北京交通大学土木建筑工程学院地下工程课程设计

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（MidasGTS）.........................................................................................15附图四弯矩图（MidasGTS）.........................................................................................16附图五剪力图（MidasGTS）.........................................................................................17附图六轴力图（AutoCAD）...........................................................................................18附图七弯矩图（AutoCAD）...........................................................................................19附图八剪力图（AutoCAD）...........................................................................................20地下工程课程设计1第一章设计概况一、工程地质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。表一各层土的物理力学指标土的类型厚度（m）天然重度γ（kN/m3）饱和重度γsat（kN/m3）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)杂填土1.01624500.80.4200.005粉土3.01826900.90.35210.01细砂6.019271001.20.32220.01圆砾土4.519.527.51201.50.32250.01粉质粘土6.020.0281501.80.32230.02卵石土10.020.028.52002.00.30270.03基岩22293002.50.35350.04二、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。图一隧道埋深及土层分布图（单位：m）地下工程课程设计2三、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。第二章荷载计算一、永久荷载1、结构自重结构自重可以由MidasGTS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、围岩压力地下工程课程设计3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121163182(2710)104/nsiiiPhkNm（2）侧向围岩压力1112222104tan(45)247.316/asaPPKkNm2212222(116318617)tan(45)278.253/asaPPKkNm'2222225(116318617)tan(45)269.808/asaPPKkNm3322225(1163186171.817.5)tan(45)282.592/asaPPKkNm3、水压力（1）竖向水压力隧道顶部竖直向下水压力：211=10220/wwPhkNm隧道底部竖直向上水压力：222==107.8=78/wwPhkNm（2）侧向水压力211222=10220/==107.8=78/二、可变荷载地下工程课程设计41、地面超载(1)竖向地面超载2=20/PkNm超(1)地面超载引起的侧向压力122=22=20tan(45)2=9.099/aaPPKkNm超1超222=25=20tan(45)2=8.117/aaPPKkNm超2超2、车辆荷载2=20/PkNm车三、荷载组合在MidasGTS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+1.3永久组合可变荷载组合值，最终确定该明挖隧道的荷载分布图如图二所示。图二荷载分布图地下工程课程设计5第三章建立模型一、建立明挖隧道模型首先在MidasGTS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AutoCAD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。图三明挖隧道衬砌划分单元建模图二、定义边界条件利用曲面弹簧功能定义模型的边界条件，选择赋予地基弹簧的节点后输入相应的地基反力系数，就可以模拟隧道在向外侧变形时围岩提供的反力。由于隧道在变形时顶板向内侧变形，围岩土体不能提供拉应力，所以只对底板和侧壁以地基弹簧输入边界条件进行分析。该明挖隧道穿过两层土体，所以在对侧墙建立地基弹簧时要根据不同的土体建立不同反力系数的地基弹簧。所有的地基弹簧都定义为只受压，即隧道衬砌向内侧变形不提供地基反力。该模型是左右对称加载土压力，所以中间墙体不需要定义X方向的边界条件，但是为了防止分析时产生数值误差，要定义中间墙体的X方向上的边界条件。定义边界条件后的模型如图四所示。图四明挖隧道定义边界条件建模图三、施加荷载1、定义结构的自重。2、输入水平方向压力。地下工程课程设计63、输入竖直方向压力。4、对自重进行荷载乘以1.35荷载组合系数，其余荷载均乘以1.0（因为荷载图示计算时已经进行过组合），最终建立荷载组合模型。由于在荷载计算时（除结构自重