地下建筑结构课件

1、地下建筑结构地下建筑结构荷载地下建筑结构荷载地下建筑结构地下建筑结构-2地下建筑结构本讲内容本讲内容荷载种类和组合荷载种类和组合荷载确定方法荷载确定方法岩土体压力的计算方法岩土体压力的计算方法初始地应力、释放荷载与开挖效应初始地应力、释放荷载与开挖效应弹性抗力弹性抗力其他荷载其他荷载123456地下建筑结构1. 1. 荷载种类和组合荷载种类和组合荷载种类荷载种类按存在状态可分为：按存在状态可分为：静荷载、动荷载和活荷载静荷载、动荷载和活荷载等等 静荷载：又称恒载。是指静荷载：又称恒载。是指长期作用长期作用在结构上且大小、在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如结构自重、岩土体压力方向和作用点

2、不变的荷载，如结构自重、岩土体压力和地下水压力等和地下水压力等 ；动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，需考动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，需考虑虑原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下结构设计时，应计算结构设计时，应计算地震波地震波作用下的动荷载作用作用下的动荷载作用 地下建筑结构1. 1. 荷载种类和组合荷载种类和组合荷载种类荷载种类活荷载活荷载：是指在结构物施工和使用期间：是指在结构物施工和使用期间可能存在的变可能存在的变动荷载动荷载

3、，其大小和作用位置都可能变化，如地下建筑，其大小和作用位置都可能变化，如地下建筑物内部的楼地面荷载（人群物件和设备重量）、吊车物内部的楼地面荷载（人群物件和设备重量）、吊车荷载、落石荷载等。地面附近的堆积物和车辆对地下荷载、落石荷载等。地面附近的堆积物和车辆对地下结构作用的荷载以及施工安装过程中的临时性荷载结构作用的荷载以及施工安装过程中的临时性荷载 其它荷载其它荷载：使结构产生内力和变形的各种因素中，除：使结构产生内力和变形的各种因素中，除有以上主要荷载的作用外，通常还有：有以上主要荷载的作用外，通常还有：混凝土材料收混凝土材料收缩缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）受到约束（包括早期混凝

4、土的凝缩与日后的干缩）受到约束而产生的内力；而产生的内力； 地下建筑结构地下建筑结构1. 1. 荷载种类和组合荷载种类和组合荷载组合荷载组合按存在状态可分为：静荷载、动荷载和活荷载等按存在状态可分为：静荷载、动荷载和活荷载等 各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结构各部件截面的内力，再进合。先计算个别荷载单独作用下的结构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合，得出各设计控制截面的最大内力。最不利行最不利的内力组合，得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组合一般有以下几种情况：的荷载组合一般有

5、以下几种情况：（一）静载；（一）静载；（二）静载（二）静载+ +活载；活载；（三）静载（三）静载+ +动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载）动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载） 地下建筑结构2. 2. 荷载的确定方法荷载的确定方法确定依据确定依据-1-1. .1 1、依据规范依据规范：当前在地下建筑结构设计中试行的规：当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建筑范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵守各有关规范的设计规范，设计时应遵守各有关规范 。地下建筑结构2. 2. 荷载的确定方法荷载的确定方法确定依据确定依据-2-2. .2

6、2、设计标准、设计标准 （1 1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。 （2 2）地下建筑结构材料的选用）地下建筑结构材料的选用 （3 3）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可按结构力学计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由段可按结构力学计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性塑性变形变形引起的内力重分布。引起的内力重分布。 （4 4）截面计算原则）截面计算原则( (混凝土、砖石、钢筋混凝土混凝土、砖石、钢筋混凝土) ) （5 5）安全系数）安全系数 （6 6）材料强度指标）材料强度指标地下建筑结构3

7、. 3. 岩土体压力计算岩土体压力计算主要荷载主要荷载. .u结构自重、结构自重、u地层压力地层压力( (土压力、围岩压力土压力、围岩压力) )u弹性抗力、弹性抗力、u地下水静水压力、地下水静水压力、u车辆和设备重量、车辆和设备重量、u其他使用荷载其他使用荷载 （灌浆压力、局部落石、施工荷载、温（灌浆压力、局部落石、施工荷载、温度变化或混凝土收缩应力）度变化或混凝土收缩应力）难题？难题？地下建筑结构地下建筑结构3.1 3.1 土压力计算土压力计算. .土压力土压力：土与挡土结构之间相互作用的结果：土与挡土结构之间相互作用的结果挡土墙：挡土墙：土压力被动土压力静止土压力主动土压力位移墙向前移墙身

