第2章地下建筑结构的荷载

第2章地下建筑结构荷载荷载的种类与组合荷载的确定方法土体压力计算围岩压力计算2.1荷载种类和组合荷载的种类按作用时间的长短分类：恒载与活载按载荷的性质分类：静载荷与动载荷按作用范围分类：分布载荷与集中载荷最不利荷载组合静载静载+活载静载+动载2.2荷载的确定方法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根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。地下建筑结构材料的选用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截面计算原则安全系数 材料强度指标设计标准2.3土压力的计算土压力的类型垂直土压力侧向土压力：静止土压力、主动土压力与被动土压力=H土压力EEpE0Ea-H1~5%1~5%o垂直土压力svshshzsv外土柱内土柱静止土压力E填土对于侧限应力状态经验公式朗肯(Rankine)土压力理论朗肯土压力理论基本条件和假定条件墙背光滑墙背垂直填土表面水平假设墙后各点均处于极限平衡状态PaK0vv45o+/290o－svshz半无限土体主动极限平衡状态半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的条件主动土压力填土为砂土的朗肯主动土压力主动土压力分布45＋/2Ea=1/2KagH2HH/3HKapa=tg2(45-f/2)gz

(kN/m2)主动土压力系数

Ka=tg2(45-f/2)墙后破裂面形状pa=Kagz填土为粘土的朗肯主动土压力PaK0vv被动土压力s1s345-f/21fv=zK0vPp半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的条件填土为砂土的朗肯被动土压力pp=sh=tg2(45+

/2)gz

(kN/m2)Kp=tg2(45+

/2)直线分布总被动土压力

Ep=1/2Kp

gH2

(kN/m)作用点：底部以上1/3H处滑裂面方向：与水平夹角45-

/2

被动土压力分布HKpEp2c

KpH总土压力vPp填土为粘土的朗肯被动土压力平面滑裂面假设：滑裂面为平面刚体滑动假设：破坏土楔为刚体滑动楔体在两个平面上处于极限平衡状态主动极限平衡状态被动极限平衡状态库仑(Coulomb)土压力理论变化,取若干滑裂面,使E最大dE/d=0,求得，得：ABC11R1EW取一滑裂面，假设滑面上满足极限平衡条件，通过力平衡求EW1E1R1C2C3C4C5砂土库仑主动土压力－库仑主动土压力系数EEaEa特例:===0，即墙背垂直光滑，填土面水平，与朗肯理论等价土压力分布：三角形分布WABCREE库仑RW求解方法类似主动土压力,变化,

使E最小，dE/d=0,求得：砂土库仑被动土压力土压力分布HEp－EpHKpH/3填土为砂土的库仑被动土压力分层土土压力计算分层计算加权平均地面超载作用下土压力计算均布荷载郎肯土压力理论1=gz+qpa=3=qKa+gzKaHZ13qKaHKazKa按照库仑土压力理论lHWABCqREaWGREaEa’qKaHKa三角形相似局部荷载--朗肯土压力理论q45o＋/245o＋/2qKaHKa集中荷载考虑地下水时水土压力计算水土分算CBg

