地下结构的地层结构计算方法

地层、地层单位及其表示方法
地层是指地质起源的地下层次结构，是2500多万年来多次地壳构造活动的产物。

地层单位是指组成地层的基本构成，地层单位类型有岩性、沉积性和构造性。

地层的测量和表示形式有体积法、断面法和悬面法。

体积法是比较客观的测量地层的方法，即用地层体积表示地层厚度。

断面法是通过断裂面测量地层厚度，一般需要在地下取断层好的地方进行采集，以确定地层厚度。

悬面法是在露头单元中测量地层厚度，或者从野外边界到内部之间测量的地层厚度。

地层的表示形式有二维、三维和四维。

最常见的地层表示形式是二维，它是按照地层厚度在地面上放射或线性表示的。

三维表示形式是在断裂体积进行表示的，四维表示形式是加入了时间因素的三维表示形式，这是因为地层也受到环境和其他因素的影响。

总之，地层是地球显著特征之一，地层单位组成地层，而地层的表示形式又分为二维、三维和四维，以确定地层真实存在情况。

第一节 经典土压力理论浅埋地下结构的竖向土压力计算：土柱理论，即竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。

侧向土压力计算的经典理论的主要依据：库伦(Coulomb)理论和朗肯〔Rankine)理论。

计算静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以称为经典理论。

1.1 静止土压力z K p γ00= （1-1）z c γσ= （1-2）μμ-=10K （1-3）02021K h E γ= （1-4）式中 γ-土的重度；z -由地表面算起至M 点的深度；0K -静止土压力系数；μ-土的泊松比，其值通常由试验来确定；0E 合力作用点位于距墙踵h /3处。

1.2 库伦土压力理论aa K h E 221γ= （1-5） p p K h E 221γ=（1-6）2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα-++-+-+=a K (1-7) 2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα++++-+-=p K (1-8) 粘性土中等效内摩擦角换算有多种, （1）根据土的抗剪强度相等的原则进行换算为：)(hctg arctg D γϕϕ+= (1-9) 还有其他换算方式：（2） 借助朗肯土压力理论进行换算，按朗肯理论同时考虑c 、ϕ值得到的土压力值要图1.1 静止土压力计算图式图1.2 库伦土压力计算图式和已换算成等效内摩擦角D ϕ后得到的土压力值相等，推算得到等效内摩擦角D ϕ。

（3）采用《建筑地基基础设计规范》计算。

1.3 朗肯土压力理论z z γσ= （1-10）z K x γσ0= （1-11）a a a K c zK p 2-=γ （1-12） P P P K c zK p 2+=γ （1-13）式中：)245(2ϕ-=tg K a ，)245(2ϕ+=tg K pγγ222221c K ch K h E a a a +-= （1-14） 图1.3 朗肯极限平衡状态第二节 地下结构的土层压力中南大学资源与安全学院 赵建平2.1 浅埋地下结构的竖向土层压力在软土地层中当地下结构物采用明挖法施工，埋置深度较浅(顶盖离地表面距离较近时)，称为浅埋地下结构。

地下结构工程试题和答案地下结构工程试题和答案(一)一、填空题(每空2分，共40分)：1、地下结构的计算理论中以文克尔假定的基础局部变形理论以及弹性理论为基础的方法叫做。

2、土层地下建筑结构的计算方法有：、、等。

3、在无支护基坑竖直开挖分析中，坑壁自然稳定的最大临界深度与土的、、等力学性质有关。

4、地下水的处理方法可归结为两种：一种是，另一种是。

5、全长粘结锚杆的锚固剂主要有：、和水泥卷等。

6、锚杆对围岩的加固作用主要体现在它的、。

7、一般浅埋地下结构主要有：等结构形式。

8、沉管隧道基础处理方法的后填法有、二、简答题(每题6分，第3题9分，共21分)1、什么是SMW工法?此工法有何特点?2、简述沉井分类?3、什么是盾构法施工?三、论述题(每题20分，共40分)1、写出无支护基坑竖直开挖临界深度的计算公式，并分析其临界深度与土体的什么性质有关?2、分析新奥法和锚喷支护的联系和区别?答案1、地下结构的计算理论中以文克尔假定的基础局部变形理论以及弹性理论为基础的方法叫做。

