1、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（Midas GTS） 15附图四弯矩图（Midas GTS） 16附图五剪力图（Midas GTS） 17附图六轴力图（Auto CAD） 18附图七弯矩图（Auto CAD） 19附图八剪力
2、图（Auto CAD） 20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（kN/m3）饱和重度sat（kN/m3）弹性抗力系数(MPa/m）变形模量E（GPa）泊松比内摩擦角（）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
3、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）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
4、、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Midas GTS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（2）侧向围岩压力3、 水压力（1）竖向水压力隧道顶部竖直向下水压力：隧道底部竖直向上水压力：（2）侧向水压力二、 可变荷载1、 地面超载(1)竖向地面超载(1) 地面超载引起的侧向压力2、
5、 车辆荷载三、 荷载组合在Midas GTS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。图二荷载分布图第三章 建立模型一、 建立明挖隧道模型首先在Midas GTS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Auto CAD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
6、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
7、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。3、 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）已经考虑了荷载组合，在施加荷载时就只需对自重荷载进行组合，对模型施加完荷载后如图五所示。图五明挖隧道施加荷载建模图第四章 分析工况选择分析工况，并激活荷载组，进行分析。图六明挖隧道分析工况激活单元、边界、荷载分析结果如下图所示：图七轴力图（最大轴力为11
8、16.16kN）图八弯矩图（最大弯矩为439.369kNm）图九剪力图（最大剪力为554.883kN）将各单元内力输出以表格的形式详见附表一，根据单元的内力值，在Auto CAD上重新绘制内力图如下图所示：图十轴力图（最大轴力为1116.16kN）图十一弯矩图（最大弯矩为439.369kNm）图十二剪力图（最大剪力为554.883kN）第五章 感想首先感谢刘老师的耐心教导，我对地下工程这门课有了深入的了解。经过几周的课程设计，我基本掌握了Midas GTS的模型建立、边界定义、荷载施加、工况分析等操作，这让我收获很多。我觉得本次课程设计最难的环节便是软件的学习，我使用了刘老师传授给我们的方法：不要从基本学起，一开始就试着去分析衬砌内力，有不会的再去查询指南。我在开始时就照着例题尝试着分析了一个盾构隧道，虽然只分析了一种压力，地基弹簧也都定义成为同一种弹簧，就是在这简单的分析中逐渐掌握了软件的基本使用方法。结合第一次的经验，我很快就建立了课程设计中明挖隧道的基本模型，剩下的内力分析也变得顺理成章。最后，再次感谢刘老师在课程设计中细心的指导，感谢和我一起讨论的组员们，有你们我才能顺利地完成本次课程设计。附录附表一各单元内力输出值
