地下结构荷载计算

地下建筑结构荷载第四章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4.1

荷载种类和组合4.1.1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；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。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。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。4.1.2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）4.1.2荷载组组合指将可可能同同时出出现在在地下下结构构上的的荷载载进行行编组组，取取其最最不利利组合合作为为设计计荷载载，以以最危危险截截面中中最大大内力力值作作为设设计依依据。。我国公路和和铁路隧道道设计规范范中给出的的永久、可可变及偶然然荷载（在铁路隧道道设计规范范中采用概概率极限状状态设计法法时称为作作用）参见表4-1和表4-2。表4-1公路隧道设设计规范（（JTJ026-90）的隧道荷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]设计隧道结结构时，按按其可能出出现的最不不利情况组组合。表4-2铁隧道设计规范范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷荷载）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4.2荷载的确定方法4.2.1确定依据(1)依据规范：当前在地下建筑结结构设计中试行的的规范、技术措施施、条例等有多种种。有的仍沿用地地面建筑的设计规规范，设计时应遵守各有有关规范。(2)设计标准1）根据建筑用途、防护等等级、地震等级等确定。2）地下建筑结构材料的选用3）地下衬砌结构一一般为超静定结构构，其内力在弹性阶段可按结结构力学计算。考虑抗爆动载时时，允许考虑由塑塑性变形引起的内内力重分布。4.2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，一般进行行强度、裂缝（抗裂度或裂缝宽宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石石结构仅需进行强强度计算，并在必必要时验算结构的的稳定性。钢筋混凝土结构在施工和正常使用用阶段的静荷载作作用下，除按强度计算外，，一般应验算裂缝缝宽度，根据工程的重要要性，限制裂缝宽宽度小于0.10~0.20mm，但不允许出现通通透裂缝。对较重重要的结构则不能能开裂，即验算抗抗裂度。钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下下只需进行强度计算算，不作裂缝验算算。4）安全系数结构在静载作用下下的安全系数可参照有关规范确定。对于地下建筑结构构，如施工条件差差，不易保证质量量和荷载变异大时时，对混凝土和钢钢筋砼结构需考虑虑用附加安全系数数1.1。静载下的抗裂安全全系数不小于1.25，视工程重要性，，可予提高。结构在爆炸荷载作作用下，由于爆炸炸时间较短，而荷荷载很大，为使结结构设计经济和配配筋合理，其安全全系数可以适当降降低。5）材料强度指标一般采用工业与民用建筑规规范中的规定值，，亦可根据实际情情况，参照水利、、交通、人防和国国防等专门规范。结构在动载作用下下，材料强度可以以提高；提高系数数见有关规定。4.3岩土体压压力的计计算方法法土压力是是土与挡挡土结构构之间相相互作用用的结果果，它与结构的的变位有有着密切切关系。以挡土墙墙为例，，作用在在挡土墙墙墙背上上的土压压力可以以分为静止土压压力、主主动土压压力（往往往简称称土压力力）和被被动土压压力（往往简简称土抗抗力）三三种，其其中主动动土压力力值最小小，被动动土压力力值最大大，而静静止土压压力值介介于两者者之间。。2.3.1经典土压压力理论论软土地区区浅埋的的地下工工程，采采用““土柱理理论”计计算。竖向土压压力即为为结构顶顶盖上整整个土柱柱的全部部重量。侧向土压压力经典典理论主主要是库库伦（Coulomb）理论和和朗肯（（Rankine）理论。。静止土压压力计算算一般采采用弹性性理论，它也可可以称为为经典理理论。尽管上述述经典土土压力理理论存在在许多不不足之处处，但是是在工程界界仍然得得到广泛泛应用。4.3.2围岩压力力的计算算（一）围围岩压力力及其影影响因素素1、围岩岩压力的的概念围岩压力力是指位位于地下下结构周周围变形形及破坏坏的岩层层，作用用在衬砌砌或支撑撑上的压压力。洞室开挖挖之前，，地层中中的岩体体处于复复杂的原原始应力力平衡状状态。洞洞室开挖挖之后，，围岩中中的原始始应力平平衡状态态遭到破破坏，应应力重新新分布，，从而使使围岩产产生变形形。