4、地层与地下结构的共同作用

4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、 4.2、荷载——结构法 、荷载 结构法 4.3、地层——结构法 、地层 结构法 4.4、算例 、
4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、
4.1.1 地下建筑结构计算方法的发展 1）早期经验阶段 ）
世纪初之前， 在19世纪初之前，地下建筑结构的建设完全依靠经验。 世纪初之前 地下建筑结构的建设完全依靠经验。
4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、
4.1.2 地下建筑结构的设计模型
计算模型的建立原则： 计算模型的建立原则： 一个理想的地下建筑结构的数学力学模型应能反映下列的因素： 一个理想的地下建筑结构的数学力学模型应能反映下列的因素： （1）必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几 ）必须能描述有裂隙和破坏带的， 何形状。 何形状。 （2）对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括 ）对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的， 将来可能出现的状态。 将来可能出现的状态。 （3）应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且 ）应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性， 还要能准确地测定出反映这些特性的参数。 还要能准确地测定出反映这些特性的参数。 （4）如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其 ）如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功， 安全度，则必须将围岩、 安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断 条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。 条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。 （5）要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系 ）要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合， 统的一致性。 统的一致性。
4.1.2 地下建筑结构的设计模型
各国采用的设计地下建筑结构方法（ 各国采用的设计地下建筑结构方法（续）
方法 地区 日本 盾构开挖的 软土质隧道 局部支撑弹性 地基圆环 自由变形或弹 性地基圆环 喷锚钢拱支撑 的软土质隧道 局部支撑弹性地基圆环， 局部支撑弹性地基圆环， 经验法加测试有限元法 初期支护：有限元法， 初期支护：有限元法，收 敛法 二期支护：弹性地基圆环 二期支护： 作用—反作用模型 作用 反作用模型 中硬岩石质 的深埋隧道 弹性地基框架，有限元法， 弹性地基框架，有限元法，特 征曲线法 初期支护： 初期支护：经验法 永久支护：作用—反作用模型 永久支护：作用 反作用模型 大型洞室： 大型洞室：有限元法 有限元法，有时用收敛法 有限元法， 明挖施工的 框架结构 弹性地基框架， 弹性地基框架， 有限元法 弯矩分配法解算 箱形框架
2）地下结构视为刚性结构计算理论阶段 ）地下结构视为刚性结构计算理论阶段
19世纪初 19世纪后期，地下建筑结构大多是以砖石材料砌筑的拱形结 世纪初~ 世纪后期， 世纪初 世纪后期 其特点为截面尺寸很大，结构受力后产生的弹性变形很小， 构，其特点为截面尺寸很大，结构受力后产生的弹性变形很小，因而最先出 现的计算理论是将地下结构视为刚性结构的计算理论，如压力线理论等。 现的计算理论是将地下结构视为刚性结构的计算理论，如压力线理论等。
4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、
4.1.2 地下建筑结构的设计模型
由于岩土介质在漫长的地质年代中经历过多次构造运动， 由于岩土介质在漫长的地质年代中经历过多次构造运动，影响其物理力 学性质的因素很多，而这些因素至今还没有完全被人们认识， 学性质的因素很多，而这些因素至今还没有完全被人们认识，因此理论计算 结果常与实际情况有较大的出入，很难用作确切的设计依据。为此， 结果常与实际情况有较大的出入，很难用作确切的设计依据。为此，与地面 结构不同，设计地下建筑结构不能完全依赖计算。 结构不同，设计地下建筑结构不能完全依赖计算。在进行地下建筑结构的设 计时仍需依赖经验和实践，建立地下建筑结构设计模型仍然面临较大困难。 计时仍需依赖经验和实践，建立地下建筑结构设计模型仍然面临较大困难。 各国采用的设计地下建筑结构方法
弹性地基上的连 续框架
4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、
4.1.2 地下建筑结构的设计模型
国际隧道协会认可的四种地下建筑结构模型： 国际隧道协会认可的四种地下建筑结构模型： （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； ）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； （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 ）以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法， 测值为根据的收敛——限制法； 测值为根据的收敛 限制法； 限制法 反作用模型， （3）作用 ）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 反作用模型 计算法等； 计算法等； （4）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 ）连续介质模型，包括解析法和数值法，解析法中有封闭解， 似解，数值计算法目前主要是有限单元法； 似解，数值计算法目前主要是有限单元法；
方法 地区 奥地利 盾构开挖的 软土质隧道 弹性地基圆环 覆盖层厚小于2D， 覆盖层厚小于 ，顶部无 支撑的弹性地基圆环， 支撑的弹性地基圆环，覆 盖大于3D， 盖大于 ，全支撑弹性地 基圆环， 基圆环，有限元法 弹性地基圆环有限元法 喷锚钢拱支撑 的软土质隧道 弹性地基圆环， 弹性地基圆环，有 限元法，收敛—约 限元法，收敛 约 束法 中硬岩石质 的深埋隧道 经验法 明挖施工的 框架结构 弹性地基框架
4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、
4.1.2 地下建筑结构的设计模型
