地下建筑结构荷载－第二讲

地下建筑结构地下建筑结构荷载同济大学土木工程学院地下建筑与工程系隧道及地下工程研究所第二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可能不是同时作用用，需进行最不利利情况的组合。先先计算个别荷载单单独作用下的结构构各部件截面的内内力，再进行最不不利的内力组合，，得出各设计控制制截面的最大内力力。最不利的荷载载组合一般有以下下几种情况：（一）静载；（二）静载+活载；（三）静载+动载（原子爆炸动动载、炮（炸）弹弹动载）2.1.2荷载组合指将可能同时出现现在地下结构上的的荷载进行编组，，取其最不利组合合作为设计荷载，，以最危险截面中中最大内力值作为为设计依据。我国公路和铁路隧隧道设计规范中给给出的永久、可变变及偶然荷载（在铁路隧道设计规规范中采用概率极极限状态设计法时时称为作用）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，，按其可能出现的的最不利情况组合合。表2-2铁隧道设计规范（（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。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范确定。对于地下建筑结结构，如施工条条件差，不易保保证质量和荷载载变异大时，对对混凝土和钢筋筋砼结构需考虑虑用附加安全系系数1.1。静载下的抗裂安安全系数不小于于1.25，视工程重要性性，可予提高。。结构在爆炸荷载载作用下，由于于爆炸时间较短短，而荷载很大大，为使结构设设计经济和配筋筋合理，其安全全系数可以适当当降低。5）材料强度指标标一般采用工业与民用建筑筑规范中的规定定值，亦可根据据实际情况，参参照水利、交通通、人防和国防防等专门规范。结构在动载作用用下，材料强度度可以提高；提提高系数见有关关规定。2.3岩土体压力的计计算方法土压力是土与挡挡土结构之间相相互作用的结果果，它与结构的变位有有着密切关系。以挡土墙为例，，作用在挡土墙墙墙背上的土压压力可以分为静止土压力、主主动土压力（往往往简称土压力力）和被动土压压力（往往简称土抗抗力）三种，其其中主动土压力力值最小，被动动土压力值最大大，而静止土压压力值介于两者者之间。2.3.1经典土压力理论论软土地区浅埋的的地下工程，采采用“土柱理理论”计算。竖向土压力即为为结构顶盖上整整个土柱的全部部重量。侧向土压力经典典理论主要是库库伦（Coulomb）理论和朗肯（（Rankine）理论。静止土压力计算算一般采用弹性性理论，它也可以称为为经典理论。尽管上述经典土土压力理论存在在许多不足之处处，但是在工程界仍然得得到广泛应用。1、静止土压力的的计算结构不发生变形形和任何位移（（移动或转动））时，背后填土土处于弹性平衡状态。可根据半无限限弹性体的应力力状态求解。粘土ko=0.5~0.7；砂土ko=0.34~0.45。砂砂土、、粉土1.0；粘性土、淤泥泥质土0.952、库伦土压力理理论库伦理论的基本本假定：库伦理论由法国国科学家库伦（（Coulomb,C.A.）于1773年发表，主要针针对挡土墙计算算，基本假定为为：①挡土墙墙后土土体为均质各向向同性的无粘性土；②挡土墙是刚性性的且长度很长长，属于平面应变问题；③挡土墙后土体体产生主动土压压力或被动土压压力时，土体形形成滑动楔体，，滑裂面为通过墙墙踵的平面；④墙顶处土体表表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平平面有夹角；⑤在滑裂面和墙墙背面上的切向向力分别满足极限平衡条条件求导：最大滑楔楔面求导：最小滑楔楔面3、朗肯土压力理理论朗肯土压力理论论是由英国科学学家朗肯（Rankine）于1857年提出。