地下建筑结构设计

地下下建建筑筑结结构构设设计计第一一讲讲本课课内内容容第一一讲讲总论论土层层地地下下建建筑筑岩石石地地下下建建筑筑地下下建建筑筑结结构构的的概概念念、、作作用用和和形形式式地下下建建筑筑是是修修建建在在地地层层中中的的建建筑筑物物。它可可以以分分为为两两大大类类：：一一类类是是修修建建在在土土层层中中的的；；一一类类是是修修建建在在岩岩层层中中的的；广义义上上讲讲，，任任何何结结构构物物都都是是修修建建在在相相应应的的介介质质中中的的，，本本学学科科所所要要研研究究的的所所有有问问题题其其实实都都可可以以归归为为““结构构与与介介质质的的相相互互作作用用问问题题”。。。地下下建建筑筑的的优优点点有效效的的土土地地利利用用能源源利利用用的的节节省省和和气气候候的的控控制制安全全噪声声和和震震动动的的隔隔离离便于于维维修修管管理理地下下建建筑筑的的缺缺点点获得得眺眺望望和和自自然然采采光光的的机机会会有有限限进人人和和往往来来的的限限制制能源源上上的的限限制制地下建筑与地地面建筑结构构的区别（1）计算理论、、设计和施工工方法（2）地下建筑结结构所承受的的荷载比地面面结构复杂。。（3）地下建筑结结构埋置于地地下，其周围围的岩土体不不仅作为荷载载作用于地下下建筑结构上上，而且约束束着结构的移移动和变形。。所以，在地下建筑结构构设计中除了了要计算因素素多变的岩土土体压力之外外，还要考虑虑地下结构与与周围岩土体体的共同作用用。这一点乃是是地下建筑结结构在计算理理论上与地面面建筑结构最最主要的差别别。第2章地下建建筑结构的荷荷载1.荷载种类和组组合荷载组合各种荷载对结结构可能不是是同时作用，，需进行最不不利情况的组组合。先计算算个别荷载单单独作用下的的结构各部件件截面的内力力，再进行最最不利的内力力组合，得出出各设计控制制截面的最大大内力。最不利的荷载载组合一般有有以下几种情情况：（一）静载；；（二）静载+活载；（三）静载+动载（原子爆爆炸动载、炮炮（炸）弹动载）2.荷载的确定方方法确定依据.1、依据规范：：当前在地下下建筑结构设设计中试行的的规范、技术术措施、条例例等有多种。。有的仍沿用用地面建筑的的设计规范，，设计时应遵遵守各有关规规范。3.计算理论计算原理.地下结构的计计算理论较多多地应用以文克尔假定定为基础的局部部变形理论以以及以弹性理论为基础的共同同变形理论。。地层对结构的的弹性抗力限限制了结构的的变形，故改改善了结构的的受力情况。。荷载的计算地下建筑结构构上所承受的的荷载有结构构自重、地层层压力、弹性性抗力、地下下静水压力、、车辆和设备备重量及其他他使用荷载等等。其中地层压力力（包括土压压力和围岩压压力）是至关关重要的荷载载。第3章弹性地地基梁理论1.概述定义：弹性地基梁，，是指搁置在在具有一定弹弹性地基上，，各点与地基基紧密相贴的梁。如铁路枕木、、钢筋混凝土土条形基础梁梁，等等。通过这种梁，，将作用在它它上面的荷载载，分布到较较大面积的地地基上，既使使承载能力较较低的地基，，能承受较大大的荷载，又又能使梁的变变形减小，提提高刚度降低低内力。1.荷载种类和组组合弹性地基梁与与普通梁的区区别：1.超静定次数是是无限还是有有限，这是它它们的一个主主要区别。2.地基的变形是是考虑还是略略去，这是它它们的另一个个主要区别。。2.弹性地基梁的的计算模型计算模型分类类：.局部弹性地基基模型2.半无限体弹性性地基模型局部弹性地基基模型1867年前后，温克克尔（E.Winkler）对地基提出出如下假设：：地基表面任一一点的沉降与与该点单位面面积上所受的的压力成正比比。