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1围岩压力计算

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岩石侧压力系数计算公式

岩石侧压力系数计算公式

岩石侧压力系数计算公式
岩石的侧压力系数是衡量岩石抵抗外界压力的能力的指标。

一般来说，岩石的侧压力系数可以根据固体力学的原理和经验
公式进行计算。

以下是常用的两种计算岩石侧压力系数的公式：
1.斯奇泰库尔贝克公式（SchiehterKulberg公式）
该公式适用于常见的岩石类型，如砂岩、粉砂岩、泥岩等。

计算公式如下：
K0=sin⁡⁡(φ')/[1sin⁡⁡(φ')]
其中，K0为岩石的侧压力系数，φ'为岩石的有效内摩擦角。

2.罗斯特公式（Roscoe公式）
该公式适用于黏土岩、粘性土等具有较大内摩擦力的地层材料。

计算公式如下：
K0=(1sin⁡⁡(φ')/1+sin⁡⁡(φ')
其中，K0为岩石的侧压力系数，φ'为岩石的有效内摩擦角。

需要注意的是，以上公式中的内摩擦角φ'一般通过室内试验或现场试验获取，具体数值与岩石的类型和力学性质有关。

此外，还需要考虑岩石的饱和度、孔隙水压力等因素的影响，以
得到较准确的侧压力系数值。

不同的岩石类型和地层特征可能需要不同的计算公式或经验法则，因此在具体的工程设计和计算过程中，应根据实际情况选择合适的公式进行计算和分析。

第六章1围岩稳定分析

第六章1围岩稳定分析

第六章围岩稳定分析掌握岩体结构、强度、变形、应力分布及围岩应力，其目的是分析：围岩稳定、有压隧洞稳定、岩基稳定、边坡稳定。

从而为工程建设提供措施和依据。

本章介绍围岩的稳定分析。

应力重分布、围岩及围岩应力这几个基本概念，是研究围岩稳定性和洞室安全性的基础。

开挖洞室后，岩体的原始平衡状态被坏破：发生应力重分布，围岩不断变形，并向洞室逐渐位移。

强度较低的岩石，当应力达到强度极限值时破坏，产生裂缝，或剪切位移，破坏了的岩石在重力作用下甚至大量塌落，造成所谓“冒顶”现象，特别是节理、裂隙发育的岩石更为显著。

