地下建筑与结构-第二篇第1章-地下建筑结构的形式和荷载-第7讲

地下建筑结构主讲：张亮泉副教授第二篇地下建筑结构的设计理论与方法本篇的内容：理解地下建筑结构形式和荷载了解地下建筑结构计算方法的现状与发展理解地下建筑结构设计的四类模型：经验类比模型、荷载-结构模型、地层-结构模型、收敛限制模型理解地下建筑结构的三种设计方法：经验设计方法、荷载-结构法、地层-结构法第1章地下建筑结构的形式和荷载本章内容：理解地下建筑结构荷载类型及其组合理解围岩及、围岩的分级、围岩的应力状态了解浅埋和深埋地下结构上的垂直围岩压力了解地下防护结构的核武器和常规武器的爆炸荷载第1章地下建筑结构的形式和荷载1.1

地下结构的形式一、地下工程的组成（*）地下空间的构筑物和实现，首先要在地层中挖掘洞室，洞室开挖使地层的初始应力状态改变，释放荷载，产生变形并随着时间的推进逐渐发展，因此洞室开挖后必须沿洞室周边修建永久性支护结构，即衬砌。同时，为了满足使用要求，有时尚需在衬砌内部修建必要的梁、板、柱、墙体等内部结构，即地下结构由衬砌和内部结构两个部分组成。第1章地下建筑结构的形式和荷载第1章地下建筑结构的形式和荷载二、衬砌的作用（*）衬砌结构主要起承重和围护两方面的作用。承重，即承受岩土体压力、结构自重以及其他荷载的作用，满足结构强度和刚度要求；围护，即防止岩土体风化、坍塌，防水，防潮等，保持地下空间干燥、清洁，满足使用要求。三、地下建筑结构的分类及其主要形式（*）1、根据地层介质的不同，地下结构分为两大类：土层地下建筑结构和岩石地下建筑结构。2、地下建筑结构的形式土层地下建筑结构（1）浅埋式结构覆土厚度：5~10m修建方法：明挖填埋法结构平面形状：平面呈方形、长方形或条形结构形式：梁板式或框架式（顶部呈拱形时，做竖壁，成

直墙拱）（2）地道式结构修建方法：暗挖法结构形式：直墙或曲墙拱结构第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法（3）装配式圆形管片结构结构断面形式：圆形修建方法：盾构法（4）沉井结构结构形式：一端开口的井状结构，水平断面一般成方形或

圆形，可以单孔也可以多孔修建方法：底部挖土，顶部出土，主要利用结构的自重作用下沉（5）顶管式结构断面形式：圆形（最常用）、矩形或多跨箱涵结构修建方法：千斤顶顶进就位第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构的形式和荷载（6）沉管式结构结构形式：箱型结构修建方法：预制管段，托运沉放（7）基坑支护结构建筑施工，敞开开挖的地下空间，其四周的垂直支护结构（8）附建式结构房屋下面的地下室，一般有承重的外墙、内墙的梁板式结构或板式结构。（9）地下连续墙结构分段建造两条连续墙，然后中间挖土，修建底板、顶板和中间楼层。第1章地下建筑结构的形式和荷载第1章地下建筑结构的形式和荷载第1章地下建筑结构的形式和荷载第1章地下建筑结构的形式和荷载第1章地下建筑结构的形式和荷载岩石地下建筑结构（1）半衬砌结构适用情况：岩层较坚硬，岩石整体性好而节理又不发育的

稳定或基本稳定围岩。结构形式：只做拱圈，不做边（2）贴壁式衬砌结构适用情况：围岩稳定或基本稳定。结构形式：衬砌与围岩紧密接触。又分为：厚拱薄墙衬砌结构、直墙拱形衬砌结构、曲墙拱形衬砌结构第1章地下建筑结构的形式和荷载第1章地下建筑结构的形式和荷载第1章地下建筑结构设计基本方法（3）离壁式衬砌结构适用情况：围岩稳定或基本。结构形式：衬砌与围岩分离，拱脚处局部支撑于岩壁上（4）喷锚支护结构适用情况：岩层的地质条件较差，可以临时的支护，也可

