王忠昶-第二章地下结构的荷载0920.ppt

第一节荷载的种类和组合第二节荷载的确定方法第三节岩土体压力的计算第四节初始地应力 释放荷载与开挖效应第五节地层弹性抗力第六节结构自重及其它荷载 第二章地下结构的荷载 SACE 地下结构的荷载 1 结构自重 2 地层压力 3 弹性抗力 4 静水压力 5 使用荷载 6 附加荷载 注浆压力 落石 施工荷载 7 特殊荷载 地震 爆炸 第一节荷载种类和组合 荷载种类 一 静荷载 恒载 长期作用在结构上且大小 方向与作用点不变的荷载 如结构自重 岩土体压力和地下水压力等 二 动荷载 原子武器和常规武器 炸弹 火箭 爆炸冲击波压力荷载 在抗震区计算地震波作用下的动荷载作用 三 活荷载 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 四 其它荷载 材料收缩 温度变化 结构沉降等 第一节荷载种类和组合 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 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 静荷载 二 静载 活载 三 静载 动载 第一节荷载种类和组合 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 表2 1公路隧道设计规范 JTGD70 2004 的隧道荷载 注 1 10为主要荷载 11 12 14为附加载荷 13 15为特殊载荷 使用规范 设计时遵守各有关规范 有的沿用地面建筑的设计规范 设计标准 一 建筑物荷载 建筑用途 防护等级 地震等级 二 建筑材料 特殊要求 三 内力计算 超静定结构 一般按弹性力学计算 四 截面计算原则 强度 裂缝和变形验算 五 安全系数 施工条件差 考虑附加安全系数 结构经济和配筋合理 六 材料强度指标 按相关规范规定 第二节荷载确定方法 1土压力的计算竖向土压力 土柱理论 浅埋地下结构 侧向土压力 库伦理论郎肯理论 第三节岩土体压力的计算 3 被动土压力 墙体位移和土压力性质 1 静止土压力 2 主动土压力 第三节岩土体压力的计算 1土压力的计算 土的泊松比K0经验值或经验公式确定 一 静止土压力计算 第三节岩土体压力的计算 P12公式2 4和公式2 7 总静止土压力 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 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 挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土 挡土墙是刚性的且长度很长 属于平面应变问题 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 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 在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件 求导 最大滑楔面 求导 最小滑楔面 土的抗剪强度与极限平衡条件 一 库仑定律 1776年 库仑根据砂土剪切试验 f tan 砂土 后来 根据粘性土剪切试验 f c tan 粘土 c 库仑定律 土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力 的线性函数 c 土的粘聚力 土的内摩擦角 土中一点的应力状态 土体内一点处不同方位的截面上应力的集合 剪应力 和法向应力 楔体静力平衡 斜面上的应力 莫尔应力圆方程 A 圆心坐标 1 2 1 3 0 应力圆半径r 1 2 1 3 土中某点的应力状态可用莫尔应力圆描述 莫尔 库仑破坏准则 c A cctg 1 2 1 3 无粘性土 c 0 土体处于极限平衡状态时 破坏面与大主应力作用面的夹角为 f 说明 剪破面并不产生于最大剪应力面 而与最大剪应力面成 2的夹角 可知 土的剪切破坏并不是由最大剪应力 max所控制 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 第三节岩土体压力的计算 二 主动土压力 郎肯理论 45 2 2cKa z z0拉应力 开裂 z z0 总主动土压力 第三节岩土体压力的计算 第三节岩土体压力的计算 三 被动土压力 郎肯理论 总被动土压力 2特殊情况下的土压力计算 第三节岩土体压力的计算 一 分层土压力 当量法 1重度换算 2特殊情况下的土压力计算 第三节岩土体压力的计算 一 分层土压力 当量法 2c值换算 2特殊情况下的土压力计算 第三节岩土体压力的计算 一 分层土压力 