第三章原理方法ppt课件

1、第三章 地下结构的计算原理和设计方法,同济大学浙江学院 张广兴,.,2,3.1 概述 3.2 地下结构的荷载 3.3 地下结构选型与构造 3.4 设计模型与计算方法 3.5 结构内力的计算方法 3.6 地下结构计算原理和设计方法中的新进展,.,3,3.1 概述 1、地下结构的分类 拱形结构 圆形和矩形管状结构 框架结构 薄壳结构 异形结构,.,4,拱形结构,拱形结构,.,5,圆形和矩形管状结构,.,6,装配式衬砌结构图 装配式圆管结构的构造,.,7,异形结构,.,8,2、地下结构计算原理与设计方法的发展,第一阶段 ：古典岩土压力理论 代表性人物主要有海姆、朗肯和金尼克 上覆岩层的重量 侧压系数

2、 第二阶段 ：散体压力理论 坍落拱 荷载结构法 第三阶段 ：共同作用理论 自承作用,.,9,3.2 地下结构的荷载,地下结构荷载的分类 永久(主要)荷载：结构自重；回填土层重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力(含浮力)；混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等 可变(附加)荷载 ：吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、人员等荷重人群荷载等 偶然(特殊)荷载 ：地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载等,.,10,二、围岩压力,围岩压力是地下结构所承受的主要荷载 围岩压力是指位于地下结构周围变形及破坏了的岩层作用在衬砌或支撑上的压力，包括：垂直压力、水平压力和底部压力 大小主要和岩体的结构

3、、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸与形状、洞室的埋置深度、支护的类型和刚度、支护时间、施工方法等因素有关,.,11,确定围岩压力的方法 现场实测 理论计算 ：普氏理论、泰沙基理论 工程类比法 ：围岩分类 我国多采用工程类比法确定围岩压力，并采用现场实测和理论计算的方法进行验算,.,12,1、深埋和浅埋地下结构的判定,公路隧道 Hp=(22.5)hp(等效荷载高度) hp=q/ 铁路隧道 围岩类别 (好)III IV V(差) 单线隧道覆盖厚度 57 1014 1825 双线隧道覆盖厚度 810 1520 3035,.,13,2、深埋地下结构围岩压力计算,1）普氏理论 具有一定粘结力的松散介

4、质 形成抛物线状的天然拱,普氏理论压力计算模式,.,14,2）泰沙基理论 将隧道围岩视为散粒体,泰沙基（K.Terzaghi）理论压力计算模式,.,15,3）公(铁)路隧道推荐围岩压力计算方法 以隧道围岩分类和工程类比设计方法为基础，采用统计分析而拟定的经验计算公式,.,16,式中 q-围岩竖直均布压力(kN/m2)； S-围岩类别； -围岩容重(kN/m3)； -宽度影响系数， =1+i（B-5） B-隧道毛洞跨度 i-以B=5m的围岩竖直均布压力，B每增减1m时的围岩压力增减率，当B15m时，可参照i=0.1采用。,.,17,铁路隧道在2001年公布了新的勘察设计规范，重新给出了新的围岩分

5、类标准，其围岩分类按为国家标准。对于单线深埋隧道，围岩压力按松散压力考虑，竖直均布压力计算公式为 q=H H=0.411.79S 式中q-围岩竖直均布压力(kN/m2)； -围岩容重(kN/m3)； H-围岩压力计算高度(m)； S-围岩类别 该计算公式适用于不产生显著偏压力及膨胀力的且采用钻爆法施工的铁路隧道,.,18,对于更一般的深埋隧道，铁路隧道设计规范给出的竖直均布压力的计算公式为： q=0.452S-1 式中 S-围岩类别； -围岩容重(kN/m3)； -宽度影响系数=1+i（B-5） B-隧道毛洞跨度 i-以B=5m的围岩竖直均布压力，B每增减1m时的围岩压力增减率，当B15m时，

