地下建筑結(jié)構(gòu)

第4章地下建筑結(jié)構(gòu)的計算方法

知識4地下建筑結(jié)構(gòu)算例

（一）概述地層結(jié)構(gòu)法主要包括如下幾部分內(nèi)容：地層的合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過程模擬以及施工過程中結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用、地層與結(jié)構(gòu)相互作用的模擬。針對不同的地下建筑，可進行相應(yīng)的合理簡化、采用相對適合的本構(gòu)模型進行數(shù)值模擬。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（二）地層的模擬經(jīng)過多年的發(fā)展，地層材料發(fā)展了多種模型，有各向同性線彈性、非線性彈性及彈塑性或橫觀各向異性、正交各向異性彈性模型；考慮周圍地層時間效應(yīng)的粘彈性、粘彈塑性模型；由于地下水在圍巖及土體中的滲流，先后發(fā)展了滲流耦合模型，考慮到土體中孔隙水壓力的變化，發(fā)展了固結(jié)模型等。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（二）地層的模擬針對巖體所表現(xiàn)出的非線性、時間效應(yīng)，應(yīng)用較多是彈塑性模型和粘彈性模型。彈塑性模型有多種屈服準則，例如Drucker—Prager屈服準則、Mohr-Coulomb準則、劍橋模型，以及多種硬化準則等。粘彈性模型有Maxwell、開爾文模型以及三元件模型等多種模型，以上模型反映巖體不可逆、剪脹、應(yīng)變軟化、各向異性等種種不同情況。土體介質(zhì)，非線彈性、劍橋模型、固結(jié)模型以及粘彈塑性模型應(yīng)用較多。對巖體內(nèi)部存在的節(jié)理、裂隙等常見的地質(zhì)現(xiàn)象，一般為接觸面材料，采用節(jié)理單元模擬。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬時空效應(yīng)工作面的限制，圍巖的變形不能自由、充分的釋放，應(yīng)力重分布不能很快的完成。距工作面2~3倍洞徑，掘進面的空間約束效應(yīng)才完全消失，應(yīng)力得到充分釋放。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬時空效應(yīng)應(yīng)力釋放、重分布要一個過程，表現(xiàn)出明顯的時間效應(yīng)，即巖體的流變失效作用，即使在空間效應(yīng)消失之后，變形仍在發(fā)展。作業(yè)面附近，兩種效應(yīng)的耦合作用。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬時空效應(yīng)隧道掘進面的空間幾何效應(yīng)在洞軸方向表現(xiàn)為“半圓穹”約束，在洞室橫斷面表現(xiàn)為“環(huán)形約束”。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬時空效應(yīng)研究方法：數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測。數(shù)值模擬：二維或軸對稱問題模擬：強調(diào)圍巖的特性，可以考慮非線性、塑性、蠕變、應(yīng)力路徑以及不連續(xù)面等，用位移釋放系數(shù)來模擬時空效應(yīng)。三維模擬：幾何模型復雜，計算機硬件的限制，側(cè)重于地下結(jié)構(gòu)的空間特性，一般采用彈性、粘彈性模型等。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬初始地應(yīng)力的計算初始地應(yīng)力可采用有限元計算法和設(shè)定水平側(cè)壓力系數(shù)法。對巖石地層，初始地應(yīng)力分為自重地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力兩部分。其中自重地應(yīng)力由有限元法求得，構(gòu)造地應(yīng)力可假設(shè)為均布或線性分布等。對軟土地層，常需根據(jù)水平側(cè)壓力系數(shù)計算初始地應(yīng)力。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬施工過程的有限元模擬地下工程開挖施工過程主要包括巖土體分部開挖及支護結(jié)構(gòu)的分層設(shè)置等。用以模擬上述不同施工階段的力學性態(tài)的有限元方程可寫為4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬施工過程的有限元模擬任一施工階段的位移、應(yīng)變和應(yīng)力為4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（三）施工過程的模擬注漿模擬在施工過程中，注漿是常用的地層加固方法，在施工模擬時，通常采用材料替換法進行模擬。注漿后的地層用一種新的材料模擬，以反映注漿后材料的力學性質(zhì)的變化。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（四）結(jié)構(gòu)的模擬地下建筑結(jié)構(gòu)的合理化模擬對結(jié)構(gòu)內(nèi)力有很大影響。錨噴支護一般采用桿單元模擬，也可對錨桿加固區(qū)的圍巖取用提高的c、φ加以考慮；支撐、鋼支架及襯砌一般采用梁單元模擬。襯砌結(jié)構(gòu)也可采用四邊形等參單元模擬，地下連續(xù)墻、樁一般也采用梁單元模擬。桿單元或梁單元都可以采用彈塑性模型、粘彈性模型以及和溫度有關(guān)的本構(gòu)模型。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（四）結(jié)構(gòu)的模擬對盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以采用均質(zhì)圓環(huán)模型、梁彈簧模型等。梁彈簧模型充分反映了結(jié)構(gòu)的連接和受力特性；對梁彈簧模型，管片采用直(曲)梁單元模擬，管片之間以及環(huán)間接頭用彈簧單元模擬。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（五）地層與結(jié)構(gòu)的相互作用1.地層與結(jié)構(gòu)相互作用的模擬支護結(jié)構(gòu)和地層間相互作用，采用接觸面單元模擬。并利用塑性理論接觸面單元建立非線性本構(gòu)關(guān)系。當法向應(yīng)力為壓應(yīng)力時，采用莫爾-庫侖屈服條件，不難導出其剪切滑移的塑性矩陣。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例（五）結(jié)構(gòu)的模擬2.雙層襯砌之間的相互作用雙層襯砌之間的相互作用有兩種模擬方式，分別用接觸面單元和彈簧單元模擬。應(yīng)用彈簧元模擬時，分別用徑向、環(huán)向彈簧模擬兩層之間的法向作用、剪切作用，彈簧參數(shù)根據(jù)實驗和經(jīng)驗選取。4.4地下建筑結(jié)構(gòu)算例4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計IV級圍巖參數(shù)開挖方法

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計支護參數(shù)

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計支護參數(shù)

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計支護參數(shù)

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計網(wǎng)格劃分

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計邊界條件：模型頂面施加的是應(yīng)力邊界條件；底面約束垂直方向的位移；左邊界和右邊界限制水平方向(x方向)的位移；軸線方向(y軸方向)約束y軸方向的位移。

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計荷載：這里的地應(yīng)力場近似看作自重應(yīng)力場，且水平地應(yīng)力等于自重應(yīng)力與側(cè)壓力系數(shù)的乘積。

即

4.4算例-某山嶺隧道噴錨支護設(shè)計有限元模型：

4.4算例-