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svshshzsvzvs外土柱内土柱静止土压力E填土对于侧限应力状态zkPvhss10010k经验公式sin0k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PaK0svsvs45o+/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a.主动土压力逐渐减小，至极限状态不变，hvss填土为砂土的朗肯主动土压力主动土压力分布45＋/2Ea=1/2KaH2HH/3HKapa=tg2(45-f/2)z(kN/m2)主动土压力系数Ka=tg2(45-f/2)墙后破裂面形状pa=Kaz填土为粘土的朗肯主动土压力)245(2)245(2soohatgcztgpaaKczK2PaK0svsvsb.被动土压力s1s345-f/2s1fsv=zsK0svPp逐渐增大不变，hvss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)z(kN/m2)Kp=tg2(45+/2)直线分布总被动土压力Ep=1/2KpH2(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HKpEp2cKpH)245(2)245(2hstgcztgpppppKczKp2pppKcHKHE2212总土压力svsPp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：222])cos()cos()sin()sin(1)[cos(cos)(cosfffaKaaKHE221ABC11R1EW•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a.砂土库仑主动土压力aaKHE221222])cos()cos()sin()sin(1)[cos(cos)(cosfffaK－库仑主动土压力系数EEaaHKH31Ea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222])cos()cos()sin()sin(1)[cos(cos)(cosfffpKppKHE221WABCREE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：b.砂土库仑被动土压力土压力分布212ppppdzKdEpzKdzdzHEp－EpHKpH/3填土为砂土的库仑被动土压力分层土土压力计算a.分层计算Ea=10.4×2/2+（4.2+36.6）×3/2=71.6kN/mσa22σa21σa12σa11σa22=(γ1h1+γ2h2)tan2(45°-φ2/2)-2c2tan(45°-φ2/2)=(17×2+19×3）tan2(45°-16°/2)-2×10tan(45°-16°/2)=36.6kPaσa21=γ1h1tan2(45°-φ2/2)-2c2tan(45°-φ2/2)=17×2tan2(45°-16°/2)-2×10tan(45°-16°/2)=4.2kPaσa12=γ1h1tan2(45°-φ1/2)=17×2×tan2(45°-32°/2)=10.4kPaσa11=γ1ztan2(45°-φ1/2)=0h2=3mh1=2mH=5m021c2=10kPaφ2=16°γ2=19kN/m3c1=0φ1=32°γ1=17kN/m3b.加权平均地面超载作用下土压力计算a.均布荷载郎肯土压力理论s1=z+qpa=s3=qKa+zKaHZs1s3qKaHKazKa按照库仑土压力理论21cos2cosaaaEHKqHKlHWABCqREaWGRqKaHKa三角形相似局部荷载--朗肯土压力理论q45o＋/245o＋/2qKaHKab.集中荷载epz=Kpγzz0a45°+φ/2φBe'P=KPγDeP=KPγD2'Pa/dPa=PKaPDCA考虑地下水时水土压力计算a.水土分算CBffH2H1B不透水层墙基不透水wH2水压力(H1+H2)H1土压力KaKab.水土合算u=0孔压saH2H1垂直有效应力=总应力Ka(H1+saH2)KaH1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ss2sin23122cos31122cos43112220440440220220440220rRrRprRrRprRrRrRprr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sssss2sin231212cos31211212cos43121121220440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRvrvvr距离外消失应力重分布现象在一定后趋于相等在距离圆心与步增减小随着距离圆心越远而逐步增大随着距离圆心越远而逐06Rssssrr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。321PPPP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a.形变围岩压力b.松动围岩压力c.冲击围岩压力围岩压力按形成机理分类-Cmctgφm-CmcosφmⅡ+ⅠⅢⅡⅠPimaxPiminR0R1maxR0R1Pia.形变围岩压力计算Pi-R1(围岩压力与塑性区范围)关系曲线mmmmmiCRRCpmmfffsffcot))](sin)(cot[(sinsin121001•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③②①PiR1CAuRouoⅡⅠu2piuRoBPiminPimax围岩压力与洞壁变形关系曲线mmRmmmmmmmmmiuGCRCCpfffsfffsfsinsin)cot(sin)]sin)(cot[(cot1000021•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b.松动围岩压力计算-平衡拱理论平衡拱及受力分析图fbxy2平衡拱的曲线方程普氏系数10/tancmmfCfssf坚硬岩体松软岩体AMLσvxx/2hRxoσvyxWτxyNPTbb•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（H5b1），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b.洞侧壁不稳定时洞顶的松动围岩压力)()()(22111211332bbfbgbdxfbxfbgdxyhgpbbbb1e2lGb1F1h1P1bP2αA'AB'BMFyEP2Le1xo侧壁围岩压力)(tan)()(24522212121m2lhglleepf平衡拱理论适用散体结构岩体，洞室上覆岩体有一定厚度fgbdxfbxhgdxyhgpbbbb13422)()(a.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Bσv+dσvqdGB'A'σvA2bdzzττσhσhH)tan(gbCzbgzmmvfs21)tan(gbCHbgHqmmf21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：vs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。b.松动围岩压力计算-太沙基理论侧壁不稳定2b22bα=π4-φm2αBAB'A'dzzHhqσv+dσvσvσhτσhτ侧壁不稳定时围岩压力计算图221bHKgHqa侧壁围岩沿α角的面滑移mmamKhbbfffcot)(tan)tan(24524522其中：太沙基理论适用于散体结构岩体中开挖的浅埋洞室c.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)cot(cot22GSpv22221sfscossintancosjjlCG③②①FEσθN1σθβαD1BφjCjθPhG2NCpvG1αHAhSA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022fsintancosGlCGFHjj若不稳定fcostancossinFHjjhlCGGp22按照设计规范确定支护荷载《铁路隧道设计规范》TB10003-2001a.荷载组合为：结构自重+围岩压力b.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