朗肯理理论的基本假定定为：（1）挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土土层之间的摩擦擦力；（2）挡土墙后填土土的表面为水平面，土体向下和沿沿水平方向都能能伸展到无穷，，即为半无限空空间；（3）挡土墙后填土土处于极限平衡状态。朗肯理论是从弹弹性半空间的应应力状态出发，，由土的极限平平衡理论导出。。特殊情况下的土土压力1、成层土的土土压力计算2、地面超载作作用下的土压力力计算与图式特殊情况下的土土压力3、考虑地下水水时水土压力计计算水土压力分算：：砂性土和和粉土水土压力力合算：：粘性土2.3.2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。F28F6F5F27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.Лрротддъякконоов）。认为当地地下工程程埋藏深深度较大大时，支支护上的的压力只只是围岩岩坍落拱拱内松动动岩体的的重量，，坍落拱拱的高度度与地下下工程的的跨度及及围岩的的性质有有关。太沙基认认为坍落落拱为矩矩形，而而普罗托托季亚科科诺夫认认为是抛抛物线形形。并通过假定抗力力的形式式考虑围岩岩与结构构的相互互作用。。采用荷载载—结构法进进行结构构内力计计算。第三阶段段：共同同作用理理论阶段段没能科学学地确定定坍落拱拱的高度度及其形形成过程程，更没没有认识识到稳定围岩岩和充分分发挥围围岩的自自承作用用问题。20世纪50年代以来来，岩石石力学开开始成为为一门独独立的学学科，围围岩弹性性、弹塑塑性及粘粘弹性解解答逐步步出现，，锚（杆杆）喷（（射混凝凝土）支支护及新新奥法（（新奥地地利隧道道设计施施工）的的兴起，，终于形形成了以以岩石力力学原理理（围岩岩）及弹弹性力学学（结构构）为基基础的、、考虑支护护结构与与围岩共共同作用用的地下下现代支支护理论论。我国采用用较多的的仍是以以散体压压力理论论为基础础的荷载——结构法，一方面面该理论论发展时时间较长长，有较较多经验验，另一一方面是是该计算算理论形形式简单单，比较较容易为为工程设设计人员员所掌握握。只对圆形形断面才才有封闭闭的解析析解，设设计中一一般作为为校核，，但近年年来地层——结构法得到了越越来越广广泛的应应用。地下结构的计计算理论（按按地下结构分分）：1、刚性结构阶阶段刚性结构的计计算理论，如如压力线理论论等。背景：十九世世纪砖石结构构流行分析方法：三三铰拱静定体体系设计准则：2、弹性结构阶阶段背景：十九世世纪未混凝土土、钢筋混凝凝土结构出现现分析方法：弹弹性连续拱形形框架体系设计准则：混混凝土设计规规范3、假定抗力阶阶段背景：(1910年O.Kommerall；….)1934年Зурабоов，бугаевва分析方法：镰镰刀形抗力图图形作为荷载载计算设计准则：分析方法：抗抗力大小，及及其位置均由由计算决定在主动荷载作作用下发生弹弹性变形的同同时，将受到到地层对其变变形产生的约约束作用。将将这类约束作作用假设为弹弹性抗力，地地下结构计算算理论便有了与地面结结构不同的特特点。由此建立的典典型方法有类类属假定抗力力法的朱拉波波夫（Г.Г.Зуурабовв）、布加也娃娃（О.Е.буугаеваа）法（1934），以及将边边墙视为弹性性地基梁的力力法（1956）、角变位移移法及不均衡衡力矩与侧力力传播法等。。