第三章围岩压力

地下建筑结构地下建筑结构荷载第三讲本讲内容荷载种类和组合荷载确定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弹性抗力其他荷载2.1

荷载种类和组合2.1.1荷载种类按存在状态分为：静荷载、动荷载和活荷载等

静荷载：又称恒载。是指长期作用在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如结构自重、岩土体压力、弹性抗力和地下水压力等；2.1

荷载种类和组合2.1.1荷载种类动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，需考虑原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下结构设计时，应计算地震波作用下的动荷载作用。2.1.1荷载种类活荷载：指在结构物施工和使用期间可能存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化。

如地下建筑物内部的楼板地面荷载（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结构作用的荷载以及施工安装过程中的临时性荷载。2.1.1荷载种类其他荷载：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：混凝土材料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）、温度变化等受到约束而产生的内力。地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载:（1）永久（主要）荷载即长期作用的恒载，主要包括：结构自重；回填土重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力（含浮力）；混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。地层压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性抗力是地下结构所特有的被动荷载。（2）可变（附加）荷载分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。

基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，如吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具，盾构千斤顶推力，注浆压力）等。（3）偶然（特殊）荷载偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载。2.1.2荷载组合

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：（一）静载；（二）静载+活载；（三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载）2.1.2荷载组合指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组，取其最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力值作为设计依据。我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶然荷载（在铁路隧道设计规范中采用概率极限状态设计法时称为作用）参见表2-1和表2-2。表2-1公路隧道设计规范（JTJ026-90）的隧道荷载编号荷载分类荷载名称1永久荷载（恒载）围岩压力2结构自重力3填土压力4混凝土收缩和徐变影响力5可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载、人群荷载6立交公路车辆荷载及其所产生的土压力7立交铁路列车活载及其所产生的土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力11偶然荷载落石冲击力12地震力13施工荷载注：[1]设计隧道结构时，按其可能出现的最不利情况组合。

表2-2铁隧道设计规范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷载）分类编号荷载分类荷载名称荷载分类1永久作用结构自重恒载主要荷载2结构附加恒载3围岩压力4土压力5混凝土收缩和徐变的影响6可变作用列车活载活载7活载所产生的土压力8公路车辆荷载9冲击力10渡槽水流压力（设计渡槽明洞时）11制动力附加荷载12温度变化的影响13灌浆压力14冻胀力15施工荷载（施工阶段的某些外力）16偶然作用落石冲击力附加荷载17地震力特殊荷载2.2荷载的确定方法2.2.1确定依据(1)依据规范：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的设计规范，设计时应遵守各有关规范。(2)设计标准

1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。

2）地下建筑结构材料的选用

3）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，允许考虑由塑性变形引起的内力重分布。2.2荷载的确定方法3）截面计算原则结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下，除按强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性，限制裂缝宽度小于0.10~0.20mm，但不允许出现通透裂缝。对较重要的结构则不能开裂，即验算抗裂度。钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不作裂缝验算。4）安全系数结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。对于地下建筑结构，如施工条件差，不易保证质量和荷载变异大时，对混凝土和钢筋砼结构需考虑用附加安全系数1.1。静载下的抗裂安全系数不小于1.25，视工程重要性，可予提高。结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大，为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。5）材料强度指标一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，亦可根据实际情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关规定。2.3岩土体压力的计算方法土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切关系。以挡土墙为例，作用在挡土墙墙背上的土压力可以分为静止土压力、主动土压力（往往简称土压力）和被动土压力（往往简称土抗力）三种，其中主动土压力值最小，被动土压力值最大，而静止土压力值介于两者之间。2.3.1经典土压力理论

软土地区浅埋的地下工程，采用“土柱理论”计算。竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。侧向土压力经典理论主要是库伦（Coulomb）理论和朗肯（Rankine）理论。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。尽管上述经典土压力理论存在许多不足之处，但是在工程界仍然得到广泛应用。1、静止土压力的计算结构不发生变形和任何位移（移动或转动）时，背后填土处于弹性平衡状态。可根据半无限弹性体的应力状态求解。粘土ko=0.5~0.7；砂土ko=0.34~0.45。砂土、粉土1.0；粘性土、淤泥质土0.952、库伦土压力理论库伦理论的基本假定：库伦理论由法国科学家库伦（Coulomb,C.A.）于1773年发表，主要针对挡土墙计算，基本假定为：①挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土；②挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题；③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；④墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面有夹角；⑤在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件求导：最大滑楔面求导：最小滑楔面