6、可参照i=0.1采用。,.,19,3、浅埋水平地下结构围岩压力计算,埋深(H)小于或等于等效荷载高度(hq)时 q=H e=(H+0.5Ht)tan2(45-0.5 ) 3.围岩的似摩擦角，参考公路隧道设计规范(JTJ026-2006)给出的计算摩擦角 4.围岩类别见书P67表3-7,.,20,埋深(H)小于或等于等效荷载高度(hq)时，荷载视为均布垂直压力。 式中：q-均布垂直压力； -坑道上覆围岩容重； H-隧道埋深，指坑顶距地面的距离； e-侧向力，按均布考虑,.,21,埋深(H)大于等效荷载高度(hq)，小于深埋浅埋隧道分界深度(Hp)时。,埋深大于等效荷载高度、小于深埋隧道分界深度时

7、土压力计算模式,.,22,竖井围岩压力计算,竖井属于垂直洞室 主要荷载是径向均匀分布的围岩水平压力 开挖竖井有时深度很大，所以要考虑不同岩层物理力学性质的变化对围岩水平压力的影响 仅在稳定性较差或不稳定的岩层中加以考虑 对稳定的或基本稳定的岩层可不考虑水平压力，竖井壁厚由构造确定 地下水位以上的围岩水平压力按下式计算：,.,23,竖井围岩压力计算,水平压力系数表 岩层类别流动沙、稀释土0.757 砾石、碎石、卵石砂0.526 冲积层、固结土壤、塑性粘土0.387 石膏、粘质页岩、褐煤、不坚硬煤层0.164,.,24,竖井围岩压力计算,地下水位以上围岩水平压力示意图,.,25,斜井围岩压力计算,

8、斜井(090)是介于水平洞室(=0)和垂直洞室(90)之间的洞室 斜井的围岩压力与水平洞室并无原则上的差别，只是由于倾角(斜井轴线与水平线的夹角)的不同而具有它本身的一些特点 斜井顶部的垂直荷载可分为两部分，即与洞室轴线垂直的分力N和与洞室轴线平行的分力T，其值为：,.,26,斜井围岩压力计算,对于斜井衬砌，所受到的围岩压力是N，而不是P，T只起着使斜井衬砌向下滑动的作用 实际设计中 当45时，斜井正截面内围岩压力取为相应的水平洞室竖向围岩压力乘以cos ，边墙的水平压力与相应的水平洞室相同 当45时，斜井正截面内围岩压力取为相应竖井水平压力乘以sin 。,.,27,斜井围岩压力计算,斜井围岩

9、压力计算示意图,.,28,空间洞室围岩压力的确定,圆形或矩形的空间洞室的围岩压力，目前一般按平面洞室的围岩压力乘以考虑空间作用的降低系数来确定，其计算跨度取圆形直径或矩形的短边。 空间洞室围岩压力降低系数值 目前国内各单位采用值不尽相同，对平面为正方形的拱顶或圆形穹顶取=0.828，对矩形拱顶可参照下式计算,.,29,围岩弹性抗力,弹性抗力就是由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起围岩对支护结构的约束反力 地层弹性抗力是地下结构区别于地面结构的显著特点之一，是由于结构与地层的相互作用产生的，大小和分布规律不仅决定于结构的变形，还与地层的物理力学性质有着密切的关系,.,30,围岩弹性抗力,弹性抗

10、力大小和作用范围的描述方法有： 局部变形理论(文克尔假定)，认为弹性地基(围岩)某点上施加的外力只会引起该点的沉陷 共同变形理论，认为弹性地基(围岩)上一点的外力，不仅引起该点发生沉陷，而且还会引起附近一定范围内地基发生沉陷,.,31,围岩弹性抗力,文克尔假定 假定围岩在某点的弹性抗力和围岩在该点的变形成正比 假定围岩为一系列彼此独立的弹簧，某一弹簧受到压缩时所产生的反力只与该弹簧有关，而与其它弹簧无关 由于弹性抗力的作用，能限制衬砌变形，能改善衬砌的受力条件，能提高结构的承载能力,.,32,围岩弹性抗力,文克尔围岩弹性抗力计算,.,33,3.3 地下结构的选型与构造 按其适用范围和构造形式又