为保证稳定和安全，必须进行支护和衬砌，来约束围岩的破坏和变形的继续发展。

洞室的稳定性评价的目的，确定是否要支护或衬砌，以及支护和衬砌要承受多大的压力等。

一、山岩压力1．山岩压力的概念由于支护与衬砌的目的是防止岩石塌落和变形，所以支护与衬砌上必然要受到岩石的压力。

定义：由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力，称为山岩压力（或围岩压力、地层压力等）。

山岩压力的确定是洞室支护与衬砌设计的基础，如果支护或衬砌设计强度偏小则会造成工程事故，如偏大则造成经济浪费。

因此，山岩压力是围岩稳定分析中的一个重要问题。

2．山岩压力的形成山岩压力是由于洞室开挖后岩体变形和破坏而形成的。

则可分为两种类型：变形压力：是由岩体变形而对支护或衬砌产生的压力，松动压力：是由岩体破坏而松动对支护或衬砌造成的压力。

形成过程：弹性变形→塑性变形→形成松动圈。

岩石的性质和质量不同，其岩体的变形和破坏性质也就不同，产生山岩压力的主导因素和表现形式就不同。

（1）完整坚硬岩石当围岩应力不超过岩体强度时，岩体只有弹性变形，无塑性变形。

弹性变形在开挖过程中就已产生，开挖结束后，弹性变形随即完成。

因此无山岩压力。

（2）中等质量的岩体洞室围岩的变形较大，既有弹性变形，也有塑性变形，少量岩石破碎。

由于洞室围岩的应力重分布需要一定的时间，所以在支护或衬砌后围岩的变形受到约束，产生山岩压力。

工程地质学模拟考试试题1

工程地质学模拟考试试题1

工程地质学模拟试题一。

单项选择题 (每题1。

5分，共60分,请将正确答案写在答题纸上）1. 下列矿物中遇冷稀盐酸剧烈起泡的是(B)A. 石英B. 方解石C. 黑云母D。

正长石2. 关于矿物的解理叙述不正确的是(D）A。

矿物解理的完全程度和断口是互相消长的B。

矿物解理完全时则不显断口C。

矿物解理不完全或无解理时，则断口显著D。

矿物解理完全时则断口显著3. 下列结构中，( D)不是沉积岩的结构。

A。

斑状结构 B. 碎屑结构 C。

生物结构 D。

化学结构4. 下列结构中，( )是岩浆岩的结构.A. 全晶质结构B. 变晶结构 C。

碎屑结构 D. 化学结构5。

按岩石的结构、构造及其成因产状等将岩浆岩（C）三大类。

1。

酸性岩 2。

中性岩 3。

深成岩 4.浅成岩 5.喷出岩A.1、2、4B.2、3、4C.3、4、5 D。

1、3、46. 下列岩石中遇冷稀盐酸剧烈起泡的是（ A)A .石灰岩 B.花岗岩 C。

片麻岩 D.砾岩7。

下列岩石中（ A ）是由岩浆喷出地表冷凝后而形成的岩石。

A.玄武岩B.石灰岩 C。

千枚岩 D.石英岩8。

两侧岩层向外相背倾斜，中心部分岩层时代较老,两侧岩层依次变新，并且两边对称出现的是（）.A.向斜B.节理C.背斜D.断层9。

节理按成因分为( B )1。

构造节理 2。

原生节理 3.风化节理 4。

剪节理 5。

张节理A。

1、4和5 B。

1、2和3 C 。

2、3和4 D.2、4和510。

属于岩浆岩与沉积岩层间的接触关系的是( B )A。

整合接触 B.侵入接触 C.假整合接触 D.不整合接触11. 若地质平面图上沉积岩被岩浆岩穿插,界线被岩浆岩界线截断，则岩浆岩与沉积岩之间为（ )。

A.沉积接触B.整合接触 C。

侵入接触 D.不整合接触12. 河漫滩是洪水期( ）A。

能被淹没的浅滩 B。

不能被淹没的浅滩C。

1／3的地方能被淹没的浅滩D.1／4的地方能被淹没的浅滩13. 在第四纪历史上发生的两大变化是(C )A。

围岩压力计算方法概要课件

围岩压力计算方法概要课件
基于弹性力学理论，通过 求解偏微分方程来获得围 岩压力。适用于具有简单 形状和边界条件的围岩。
塑性力学解析法
考虑围岩的塑性变形，通 过求解塑性力学方程来计 算围岩压力。适用于高应 力、大变形的情况。
边界元法
将问题转化为边界积分方 程，通过离散化边界来求 解围岩压力。适用于复杂 形状和边界条件的围岩。
注浆加固适用于各种类型的围岩，尤其在软弱、破碎、节理裂隙发育的 围岩中效果更佳。
注浆加固可以有效控制围岩变形和破坏，提高围岩的整体性和稳定性， 降低对支护结构的依赖。
05
围岩压力计算的发展趋势
人工智能在围岩压力计算中的应用
机器学习算法
01
利用历史数据和现场监测数据，通过训练模型来预测围岩压力。
常见的算法包括支持向量机、神经网络等。
数据挖掘技术
02
通过分析大量的监测数据，发现围岩压力变化的规律和趋势，
为预测提供依据。
专家系统
03
利用专家知识和经验，建立围岩压力计算的决策支持系统，提
高计算精度和可靠性。
多物理场耦合的围岩压力计算方法
流固耦合
考虑地下水流动和围岩变形的相互影响，建立流固耦合模型来计 算围岩压力。
热固耦合
考虑温度变化和围岩变形的相互影响，建立热固耦合模型来计算 围岩压力。
经验公式法实例
朗肯公式
基于朗肯循环理论，通过经验公式来计算围岩压 力。适用于具有简单形状和边界条件的围岩。
布莱克公式
基于布莱克理论，通过经验公式来计算围岩压力。 适用于具有复杂形状和边界条件的围岩。
库仑公式
基于库仑理论，通过经验公式来计算围岩压力。 适用于具有简单形状和边界条件的围岩。
04
围岩压力控制措施

1围岩压力计算

1围岩压力计算

1围岩压力计算1围岩压力计算深埋和浅埋情况下围岩压力的计算方式不同，深埋和浅埋的分界按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判断。