加权均值法 3 值换算 二 地面上有荷载 H Z 1 3 qKa HKa zKa 朗肯土压力理论 gz qpa 3 qKa gzKa 第三节岩土体压力的计算 1均匀荷载 主动土压力 二 地面上有荷载 第三节岩土体压力的计算 2局部荷载 主动土压力 N L 三 考虑地下水时水土压力计算 第三节岩土体压力的计算 1水土分算 砂土 粉土2水土合算 黏土 三 考虑地下水时水土压力计算 第三节岩土体压力的计算 1水土分算 土压力按浮重度计算 按静水压力计算水压力 两者相加 三 考虑地下水时水土压力计算 第三节岩土体压力的计算 1水土合算 土的饱和重度计算水土压力 四 稳态渗流时水压力计算 第三节岩土体压力的计算 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 第三节岩土体压力的计算 2围岩压力的计算 围岩压力 位于地下结构周围变形或破坏的岩层 作用在衬砌结构或支撑结构上的压力 第三节岩土体压力的计算 2围岩压力的计算 影响因素 岩体 结构 强度地下水洞室 深度 尺寸 形状支护 类型 刚度 时间施工方法关键 岩体结构面的类型和特征 松散压力 松动或塌落岩体以重力形式直接作用于支护上的压力 在整体稳定的岩体中 可能出现个别松动掉块的岩石 在松散软弱的岩体中 坑道顶部和两侧片帮冒落 在节理发育的裂隙岩体中 围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落 围岩压力类型 形变压力 是指由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制 而使围岩与支护结构共同变形过程中 围岩对支护结构施加的接触压力 形变压力除与围岩应力状态有关外 还与支护时间和支护刚度有关 膨胀压力 是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力 它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的 围岩压力类型 围岩压力类型 冲击压力 是指围岩中积累了大量的弹性变形能之后 由于开挖 围岩的约束被解除 能量突然释放所产生的压力 冲击压力是岩体能量的积累与释放问题 所以它与弹性模量直接相关 弹性模量较大的岩体 在高地应力作用下 易于积累大量的弹性变形能 一旦遇到适宜条件 就会突然猛烈的大量释放 一 按松散体理论计算浅埋结构的垂直围岩压力覆盖层全部岩体重量作用于地下结构 第三节岩土体压力的计算 2围岩压力的计算 考虑岩体两侧摩擦力 第三节岩土体压力的计算 一 按松散体理论计算浅埋结构的垂直围岩压力 深埋结构上的垂直围岩压力当深埋时 洞室上方形成一个抛物线压力拱 拱内岩体的重量就是作用在支撑或衬砌上的地层压力 第三节岩土体压力的计算 压力拱曲线形状 压力拱高度 深埋结构上的垂直围岩压力 第三节岩土体压力的计算 1 深埋和浅埋地下结构的判定 荷载等效高度的判定式为 式中Hp 深埋与浅埋隧道分界深度 hp 荷载等效高度 q 深埋隧道垂直均布压力 kN m2 可由下述公式确定 围岩容重 kN m3 或H 1 0 2B B为洞室跨度 表3 3铁路隧道设计规范 TB10003 2001 J117 2001 给出的浅埋隧道覆盖层厚度值 m 水平围岩压力 第三节岩土体压力的计算 2围岩压力的计算 第三节岩土体压力的计算 二 按弹塑性体理论计算芬纳公式 第三节岩土体压力的计算 二 按围岩分级和经验公式确定垂直围岩压力 K L H 围岩压力系数 毛洞宽度 高度 K取值 第三节岩土体压力的计算 二 按围岩分级和经验公式确定水平围岩压力 侧压力系数 取值 第四节初始地应力 释放荷载与开挖效应 初始地应力 一般包括自重应力场和构造应力场 但土层中仅有自重应力场存在 岩层中对于 级以下围岩 喷射混凝土层将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护抗力 使围岩变形得到控制 从而使围岩保持稳定 与此同时 喷层将受到来自围岩的挤压压力由围岩变形引起 常称作 形变压力 时间效应 级以下围岩一般呈现塑性和流变特性释放荷载 可由已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定 先求得预计开挖边界上各结点的应力 并假定各结点间应力呈线性分布 然后反转开挖边界上各结点应力的方向 改变其符号 据以求得释放荷载 弹性抗力 或称被动抗力 结构变形使土体被动受力时 土对结构的产生的反作用力 决定于结构的变形和地层的物理力学性质 第五节地层弹性抗力 弹性抗力计算的两种理论 局部变形理论 Winkler模型 共同变形理论 弹性半无限空间模型 由于土是散体材料 两种理论均是近似的 但