即式中,y为地基的沉陷陷，m；k为地基系数，，，，其物理理意义为：使地基产生单单位沉陷所需需的压强；p为单位面积上上的压力强度度，。。这个假设实际际上是把地基基模拟为刚性性支座上一系系列独立的弹弹簧。当地基基表面上某一一点受压力p时，由于弹簧簧是彼此独立立的，故只在在该点局部产产生沉陷y，而在其他地地方不产生任任何沉陷。因因此，这种地地基模型称作作局部弹性地地基模型。3.弹性地基梁的的挠度曲线微微分方程式及及其初参数解解基本假设：在弹性地基梁梁的计算理论论中，除上述述局部弹性地地基模型假设设外，还需作作如下三个假假设：（1）地基梁在外外荷载作用下下产生变形的的过程中，梁梁底面与地基基表面始终紧紧密相贴，即即地基的沉陷陷或隆起与梁梁的挠度处处处相等；（（2）由于梁与地地基间的摩擦擦力对计算结结果影响不大大，可以略去去不计，因而而，地基反力力处处与接触触面相垂直；；（3）地基梁的高高跨比较小，，符合平截面面假设，因而而可直接应用用材料力学中中有关梁的变变形及内力计计算结论。如果梁的挠度度已知，则梁梁任意截面的的转角θ，弯矩M，剪力Q可按材料力学学中的公式来来计算，即:1.弹性地基梁的的挠度曲线微微分方程式此即为弹性地地基梁的挠曲曲微分方程式式令，，若若地基梁宽度度为b，则有2.对应齐次微分分方程的通解解上面推导得弹弹性地基梁的的挠曲微分方方程式是一个个四阶常系数数线性非齐次次微分方程，，令式中，即得对应齐齐次微分方程程：由微分方程理理论知，上述述方程的通解解由四个线性性无关的特解解组合而成。。为寻找四个个线性无关的的特解，令并代入上式有有：或由复数开方根根公式得：是与梁和地基基的弹性性质质相关的一个个综合参数，，反映了地基基梁与地基的的相对刚度，，对地基梁的的受力特性和和变形有重要要影响，通常常把称为特征系数，称为换算长度。（3.7）（3.8）（3.9）弹性地基梁挠挠曲微分方程程的通解

式（3.31）中，当，时，pi、mi两项取值为零。（3.31）第4章地下建建筑结构的计计算方法刚性理论经验1.概述弹性理论连续介质理论论我国采用的设设计方法似可可分属以下四四种设计模型型：1.荷载—结构模型1.概述将支护结构和和围岩分开来来考虑，支护护结构是承载载主体．因岩岩作为荷载；；结构与围岩岩的相互作用用是通过弹性性支承对支护护结构施加约束来体现的，而而围岩的承载载能力则在确确定围岩压力力和弹性支承承的约束能力力时间接地考考虑。1.概述2.地层—结构模型1.概述1.概述将支护结构与与围岩视力一一体，作为共共同承载的隧隧道结构体系系，故又称为为围岩一结构构模型或复合合整体模型，，在这个模型型中围岩是直直接的承载单单元，支护结结构只是用来来约束和限制制围岩的变形形，这一点正正好和上述模模型相反。第5章地下建建筑结构的可可靠度理论1.概述地下建筑结构构由于其特殊殊性，在很大大程度上存在在着随机性、、离散性和不不确定性。因此需要一些些特定的方法法来对其进行行可靠度分析析。（二）结构的的功能函数与与极限状态函函数一般倩况下：：总可以将影影响结构可靠靠性的因素归归纳为两个综综合量，即结结构构件的荷荷载效应S和抗力R，定义的功能能函数为：Z=g(R,S)=R-S2.可靠度分析的的基本原理2.可靠度分析的的基本原理实际工程结构构的荷载效应应和抗力均为为随机变量，，因此Z也是一个随机机变量，总可可能出现下列列．三种情况况：z＞o结构可靠·z＜o结构失效z＝o结构处于极限限状态2.