按等效荷载高度计算公式如下：HP =（2~2.5）qh式中: Hp——隧道深浅埋的分界高度；hq ——等效荷载高度，qh=qγ；q——垂直均布压力(kN/m2)；γ——围岩垂直重度（kN/m3)。

二次衬砌承受围岩压力的百分比按下表取值：表4.1 复合式衬砌初期支护与二次衬砌的支护承载比例围岩级别初期支护承载比例二次衬砌承载比例双车道隧道三车道隧道双车道隧道三车道隧道ⅠⅡ100 100 安全储备安全储备Ⅲ100 ≥80 安全储备≥20 Ⅳ≥70 ≥60 ≥30 ≥40 Ⅴ≥50 ≥40 ≥50 ≥60 Ⅵ≥30 ≥30 ≥80 ≥85浅埋地段≥50 ≥30～50≥60 ≥60～801.1 浅埋隧道围岩压力的计算方法隧道的埋深H 大于hq 而小于Hp 时，垂直压力Q B B t tq H==γH(1-λθ)浅浅tan 。

表4.3 各级围岩的θ值及0φ值围岩级别Ⅲ ⅣⅤθ0.90φ （0.7～0.9）0φ （0.5～0.7）0φ 0φ60°～70°50°～60°40°～50°2(tan 1)tan tan tan c cc ϕ+ϕβϕ+ϕ-θc tan =tan 侧压力系数()tan tan tan tan tan tan tan tan cc c β-ϕλ=β1+βϕ-θ+ϕθ⎡⎤⎣⎦作用在支护结构两侧的水平侧压力为：e 1=γh λ ； e 2=γ(h+Ht)λ 侧压力视为均布压力时：Ⅴ级围岩的等效荷载高度hq=0.45×24×[1+0.1×(10-5)]=10.8m Hp=2.5hq=27m,H<Hq,故为浅埋。