3、朗肯土压力理论朗肯土压力理论是由英国科学家朗肯（Rankine）于1857年提出。朗肯理论的基本假定为：（1）挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土层之间的摩擦力；（2）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；（3）挡土墙后填土处于极限平衡状态。朗肯理论是从弹性半空间的应力状态出发，由土的极限平衡理论导出。特殊情况下的土压力1、成层土的土压力计算2、地面超载作用下的土压力计算与图式特殊情况下的土压力3、考虑地下水时水土压力计算水土压力分算：砂性土和粉土水土压力合算：粘性土

2.3.2围岩压力的计算

（一）围岩压力及其影响因素

1、围岩压力的概念围岩压力是指位于地下结构周围变形及破坏的岩层，作用在衬砌或支撑上的压力。洞室开挖之前，地层中的岩体处于复杂的原始应力平衡状态。洞室开挖之后，围岩中的原始应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布，从而使围岩产生变形。当变形发展到岩体极限变形时，岩体就产生破坏。如在围岩发生变形时及时进行衬砌或围护，阻止围岩继续变形，防止围岩塌落，则围岩对衬砌结构就要产生压力，即所谓的围岩压力。围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。2、影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素很多，主要与岩体的结构、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸与形状、支护的类型和刚度、施工方法、洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。其中，岩体稳定性的关键在于岩体结构面的类型和特征。F28F6F5F27按围岩压力及作用分：支护结构理论的发展可以划分为三个阶段：第一阶段：古典岩土压力理论阶段兴起于20世纪20年代以前，代表性人物主要有海姆（A.Haim）、朗肯（W.J.M.Rankine）和金尼克（A.H.Дииик）。认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量，侧压力方面，海姆认为侧压系数为1，朗肯根据松散体理论认为是，而金尼克根据弹性理论认为是μ/(1-μ)（μ为岩体的泊松比）。当时地下工程埋藏深度不大，一度被认为是正确的。

第二阶段：散体压力理论阶段代表性人物是泰沙基（K.Terzaghi，太沙基）和普罗托季亚科诺夫（普氏，M.M.Лротдъяконов）。认为当地下工程埋藏深度较大时，支护上的压力只是围岩坍落拱内松动岩体的重量，坍落拱的高度与地下工程的跨度及围岩的性质有关。太沙基认为坍落拱为矩形，而普罗托季亚科诺夫认为是抛物线形。并通过假定抗力的形式考虑围岩与结构的相互作用。采用荷载—结构法进行结构内力计算。第三阶段：共同作用理论阶段没能科学地确定坍落拱的高度及其形成过程，更没有认识到稳定围岩和充分发挥围岩的自承作用问题。20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性及粘弹性解答逐步出现，锚（杆）喷（射混凝土）支护及新奥法（新奥地利隧道设计施工）的兴起，终于形成了以岩石力学原理（围岩）及弹性力学（结构）为基础的、考虑支护结构与围岩共同作用的地下现代支护理论。我国采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载——结构法，一方面该理论发展时间较长，有较多经验，另一方面是该计算理论形式简单，比较容易为工程设计人员所掌握。只对圆形断面才有封闭的解析解，设计中一般作为校核，但近年来地层——结构法得到了越来越广泛的应用。地下结构的计算理论（按地下结构分）：1、刚性结构阶段刚性结构的计算理论，如压力线理论等。背景：十九世纪砖石结构流行分析方法：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。地下结构计算理论的发展2、弹性结构阶段背景：十九世纪未混凝土、钢筋混凝土结构出现分析方法：弹性连续拱形框架体系设计准则：混凝土设计规范（1）假定弹性反力阶段

衬砌在承受岩体所给的主动压力作用产生弹性变形的同时，将受到地层对其变形的约束作用。地层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力。假定弹性反力弹性反力的分布图形为直线(三角形或梯形)对拱形结构按变形曲线假定了月牙形的弹性反力图形（2）弹性地基梁阶段将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向弹性地基梁，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。局部变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论弹性抗力：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力.弹性抗力大小，目前以温克尔（E.Winkler）假定为基础的局部变形理论，它认为应力和变形之间呈线性关系，即为围岩弹性抗力系数式中—围岩边面上任意一点i的压缩变形（m）;

—围岩在同一点所产生的弹性抗力（MPa）;