8、后移图2.1 墙身位移与土压力关系 地下建筑结构静止土压力的计算静止土压力的计算图2.3 静止土压力计算图式 zc（2-1）地下建筑结构其侧向压力与竖直方向压力之间的关系为： )32(1)22(oocookzkkp地下建筑结构经典土压力之一经典土压力之一库伦土压力库伦土压力库伦理论的库伦理论的基本假定基本假定 库伦理论是由法国科学家库伦（库伦理论是由法国科学家库伦（Coulomb, C.A.Coulomb, C.A.）于）于17731773年年发表的，主要是针对挡土墙的计算，其计算的基本假定为（图发表的，主要是针对挡土墙的计算，其计算的基本假定为（图2.42.4）挡土墙墙后土体为均质各向同性的

9、无粘性土；挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土；挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题；挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题；挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面为通过墙踵的平面；楔体，滑裂面为通过墙踵的平面；墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面的夹角为角；平面的夹角为角；在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件 地下建筑结构图2.4 库伦土压力计算图式-=-( )( )=

10、+-地下建筑结构地下建筑结构粘性土中等效内摩擦角粘性土中等效内摩擦角 1、经验法（当粘聚力每增加10kPa时，内摩擦角可提高 3-7，平均提高为5）2、根据土的抗剪强度相等的原则 )(hctgarctgD（2-21） 2、根据朗肯土压力理论进行换算 )222()245(2)245(24522tgchtghtgD地下建筑结构换算等效内摩擦角实际内摩擦角D=tgD=tg +c图2.6 等值内摩擦角地下建筑结构经典土压力之二经典土压力之二朗肯土压力朗肯土压力基本假定基本假定 朗肯土压力理论是由英国科学家朗肯（朗肯土压力理论是由英国科学家朗肯（RankineRankine）于于18571857年提出。

11、年提出。挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土层之间的挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土层之间的摩擦力；摩擦力； 挡土墙后填土的表面为水平面，土体向下和沿水平方挡土墙后填土的表面为水平面，土体向下和沿水平方向都能伸展到无穷，即为半无限空间；向都能伸展到无穷，即为半无限空间； 挡土墙后填土处于极限平衡状态。挡土墙后填土处于极限平衡状态。地下建筑结构()( )( )图2.8 朗肯极限平衡状态452zzx+452-45+2-245=tan+c00zz( )地下建筑结构fctgc2sin3131 (2-32)(2-33)cos1cos2sin1sin131ccos1cos2sin1sin113c（

12、2-34）（2-35）土体极限平衡条件：土体极限平衡条件：主应力：主应力：地下建筑结构主动土压力时主动土压力时 最大主应力为竖向土压力；最大主应力为竖向土压力； 最小主应力为主动土压力；最小主应力为主动土压力；被动土压力时被动土压力时 最大主应力为被动土压力；最大主应力为被动土压力； 最小主应力为竖向压力；最小主应力为竖向压力；)362(24522452atgctgPza)37-(224522452tgctgPzp地下建筑结构令令 主动土压力系数为主动土压力系数为K Ka a； 被动土压力系数为被动土压力系数为K Kp p；)382(245)372(24522tgktgkpa可得可得)392(

13、2)392(2bkckPakckPppzpaaza地下建筑结构不考虑墙背与土体之间的拉应力，不考虑墙背与土体之间的拉应力，墙背总的土体压力为墙背总的土体压力为2.9 成层土的主动土压力计算1、1、12、2、2123221负值负值222221ckchkhPaaa（2-40）地下建筑结构特殊情况下的土压力特殊情况下的土压力1 1、分层土的土压力计算、分层土的土压力计算 2 2、不同地面超载作用下的土压力计算与图式、不同地面超载作用下的土压力计算与图式 3 3、考虑地下水时水土压力计算、考虑地下水时水土压力计算4 4、水土压力合算、水土压力分算、水土压力合算、水土压力分算 地下建筑结构地下建筑结构地

14、下建筑结构地下建筑结构自重应力计算总结自重应力计算总结无分层无分层 均质土层：重度一致，斜率不变均质土层：重度一致，斜率不变分层分层 均质土但有地下水位：重度改变，斜率改变均质土但有地下水位：重度改变，斜率改变 分层土：重度改变，斜率改变，无突变分层土：重度改变，斜率改变，无突变 透水层土突变到不透水层土：增加地下水的透水层土突变到不透水层土：增加地下水的 重度，有突变重度，有突变地下建筑结构水土分算计算实例水土分算计算实例要点：要点： 自重计算（土体部分、水的部分）自重计算（土体部分、水的部分） 侧压力系数计算（分层处土体参数不同）侧压力系数计算（分层处土体参数不同） 土压力包括土体部分压力