取φ0=45°，θ=0.6φ0=27°，h=20m ，tan β=3.02,λ=0.224,tan θ=0.51, 计算简图：()212+1e =e e垂直压力q=19×20(1-0.224×20×0.51/10)=293.18KN/mPg=πdγ=π×0.4×25=31.4KN/m地基反力P=324.58KN/me1=γhλ=19×20×0.224=85.12e2=γ(h+Ht)λ=19×(20+8.17)×0.224=119.89水平均布松动压力e=(e1+e2)/2=102.51KN/mⅤ级围岩二衬按承受50%围岩压力进行计算，则垂直压力为q×50%=146.59KN/m地基反力为P×50%=162.29KN/m水平压力为e×50%=51.255KN/m2衬砌结构内力计算表4.7 等效节点荷载节点号X Y Fx FY1 2072.742591 1544.439864 31304.66167 2146.3194733 2072.757146 1543.972843 26425.97397 4953.6865524 2072.800753 1543.507634 26256.11233 9886.1615315 2072.873244 1543.046044 25973.81825 14776.30132 2 2072.974338 1542.589864 24195.36508 23664.97654 7 2073.219875 1542.146273 20103.90754 40260.144586 2073.651412 1541.88012 14076.90744 57497.450139 2074.154041 1541.73685 8935.043764 69728.9710410 2074.661668 1541.61244 6853.524396 83279.0729311 2075.173585 1541.507065 5880.169138 84021.8174612 2075.689079 1541.42087 4898.834757 84650.5451413 2076.20743 1541.353977 3910.852859 85164.4039714 2076.727917 1541.306479 2917.564275 85562.6960915 2077.249814 1541.27844 1920.316498 85844.8859416 2077.772394 1541.269902 920.4626612 86010.5840317 2078.294929 1541.280875 80.64000409 86059.5712718 2078.81669 1541.311344 -1081.63324 85991.7746219 2079.33695 1541.361267 -2081.158789 85807.2914620 2079.854984 1541.430575 -3077.860187 85506.3814621 2080.37007 1541.51917 -4070.385072 85089.4259922 2080.88149 1541.626929 -5057.386718 84557.009323 2081.388532 1541.753702 -6037.525576 83909.86178 2081.890488 1541.899313 -7009.471578 83148.84332 25 2082.285648 1542.168245 -9244.515303 74199.42618 24 2082.510844 1542.589864 -14047.47015 52646.5891327 2082.611937 1543.046044 -19236.06506 36865.6479128 2082.684429 1543.507634 -23588.83673 22476.6373729 2082.728036 1543.972843 -25973.81825 14776.30132 26 2082.742591 1544.439864 -26256.11233 9886.16153130 2082.706135 1545.042547 -26425.97397 4953.68655231 2082.5973 1545.636442 -31304.66167 2146.31214432 2082.417672 1546.212888 -35817.57933 -13486.3166533 2082.169871 1546.76348 -34895.66231 -26741.8859834 2081.85751 1547.280188 -33376.67067 -39539.8892835 2081.485145 1547.755477 -31286.59479 -51661.3504136 2081.058204 1548.182418 -28661.19683 -62898.8811837 2080.582915 1548.554783 -25545.39795 -73060.1921438 2080.066207 1548.867144 -21992.50975 -81971.412939 2079.515615 1549.114945 -18063.32375 -89480.0825240 2078.939169 1549.294573 -13825.06958 -95457.7295441 2078.345274 1549.403408 -9350.264619 -99802.0707842 2077.742591 1549.439864 -4715.473839 -102438.770543 2077.139908 1549.403408 0 -103322.708244 2076.546013 1549.294573 4715.473839 -102438.763145 2075.969566 1549.114945 9350.264619 -99802.0707846 2075.418975 1548.867144 13825.06984 -95457.7368747 2074.902267 1548.554783 18063.324 -89480.0898548 2074.426978 1548.182418 21992.50975 -81971.412949 2074.000037 1547.755477 25545.39769 -73060.1848150 2073.627672 1547.280188 28661.19683 -62898.8811851 2073.315311 1546.76348 31286.59505 -51661.3504152 2073.06751 1546.212888 33376.67067 -39539.8819553 2072.887882 1545.636442 34895.66205 -26741.8859854 2072.779047 1545.042547 35817.57908 -13486.32398表4.8 轴力、剪力、弯矩详细数据节点号轴力弯矩剪力1 -8.92E+05 -13456 -109952 -8.83E+05 -8352.6 -638913 -8.73E+05 21398 -1.19E+054 -8.61E+05 76686 -1.72E+055 -8.69E+05 1.57E+05 -252076 -7.80E+05 1.69E+05 3.16E+057 -2.08E+06 7906.2 339838 -2.06E+06 -11168 325749 -2.05E+06 -29519 2963810 -2.04E+06 -46347 2539511 -2.03E+06 -60967 2007312 -2.02E+06 -72813 1390913 -2.02E+06 -81442 7144.714 -2.02E+06 -86540 26.68815 -2.02E+06 -87920 -7193.616 -2.02E+06 -85526 -1426717 -2.02E+06 -79433 -2094718 -2.03E+06 -69844 -2698819 -2.04E+06 -57093 -3214820 -2.05E+06 -41637 -3619121 -2.07E+06 -24058 -3889122 -2.08E+06 -5056.4 -4002923 -7.88E+05 14553 -3.07E+0524 -8.72E+05 1.60E+05 1869325 -8.67E+05 1.51E+05 1.61E+0526 -8.78E+05 75321 1.12E+0527 -8.89E+05 22802 6085928 -8.97E+05 -5736 1042929 -9.06E+05 -10643 -1582730 -9.04E+05 -976.56 -1884631 -8.96E+05 10731 -2262932 -8.82E+05 24936 -2597333 -8.61E+05 41366 -2494434 -8.33E+05 57370 -1258435 -7.99E+05 66092 2076436 -7.60E+05 54844 4538037 -7.22E+05 28879 5781438 -6.87E+05 -4468.5 5896639 -6.58E+05 -38409 5047240 -6.38E+05 -67143 3459441 -6.27E+05 -86237 1407042 -6.26E+05 -92913 -8065.143 -6.37E+05 -86224 -2867644 -6.57E+05 -67117 -4472845 -6.85E+05 -38371 -5348046 -7.19E+05 -4418.2 -5266647 -7.57E+05 28940 -4064448 -7.94E+05 54916 -1651049 -8.29E+05 66173 1653250 -8.56E+05 57316 2859051 -8.76E+05 40997 2930652 -8.90E+05 24050 2556953 -8.98E+05 9154.2 2115954 -8.99E+05 -3292.6 17015内力图分析（1）轴力：由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出轴力图如图，最大轴力出现在仰拱段，其值为626.383kN。