可靠度分析的的基本原理由于影响荷载载效应S和结构抗力R都有很多更基基本的随机变变量(如截面几何特特性、结构尺尺寸、材料性性能等)，设这些随机机变量为X1、X2、…、Xn，则结构功能能函数的一般般形式为Z=g(X1、X2、…、Xn)(5-2)2.可靠度分析的的基本原理5.2.2地下建筑结构构的可靠度地下建筑结构构的可靠度是按照概率度度量结构的可可靠性。《建筑结构可靠靠度设计统一一标准》将建筑结构可可靠度定义为为建筑结构在在规定时间内内、规定条件件下，完成预预定功能的能能力。地下建筑结构构的可靠度就可以定义为为在规定时间间内、规定条条件下，完成成预定功能的的概率大小。。建立功能方程程：Z=R-S可靠度指标β中心点法验算点法JC法Pf=P{Z<μz-βσz}蒙特卡罗法已知分布函数数未知分布函数数数理统计法第6章浅浅埋式式结构1.概述埋设在土层中中的建筑物，，按其埋置深深浅可分为深埋式结构和浅埋式结构两大类。。定义：指其覆盖土土层较薄，不不满足压力拱拱成拱条件（（H<2—2.5h1）或软土地层层中覆盖层厚厚度小于结构构尺寸的地下下结构。结构受到的垂垂直土压力和和水平土压力力均随着深度度增加而增加加。一般浅埋式建建筑工程，常常采用明挖法法施工，特殊殊环境下也可可采用管幕法法、管涵顶进进法等暗挖法法施工。浅埋式的结构形式可归纳为以下下三种：直墙墙拱形结构、、矩形框架和和梁板式结构构。1.概述6.2.2内力计算1.可将地基视作作弹性半无限限平面，作为为弹性地基上的的框架进行分析。2.简化，将弹性性地基上的反反力作为荷载载作用在闭合合框架底部，，按照一般平面框架计算。。2.矩形闭合框架架的计算2.可靠度分析的的基本原理框架的顶底板板厚度都比内内隔墙大得多多，中隔墙的的刚度相对较较小，将中隔隔墙一般视为为只承受轴力力的二力杆.第8章沉沉井与沉箱箱结构1.概述定义：这种利用结结构自重作用用而下沉入士士的井筒状结结构物就称““沉井”。所谓沉井，实实质上就是将将一个在地面面筑成的“半半成品”沉入入土中，然后后在地下完成成整个结构物物的施工。1.概述先在地表制作成一个井筒状状的结构物（（沉井），然然后在井壁的的围护下通过过从井内不断挖土，使沉井在自自重作用下逐渐下沉，达到预定设设计标高后，，再进行封底，构筑内部结构与基坑法修建建地下结构物物的区别沉井在施工过过程中，井壁壁成了阻挡水水、士压力，，防止土体坍坍塌的围护结结构，从而省省去大量的支支撑和板柱工工程，减少了了土方开挖量量。1.概述7.1.3沉井（沉箱））的结构特点点：1.躯体结构刚性性大，断面大大，承载力高高，抗渗能力力强，耐久性性好，内部空空间可有效利利用；2.施工场地占地地面积小，可可靠性良好；；3.适用土质范围围广；4.施工深度大；；5.施工时周围土土体变形较小小，对邻近建建筑物的影响响小；6.具有良好的抗抗震性能。8.2.3沉井的的结构构计算算沉井结结构在在施工工阶段段必须须具有有足够够的强强度和和刚度度，以以保证证沉井井能稳稳定、、可靠靠地下下沉到到拟定定的设设计标标高。。待沉沉到设设计标标高，，全部部结构构浇筑筑完毕毕并正正式交交付使使用后后，结结构的的传力力体系系、荷荷载和和受力力状态态均与与沉井井在施施工下下沉阶阶段很很不相相同。。因此，，应保证证沉井井结构构在这这两阶阶段中中均有有足够够的安安全度度。2.沉井结结构第9章地地下连连续墙墙结构构1.概述定义：集承承重、、挡土土和防防渗于于一身身的所所谓““三合合一””地下下连续续墙。。