11、可分为喷锚衬砌、半衬砌、厚拱薄墙衬砌、直墙拱衬砌、曲墙拱衬砌、落地拱衬砌和双连拱衬砌等拱形结构。,.,34,1.拱形结构 (a)喷锚衬砌：当地下岩石的坚硬系数大于8，稳定性好并且干燥时，可采用喷锚衬砌结构。,.,35,(b)半衬砌：当地下岩石的坚硬系数大于等于8，侧壁无坍塌危险，仅顶部岩石可能有局部脱落时，只在顶部衬砌，叫做半衬砌。此时，为保护岩石不受风化，常在侧壁表面喷一层23cm厚的水泥砂浆。,.,36,(c)厚拱薄墙衬砌：拱顶的拱脚较厚，边墙较薄。这样，可将顶拱所受的力通过拱脚大部分传递给岩石，充分利用了岩石的强度，使边墙所受的力大为减少，从而减小了边墙的厚度，节约了建筑材料。为保证边墙

12、的稳定性，可在边墙的上端打入锚杆，将边墙与岩石锚固在一起。当岩石的坚硬系数为6或7时，可采用这种结构。,.,37,(d)直墙拱衬砌：顶拱与边墙浇注在一起，形成一个整体结构。当岩石的坚硬系数在37时，可采用这种结构。在铁路隧道、地下厂房、地下仓库、军事坑道、水工隧洞等地下建筑中，广泛地使用直墙拱结构。直墙拱不但在坚硬地层中常被采用，在软土中小跨度的人防通道亦常应用；其中有的全部用砖石砌筑，有的仅底板采用钢筋混凝土。,.,38,(e)曲墙拱衬砌：当岩石的坚固系数小于等于2，松散破碎，易于坍塌，可采用曲墙拱。这种衬砌结构的形式很象马蹄，亦称马蹄形衬砌。如岩石比较坚硬，又无涌水现象，底板可做成平板并与

13、边墙分开。 (f)落地拱衬砌：多用于大跨度的仓库，如飞机库等，在岩石或软土中均可使用。,.,39,2.圆形和矩形管状结构 软土中的地下铁道或穿越江、河底的越江隧道常采用圆形和矩形管状结构，一般做成装配式的管片或管节，在施工时利用盾构、顶管或沉管法掘进或沉放施工。 在松软和不稳定地层中，由于竖向地层压力、水平地层压力以及底部地层压力都较大，为改善结构的受力性能除采用曲墙拱外，最有利的结构形式就是圆形和矩形管状结构。 这种结构在地下结构中应用比较广泛，如埋置较深的地下铁道、越江隧道以及水工隧洞等常采用圆形和矩形断面。圆形结构按施工方法，可分为整体式和装配式两种：,.,40,整体式圆形结构是用混凝土

14、或钢筋混凝土现场浇注而成，也有先预制成管节，再在现场施工(如顶管法施工)。 当地层稳定性较好，还可采用喷射混凝土；当内力较大时(圆形结构在顶点左右与竖直轴成45角的一段内力较大)，可在内力较大的段内配置钢筋，其余部分仍采用素混凝土；当地层较差并有涌水现象时，可采用单层配筋的钢筋混凝土或双层配筋的混凝土。,.,41,整体式圆形结构,.,42,装配式衬砌结构,装配式衬砌结构图 装配式圆管结构的构造,.,43,(3)框架结构，在松软地层中，浅埋的地下厂房、地下铁道的通道以及车站等常采用箱形结构，一般处理为闭合的框架，软土中的地下厂房、地下医院或地下指挥所也常采用矩形框架结构。 框架结构一般采用明挖法

