北京交通大学土木建筑工程学院地下工程课程设计

地下工程课程设计
第一章
一、 工程地质概况
设计概况
线路垂直于永定河冲、洪积扇的轴部，第四纪地层沉积韵律明显，地层由上 到下依次为：杂填土、粉土、细砂、圆砾土、粉质粘土、卵石土。其主要物理力 学指标如表一。
表一
土的类型
厚度 （m） 天然重度γ （kN/m3） （kN/m3）
各层土的物理力学指标
弹性抗力系 数(MPa/m） 变形模量 E （GPa） 泊松比 μ 内摩擦角 ф（º） 粘聚力 C(MPa)
P ' a 2 Ps 2 K a 2 (1 16 3 18 6 17) tan 2 (45 69.808kN / m 2 25 ) 2
22 ) 2
22 ) 2
Pa 3 Ps 3 K a 2 (1 16 3 18 6 17 1.8 17.5) tan 2 (45 82.592kN / m 2 25 ) 2
0.4 0.35 0.32 0.32 0.32 0.30 0.35
20 21 22 25 23 27 35
0.005 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.04
二、 隧道概况
隧道顶部埋深 6m；采用明挖法施工；地下水位在地面以下 4m 处。隧道断 面形式和隧道埋深及土层情况见图一。
图一
图三 明挖隧道衬砌划分单元建模图
Ps i hi
i 1
n
116 3 18 2 (27 10) 104kN / m2
（2）侧向围岩压力
Pa1 Ps1 K a1 104 tan 2 (45 47.316kN / m 2 Pa 2 Ps 2 K a1 (1 16 3 18 6 17) tan 2 (45 78.253kN / m 2
图二
荷载分布图
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第三章
一、 建立明挖隧道模型
建立模型
首先在 Midas GTS 中建立工程，由于明挖隧道的中间墙和顶板和侧墙底板 的几何尺寸都不相同，所以定义了三种截面形式。衬砌使用 C30 混凝土，定义 材料的特性。将隧道衬砌的中心线在 Auto CAD 中生成 dxf 文件，然后导入工程 中，就生成了隧道衬砌的中线图。将隧道中心线划分为 76 个梁单元，共 75 个节 点。定义单元的材料截面特性。最终建立明挖隧道模型如图三示。
饱和重度γsat
杂填土 粉土 细砂 圆砾土 粉质粘 土 卵石土 基岩
1.0 3.0 6.0 4.5 6.0 10.0
16 18 19 19.5 20.0 20.0 22
24 26 27 27.5 28 28.5 29
50 90 100 120 150 200 300
0.8 0.9 1.2 1.5 1.8 2.0 2.5
3、水压力 （1）竖向水压力 隧道顶部竖直向下水压力：
Pw1 = w h1 10 2 20kN / m2
隧道底部竖直向上水压力：
Pw2 = w h2 =10 7.8=78kN / m2
（2）侧向水压力
Pw1 = w h1 10 2 20kN / m 2 Pw 2 = w h2 =10 7.8=78kN / m 2
目录
第一章 设计概况.................................................................................................................... 1 一、工程地质概况.................................................................................................................1 二、隧道概况.........................................................................................................................1 三、设计过程.........................................................................................................................2 第二章 荷载计算.................................................................................................................... 2 一、永久荷载.........................................................................................................................2 二、可变荷载.........................................................................................................................3 三、荷载组合.........................................................................................................................4 第三章 建立模型.................................................................................................................... 5 一、建立明挖隧道模型.........................................................................................................5 二、定义边界条件.................................................................................................................5 三、施加荷载.........................................................................................................................5 第四章 分析工况.................................................................................................................... 7 第五章 感想.......................................................................................................................... 10 附录.......................................................................................................................................... 11 附表一 各单元内力输出值...............................................................................................11 附图一 荷载分布图...........................................................................................................13 附图二 明挖隧道衬砌划分单元建模图...........................................................................14 附图三 轴力图（Midas GTS）......................................................................................... 15 附图四 弯矩图（Midas GTS）......................................................................................... 16 附图五 剪力图（Midas GTS）......................................................................................... 17 附图六 轴力图（Auto CAD）........................................................................................... 18 附图七 弯矩图（Auto CAD）........................................................................................... 19 附图八 剪力图（Auto CAD）........................................................................................... 20
2、车辆荷载
P车 =20kN / m2
三、 荷载组合
在 Midas GTS 软件中，可以对不同的荷载进行组合成为荷载组。为了建模 分析的简便， 防止在荷载组合时出错，在这里直接计算除自重荷载外所有荷载组 合后的最终荷载，自重荷载在软件中再进行组合。 按照 1.35 永久组合+1.3 可变荷载 组合值，最终确定该明挖隧道的荷载分 布图如图二所示。
隧道埋深及土层分布图（单位：m）
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地下工程课Hale Waihona Puke Baidu设计
三、 设计过程
1、根据给定的隧道或车站埋深判断结构深、浅埋； 2、计算作用在结构上的荷载（仅按使用阶段考虑） ； 3、进行荷载组合，只按照基本组合构件计算（1.35×永久荷载＋1.3×可变荷载） ； 4、绘出结构荷载图； 5、利用 ANSYS 或 Sap 或 Midas 程序计算结构内力，绘出结构内力图（弯矩图、 轴力图和剪力图） ； 6、提交完整的设计书。
二、 可变荷载
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1、地面超载 (1)竖向地面超载
P超 =20kN / m2
(1) 地面超载引起的侧向压力
Pa超1 =P超 K a1 =20 tan 2 (45 =9.099kN / m2 Pa超2 =P超 K a 2 =20 tan 2 (45 =8.117 kN / m 2 25 ) 2 22 ) 2
第二章
一、 永久荷载
荷载计算
1、结构自重 结构自重可以由 Midas GTS 软件在工况分析时激活，所以只需定义梁单元 的材料特性，就可以在结构计算中激活自重荷载，这里就不做计算。 2、围岩压力
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地下结构的埋深小于天然拱高度， 判断该明挖隧道为极浅埋。 出于安全考虑， 所有土压力采用水土分算法， 不考虑粘聚力对侧向土压力的影响，侧向土压力按 郎肯主动土压力计算。 （1）竖向围岩压力