文克尔理论2、土层地下建筑结构的计算方法有：、、等。

(写出3种即可) 荷载结构法、地层结构法、工程类比法3、在无支护基坑竖直开挖分析中，坑壁自然稳定的最大临界深度与土的、、等力学性质有关。

压缩性、抗剪能力、含水率4、地下水的处理方法可归结为两种：一种是，另一种是。

排水法、堵水法5、全长粘结锚杆的锚固剂主要有：、和水泥卷等。

树脂锚杆、聚氨酯锚杆、砂浆锚杆6、锚杆对围岩的加固作用主要体现在它的、、。

悬吊作用、组合作用、挤压作用7、一般浅埋地下结构主要有：、、等结构形式。

直墙拱形结构、矩形闭合结构和梁板式结构、8、沉管隧道基础处理方法的后填法有、、等。

喷砂法、砂流法、压浆法二、简答题1、什么是SMW工法?此工法有何特点?答：SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法，即在水泥土桩内插入H 型钢等(多数为H 型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等)，将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。

地下建筑结构的计算⽅法4.1 计算⽅法现状和计算⽅法国际隧协认为可将其归纳为以下四种模型：⼀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；⼆以现场量测和实验室试验为主的实⽤设计⽅法，例如以洞周位移量测值为根据的收敛—限制法；三作⽤—反作⽤模型，例如对弹性地基圆环和弹性地基框架建⽴的计算法等；四连续介质模型，包括解析法和数值法，解析法中有封闭解，也有近似解，数值计算法⽬前主要是有限单元法。

按照多年来地下建筑结构设计的实践，我国采⽤的设计⽅法似分属以下四种设计模型：(⼀)荷载结构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，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。

(⼆)地层结构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，并据以验算地层的稳定性和进⾏构件截⾯设计。

(三)经验类⽐模型由于地下结构的设计受到多种复杂因素的影响，使内⼒分析即使采⽤了⽐较严密的理论，计算结果的合理性也常仍需借助经验类⽐予以判断和完善，因此，经验设计法往往占据⼀定的位置。

经验类⽐模型则是完全依靠经验设计地下结构的设计模型。

(四)收敛限制模型收敛限制模型的计算理论也是地层结构法，其设计⽅法则常称为收敛限制法，或称特征线法。

4.1 计算⽅法现状和计算⽅法下图为收敛限制法原理的⽰意图。

图中纵坐标表⽰结构承受的地层压⼒，横坐标表⽰洞周的径向位移。

其值⼀般都以拱顶为准测读计算，曲线①为地层收敛线，曲线②为⽀护特征线。

两条曲线的交点的纵坐标（P e ）即为作⽤在⽀护结构上的最终地层压⼒，横坐标（u e ）则为衬砌变形的最终位移。

因洞室开挖后⼀般需隔开⼀段时间后才施筑衬砌，图4-3中以u 0值表⽰洞周地层在衬砌修筑前已经发⽣的初始⾃由变形值。

第一章1.简述地下结构的概念和特点。

概念: 地下结构是指在保留上部地层（山体或土层）的前提下, 在开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构。