4、连续介质力力学理论计算机数值方方法与设计CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圆形隧道的弹弹塑性屈服准准则应用1968年O.C.Zienkiewicz无拉分析研究究隧道应力和和变形1977年W.Wittke围岩节理及施施工顺序对洞洞室稳定的影影响1979年同济大学，，四川二滩水水电站地下厂厂房洞室稳定定分析1983年发表初始地地应力的反分分析原理(线性、非线性性)1988年完成非线性性抗爆动力响响应1992年江阴长江大大桥锚碇的三三维时间效应应分析由于人们认识识到地下结构构与地层是一一个受力整体体，20世纪以来，按按连续介质力力学理论建立立地下结构内内力计算方法法的研究也逐逐渐取得成果果。已经建立立的方法既有有解析解，又又有各类数值值计算法。60年代以来，随随着计算机的的推广和岩土土介质本构关关系研究的进进步，数值计计算方法有了了很大发展，，已编制多种种功能齐全的的程序软件。。70年代起，随着着隧道施工力力学研究的发发展，采用新新奥法施作的的隧道建立仿仿真计算技术术的研究，提提出复合支护护计算方法和和设计方法，，后者同时包包括对地下工工程施工的安安全性监测建建立和完善量量测技术，引引入反馈设计计方法，以优优化工程设计计和确保工程程施工的安全全性。应予指出，后后期提出的计计算方法一般般并不否定前前期的研究成成果。鉴于岩岩土介质性质质的复杂多变变性，这些计计算方法一般般都有各自的的适用场合，，但都带有一一定的局限性性。确定围岩压力力的方法可分分为三种：现场实测理论计算：代表性方法法为普氏理论论、泰沙基理理论，至今尚尚不够完善，，有待进一步步研究；工程类比法。该方法是在在大量实际资资料和一定理理论分析的情情况下，按围围岩分类提出出经验公式，，作为确定围围岩压力依据据的方法。我我国多采用工工程类比法确确定围岩压力力，并采用现现场实测和理理论计算的方方法进行验算算。（二）围岩压压力的计算方方法1、按松散体体理论计算围围岩压力1）垂直围岩压压力①浅埋结构构上的垂直围围岩压力（3）浅埋水平地地下结构围岩岩压力计算埋深（H）小于或等于于等效荷载高高度（hq）时，荷载视视为均布垂直直压力侧向力e按均布考虑时时，其值为：：表3.7公路隧道设计计规范（JTJ026-90）给出的计算算摩擦角围岩类别IIIIIIIVV～VI围岩级别V～VIIVIIIIII计算摩擦角≤30º31º～42º43º～54º55º～66º>78º围岩的计算摩摩擦角（1）深埋和浅埋埋地下结构的的判定荷载等效高度度的判定式为为：式中Hp——深埋与浅埋隧隧道分界深度度；hp——荷载等效高度度，q——深埋隧道垂直直均布压力（kN/m2）（可由下述述公式确定））；——围岩容重（kN/m3）；表3-3铁路隧道设计规范（TB10003-2001,J117-2001）给出的浅埋埋隧道覆盖层层厚度值（m）围岩类别IIIIVV单线隧道覆盖厚度5～710～1418～25双线隧道覆盖厚度8～1015～2030～35(b)埋深（H）大于等效荷荷载高度（hq），小于深埋埋浅埋隧道分分界深度（图3-3埋深大于等效荷载高度、小于深埋隧道分界深度时土压力计算模式表3-8公路隧道设计计规范（JTJ026-90）给出的各类类围岩的θ值围岩类别≥IVIIIIIθ值0.9φ(0.7～0.9)φ(0.5～0.7)φ隧道上覆岩体体EFHG的重力为W，两侧三棱岩体体FDB或ECA的重量为W1，未扰动岩体对对整个滑动土土体的阻力为为F，当EFHG下沉，两侧受受到的阻力为为T或T’作用于HG面上的垂直压压力总值:由正弦定律可可得：——侧压力系数，，由下式给出出：作用在支护结结构两侧的水水平侧压力为为（二）围岩压压力的计算方方法1、按松散体体理论计算围围岩压力②深埋结构上上的垂直围岩岩压力普氏理论抛物线状的天天然拱（二）围岩压压力的计算方方法1）竖直压力2）水平围岩压压力3）底部围岩岩压力松动模型水平层理围岩岩的松弛土压压（孙广忠，1988；代高飞，2