围岩压力计算

围岩压力计算

1围岩压力计算深埋和浅埋情况下围岩压力的计算方式不同，深埋和浅埋的分界按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判断。

按等效荷载高度计算公式如下：HP =（~）qh式中: Hp——隧道深浅埋的分界高度；hq ——等效荷载高度，qh=qγ；q——垂直均布压力(kN/m2)；γ——围岩垂直重度（kN/m3)。

二次衬砌承受围岩压力的百分比按下表取值：表复合式衬砌初期支护与二次衬砌的支护承载比例浅埋隧道围岩压力的计算方法隧道的埋深H大于hq而小于Hp时，垂直压力QB Bt tqH==γH(1-λθ)浅浅tan。

表各级围岩的θ值及φ值2(tan 1)tan tan tan c cc ϕ+ϕβϕ+ϕ-θc tan =tan侧压力系数()tan tan tan tan tan tan tan tan cc c β-ϕλ=β1+βϕ-θ+ϕθ⎡⎤⎣⎦作用在支护结构两侧的水平侧压力为：e 1=γh λ ； e 2=γ(h+Ht)λ 侧压力视为均布压力时：Ⅴ级围岩的等效荷载高度hq=×24×[1+×(10-5)]= Hp==27m,H<Hq,故为浅埋。

取φ0=45°，θ=φ0=27°，h=20m ，tan β=,λ=,tan θ=, 计算简图：()212+1e =e e垂直压力q=19×20×20×10)=mPg=πdγ=π××25=m地基反力P=me1=γhλ=19×20×=e2=γ(h+Ht)λ=19×(20+×=水平均布松动压力e=(e1+e2)/2=mⅤ级围岩二衬按承受50%围岩压力进行计算，则垂直压力为q×50%=m地基反力为P×50%=m水平压力为e×50%=m2衬砌结构内力计算表等效节点荷载表轴力、剪力、弯矩详细数据50+0557********51+05409972930652+05240502556953+052115954+0517015内力图分析（1）轴力：由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出轴力图如图，最大轴力出现在仰拱段，其值为。

隧道工程 第1-2 围岩分级与围岩压力

吸水率是干燥岩样在室温和一个大气压下吸入水的重 量与岩石干重量的百分比。
饱水率是岩石在强制饱和状态下岩样的最大吸入水的 重量与岩石干重量的百分比。
饱水系数是吸水率与饱水率的百分比。
1、隧道围岩的概念及其性质 • （2）隧道围岩的工程性质
其它物理指标（膨胀性、抗渗性、软化性、抗冻性等） 膨胀性是岩石浸水后体积增大的性质，用膨胀率和膨
地下水 地应力
•
1、岩石坚硬程度；
• 岩石划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩和极软岩 5类
岩石类别 硬 极硬岩 质 岩
硬岩
单轴饱和抗压极限强度
代表性岩石
(MPa)
＞60 30～60
花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆 岩；硅岩、钙质胶结的砾岩及砂 岩、石灰岩、白云岩等沉积岩； 片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、
• （2）影响因素详解
3) 岩石的力学性质
岩石的工程性质是多方面的，一般主要指岩石的强度 或坚固性。 在岩体结构状态成为控制围岩稳定的主要因素时，强 调岩石强度意义是不大的。
岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的。
• （2）影响因素详解
4) 初始地应力场
●初始应力是隧道围岩变形、 破坏的根本作用力。
密度和容重。 可分为：天然密度、饱和密度、干密度、颗粒密度等
孔隙指标（孔隙率、孔隙比） 岩石试样中孔隙体积与试样体积的百分比称为孔隙 率。 孔隙体积与固体体积的比值称为孔隙比
1、隧道围岩的概念及其性质 • （2）隧道围岩的工程性质
水理指标（含水率、吸水率、饱水率等） 含水率是天然状态下岩石中水的重量与岩石干重量的 百分比。
围岩 （6-10倍洞径）
1、隧道围岩的概念及其性质
• （1）隧道围岩的概念
注意几个问题:

隧道工程复习概要(1)

