筑结构：（图本身没什么用，能够发散去想才有用）这里除了穹顶结构，其他结构在隧道工程中也有提及，书上都有，看看吧。
地下结构的计算理论
● 间接量测：利用量测隧道衬砌的 应变、变形来推算作用在其上的围岩 压力的方法，即间接量测法。如电阻 应变片、钢筋应变计、遥测应变计、 混凝土应变砖等
2.2 弹性地基梁理论
❖ 弹性地基梁，是指搁置在具有一定弹性地基上， 各点与地基紧密相贴的梁 。如铁路枕木、钢筋混 凝土条形基础梁，等等。
❖ 梁可以是平放的，也可以是竖放的。地基介质可 以是岩石、黏土等固体材料，也可以是水、油之 类的液体材料。
❖ 通过这种梁，将作用在它上面的荷载，分布到较 大面积的地基上，既使承载能力较低的地基，能 承受较大的荷载，又能使梁的变形减小，提高刚 度、降低内力。弹性地基梁是超静定梁，针对弹 性地基梁的计算理论称为弹性地基梁理论。
Underground Structure Engineering Chapter 2
❖目前许多通用化、商业大型软件如Ansys、 Flac3D、Sap、Adina等。这些软件不仅能提 供二维、三维技术，而且还能提供静力动力分 析、线性非线性分析、小应变大应变分析。
Underground Structure Engineering Chapter 2
计算网格
整个三维 模型尺寸 为 348m×37 0m×282 m，整个 模型由 581202个 单元和 99785个 节点组成， 计算网格 如图所示
（a)荷载-结构模型 (b) 地层-结构模型
Underground Structure Engineering Chapter 2
荷载－结构模型 岩体力学模型
P
p 收敛限制模型
u o
•
收敛限制模型的计算理论是收敛限制法。
其原理是按弹-塑-粘性理论等推导公式后，在以洞
周位移为横坐标、支护反力为纵坐标的坐标平面内
第三章-地下结构计算原理和设计方法1
p (1) 以参照已往隧道工程的实践经验进行工程类比为主 的经验设计法；
p (2) 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例 如以洞周位移量测值为根据的收敛—限制法；
p (3) 作用—反作用模型，例如对弹性地基圆环和弹性地 基框架建立的计算法等；
目录
§3.1 概述 §3.2 地下结构的荷载 §3.3 结构内力的计算方法 §3.4 地下结构选型与构造 §3.5 设计模型与计算方法 §3.6 地下结构计算原理和设计方法中
的新进展 §3.7 工程设计实例
§3.3结构内力的计算方法
按衬砌与地层相互作用方式的不同，地下结构计 算方法大致可分为两类：1）荷载——结构法；2 ）地层——结构法。
ü Ⅶ 软 软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。 (f=1)
ü Ⅶa 软 软砂质粘土、砾石，黄土。(f=0.8)
14
图 3-7 拱形结构
3.4.2 圆形和矩形管状结构
• 可分为整体式和装配式两种：
图 3-8 衬砌结构形式
图 3-9 装配式衬砌结构图 3-10 装配式圆管结构的构造
p 地层——结构法进行内力计算的特点是，不仅 计算衬砌结构的内力，而且计算洞室周围地层 的应力。
p 只是对圆形洞室的解析解发展比较完善。 p 由于材料非线性、几何非线性、节理和其它不
连续特征以及开挖效应等许多复杂的工程因素 ，一般只能借助有限单元法等数值方法进行计 算。
§3.4地下结构选型与构造
• 3.4.1 拱形结构
主动荷载又可分为主要荷载、附加荷载、偶然荷载以及 特殊荷载等。
(a)主要荷载 即长期的、经常作用的荷载，如地层压力、支护结构 的自重、地下水压力及活载等。 应当指出，在围岩分类及确定围岩压力的研究中 ，工程类比法起着不容忽视的作用。 静水压力可按低水位考虑。 对于没有仰拱的衬砌结构，车辆活载直接传给地 层。对于设有仰拱的衬砌结构，车辆活载对拱、墙结 构的受力影响根据具体情况而定，一般可略去不计。
20地下工程结构的设计理论与方法
(1)锚杆
目前应用最广的是全长粘结式锚杆。端头锚固型锚杆一 般用于局部加固围岩及中等强度以上的围岩中。预应力锚索 一般用于大型洞室及不稳定块体的局部加固，而预拉力小且 锚固于中硬以上岩体时宜采用胀壳机械式锚头。摩擦式锚杆 目前主要用于服务期短的矿山工程。
锚杆长度的确定应当以能充分发挥其功能，并获得经济合 理的锚固效果为原则。一般来说，锚杆的最小长度应超过松动 圈厚度，留有一定安全余量，且不宜超过塑性区。对于裂隙岩 体和层状岩体。锚杆主要是对节理、裂隙面起加固作用，这时 锚杆宜适当长些．尽量穿过较多的节理和裂隙。根据经验，锚 杆长度可在洞跨1/4~1/2的范围内选取。
412地下工程结构的设计模型按照多年来地下工程结构设计的实践我国采用的设计方法似可分属以下1经验类比模型由于地下结构的设计受到多种复杂因素的影响使内力分析即使采用了比较严密的理论计算结果的合理性也常仍需借助经验类比予以判断和完善因此经验设计法往往占据一定的位置
4 地下工程结构的设计理论与方法
本章提要 (1)地下工程结构设计的四种模型 (2)经验设计法 (3)荷载-结构法 (4)地层-结构法 及其数值模拟△
4.2.2 其他设计与施工原则
?在洞室布置和造型上应适应原岩应力状态和岩体的地质、力学 特征，尽量争取较好的受力条件。
?施工过程中，尽量采用控制爆破技术，以减少对围岩的扰动， 使断面成形规整，以利于围岩自承力的保持和支护结构作用的 发挥。
?尽可能减少开挖时对围岩的扰动。 ?支护要及时快速。 ?合理利用开挖面的“空间效应”，抑制围岩变形。 ?尽量减少其他外界因素(主要是水和潮气)对围岩的影响。 ?初期支护采用分次施工的方法。 ?当围岩变形量很大时，必须加大支护可塑性来调控围岩变形。 ?调节支护封底时间。
地下空间规划复习资料
1.地下建筑包括的种类：使用功能，地下民用、工业、公共、交通、公用设施、综合体、特殊用途的地下空间；岩土介质，岩石与软土地下空间建筑，又称坑道、地道、地下室等几种。