地下连连续墙墙施工工方法法（又又称槽槽壁法法），，是近近30年来在在基础础工程程和地地下工工程中中正在在发展展和广广泛应应用的的一项项新技技术。。1.概述地下连连续墙墙的施施工方方法：：在地面面上用用挖槽槽设备备，沿沿着深深开挖挖工程程的周周边，，依靠靠泥浆浆护壁壁的支支护，，开挖挖一定定槽段段长度度的沟沟槽；；再将将钢筋筋笼放放入沟沟槽内内。采采用导导管在在充满满稳定定液的的沟槽槽中进进行混混凝士士现场场浇筑筑。相相互邻邻接的的槽段段，由由特别别接头头（施施工接接头））进行行连接接。这这样就就成为为长的地地下墙墙。逆作法法施工工深地下下室的的常规规施工工是通通过临临时支支护基基坑坑坑壁，，开挖挖至预预定深深度后后，浇浇底板板并由由下而而上施施工各各层地地下室室结构构，待待地下下室完完工后后，再再逐层层进行行地上上结构构的施施工。。逆作法法施工工工艺艺是先先沿建建筑物物外围围施工地地下连连续墙墙，作为为地下下室的的边墙墙或基基坑的的围护护结构构。2.地下连连续墙墙挡土土墙设设计地下连连续墙墙的设设计计计算主主要包包括以以下几几个方方面：确定荷荷载，，包括括土、、水压压力等等确定入入土深深度槽壁稳稳定验验算；；地下连连续墙墙静力力计算算；配筋计计算，，构件件强度度验算算，裂裂缝开开展验验算，，垂直直接头头计算算。第10章盾构法法隧道道结构构盾构隧隧道简简介盾构（（shield）是一一种钢制的的活动防护装装置或或活动动支撑撑，是通通过软软弱含含水层层，特特别是是河底底、海海底，，以及及城市市居民民区修修建隧隧道的的一种机机械。。头部可以安安全地地开挖挖地层层,尾部可以装装配预预制管管片或或砌块块，迅迅速地地拼装装成隧隧道永永久衬衬砌。。盾构推推进主要依依靠盾盾构内内部设设置的的千斤斤顶。。适用条条件在松软含含水地地层中中修建建隧道道、水水底隧隧道及及地下下铁道道时采用用各种种不同同形式式的盾盾构施施工最最有意意义，，特别别是该该施工工方法法属地表表以下下暗挖挖施工工，不受受地面面交通、、河道道、航航运、、潮汐汐、季季节等等条件的影响响，结构计计算方方法的的选择择目前装装配式式圆形形隧道道衬砌砌结构构的计计算方方法大大都把把衬砌砌环看看作一一按自由变变形的的匀质质（等等刚度度）圆圆环计算，，而接接缝上上的刚刚度不不足往往往采采用衬衬砌环环的错错缝拼拼装予予以弥弥补。。这种加加强接接缝刚刚度的处理理和匀匀质（（等刚刚度））圆环环计算算方法法在饱饱和含含水地地层中中的隧隧道衬衬砌计计算用用得较较为普普遍。。2.衬砌圆圆环内内力计计算（一））基本本使用用阶段段（衬衬砌环环宽按按lm考虑））荷载简简图见见图10-92.衬砌圆圆环内内力计计算第11章沉管结结构1.概述定义：在水水底预预先挖挖好沟沟槽，，把在在路上上其它它地方方预制制的适适当长长度的的管体体，浮浮运到到沉放放现场场，顺顺序地地沉放放到沟沟槽中中，并并回填填覆盖盖而形形成的的结构构。二十世世纪50年代解解决了了两项关关键技技术——水力压压接法法和基基础处处理，沉管管法已已经成成为水水底隧隧道最最主要要的施施工方方法，，尤其其在荷荷兰。。我国现现有6条沉管管法隧隧道：：上海海金山山供水水隧道道，另另外5条在宁宁波（（宁波波甬江江水底底隧道道）、、广州州（广广州珠珠江水水底隧隧道））、香香港（（香港港西区区沉管管隧道道、香香港东东区沉沉管隧隧道））和台台湾。。1.概述沉管施施工法法沉管的的浮力力设计计：包括：：干舷的的选定定和抗抗浮安安全系系数的的验算算。2.