15、（土体部分自重土压力包括土体部分压力（土体部分自重X土体侧压力系数）和水压力土体侧压力系数）和水压力地下建筑结构地下建筑结构地下建筑结构地下建筑结构地下建筑结构地下建筑结构3.2 3.2 围岩压力计算围岩压力计算. .围岩压力围岩压力：指位于地下结构周围变形或破坏的岩层，：指位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。u围岩垂直压力围岩垂直压力u围岩水平压力围岩水平压力u围岩底部压力围岩底部压力地下建筑结构2 2、影响围岩压力的因素、影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素很多，主要因素有影响围岩压力的因素很多，主要因素有u岩体的结构、岩体

16、的结构、u岩石的强度、岩石的强度、u地下水的作用、地下水的作用、u洞室的尺寸与形状、洞室的尺寸与形状、u支护的类型和刚度、支护的类型和刚度、u施工方法、施工方法、u洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。其中，岩体稳定性的关键一般在于其中，岩体稳定性的关键一般在于岩体结构面的类型岩体结构面的类型和特征。和特征。 地下建筑结构（二）围岩压力的计算方法（二）围岩压力的计算方法1 1、按松散体理论计算围岩压力、按松散体理论计算围岩压力1 1）垂直围岩压力）垂直围岩压力 浅埋结构上的垂直围岩压力浅埋结构上的垂直围岩压力 深埋结构上的垂直围岩压力深埋结构上的垂直围岩压力

17、2 2）水平围岩压力）水平围岩压力 3 3）底部围岩压力）底部围岩压力 2 2、按弹塑性体理论计算围岩压力、按弹塑性体理论计算围岩压力 地下建筑结构kcftg（二）围岩压力的计算方法（二）围岩压力的计算方法1 1、按、按松散体理论松散体理论计算围岩压力计算围岩压力1 1）垂直围岩压力）垂直围岩压力 理想松散体颗粒间抗剪强度：理想松散体颗粒间抗剪强度： tg有粘结力的岩体中抗剪强度有粘结力的岩体中抗剪强度 ：tgcctgkf结论：对于有结论：对于有粘结力粘结力的岩体，可应用的岩体，可应用松散体理论松散体理论地下建筑结构1 1）浅埋结构上的垂直围岩压力）浅埋结构上的垂直围岩压力浅埋：即上覆岩层较薄

18、浅埋：即上覆岩层较薄qH45-/2221( )( )图2.21 浅埋结构垂直围岩压力计算图式最最不不利利情情况况一一般般情情况况地下建筑结构HhtgaHaG245221作用在地下结构上的总压力为作用在地下结构上的总压力为 FGQ22452221htgaa地下建筑结构AB（CD）面所受总的水平力）面所受总的水平力 ：2452124521222tgHHtgHEAB（CD）面所受摩擦阻力：）面所受摩擦阻力：tgtgHtgEF 2452122222454522QH ahtgH tgtg作用在地下结构上的总压力作用在地下结构上的总压力 ：地下建筑结构围岩压力集度为围岩压力集度为 211145222QHq

19、Htgtgaa可见可见q值是随地下结构所处深度值是随地下结构所处深度H而变化的，对其求导：而变化的，对其求导： tgtgaH 2452max围岩压力集度为：围岩压力集度为： tgtgaq 245221maxmaxmax21Hq理论上，当以理论上，当以H=2Hmax代入时，代入时，Q=0。这表明。这表明摩擦阻力摩擦阻力已全部克服了岩体下滑的重量已全部克服了岩体下滑的重量。 地下建筑结构2）深埋结构上的垂直围岩压力）深埋结构上的垂直围岩压力图2.22 深埋结构垂直围岩压力计算图式45-/2( )221压力拱压力拱地下建筑结构（a）压力拱的曲线形状）压力拱的曲线形状合理拱轴，其上任何一点是力矩为零力

20、矩为零 11图2.23 计算简图222021xHqyqxHy压力拱是压力拱是二次抛物线二次抛物线曲线曲线 地下建筑结构（a a）压力拱的高度）压力拱的高度-普氏理论普氏理论q q在拱脚形成的全部垂直反力为在拱脚形成的全部垂直反力为 1qaA 由由A A所形成的水平摩擦力为所形成的水平摩擦力为 kkfqaAfT1当当T=HT=H，压力拱处于极限平衡状态，这时压力拱的方程为，压力拱处于极限平衡状态，这时压力拱的方程为 122afxyk考虑安全，考虑安全，T/2=HT/2=H，拱脚用存在的水平抗力之半平衡拱顶水平推力，拱脚用存在的水平抗力之半平衡拱顶水平推力12afxyk212111axhyhhx压