特点:（1）地下空间内建筑结构替代了原来的地层, 结构承受了原本由地层承受的荷载。

在设计和施工中, 要最大限度发挥地层自承能力, 以便控制地下结构的变形, 降低工程造价。

（2）在受载状态下构建地下空间结构物, 地层荷载随着施工进程发生变化, 因此, 设计时要考虑最不利的荷载工况。

（3）作用在地下结构上的地层荷载, 应视地层介质的地质情况合理概化确定。

（4）地下水状态对地下结构的设计和施工影响较大, 设计前必须弄清地下水的分布和变化情况。

（5）地下结构设计要考虑结构物从开始构建到正常使用以及长期运营过程的受力工况, 注意合理利用结构反力作用, 节省造价。

（6）在设计阶段获得的地质资料, 有可能与实际施工揭露的地质情况不一样。

因此, 地下结构施工中应根据施工的实时工况动态修改设计。

（7）地下结构的围岩既是荷载的来源, 在某些情况下又与地下结构共同构成承载体系。

（8）当地下结构的埋置深度足够大时, 由于地层的成拱效应, 结构所承受的围岩垂直压力总是小于其上覆地层的自重压力。

2.简述地下结构的分类与形式。

按断面形式分类: 1）矩形2）圆形3）拱形4）其他形式按使用功能分类: 可分为生活设施、城市设施、生产设施、储藏设施、输送设施和防灾设施等按结构形式及施工方法分类: （1）喷锚结构（2）复合衬砌结构（3）盾构结构（4）沉管结构（5）沉井结构（6）地下连续墙结构（7）其他结构按与地面结构联系情况分类（1）附建式结构（2）单建式结构按埋置深度分类1）浅埋地下结构2）深埋地下结构3.简述地下结构计算理论的发展阶段和代表理论1.刚性结构阶段: 压力线理论该理论认为地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构, 所受的主动荷载是地层压力, 当地下结构处于极限平衡状态时, 它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系, 铰的位置分别假设在墙底和拱顶, 其内力可按静力学原理进行计算。

地下结构数值计算方法_福州大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.地下结构是建筑在地层中的结构，从结构力学分析几何体系约束的角度上看属于结构。

答案:超静定2.建设部行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012规定，对地下水位以下的黏性土、黏质粉土，可采用土压力、水压力的方法。

答案:合算3.作用于支护结构的土压力和水压力有水土合算和水土分算两种方法，采用哪种方法主要是依据。

答案:土体的渗透性4.二维实体单元、二维梁单元、三维实体单元和三维梁单元的单个结点自由度分别是几个？答案:2、3、3、65.平面应变问题，如果平面在XY平面上的话，那么。

答案:σz≠0, εz=06.下图中的模型在二维有限元计算中，可以如何简化？答案:不能采用二维计算7.弹性力学的三大方程中，建立了应变和位移的关系。

答案:几何方程8.如果采用荷载—结构法模拟基坑，桩、墙式围护结构的设计应根据设定的开挖工况和施工顺序按模型逐阶段计算其内力和变形，也就是采用法来计算。

答案:竖向弹性地基梁，荷载-结构9.下关于荷载类型分类的说法正确的是（）。

答案:围岩松散压力属于永久荷载10.有限单元法的刚度矩阵元素的量纲是？（）答案:11.某地铁盾构隧道为单心圆双线隧道，外径为11.0m，衬砌厚度为0.6m，现采用荷载结构法计算衬砌结构，则建立几何模型时，画圆的半径应取（）。

答案:5.2m12.在有限元软件中可以通过以下哪个结果查看弹塑性分析的屈服区结果。

（）答案:塑性应变13.关于Midas软件中“定义施工阶段”对话框中“激活数据”和“钝化数据”代表的含义，以下说法正确的是（）。

答案:“激活数据”表示使单元参与计算，常用于模拟支护过程；“钝化数据”表示使单元不参与计算，常用于模拟开挖过程。

14.在三维有限元地层－结构法计算中，如果用六结点三角形板壳单元模拟结构底板，则应用以下哪一种单元模拟周围的地层？（）答案:十结点四面体单元15.进行地层－结构法计算时，若要得到地层的屈服区，可选用以下哪种本构模型？（）答案:剑桥模型16.围岩级别从Ⅰ级到Ⅵ级，自稳能力逐渐（）。