1.中国最长隧道：位于陕西的终南山隧道，长全长18.4公里，道路等级按高速公路，上下行双洞双车道设计，安全等级一级。

贵州第一隧道：崇遵高速线上的凉风垭隧道，单向分离式，双洞隧道，左右隧道相距33m，双线长8170m。

2.隧道：以某种用途在地下用任何施工方式按规定形状和尺寸修建的断面大于2平方米的洞室。

3.现在隧道的发展特点：隧道越修越长，曲线隧道多，纵向式通风方式占主导地位，双洞取代单洞，隧道功能多样化。

4.隧道的分类:1)按地质：岩石隧道，土质隧道，2）按所处位置：山岭隧道，城市隧道，水底隧道，3）施工方法：矿山法，明挖法，盾构法，沉埋法，掘进机法，4）按埋深：浅埋，深埋，5）按断面形式：圆形，马蹄形，矩形，6）按断面大小：特大（>100m2）,大（50--100），中等（10--50）小（3--10），极小（<3）.7）按长度：特长（>3km）,长（1km—3km），中长（0.5km—1km），短（<0.5km），8）按用途：交通隧道，水工，市政，矿山，9）按车道数：单车道，双车道，多车道。

5.交通隧道的内容：公路（供汽车用），铁路（火车），水底（供汽车和火车），地铁，航空隧道，人行隧道。

6.隧道勘察的目的：查明隧道所处的工程地质条件和水文地质条件以及隧道施工和运营对环境保护的影响;为规划、设计、施工提供所需要的勘察资料，并对存在的岩土工程问题，环境问题进行分析评价，提出合理的设计方案好施工措施的意见建议，从而使隧道经济、合理、安全。

7.隧道勘察的主要方法：收集与研究既有资料、调查和测绘、勘探、实验与长期观察8.物探：凡是以各种岩土物理性质的差别为基础，采用专门的仪器，观测天然或人工的物理场变化，来判断地下地质情况的方法。

9.隧道勘察阶段的划分：可行性研究勘察，初步勘察，详细勘察。

10.初勘的手段：以调查和测绘为主，配合物探，并充分利用以往地质资料。

11.详细勘察的方法和手段：测绘、物探、坑探、槽探、钻探。

岩石地下工程之四-围岩压力计算


•洞侧壁稳定：洞顶围岩压力为L0M以下岩体的重量
p1g b b(hy)d xg b b(hx f2b )d x4 3 g f2b
洞室、侧壁不稳定： 洞 的 半 跨 将 由 b 扩 大 至 b1 ， 侧壁岩体将沿LE和MF滑动， 滑面与垂直洞壁的夹角为 α＝45°－φm/2 。
b1
b
lt
一种特殊的形变围岩压力
❖ 膨胀围岩压力：膨胀 围岩由于矿物吸水膨 胀产生的对支衬结构 的挤压力。
形成的基本条件： ❖ 一是岩体中要有膨胀
性粘土矿物(如蒙脱石 等)； ❖ 二是要有地下水的作 用。
2、松动围岩压力
❖ 松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重 力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱 落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。
(2)太沙基理论
❖ 假定跨度为2b的矩形洞 室，开挖在深度为H的 岩体中。开挖以后侧壁 稳定，顶拱不稳定，沿 面AA′和BB′发生滑移。
❖ 滑移面的剪切强度τ为：
htg mCm
❖ 岩体的天然应力状态为：
Vg, zhgz
❖ 取厚度为dz的薄层分析 ❖ 薄层的自重dG＝2bρgdz， ❖ 极限平衡条件
当R1愈大时，维持极限平衡所 需的pi愈小。因此，在围岩不 至失稳的情况下，适当扩大塑
性区，可以减小围岩压力。
2 sin m
pi
பைடு நூலகம்
0 (1 sinm )
R0 R1
1sin m
2 sin m
Cmctgm
1
(1
sin
m
)
R0 R1
1sin m
❖ 不仅处于弹性变形阶段的围岩有自承能力，处 于塑性变形阶段的围岩也具有自承能力。

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中华文本库地址：/file/staopozu3ucxooivtvczaoxt_1.html第3章ANSYS隧道工程应用实例分析第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析内容提要本章首先介绍了隧道工程的相关概念；然后介绍了 ANSYS 的生死单元及 DP 材料模型；最后用 2 个实例分别详细描述了用 ANYS 实现隧道结构设计和隧道施工模拟的全过程。