15、施工。计算这种结构常采用框架的计算理论。 (4)薄壳结构，岩石中地下油库罐室的顶盖多采用穹顶，软土中的地下厂房有的采用圆形沉井结构，其顶盖也可用穹顶。,.,44,(5)异形结构，异形结构指非圆形和非矩形管状结构，在软土地层中采用盾构法施工时有双圆形衬砌结构、三圆形衬砌结构、椭圆形衬砌结构等。,.,45,3.4 地下结构设计模型与计算方法,各种设计模型和计算方法各有其适用的场合，也各有自身的局限性。由于地下结构的设计受到各种复杂因素的影响，经验设计往往占据一定的位置。 即使内力分析采用了比较严密的理论，其计算结果往往也需要用经验类比法加以判断和补充。 以测试为主的实用设计方法常为现场人员所欢迎，

16、因为它能提供直觉的材料，以更确切地估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。,.,46,地下结构设计模型与计算方法,设计模型： 荷载结构模型 地层结构模型 经验类比模型 收敛限制模型 地下结构计算方法： 荷载-结构法 地层-结构法,.,47,设计模型,经验类比模型 对地质条件熟悉，幅员和跨度又都不大的几种常用形式的岩石地下结构，例如矿山巷道和不受动荷载作用的小跨度荷载作用的小跨度衬砌等，可根据经验类比法直接选定结构的型式及其断面尺寸，并绘制结构施工图 荷载-结构模型 按地层(围岩)分类法或由实用公式确定地层压力，按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构截面设计 目前广泛采用的一种主要设

17、计方法,.,48,设计模型,地层-结构模型 将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系，按变形协调条件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结构截面设计 这一计算理论对小部分课题已经取得了精确的解析解，一般洞型地下结构的计算常需采用数值计算方法,.,49,设计模型,收敛限制模型 按粘弹塑性理论等推导公式后，以洞周位移为横坐标、支护反力为纵坐标，绘出表示地层受力变形特征的洞周收敛线 按结构力学原理在同一坐标平面内绘出表示衬砌结构受力变形特征的支护限制线 根据以上两条曲线的交点处表示的支护抗力值进行衬砌结构设计 软岩地下洞室、大跨度地下洞室和特殊洞形地下洞室的设计较适合于采用收敛限制法

18、,.,50,设计模型,.,51,设计模型,收敛限制法的计算原理尚待进一步研究和完善。 目前一般仅按照量测的洞周收敛值进行反馈和监控，以指导地下结构的设计与施工。 地层变形能综合反映影响地下结构受力的各种因素，可以预见，收敛限制模型今后将获得很快的发展。 我国工程界主要采用前三种，且对地下结构的设计较为注重理论计算，除了确有经验可供类比的一些工程外，在地下结构的设计过程中一般都要进行受力计算分析,.,52,一、荷载-结构法,地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载(包括主动的地层压力和被动的地层抗力)，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法，又称为结构力学法。 有以下三种模式： 主动

19、荷载模式 主动荷载加被动荷载模式 实际荷载模式,地下结构计算方法,.,53,主动荷载模式 不考虑地层与支护结构的相互作用，支护结构在主动荷载的作用下可以自由变形。 主要适用于采用浅埋暗挖或明挖法施工的城市地铁及明洞工程,.,54,荷载-结构法,主动荷载加被动荷载模式 考虑地层与支护结构的相互作用，即认为地层不仅对结构施加主动荷载，而且通过支护抗力来约束支护结构的变形，支护结构在主动荷载和被动荷载共同作用下进行工作 适用于任何形式的地层条件 前提是地层与衬砌必须全面紧密地接触，实际工程中由于地层性质、施工方法以及衬砌类型等变化，地层和衬砌有时成局部或点接触，有时通过充填物间接接触，这些都可能使计

20、算模型与实际工程相脱离。 为了符合设计计算的要求，施工中必须严格按照施工规范进行施工。,.,55,荷载-结构法,实际荷载模式 采用量测仪器实地量测作用在衬砌上的荷载大小，该数值综合反映了地层与衬砌支护结构的相互作用 应注意量测数值的适用性，因为该数值除与地层特性有关外，还与衬砌的刚度及衬砌背后回填的质量有关，某一种实地量测的荷载，只能适用于与其类似的情况(包括地层、衬砌及回填) 实际工程中，主动荷载加被动荷载模式应用较多,.,56,荷载-结构法,隧道衬砌结构计算的主要内容有： 按工程类比法初步拟定衬砌断面的几何尺寸 确定作用在衬砌结构上的荷载 进行力学计算，求出衬砌截面的内力(弯矩和轴力) 对