沉管结结构的的设计计1）干舷舷管段在在浮运运时，，为了了保持持稳定定，必必须使使管顶顶面露露出水水面，，其露出出高度度称为为干舷舷。具有一一定干干舷的的管段段，与与风浪浪后产产生反反向力力矩，，保持持平衡衡。干舷的的高度度应适适中，，过小小则稳稳定性性差，，过大大时沉沉设困困难。。浮力设设计时，按按照最大混混凝土土容重重、最大混混凝土土体积积和最最小河河水的的比重重来计算算干舷舷。第12章基坑围围护结结构1.概述1、基坑坑支护护的目目的（1）确保保基坑坑开挖挖和基基础结结构施施工安安全、、顺利利；（2）确保保基坑坑临近近建筑筑物或或地下下管道道正常常使用用；（3）防止止地面面出现现塌陷陷、坑坑底管管涌发发生。。2、基坑坑支护护的作作用挡土、、挡水水、控控制边边坡变变形。。3、基坑坑工程程的基基本技技术要要求（1）安全全可靠靠性；；（2）经济济合理理性；；（3）施工工便利利性和和工期期保证证性。。基坑围围护结结构通通常分分两类类：桩墙式式围护护体系系——将支护护墙（（排桩桩）作作为主主要受受力构构件；；桩墙式式围护护体系系包括板桩墙墙、排排桩、、地下下连续续墙等。重力式式围护护体系系——充分利利用围围护结结构的的重力力。如如重力力式水水泥土土挡墙墙。1.概述1.概述12.1.2基坑围围护结结构设设计的的特点点1.外力的的不确确定性性；2.变形的的不确确定性性；3.土性的的不确确定性性；4.一些偶偶然变变化所所引起起的不不确定定因素素。2.基坑工工程的的设计计内容容基坑工工程的的设计计内容容包括：环境境调查查及基基坑安安全等等级的的确定定，围围护结结构选选型，，围护护结构构设计计计算算，节节点设设计，，井点点降水水、土土方开开挖方方案以以及监监测要要求等等。2.基坑工工程的的设计计内容容围护结结构设设计计计算通过设设计计计算确确定围围护结结构构构件的的内力力和变变形，，据以以验算算截面面承载载力和和基坑坑位移移。设计计计算必必须按按不同同施工工阶段段的特特征分分别进进行验验算，，同时时应考考虑前前一种种工况况对后后面各各种工工况内内力和和变形形的影影响。。2.基坑工工程的的设计计内容容围护结构稳稳定性验算算基坑边坡总总体稳定演演算；围护墙体抗抗倾覆稳定定验算；围护墙底面面抗滑移验验算；基坑围护墙墙前抗隆起起稳定验算算；抗竖向渗流流验算；基坑周围地地面沉降及及其影响范范围的估计计。均与围护墙墙的插入土土深度有关关。3基坑围护结结构的内力力计算4基坑稳定性性验算第13章顶管、管幕幕及箱涵结结构定义：采用一定定的顶进技技术，将管管子顶入土土中的一种种修建隧道道和地下管管道的施工工方法。1.顶管结构顶管法是非非开挖技术术的一种典典型方法。。顶管法与盾盾构法都是修建地地下管道和和隧道的重重要方法。。采用液压千千斤顶或具有顶进进、牵引功功能的设备备，以顶管工作作井作承压压壁，将管子按按设计高程程、方位、、坡度逐根根顶入土层层直至达到到目的地.顶管法施工工示意图1.顶管结构顶管顶力估估算克服顶管管管壁与土的的摩阻力及及前刃脚切切土时的阻阻力：N1——管顶以上的的荷载；N2——全部管道自自重；E——顶管两侧的的土压力；；R——土对钢刃脚脚正面的单单位面积阻阻力k——系数，一般般采用1.2。1.顶管结构第14章整体式隧道道结构隧道的结构构形式可根根据地层的的类别、使使用功能和和施工技术术水平等进进行选择。。按照结构形形式的不同同，可分为为半衬砌结结构、厚拱拱薄壁衬砌砌结构、直直墙拱形衬衬砌结构、、曲墙结构构和连拱隧隧道等形式式。1.概述衬砌的基本本受力图式式计算简图该力学模型型为弹性固固定无铰拱