本章重点隧道工程概述隧道施工 ANSYS 模拟的实现 ANSYS 隧道开挖模拟实例分析ANSYS 隧道结构实例分析本章典型效果图第 3 章 ANSYS 隧道工程中的应用实例分析3.1 隧道工程相关概念3.1.1 隧道工程设计模型为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程” 。

在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道” 。

由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，称之为“衬砌” 。

隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。

隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。

这种局面与迅速发展的地下工程现实极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。

地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。

在 20 世纪 20 年代以前，地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。

此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。

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1围岩压力计算1围岩压力计算深埋和浅埋情况下围岩压力的计算方式不同，深埋和浅埋的分界按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判断。

按等效荷载高度计算公式如下：HP =（2~2.5）qh式中: Hp——隧道深浅埋的分界高度；hq ——等效荷载高度，qh=qγ；q——垂直均布压力(kN/m2)；γ——围岩垂直重度（kN/m3)。

二次衬砌承受围岩压力的百分比按下表取值：表4.1 复合式衬砌初期支护与二次衬砌的支护承载比例围岩级别初期支护承载比例二次衬砌承载比例双车道隧道三车道隧道双车道隧道三车道隧道ⅠⅡ100 100 安全储备安全储备Ⅲ100 ≥80 安全储备≥20 Ⅳ≥70 ≥60 ≥30 ≥40 Ⅴ≥50 ≥40 ≥50 ≥60 Ⅵ≥30 ≥30 ≥80 ≥85浅埋地段≥50 ≥30～50≥60 ≥60～801.1 浅埋隧道围岩压力的计算方法隧道的埋深H 大于hq 而小于Hp 时，垂直压力Q B B t tq H==γH(1-λθ)浅浅tan 。

表4.3 各级围岩的θ值及0φ值围岩级别Ⅲ ⅣⅤθ0.90φ （0.7～0.9）0φ （0.5～0.7）0φ 0φ60°～70°50°～60°40°～50°2(tan 1)tan tan tan c cc ϕ+ϕβϕ+ϕ-θc tan =tan 侧压力系数()tan tan tan tan tan tan tan tan cc c β-ϕλ=β1+βϕ-θ+ϕθ⎡⎤⎣⎦作用在支护结构两侧的水平侧压力为：e 1=γh λ ； e 2=γ(h+Ht)λ 侧压力视为均布压力时：Ⅴ级围岩的等效荷载高度hq=0.45×24×[1+0.1×(10-5)]=10.8m Hp=2.5hq=27m,H<Hq,故为浅埋。