作永久衬砌结构形式：喷混凝土、钢筋网喷混凝土、锚杆喷混凝土、

锚杆钢筋网喷混凝土（5）复合衬砌结构适用情况：岩层具有自承载能力，支护能加固和稳定围岩，

使围岩自支承能力可充分发挥。第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构设计基本方法（6）穹顶直墙衬砌结构适用情况：无水平压力或侧壁围岩稳定的岩层结构形式：顶、墙整体式和顶、墙分离式（7）连拱隧道结构适用情况：洞口地形狭窄，或对两洞间距有特殊要求的中

短隧道结构形式：整体式中墙和复合式中墙第1章地下建筑结构设计基本方法第1章地下建筑结构的形式和荷载1.2

地下结构的荷载一、地下结构的特点（*）地下结构与地面结构相比，在计算理论和施工方法两个方面都有许多不同之处。其中，最主要的是地下结构所承受的荷载比地面结构复杂。这是因为地下结构埋置于地下，其周围的岩土体不仅作为荷载作用于结构上，而且约束着结构的位移和变形。所以，在地下结构设计中除了要计算因素多变的岩土体压力之外，还要考虑地下结构与周围土体的共同作用。这一点是地下结构在计算理论上与地面结构最主要的差别。第1章地下建筑结构的形式和荷载二、地下结构的荷载（*）1、荷载类型及荷载组合（1）荷载类型按荷载存在的状态可分为下列四类：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、围岩压力、

地下水压力、固定的设备或设施等。动荷载：主要是核武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲

击波压力所产生的荷载（瞬时作用）。还指地

震荷载和长期震动荷载。第1章地下建筑结构的形式和荷载活荷载：指结构物施工和使用期间存在变动的荷载，其大

小和作用位置都可能变化，如作用在结构楼板上

的人、物品、设备等，施工安装过程中的临时性

荷载、移动荷载。其他荷载：材料收缩、温度变化、不均匀沉降等是结构产

生的内力。这些因素一般通过加大安全系数和

在施工、构造上采取措施解决。

第1章地下建筑结构的形式和荷载（2）荷载组合荷载组合方案：①静荷载②静荷载+活荷载③静荷载+核爆炸荷载（一次单独作用）④炮（炸）弹局部冲击作用荷载（一次单独作用）⑤静荷载+核爆炸荷载+上部建筑物自重后倒塌荷载⑥静荷载+施工荷载不同结构采用的组合方案单建式浅埋大跨度防护结构采用③项组合无防护结构采用②组合第1章地下建筑结构的形式和荷载不同结构采用的组合方案单建式浅埋大跨度防护结构采用③项组合无防护结构采用②组合整体小跨度国防工事采用④项组合附建式防护结构采用⑤项组合对于同一建筑不同构件的组合方案直接承受核爆炸荷载的外部构件采用③项组合不直接承受核爆炸荷载的内部构件采用②项组合第1章地下建筑结构的形式和荷载2、地下结构的地质环境（*）（1）围岩及其分级围岩是指地层中受开挖作用影响的那一部分岩体。围岩的工程性质：强度和变形围岩的工程性质的影响因素：岩体的结构特征及其特性、岩石的物理力学性质、原岩应力及地下水条件等。围岩的分级（工程类比设计的重要依据）①单因素岩石力学指标分级法②多因素综合指标分级法③组合指标函数法④定性与定量多因素指标相结合分级法第1章地下建筑结构的形式和荷载（2）围岩初始应力、释放荷载与地层抗力围岩的初始应力场：由于岩体的自重和地质构造作用，在地下工程开挖前岩体中就已经存在着一定的地应力场。这个地应力场就叫做围岩的初始应力场。围岩初始应力场的构成：自重应力场和构造应力场对于岩石地层初始应力可分为自重地应力和构造地应力，其初始应力的确定需专门研究对于土层初始应力仅有自重地应力，其初始应力的确定采用半无限体的假定条件下，用叠加法计算（土力学的方法）释放荷载：岩体开挖后，围岩释放出来的初始应力或前一步开挖相应的应力所产生的荷载。第1章地下建筑结构的形式和荷载地层抗力①产生原因：地面结构在外力的作用下，可以自由变形不受约束，而地下结构在外力的作用下，其变形受到地层的约束，这种结构与地层之间的相互作用，称之为地层抗力。②地层抗力的大小及其影响因素：结构的变形、地层的物理力学性质③确定方法：局部变形理论（简单，精度满足工程要求）弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷共同变形理论（合理，计算复杂）弹性地基上的一点的外力，不仅引起该点发生沉陷，而且还会引起附近一定范围