《地下建筑结构》第二版(朱合华)中文课件(2)

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。滑动面滑动面(a)(b)图2.2土体极限平衡状态（a）主动土压力；（b)被动土压力滑动面滑动面(a)(b)图2.2土体极限平衡状态（a）主动土压力；（b)被动土压力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γ图2.3静止土压力计算图式σ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。zc)32(1)22(oocookzkkp)42(sin0kookhP221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0.952、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tantanNTNT)102(sin21_________ACABW图2.4库伦土压力计算图式βδαθφψθ-φψ=α-δ()()βδαθφψ=α+δψθ-φ图2.5具有地表分布荷载的情况βδθφαφδαθ()())92(sinsin)82(sinsinWPWPpa)92(sinsin)82(sinsinWPWPpa)92(sinsin)82(sinsinWPWPpaWPasinsinWPpsinsin求导：最大滑楔面求导：最小滑楔面)102(sin21_________ACABW)142(sinsinsinsin1sinsinsin)132(sinsinsinsin1sinsinsin22222222paKK图2.4库伦土压力计算图式βδαθφψθ-φψ=α-δ()()βδαθφψ=α+δψθ-φ221(210)21(212)2aappPhKPhK图2.5具有地表分布荷载的情况βδθφαφδαθ()()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。zzzoxk()()()图2.8朗肯极限平衡状态45°2φσzσzxσφ+45°φ2-45°φ+2-φ245°τ=σtanφ+c0τσ0γzγz()ⅠⅡⅢfctgc2sin3131()()()图2.8朗肯极限平衡状态45°2φσzσzxσφ+45°φ2-45°φ+2-φ245°τ=σtanφ+c0τσ0γzγz()ⅠⅡⅢcos1cos2sin1sin131ccos1cos2sin1sin113c)382(245)372(24522tgktgkpa)392(2)392(2bkczkPakczkPpppaaa2.9成层土的主动土压力计算γ1、1、φ1γ2、2、φ21232212.10填土上有超载时主动土压力计算γ、、φ122γ)224520tgczz222221ckchkhPaaa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2γ'-2γ'图2.17土压力和水压力的计算2(259)2(260)aaawPPpwpHKcKHPHKcKH62226122HKcHKPHKcHKpwppPwaaa22632264asataaPsatpppHKcKPHKcK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.