取φ0=45°，θ=0.6φ0=27°，h=20m ，tan β=3.02,λ=0.224,tan θ=0.51, 计算简图：()212+1e =e e3 2072.757146 1543.972843 26425.97397 4953.6865524 2072.800753 1543.507634 26256.11233 9886.1615315 2072.873244 1543.046044 25973.81825 14776.30132 2 2072.974338 1542.589864 24195.36508 23664.97654 7 2073.219875 1542.146273 20103.90754 40260.144586 2073.651412 1541.88012 14076.90744 57497.450139 2074.154041 1541.73685 8935.043764 69728.9710410 2074.661668 1541.61244 6853.524396 83279.0729311 2075.173585 1541.507065 5880.169138 84021.8174612 2075.689079 1541.42087 4898.834757 84650.5451413 2076.20743 1541.353977 3910.852859 85164.4039714 2076.727917 1541.306479 2917.564275 85562.6960915 2077.249814 1541.27844 1920.316498 85844.8859416 2077.772394 1541.269902 920.4626612 86010.5840317 2078.294929 1541.280875 80.64000409 86059.5712718 2078.81669 1541.311344 -1081.63324 85991.7746219 2079.33695 1541.361267 -2081.158789 85807.2914620 2079.854984 1541.430575 -3077.860187 85506.3814621 2080.37007 1541.51917 -4070.385072 85089.4259922 2080.88149 1541.626929 -5057.386718 84557.009323 2081.388532 1541.753702 -6037.525576 83909.86178 2081.890488 1541.899313 -7009.471578 83148.84332 25 2082.285648 1542.168245 -9244.515303 74199.42618 24 2082.510844 1542.589864 -14047.47015 52646.5891327 2082.611937 1543.046044 -19236.06506 36865.6479128 2082.684429 1543.507634 -23588.83673 22476.6373729 2082.728036 1543.972843 -25973.81825 14776.30132 26 2082.742591 1544.439864 -26256.11233 9886.16153130 2082.706135 1545.042547 -26425.97397 4953.68655231 2082.5973 1545.636442 -31304.66167 2146.31214432 2082.417672 1546.212888 -35817.57933 -13486.3166533 2082.169871 1546.76348 -34895.66231 -26741.8859834 2081.85751 1547.280188 -33376.67067 -39539.8892835 2081.485145 1547.755477 -31286.59479 -51661.3504136 2081.058204 1548.182418 -28661.19683 -62898.8811837 2080.582915 1548.554783 -25545.39795 -73060.1921438 2080.066207 1548.867144 -21992.50975 -81971.412939 2079.515615 1549.114945 -18063.32375 -89480.0825240 2078.939169 1549.294573 -13825.06958 -95457.7295441 2078.345274 1549.403408 -9350.264619 -99802.0707842 2077.742591 1549.439864 -4715.473839 -102438.770543 2077.139908 1549.403408 0 -103322.708244 2076.546013 1549.294573 4715.473839 -102438.763145 2075.969566 1549.114945 9350.264619 -99802.0707846 2075.418975 1548.867144 13825.06984 -95457.7368747 2074.902267 1548.554783 18063.324 -89480.0898548 2074.426978 1548.182418 21992.50975 -81971.412949 2074.000037 1547.755477 25545.39769 -73060.1848150 2073.627672 1547.280188 28661.19683 -62898.8811851 2073.315311 1546.76348 31286.59505 -51661.3504152 2073.06751 1546.212888 33376.67067 -39539.8819553 2072.887882 1545.636442 34895.66205 -26741.8859854 2072.779047 1545.042547 35817.57908 -13486.32398表4.8 轴力、剪力、弯矩详细数据节点号轴力弯矩剪力1 -8.92E+05 -13456 -109952 -8.83E+05 -8352.6 -638913 -8.73E+05 21398 -1.19E+054 -8.61E+05 76686 -1.72E+055 -8.69E+05 1.57E+05 -252076 -7.80E+05 1.69E+05 3.16E+057 -2.08E+06 7906.2 339838 -2.06E+06 -11168 325749 -2.05E+06 -29519 2963810 -2.04E+06 -46347 2539511 -2.03E+06 -60967 2007312 -2.02E+06 -72813 1390913 -2.02E+06 -81442 7144.714 -2.02E+06 -86540 26.68815 -2.02E+06 -87920 -7193.616 -2.02E+06 -85526 -1426717 -2.02E+06 -79433 -2094718 -2.03E+06 -69844 -2698819 -2.04E+06 -57093 -3214820 -2.05E+06 -41637 -3619121 -2.07E+06 -24058 -3889122 -2.08E+06 -5056.4 -4002923 -7.88E+05 14553 -3.07E+0524 -8.72E+05 1.60E+05 1869325 -8.67E+05 1.51E+05 1.61E+0526 -8.78E+05 75321 1.12E+0527 -8.89E+05 22802 6085928 -8.97E+05 -5736 1042929 -9.06E+05 -10643 -1582730 -9.04E+05 -976.56 -1884631 -8.96E+05 10731 -2262932 -8.82E+05 24936 -2597333 -8.61E+05 41366 -2494434 -8.33E+05 57370 -1258435 -7.99E+05 66092 2076436 -7.60E+05 54844 4538037 -7.22E+05 28879 5781438 -6.87E+05 -4468.5 5896639 -6.58E+05 -38409 5047240 -6.38E+05 -67143 3459441 -6.27E+05 -86237 1407042 -6.26E+05 -92913 -8065.143 -6.37E+05 -86224 -2867644 -6.57E+05 -67117 -4472845 -6.85E+05 -38371 -5348046 -7.19E+05 -4418.2 -5266647 -7.57E+05 28940 -4064448 -7.94E+05 54916 -1651049 -8.29E+05 66173 1653250 -8.56E+05 57316 2859051 -8.76E+05 40997 2930652 -8.90E+05 24050 2556953 -8.98E+05 9154.2 2115954 -8.99E+05 -3292.6 17015内力图分析（1）轴力：由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出轴力图如图，最大轴力出现在仰拱段，其值为626.383kN。