—比例系数，称为围岩的弹性抗力系数(MPa/m)。施加荷载后计算模型图弯矩图变形图变形前变形后3连续介质阶段二者相互作用与岩体的初始应力状态、岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时间、施工技术等因素有关。以岩体力学理论为基础，视隧道结构与围岩为受力整体，共同承受围岩形变压力。4数值分析与信息反馈阶段随着岩土本构关系进步以及有限元法及离散元法等数值解法发展，连续介质力学的计算应用范围得到扩大。计算参数难以准确获得。例如：岩体原始应力、岩体力学参数及施工因素等。以新奥法理论为基础，采用监控量测技术，将支护与围岩共同作用、信息反馈原理应用在地下工程中，形成现代信息化支护与技术。一、围岩压力及分类(一)围岩压力概念广义概念：围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。(一)围岩压力概念广义概念：围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。(二)围岩压力分类松动压力

形变压力

膨胀压力冲击压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力常通过下列三种情况发生：在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。1.松动压力拱顶坍塌、冒落水平岩层倾斜岩层水平岩层冒落倾斜岩层掉块、塌落高边墙坍塌裂隙岩体顶部掉块2.形变压力形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。软岩巷道严重底鼓变形软岩巷道变形、支撑断裂3.膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。4.冲击压力冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。上述松动压力、形变压力往往同时存在，难以严格区分。二、影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性质、岩体结构面等；工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护设置时间、支护刚度、坑道形状等。三、围岩松动压力的形成和确定方法(一)围岩松动压力的形成深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个变形过程，称为围岩的成拱作用。在成拱过程中形成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。

围岩松散压力的产生过程⑴隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；⑵顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段；⑶顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；⑷顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为成拱阶段。(c)(d)(a)(b)变形阶段松动阶段塌落阶段成拱阶段自然拱自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因素：隧道的形状和尺寸；隧道的埋深；施工因素。①深、浅埋隧道的判定原则

隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。●深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度(等效荷载高度值)为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度通常为2～2.5倍的坍方平均高度值①深、浅埋隧道的判定原则

Hp＝（2～2.5）hq

式中:Hp—深浅埋隧道分界深度;

hq—荷载等效高度，按下式计算：

hq＝q/γq—深埋隧道竖向均布压力kN／m2；

γ—

围岩容重（kN／m2）。

在矿山法施工的条件下I一III级围岩取

Hp＝2hqIV～VI级围岩取

Hp＝2.5hq

当隧道覆盖层厚度H≥Hp时为深埋，

H＜Hp时为浅埋

H＜hq时为超浅埋(二)确定围岩松动压力的方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：●直接量测法●经验法或工程类比法●理论估算法●直接量测法：

是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。接触压力量测布置图●经验法或工程类比法：

是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。●理论估算法：是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素多，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。式中ω——宽度影响系数，ω=1+i(B-5)

B——坑道宽度，以m计；

i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝5m为基准)，当B＜5m时取i=0.2，B＞5m时，取i＝0.1。对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：我国《隧规》所推荐的方法（q、e）(1)深埋隧道式中hq——等效荷载高度值；

S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S=3；

γ——围岩的容重；对于单线隧道、按概率极限状态设计时：水平压力e可用下表中的经验范围取值。水平压力e推荐范围上述计算表达式的适用条件①H/B＜1.7(H为坑道的高度)；②深埋隧道；③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；④采用钻爆法施工的隧道。垂直松动压力的分布图水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。深埋荷载分布

深埋荷载分布，考虑水压

竖向荷载分布

水平荷载分布

郑西客运专线黄土隧道

厦门翔安海底隧道

(2)浅埋隧道当隧道埋深不大时，开挖的影响将波及到地表而不能形成“自然拱”。从施工过程中岩体(包括土体)的运动情况可以看到，隧道开挖后如不及时支撑，岩体即会大量坍落移动，这种移动会影响到地表并形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。对于这样的情况，可以采用松散介质极限平衡理论进行分析。当滑动岩体下滑时，受到两种阻力作用：一是滑面上阻止滑动岩体下滑的摩擦阻力；二是支护结构的反作用力，这种反作用力的数值应等于滑动岩体对支护结构施加的压力，也就是我们所要确定的围岩松动压力。围岩压力滑动面滑动土体未扰动土体支护结构反力受力的极限平衡条件：滑动岩体重量＝滑面上的阻力+支护结构的反作用力(围岩松动压力)围岩松动压力＝滑动岩体重量—滑面上的阻力①隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq(即h≤hq)时，忽略滑动面上的摩擦力：式中γ——围岩容重，以kN/m3计；

h——隧道埋置深度，以m计。围岩水平均布压力e按朗金公式计算①隧道埋深h大于等效荷载高度hq(即h＞

hq)时：隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，根据实践经验作如下简化假定。W2βW2T1NAφ0CDFBNEPW1hHBT1T2T2a.