21、截面进行配筋设计,.,57,二、地层-结构法,主要特点： 认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的计算方法 地下结构周围的地层不仅能对衬砌结构产生荷载，而且其自身也能承受荷载，地下结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。 衬砌结构的作用是在洞室周围地层应力重分布的过程中参与地层的变形，对地层提供必要的支承抗力，并与地层一起组成共同受力的整体，以保持洞室的稳定,.,58,地层-结构法,不仅计算衬砌结构的内力，而且计算洞室周围地层的应力 计算过程中，通过位移协调条件使地层应力与衬砌结构的内力保持平衡 截面设计的特点，是在验算衬砌结构的强度时要求综合

22、考虑地层稳定性的影响 鉴于地层力学模型和地层参数难于确定，目前地层-结构法一般仅用于一些重要的或大型特定工程的研究和分析,.,59,地层-结构法,应力状态： 一次应力状态(初始应力场) 地下结构位于地层之中，因原始地层中存在着初始应力场，地下洞室的开挖在力学原理上就成为在有初始应力场的地层中开孔。 二次应状态 洞室开挖后，毛洞周边及附近地层中将产生应力重分布现象 三次应力状态 衬砌修筑后，周围地层的变形必然受到衬砌结构的约束，会影响应力重分布过程的进行,.,60,地层-结构法,结构设计主要内容： 验算毛洞围岩稳定性 验算衬砌结构的强度,.,61,荷载-结构模型计算方法,拱形结构(贴壁式) 曲墙

23、拱结构、直墙拱结构 圆形结构 整体式圆形结构 自由变形圆环法、假定抗力图法 装配式圆形结构计算 框架结构 一次加载、施工加载 薄壳结构,.,62,拱形结构(贴壁式),曲墙拱结构 假定抗力区范围及抗力分布规律法，简称为“假定抗力图形法” 如果经过多次计算和经验积累，基本上掌握了某种断面形式的衬砌，在某种荷载作用下的变形规律，再计算同类荷载作用下的同类衬砌结构时，就可假定衬砌结构周边抗力分布的范围及抗力区各点抗力变化图形 作用在衬砌结构上的荷载求出后，其内力分析就成为通常的超静定结构的求解问题 适用于曲墙式衬砌和直墙式衬砌的拱圈,.,63,拱形结构(贴壁式),曲墙拱结构计算简图,.,64,拱形结构

24、(贴壁式),直墙拱结构 该方法将拱圈和梁分开计算。将拱圈处理为弹性固定在边墙顶上的无铰平拱，边墙处理为搁置在弹性地基上(文克尔局部变形理论)的直梁 在拱脚和墙顶连接处应满足力的平衡条件和变形连续条件 拱圈弹性抗力的分布按“假定抗力图形法”计算，最大抗力点发生在墙顶 边墙顶部作用有拱圈传来的作用力，墙身作用有自重及侧向水平围岩压力。边墙的侧面及底面均与地层接触，两个方向均处理为弹性地基梁,.,65,拱形结构(贴壁式),直墙拱结构计算简图,.,66,圆形结构,整体式圆形结构 自由变形圆环法 修建在松软地层中的整体式圆管结构，地层对结构的弹性抗力很小，可假定结构可以自由变形，地基反力沿环的水平投影为