21、力拱方程：压力拱方程：压力拱曲线高度：压力拱曲线高度：地下建筑结构 因此，当地下结构上方具有因此，当地下结构上方具有足够厚度的覆盖层足够厚度的覆盖层时，由于时，由于卸荷拱起到将岩体重量转嫁给洞室两侧的作用，因而卸荷拱起到将岩体重量转嫁给洞室两侧的作用，因而只有压力拱内的岩体重量作用在结构上。只有压力拱内的岩体重量作用在结构上。在地下结构设计中，常忽略压力拱曲线所造成的荷载在地下结构设计中，常忽略压力拱曲线所造成的荷载集度的差别，垂直围岩压力取均布形式，并按集度的差别，垂直围岩压力取均布形式，并按h h1 1计算，计算，即：即：1hqkf：岩层坚硬系数或普氏系数。：岩层坚硬系数或普氏系数。 tg

22、fkactgfkckRf1001对松散岩体：对松散岩体：对粘性岩体：对粘性岩体：对岩性岩体：对岩性岩体：地下建筑结构2 2）水平围岩压力）水平围岩压力浅埋：即上覆岩层较薄浅埋：即上覆岩层较薄)2(kf如垂直围岩压力是地下结构所不可忽视的荷载，而水平垂直围岩压力是地下结构所不可忽视的荷载，而水平围岩压力只是对较松软的岩层围岩压力只是对较松软的岩层2452ztgez?地下建筑结构3 3）底部围岩压力）底部围岩压力在某些松软岩层中构筑地下建筑物，由于在衬砌侧墙底部在某些松软岩层中构筑地下建筑物，由于在衬砌侧墙底部轴向压力作用下，或某些岩层，如粘性土层及石膏等遇水轴向压力作用下，或某些岩层，如粘性土层

23、及石膏等遇水膨胀，都有可能使膨胀，都有可能使洞室底部产生隆起现象洞室底部产生隆起现象。这种。这种由于围岩由于围岩隆起而对衬砌底板产生的作用力隆起而对衬砌底板产生的作用力，叫做底部围岩压力。，叫做底部围岩压力。 地下建筑结构2、按弹塑性体理论计算围岩压力、按弹塑性体理论计算围岩压力 弹性变形区弹性变形区非图2.24 弹塑性模型计算围岩压力图式ctgcRactgcppbsin1sin2sin1修正芬诺公式 ，它表示当岩体性岩体性质、埋深质、埋深等确定的情况下，非弹非弹性变形区大小性变形区大小与支护支护对围岩提供的反力反力间的关系。 地下建筑结构3 3、按围岩分级和经验公式确定围岩压力、按围岩分级和

24、经验公式确定围岩压力1 1）垂直围岩压力）垂直围岩压力zHLkq2)2)水平围岩压力水平围岩压力 qe地下建筑结构初始地应力、释放荷载与开挖效应初始地应力、释放荷载与开挖效应 初始地应力一般包括初始地应力一般包括自重应力场和构造应力场自重应力场和构造应力场，土层中仅有自重应力场存在；土层中仅有自重应力场存在；岩层中对于岩层中对于级以下围岩，喷射混凝土层将在同围岩共同变级以下围岩，喷射混凝土层将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护抗力，使围岩变形得到控制，从形的过程中对围岩提供支护抗力，使围岩变形得到控制，从而使围岩保持稳定。与此同时，喷层将受到来自围岩的挤压而使围岩保持稳定。与此同时，喷层将

25、受到来自围岩的挤压力。这种挤压力由围岩变形引起，常称作力。这种挤压力由围岩变形引起，常称作“形变压力形变压力”。 时间效应：时间效应：级以下围岩一般呈现塑性和流变特性级以下围岩一般呈现塑性和流变特性 释放荷载：可由已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场释放荷载：可由已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。先求得预计开挖边界上各结点的应力，并假定各结点间确定。先求得预计开挖边界上各结点的应力，并假定各结点间应力呈线性分布，然后反转开挖边界上各结点应力的方向应力呈线性分布，然后反转开挖边界上各结点应力的方向( (改变改变其符号其符号) )，据以求得释放荷载，据以求得释放荷载 地下建筑结构地下建筑结构 1 1、初始地应力的确定、初始地应力的确定 初始地应力初始地应力 0 0 的确定常需专门研究。对岩石地层，初始地应的确定常需专门研究。对岩石地层，初始地应力可