当变变形发展展到岩体体极限变变形时，，岩体就产产生破坏坏。如在围围岩发生生变形时时及时进进行衬砌砌或围护护，阻止止围岩继继续变形形，防止止围岩塌塌落，则则围岩对对衬砌结结构就要要产生压压力，即即所谓的的围岩压压力。。围岩压力力可分为为围岩垂垂直压力力、围岩岩水平压压力及围围岩底部部压力。。2、影响响围岩压压力的因因素影响围岩岩压力的的因素很很多，主要与与岩体的的结构、、岩石的的强度、、地下水水的作用用、洞室室的尺寸寸与形状状、支护护的类型型和刚度度、施工工方法、、洞室的的埋置深深度和支支护时间间等因素素相关。。其中，岩岩体稳定定性的关键在于于岩体结结构面的的类型和和特征。按围岩压压力及作作用分：：支护结构构理论的的发展可可以划分分为三个个阶段：：第一阶段段：古典典岩土压压力理论论阶段兴起于20世纪20年代以前前，代表表性人物物主要有有海姆（（A.Haim）、朗肯肯（W.J.M.Rankine）和金尼尼克（A.H.Диииик）。认为作用用在支护护结构上上的压力力是其上上覆岩层层的重量量，侧压压力方面面，海姆姆认为侧侧压系数数为1，朗肯根根据松散散体理论论认为是是，而金金尼克根根据弹性性理论认认为是μ/(1-μ)（μ为岩体的的泊松比比）。当当时地下下工程埋埋藏深度度不大，，一度被被认为是是正确的的。第二阶段段：散体体压力理理论阶段段代表性人人物是泰泰沙基（（K.Terzaghi，太沙基基）和普普罗托季季亚科诺诺夫（普普氏，M.M.Лроотддъяякооноов）。认为当当地下下工程程埋藏藏深度度较大大时，，支护护上的的压力力只是是围岩岩坍落落拱内内松动动岩体体的重重量，，坍落落拱的的高度度与地地下工工程的的跨度度及围围岩的的性质质有关关。太沙基基认为为坍落落拱为为矩形形，而而普罗罗托季季亚科科诺夫夫认为为是抛抛物线线形。。并通过过假定抗抗力的的形式式考虑围围岩与与结构构的相相互作作用。。采用荷荷载—结构法法进行行结构构内力力计算算。第三阶阶段：：共同同作用用理论论阶段段没能科科学地地确定定坍落落拱的的高度度及其其形成成过程程，更更没有有认识识到稳定围围岩和和充分分发挥挥围岩岩的自自承作作用问问题。20世纪50年代以以来，，岩石石力学学开始始成为为一门门独立立的学学科，，围岩岩弹性性、弹弹塑性性及粘粘弹性性解答答逐步步出现现，锚锚（杆杆）喷喷（射射混凝凝土））支护护及新新奥法法（新新奥地地利隧隧道设设计施施工））的兴兴起，，终于于形成成了以以岩石石力学学原理理（围围岩））及弹弹性力力学（（结构构）为为基础础的、、考虑支支护结结构与与围岩岩共同同作用用的地地下现现代支支护理理论。我国采采用较较多的的仍是是以散散体压压力理理论为为基础础的荷载——结构法法，一方方面该该理论论发展展时间间较长长，有有较多多经验验，另另一方方面是是该计计算理理论形形式简简单，，比较较容易易为工工程设设计人人员所所掌握握。只对圆圆形断断面才才有封封闭的的解析析解，，设计计中一一般作作为校校核，，但近近年来来地层——结构法法得到了了越来来越广广泛的的应用用。地下结结构的的计算算理论论（按按地下下结构构分））：1、刚性性结构构阶段段刚性结结构的的计算算理论论，如如压力力线理理论等等。背景：：十九九世纪纪砖石石结构构流行行分析方方法：：三铰铰拱静静定体体系设计准准则：：2、弹性性结构构阶段段背景：：十九九世纪纪未混混凝土土、钢钢筋混混凝土土结构构出现现分析方方法：：弹性性连续续拱形形框架架体系系设计准准则：：混凝凝土设设计规规范3、假定定抗力力阶段段背景：：(1910年O.Kommerall；….)1934年Зурраббовв，буггаееваа分析方方法：：镰刀刀形抗抗力图图形作作为荷荷载计计算设计准准则：：分析方方法：：抗力力大小小，及及其位位置均均由计计算决决定在主动动荷载载作用用下发发生弹弹性变变形的的同时时，将将受到到地层层对其其变形形产生生的约约束作作用。。将这这类约约束作作用假假设为为弹性性抗力力，地地下结结构计计算理理论便便有了与与地面面结构构不同同的特特点。。弹性抗抗力结构在在主动动荷载载作用用下，，要产产生变变形。。以隧隧道工工程为为例，，如图图所示示的曲曲墙拱拱形结结构，，在主主动荷荷载（（垂直直荷载载大于于水平平荷载载）作作用下下，产产生的的变形形如虚虚线所所示：4、连续介质质力学理论论计算机数值值方法与设设计CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圆形隧道的的弹塑性屈屈服准则应应用1968年O.C.Zienkiewicz无拉分析研研究隧道应应力和变形形1977年W.Wittke围岩节理及及施工顺序序对洞室稳稳定的影响响1979年同济大学学，四川二二滩水电站站地下厂房房洞室稳定定分析1983年发表初始始地应力的的反分析原原理(线性、非线线性)1988年完成非线线性抗爆动动力响应1992年江阴长江江大桥锚碇碇的三维时时间效应分分析由于人们认认识到地下下结构与地地层是一个个受力整体体，20世纪以来，，按连续介介质力学理理论建立