25、均匀分布 假定抗力图法 衬砌结构在竖向荷载作用下，产生向地层方向的变形，从而引起弹性抗力,弹性抗力的分布规律，可根据已有的实践经验假定给出 在外水压力作用下弹性抗力是负值。只有当地层压力和圆环自重引起的弹性抗力大于此负值时才予以考虑，否则不予考虑。,.,67,圆形结构,自由变形圆环法计算简图,.,68,圆形结构,假定抗力图法计算简图,.,69,圆形结构,装配式圆形结构 装配式圆管结构，应根据管片或砌块间连接构造的不同以及所采用的施工方法，确定相应的计算方法： 管片或砌块在环向采用螺栓连接，而接头能传递全部内力时，按整体圆环(或弹性铰接圆环)计算 管片或砌块在环向无螺栓时，按多铰圆环计算 带拉杆

26、的装配式圆管，按整体式自由变形圆环计算 当圆环拼装完成后立即装上拉杆，并给拉杆加上一定安装拉力。此项安装拉力在圆环中引起内力，应按无拉杆的圆环计算。拉杆在安装完成后，水土压力作用在圆环上，此时应按带拉杆的圆环计算。圆环的最终内力，为以上两种内力的迭加,.,70,圆形结构,整体圆环(或弹性铰接圆环)的接头形式,.,71,圆形结构,多铰圆环计算简图,.,72,圆形结构,整体式自由变形圆环计算简图,.,73,框架结构,框架结构计算简图,.,74,薄壳结构,岩石中地下油库罐室和软土中地下厂房的顶盖多采用穹顶(球面薄壳)。 荷载计算 假定围岩塌落部分的岩石重量由穹顶承担，在穹顶的水平投影上均匀分布。塌落

27、部分的上界面是回转抛物面。与求水平隧道的竖向地层压力相类似 穹顶上的竖直地层压力尚无较好的计算方法 穹顶的自重近似地当作在水平投影面上均匀分布 穹顶上的水平地层压力很小，可不考虑,.,75,薄壳结构,穹顶内力计算 薄膜力 边界效应 环梁内力计算 作用是限制穹顶边缘的水平位移 将穹顶上所受的荷载通过它传给下面的岩石,.,76,薄壳结构,薄壳结构计算图示,.,77,地层-结构模型计算方法,工程应用中仅作为一种辅助手段 充分考虑了地下结构与周围地层的相互作用，结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形，更能符合工程实际 今后的研究和发展中地层结构法

28、将得到广泛应用和发展 主要内容 地层模拟 结构模拟 施工过程模拟 地层与结构相互作用的模拟,.,78,地层模拟,地层材料 一般有各向同性线弹性、非线性弹性及弹塑性体或横观各向异性、正交各向异性线弹性体模型 考虑周围地层时间效应，有粘弹性、粘弹塑性模型 考虑地下水在围岩及土体中的渗流，有渗流耦合模型 考虑土体中孔隙水压力的变化，有固结模型 岩体应用较多是弹塑性模型和粘弹性模型 土体介质应用较多是非线性弹性、剑桥模型、固结模型以及粘弹塑性模型,.,79,地层模拟,弹塑性模型有多种屈服准则，例如Drucker-Prager屈服准则、Mohr-Coulomb准则、剑桥模型，以及多种硬化准则等 粘弹性模

29、型有Maxwell、达尔文模型以及三元件模型等多种模型，以上模型反映岩体不可逆、剪胀、应变软化、各向异性等种种不同情况 对岩体内部存在的节理、裂隙等常见的地质现象，一般为接触面材料，采用节理单元模拟 周围地层模型的物理力学参数，可以通过实验室试验、现场试验以及反分析得到,.,80,施工过程的模拟,时空效应 在离开作业面一定距离外，围岩得不到及时的支护和处理，则随掘进面的约束作用的逐步消失和围岩介质本身的流变效应，围岩的变形将不能得到有效的控制，最终导致岩体的失稳和破坏 时空效应的研究方法主要有数值模拟和现场实测,.,81,施工过程的模拟,初始地应力的计算 初始地应力可采用有限元计算法和设定水平