2.地下空间结构：能够保障地下空间建筑使用功能要求的，在各种荷载作用下具有足够强度与稳定性的结构型式。
地下空间结构的主要特征：1）全埋或半埋在岩土中，承受岩土、水等荷载；2）由于地下防灾性能良好，对自然灾害中的风、雪、雨、地震等及人为灾害中包括核武器在内的各种武器杀伤破坏作用的防护性能；3）不需考虑风荷载与立面造型；4）采光与通风需要单独考虑;5)施工技术要求复杂及设备安装要求完善;6)具有较高的防潮、防水要求；7）造价较高。
3.地下空间结构的分类：1）结构形状：矩形框架结构、圆形结构、拱与直墙拱结构、薄壳结构、开敞式结构。
2）土质状况:土层与岩层地下空间结构。
3）施工方法：掘开式、暗挖式、盾构式、沉井式、连续墙式、沉箱式、逆作式、顶管式。
4.地下空间结构构件：1）内部结构：吊车梁、楼板、楼梯、柱、梁、内墙；2）衬砌（外部结构）：底板、顶板、侧墙、基础。
5.地下空间结构设计方法：1）刚性结构的压力线理论：估算的结构断面尺寸都很大；2）假定抗力阶段：按结构力学的方法计算器内力；3）弹性地基梁理论阶段：以地层物理力学特征为根据，并能考虑各部分地层沉陷的相互影响；4）连续介质阶段：采用岩土介质的各种流变模型进行了圆形隧道的粘弹性分析；5）数值方法阶段：提出了可按初应力释放法模拟隧洞开挖相应的概念。
6.结构设计的过程：1）按照可行性论证报告所规定的内容进行设计；2）了解建筑设计方案，确定关键结构技术；3）确定工程的荷载性质;4)确定施工方法及埋置深度；5）估算荷载值及进行荷载组合，确定主要建筑材料；6）确定个结构部分的结构形式及布置，估算结构的主要尺寸及标高；7)绘制结构设计初步图；8）估算结构材料及概算。
7.施工图设计内容：荷载计算、计算简图、内力及组合分析、结构配筋、构造确定、施工图、图纸预算。
第4章 地下建筑结构的计算方法
M
5
3
1
1
2
力矩平衡方程： M M12 M13 M14 M15
(S12 S13 S14 S15 )1
1
S12
M S13 S14
S15
力矩分配法的解题步骤： （1）在刚结点处加上附加刚臂，使原结构成为单
跨静定梁的组合体，计算分配系数。（结构处于 锁住状态） （2）计算杆端的固端弯矩，求结点不平衡力矩。 （3）将不平衡力矩反号后，按分配系数、传递系 数进行分配、传递。（将锁住的结点放松） （4）将各杆的固端弯矩、分配弯矩和传递弯矩相 加求得各杆的最后弯矩。 （5）绘内力图。
之后进行计算分析，必要时修改构件尺寸或结构 型式 要计算，但不能过于依赖计算
3
1. 概述
设计计算方法一般分以下4类：
工程类比法 （严格说并非计算方法） 荷载结构法：主动荷载、主动荷载+弹性抗力 地层结构法：共同承载，连续介质理论 收敛限制法：属地层结构法，弹塑-粘性理论 数值法、解析法可用于上列后3种方法的任意一种 计算模型：平面模型、空间模型
38
4. 收敛限制法
收敛限制法：
又称特征线法或变
形法，是一种以理论为
基础、实测为依据、经
验为参考的隧道设计方
法。由法国人1978年在
新奥法的基础上提出。
σ
基本原理是利用岩体特
征曲线和支护结构特征
曲线交会的方法来决定
P P P
支护体系最佳平衡条
件。
39
小结
荷载结构法结合实测还是较实用的方法。 数值法：理论上完善，但土的应力—应变关 系至今不成熟，关键问题在于土并非连续材 料； 收敛限制法：思想合理，但实用上尚待发展。
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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
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
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
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。
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
何时选用 地层—结构
模型？
如何建立 地层—结构
模型？
18 25 10.5 15.74 35 / /
黏聚力 c（kPa）
6 3 17.8 35 5 / /
本节结束！
Thank You
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
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
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
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
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
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
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
《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
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
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
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
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（°）
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
地层-结构方法适用范围表
项目 Ⅰ级、Ⅱ级