fg

fH2H1B不透水层墙基不透水gwH2水压力(gH1+gH2)gH1土压力KaKa水土合算u=0孔压gsatH2gH1垂直有效应力=总应力Ka(gH1+gsatH2)KagH1土压力H2H1透水地基2.4围岩压力的计算地下洞室开挖的力学作用与过程zγzp0γz未开挖状态zσθ开挖后应力重分布围岩发生变形衬砌结构承受围岩压力地下洞室围岩的变形与分区ΔX松动圈塑性圈弹性圈原岩围岩重分布应力计算弹性围岩重分布应力柯西课题分析示意图天然应力等于或小于其单轴抗压强度的一半围岩视为各向同性、连续、均质的线弹性体圆形洞室围岩应力分析圆形洞室围岩应力分析模型洞壁为单向应力状态洞壁上应力差最大塑性围岩重分布应力塑性圈围岩应力重分布随洞壁距离增大，径向应力σr增大，洞壁逐渐转化为双向应力状态，围岩由塑性状态逐渐转化为弹性状态塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内应力因释放而明显降低，而最大应力移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显提高围岩压力计算围岩压力：地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力。P-围岩向临空区运动的合力P1-以变形形式转化的力，即塑性变形能释放所消耗的力P2-围岩的自撑力P3-工程支护力，即围岩压力不允许围岩变形围岩无自承能力P允许围岩变形围岩无自承能力P-P1允许围岩变形围岩有自承能力P-P1-P2变形越大变形能释放越多，围岩变形所消耗的力P1越大变形越大围岩越破碎，自承能力P2越小在最佳支护时间进行支护，可以减小对支护结构的围岩压力围岩压力随变形而产生的变化最佳支护时间PP1P2P1+P2T最佳支护时段形变围岩压力松动围岩压力冲击围岩压力围岩压力按形成机理分类形变围岩压力计算Pi-R1(围岩压力与塑性区范围)关系曲线在围岩不至失稳的情况下，适当扩大塑性区，有助于减小围岩压力塑性变形阶段的围岩也具有自承能力围岩的塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成对支护结构的挤压力芬纳-塔罗勃围岩压力公式围岩压力与洞壁变形关系曲线围岩压力随洞壁位移增大而减小，说明适当的变形有利于降低围岩压力，减小衬砌厚度围岩开始出现塑性变形时，围岩压力最大松动围岩压力计算-平衡拱理论平衡拱及受力分析图平衡拱的曲线方程普氏系数洞室开挖后，如不及时支护，洞顶岩体将不断跨落形成一个拱形,又称塌落拱。如洞侧壁稳定，拱高随塌落不断增高，若侧壁不稳定，则拱跨和拱高同时增大。当洞的埋深较大（H>5b1），塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱。围岩压力计算图洞侧壁不稳定时洞顶的松动围岩压力侧壁围岩压力平衡拱理论适用散体结构岩体，洞室上覆岩体有一定厚度洞侧壁稳定时洞顶的松动围岩压力侧壁稳定时的围岩压力计算图当z=H时，为作用于洞顶单位面积上的围岩压力，用q表示为：分析薄层dz，由极限平衡条件可得：侧壁稳定把受节理裂隙切割的岩体视为一种具有一定内聚力的散粒体。松动围岩压力计算-太沙基理论侧壁不稳定侧壁不稳定时围岩压力计算图侧壁围岩沿α角的面滑移其中：太沙基理论适用于散体结构岩体中开挖的浅埋洞室块体极限平衡理论楔形体平衡分析及围岩压力计算图找出可能不稳定楔形体，进行稳定性校核。校核后，楔形体稳定，围岩压力为零，不稳定，再具体计算其围岩压力。洞顶围岩压力楔形体ABC的稳定条件若不稳定侧壁围岩压力楔形体DEFH的稳定条件若不稳定按照设计规范确定支护荷载《铁路隧道设计规范》TB10003-2001荷载组合为：结构自重+围岩压力计算单线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑松散体理论(1)浅埋与深埋隧道的界限荷载等效高度的确定围岩级别宽度影响系数隧道最大开挖跨度(考虑超挖)表2-1公路隧道围岩分级，摘自《公路隧道设计规范》深埋、浅埋与超浅埋界限判别矿山法施工IV-VI级围岩分界深度矿山法施工I-III级围岩分界深度超浅埋隧道的埋深浅埋隧道的埋深深埋隧道的埋深(2)超浅埋隧道（地道）围岩压力垂直均布荷载侧向均布荷载隧道埋深隧道高度(3)浅埋隧道（地道）围岩压力EFHG的重力FDB、AEC的重力HG面垂直压力由FDB的静力平衡得：侧压力系数作用在支护结构上的均布荷载为：侧压力为：(4)深埋隧道（地道）围岩压力垂直均布压力岩层水平侧压力粘（沙）土层水平侧