30、侧压力系数法。对岩石地层，初始地应力分为自重地应力和构造地应力两部分。其中自重地应力由有限元法求得，构造地应力可假设为均布或线性分布等。对软土地层，常需根据水平侧压力系数计算初始地应力,.,82,施工过程的模拟,施工过程的有限元模拟 主要包括岩土体分部开挖及支护结构的分层设置等 当材料为弹塑性体时，计算采用增量初应力法 分部开挖指不同的开挖方式，如上下台阶法、侧壁导洞法等，计算时以不同的开挖阶段(同一开挖阶段可包括几个施工阶段)模拟,.,83,施工过程的模拟,分部卸载由开挖面向前推进引起，计算时可依据经验或由现场量测位移分别在同一开挖阶段选定不同的地应力释放系数，据以反映不同施工阶段的变化 分

31、部支护指不同的支护时机，如锚杆、喷层、二次衬砌及地层注浆、超前支护等，计算时采用分别在不同的施工阶段设置不同支护来模拟 注浆模拟 通常采用材料替换法进行模拟,.,84,结构模拟,地下结构的合理化模拟对结构内力有很大影响 锚喷支护一般采用杆单元模拟，也可对锚杆加固区的围岩取用提高的c和加以考虑 支撑、钢支架及衬砌一般采用梁单元模拟。衬砌结构也可采用四边形等参单元模拟，地下连续墙、桩一般也采用梁单元模拟 盾构隧道管片采用采用直(曲)梁单元模拟，管片之间以及环间接头用弹簧单元模拟,.,85,地层与结构的相互作用,地层与结构相互作用的模拟 支护结构和地层间相互作用，采用接触面单元模拟，利用塑性理论接触

32、面单元建立非线性本构关系。 作用于接触面的应力满足屈服条件后，接触面将产生塑性变形，屈服后的塑性变形服从流动法则 双层衬砌之间的相互作用 双层衬砌之间的相互作用有两种模拟方式， 接触面单元 弹簧元模拟。分别用径向、环向弹簧模拟两层之间的法向作用、剪切作用。,.,86,计算原理和设计方法的新进展,新奥法与复合式衬砌 新奥法是奥地利学者Rabcewicz教授等一大批学者和工程技术人员在长期工程经验的基础上创立于20世纪50年代，并于1962年正式命名的一种隧道工程方法 复合衬砌是以新奥法为基础进行设计和施工的一种新型支护结构，该衬砌是采用锚喷支护做初期支护，采用模筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌(

33、二层间有或无防水层)结构,.,87,计算原理和设计方法的新进展,复合衬砌支护的基本原理 充分利用或发挥围岩的自承能力 增强围岩的强度，均衡围岩应力的分布，允许围岩有一定程度的变形，以减小对支护的围岩压力 利用现场的监测值进行反馈施工 复合衬砌结构理论先进，技术合理，能充分发挥围岩的自承能力，提高衬砌承载力，加快施工进度，降低工程造价，得到了广泛的应用,.,88,计算原理和设计方法的新进展,施工方式 采用新奥法修筑隧道时，断面可分步开挖，也可全断面一次开挖 一般在岩体松弛前先向洞壁施做柔性薄层混凝土封闭岩层，必要时用锚杆加固，以稳定围岩。这一工序可重复一二次，有时还在喷层中增设钢筋网 围岩变形趋

34、于稳定后，再做一层永久支护。 施工过程中，通常都辅以位移量测以掌握围岩的稳定状态。遇有位移量或位移速率较大时，可及时采取措施加强支护，以使洞室保持稳定，并确保施工安全。,.,89,计算原理和设计方法的新进展,计算方法 考虑时间效应的粘弹塑性有限元法 特征曲线近似计算方法。计算复合式衬砌只限于确定初期支护的设计参数 荷载结构模型计算方法,.,90,地下结构的优化设计,形状优化 地下工程的位置选定以后，周围介质和初始地应力场等边界条件是客观存在不能改变的，设计中只能不断地调整地下结构断面的几何形态以改善围岩的应力分布和稳定性 形状最优准则 孔边切向应力平方的积分值最小 孔边绝对值最大的切向应力最小 围岩塑性区面积最小 以及结构位移最小等,.,91,地下结构的优化设计,施工优化 在地下工程施