004）太沙基松动模模型（b）泰沙基（K.Terzaghi）理论竖直力为深埋隧道泰氏地层压力力表地层情况地层压力按坍落高度计(m)地层情况地层压力按坍落高度计(m)坚硬地层或成薄层0～0.5b有压力的覆盖较薄1.1c～2.1c大块的有轻微裂隙0～2.5b有压力的覆盖较厚2.1c～4.5c有轻微碎块未活动0.25b～0.35c*有膨胀压力可达8c有强烈破碎未活动0.35c～1.1c沙0.6c～1.6c成碎块的未解体1.1c*注：①b为坍落度高度度的一半，c=b+净空高度（m）；适用条件件：埋深>1.5c；②坑道隧道位位于地下水位位以下时，表表列值可减少少50%。泰沙基根据试试验结果，得得出K=1.0～1.5，取K=1.0，则上式可写为其形式和普氏氏理论一致。。(c)我国公（铁））路隧道推荐荐围岩压力计计算方法以隧道围岩分分类和工程类类比设计方法法为基础，统统计分析了我我国数百座公公（铁）路隧隧道的坍塌调调查资料而拟拟定的。i——以隧道跨度B=5m的围岩竖直均均布压力为基基础，B每增减1m时的围岩压力力增减率。当当B<5m时，取i=0.2；当B=5～15m时，取i=0.1；当B>15m时，可参照i=0.1采用。旧：新：围岩水平均布布压力:公路隧道设计计新规范给出出的水平均布布压力（kN/m2）围岩级别VIVIVIIII～II水平均布压力e（0.5～1.0）q（0.3～0.5）q（0.15～0.3）q<0.15q0对于更一般的的深埋隧道，，铁路隧道设计计规范（TB10003-2001,J117-2001）给出的竖直均均布压力的计计算公式为：：式中S——围岩类别（按按铁路隧道新新的围岩分类类，I类最好，VI类最差）这就是著名的的修正了的芬芬诺公式。它它表示当岩体体性质、埋深深等确定的情情况下，非弹弹性变形区大大小与支护对对围岩提供的的反力间的关关系2、按弹塑性体体理论计算围围岩压力弹性厚壁圆筒筒:非弹性区弹塑塑性理论解:r=R，支护对洞室室周边的反力力3、按围岩分级级和经验公式式确定围岩压压力初始地应力、、释放荷载与与开挖效应初始地应力一一般包括自重重应力场和构构造应力场，但土层中仅仅有自重应力力场存在，岩岩层中对于ⅣⅣ级以下围岩岩，喷射混凝凝土层将在同同围岩共同变变形的过程中中对围岩提供供支护抗力，，使围岩变形形得到控制，，从而使围岩岩保持稳定。。与此同时，，喷层将受到到来自围岩的的挤压力。这这种挤压力由由围岩变形引引起，常称作作“形变压力”。时间效应：Ⅳ级以下围围岩一般呈现现塑性和流变变特性释放荷载：可由已知初始始地应力或与与前一步开挖挖相应的应力力场确定。先先求得预计开开挖边界上各各结点的应力力，并假定各各结点间应力力呈线性分布布，然后反转转开挖边界上上各结点应力力的方向(改变其符号)，据以求得释释放荷载。1、初始地应力的的确定初始地应力{0}的确定常需专专门研究。对对岩石地层，，初始地应力力可分为自重重地应力和构构造地应力两两部分，而土层一般仅仅有自重地应应力。其中自自重地应力可可由有限元法法求得，构造造地应力可由由位移反分析析方法确定。。补充弹性力学学有限元..\..\地下结构\地下结构讲义义\第五章_2_弹性力学有限限元基础2.pdf分期施工效应应采用增量法考考虑荷载的逐逐级施加，模模拟填筑和开开挖等施工工工程。初始地应力场场和隧道（隧隧洞）开挖效效应释放荷载等效效结点力的求求法有二种：：第一种：根据据结点力静力力等效原则——单元应力法第二种：洞周周边界等效结结点力法2、释放荷载的计计算弹性抗力结构在主动荷荷载作用下，，要产生变形形。以隧道工工程为例，如如图所示的曲曲墙拱形结构构，在主动荷荷载（垂直荷荷载大于水平平荷载）作用用下，产生的的变形如虚线线所示：三、围岩弹性性抗力所谓弹性抗力力就是由于支支护结构发生生向围岩