我国采用的地下建筑结构设计方法可分为以下四种设计模型： 我国采用的地下建筑结构设计方法可分为以下四种设计模型： 结构模型（ （2）地层 ）地层——结构模型（又称岩体力学模型） 结构模型 又称岩体力学模型） 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 结构模型的计算理论即为地层结构法。 地层 结构模型的计算理论即为地层结构法 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， 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 以此验算地层的稳定性和进行构件截面设计。 以此验算地层的稳定性和进行构件截面设计。 在地层——结构模型中可以考虑各种几何形状、围岩和支护材料的非线 结构模型中可以考虑各种几何形状、 在地层 结构模型中可以考虑各种几何形状 性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等等。 性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等等。 利用这个模型进行地下建筑结构体系设计的关键问题， 利用这个模型进行地下建筑结构体系设计的关键问题，是如何确定围 岩的初始应力场以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。 岩的初始应力场以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这 些问题解决了， 些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应 位移状态。 力、位移状态。
前西德
同左
全支撑弹性地基圆 有限元法， 环，有限元法，连 续介质和收敛法 连续介质模型， 连续介质模型，收 敛法， 敛法，经验法
弹性地基框架 底压力分布简化） （底压力分布简化）
法国
有限元法，作用 有限元法，作用— 反作用模型， 反作用模型，经验 法
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4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、Βιβλιοθήκη Baidu述 、
4、地层与地下结构的共同作用 、
4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、
4.1.2 地下建筑结构的设计模型
我国采用的地下建筑结构设计方法可分为以下四种设计模型： 我国采用的地下建筑结构设计方法可分为以下四种设计模型： 结构模型（ （1）荷载 ）荷载——结构模型（又称结构力学模型） 结构模型 又称结构力学模型） 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 结构模型采用荷载结构法计算衬砌内力， 荷载 结构模型采用荷载结构法计算衬砌内力 面设计。 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， 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。 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。 主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌， 这一模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动 承担围岩“松动”压力的情况。 承担围岩“松动”压力的情况。 属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形 含拱形)法 属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架 含拱形 法，假定抗力法 和弹性地基梁(含曲梁和圆环 法等。 含曲梁和圆环)法等 和弹性地基梁 含曲梁和圆环 法等。
3）弹性抗力分析阶段 ）
19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并被用于建造地下工 世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现， 世纪后期 使地下建筑结构具有较好的整体性， 程，使地下建筑结构具有较好的整体性，地下结构开始按弹性连续拱形框架 计算内力，并以此进行截面设计。 计算内力，并以此进行截面设计。地下建筑结构在主动荷载作用下发生弹性 变形的同时，将受到地层对其变形产生的约束作用， 变形的同时，将受到地层对其变形产生的约束作用，由此建立了典型的假定 抗力方法、弹性地基梁的力法、角位移法及不均衡力矩与侧力传播法等。 抗力方法、弹性地基梁的力法、角位移法及不均衡力矩与侧力传播法等。
中国
瑞士
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英国
弹性地基圆环 缪尔伍德法
收敛—约束法， 收敛 约束法，经验法 约束法
有限元法，收敛法， 有限元法，收敛法，经验法
矩形框架
美国
弹性地基圆环
弹性地基圆环， 弹性地基圆环， 作用—反作用模型 作用 反作用模型
弹性地基圆环， 弹性地基圆环，Proctor—White 方法，有限元法， 方法，有限元法，锚杆经验法
4、地层与地下结构的共同作用 、
4.1、概述 、
4.1.1 地下建筑结构计算方法的发展
4）地层—结构计算阶段 ）地层 结构计算阶段 20世纪以来，认识到地下结构与地层是一受力整体，按连续介质力学理 世纪以来， 世纪以来 认识到地下结构与地层是一受力整体， 论建立地下建筑结构内力计算方法的研究也逐渐取得成果， 论建立地下建筑结构内力计算方法的研究也逐渐取得成果，已经建立的方法 既有解析解，又有各类数值计算法。 既有解析解，又有各类数值计算法。随着计算机技术的推广应用和岩土介质 本构关系研究的进展，地下结构的数值计算方法有了很大的发展，并已编制 本构关系研究的进展，地下结构的数值计算方法有了很大的发展， 了多种功能齐全的程序软件。 了多种功能齐全的程序软件。 5）施工力学 ）施工力学——信息化施工阶段 信息化施工阶段 20世纪 年代起，随着隧道施工力学研究的发展，人们开始致力于对采 世纪70年代起，随着隧道施工力学研究的发展， 世纪 年代起 用新奥法施作的隧道建立仿真计算技术的研究， 用新奥法施作的隧道建立仿真计算技术的研究，并据以对复合支护提出计算 方法和设计方法， 方法和设计方法，后者同时包括对地下工程施工的安全性监测建立和完善量 测技术，以及对其建立分析理论和对地下建筑结构的设计引入反馈设计方法， 测技术，以及对其建立分析理论和对地下建筑结构的设计引入反馈设计方法， 以优化工程设计和确保工程施工的安全性。 以优化工程设计和确保工程施工的安全性。 值得提出的是，在地下建筑结构计算理论研究的发展过程中， 值得提出的是，在地下建筑结构计算理论研究的发展过程中，后期提出 的计算方法一般并不否定前期的研究成果，鉴于岩土介质的复杂多变性， 的计算方法一般并不否定前期的研究成果，鉴于岩土介质的复杂多变性，这 些计算方法一般都有各自的适用场合，但都带有一定的局限性。 些计算方法一般都有各自的适用场合，但都带有一定的局限性。