地下建筑结构设计.doc

目 录1 工程概况11.1 工程简介11.2 工程地质、水文地质条件11.3 拟建区域已建建筑情况11.4拟建建筑的规划和说明22 盾构施工42.1 设计方法的选取42.2 初始计算参数的选取52.3 计算荷载52.4 计算内力62.5 配筋计算72.6 初衬管片安全性验算82.6.1 截面A，截面B安全校核82.6.2 连接缝的验算122.6.3 验算千斤顶的推力是否符合要求132.7 结论143 主出入口降水设计153.1 工程概况及降水要求153.2 场地水文条件153.3 降水方案设计153.3.1 设计依据153.3.2 设计原则153.3.3 降水方案选择163.4 参数确定及计算163.5 安全技术措施183.6 安全生产文明施工184 重力式挡土墙设计204.1 设计内容204.1.1 墙体宽度和深度204.1.2 宽度方向布桩形式204.1.3 墙体强度204.1.4 其他加固措施204.2 土压力计算及嵌固深度设计值214.2.1 基坑支护结构设计计算参数的确定214.2.2 基坑支护结构设计计算214.2.3 嵌固深度设计值244.2.4 重力混凝土挡土墙厚度设计244.2.5 抗倾覆验算254.2.6 抗滑验算265 设计结论275.1 管片衬砌设计结论275.1.1 拼装方式275.1.2 管片厚度、分块及宽度275.1.3 衬砌方式275.2 基坑降水设计结论275.3 基坑支护设计结论27结 论28致 谢29参考文献30附图一：拟建区域已有建筑图附图二：负一层平面规划图附图三：负二层平面规划图附图四：负一层立体规划图附图五：负二层立体规划图290000课程设计1 工程概况1.1 工程简介该000下商城，其地上已建的建筑有综合教学楼、探工楼、学生19号楼，另外还有一些与此相关的配套建筑（具体见中国地质大学区域平面布置图）。拟建的地下商城为两层：地下一层书店、小卖部、二手货交易市场；地下二层自行车停车场和汽车停车场。1.2 工程地质、水文地质条件 工程场地地面平整，主要为第四纪冲击土覆盖层，根据岩土工程初步勘察报告，地层由上到下依次为：填土、粘土、粉质粘土、粘土、粉砂、粉质粘土、粉细砂。 地下水埋藏类型为潜水，平均埋深1.8m，潜水层厚度平均15.4m，入口开挖基坑至前三层。坑底处于粉质粘土层中。土层渗透性系数相对较小，但坑地处于较低的地下水位中。具体可见表1-1。表1-1地层参数一览表序号名称层厚（m）重度（kN/m3）粘聚力c（kPa）内摩擦角（）渗透系数（cm/s）(1)(2)-1(2)-2(3)-2a(3)-1(3)-2(3)-3a(3)-3填土粘土粉质粘土粉质粘土粘土粉砂粉质粘土粉细砂2.24.05.36.07.48.53.28.519.018.919.418.718.818.419.553121.831003813.51418323212349.6E-75.5E-52.58E-45.4E-46.08E-31.3 拟建区域已建建筑情况(1)综合教学楼 地上9层；地下1层； 地下室：高度5m；利用情况：闲置(2)科研综合楼 地上13层；地下3层； 地下室：总高度13m；停车库高度5m；利用情况：1，2层为普通地下室、3层为停车库，；(3)探工楼 地上8层；无地下室；(4)学生宿舍19号楼 地上13层；地下2层； 地下室：总高度：10m；地下1层高度：5m；利用情况：自行车停车场，商店等；地下2层高度：5m；利用情况：停车库；(5)地调楼 地上7层；无地下室；各地上建筑物位置如图1-1所示 图1-1 拟建区域已建建筑平面图（详细尺寸见CAD图）1.4 拟建建筑的规划和说明该工程为中国地质大学规划设计，针对校内上部空间用户，下部空间利用不足的情况，对学生宿舍19号楼、科研综合楼，地调楼、探工楼、综合教学楼及它们之间的地下区域进行规划设计，规划面积约为15178，分为两层，地下一层综合商城，包括书店、二手交易市场、综合超市、水吧、话吧等，是一个功能齐全的地下商城，各区有一条7m宽的主干道相同，其中，19号楼、地调楼、科研综合楼、综合教学楼其负一层都与主干道相连，它们由主干道经楼梯与探工楼相连。为了安全起见，每隔20m设有消防栓。地下二层功能为停放学院内的车辆，直接使用19号楼原有的地下停车场出入口作为此停车场的出入口，停车场内以双向车道为主，并加以少量单行车道，能从根本上保证车辆行驶安全顺畅。停车场内公分A、B、C三区，可停放150辆小型汽车、约10辆大中型汽车，车库设备及储藏室20间。出入口附近的区域为A区，主要用于停放学院的大中型车辆、自行车。1号楼梯位于19号楼东南处，有效缩短各区到达楼梯的距离且位置醒目，2号楼梯位于A区科研综合楼西南角，主要供A区用户，3号楼梯位于B区地调楼东部，4号楼梯位于C区探工楼西南角，同时西侧还有一部电梯。A区主要为自行车停车位，B、C区为小型汽车停车位。地调楼下面为B区，此去区，此区采用逆时针单向车道，路宽5m，这样就可以在最大限度B区有限空间的同时有效保证汽车的通行质量，不会造成拥堵现象。C区为该停车场内面积最大的区域，双向车道与单向车道三班倒，在设计时因为C区中心的开关近似于正方形，如设计为两排车位就会造成空间的浪费，因此我们在此区域设计了由北向南方向的单行车道，这样在不影响原有布局的基础上还增加了一排停车位，将停车场的车位提高了12%。在三个区域中都配有相应的社会用户和楼梯用消防设施。 2 盾构施工目前，国内外已经建成大量地铁、隧道，并逐渐形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实践体系。现在，地下开挖施工方法主要采用盾构施工，盾构隧道渗漏水的位置有管片的接缝、管片自身小裂缝、注浆孔和螺栓孔等。在管片接缝处的设计有：壁后注浆防水、弹性防水密封垫、嵌缝防水等三道设防。此外，管片注浆防水、螺栓孔内注浆防水等三项技术措施是以上两个三道设防的保障性辅助设施。根据设计要求盾构外径为5m。平板形管片的抗弯刚度和强度相对较大，且管片混凝土截面削弱小，对盾构推进装置的顶力具有较大的抵抗能力。故决定采用C40钢筋混凝土平板形管片，管片厚度与管环外径比的选择，取决于土质条件、覆盖土层的厚度、施工荷载状况、隧道的使用目的及管片施工条件等多种因素。本工程的管片厚度选择为300mm，管片内径为2350mm，管片的每环长度为1200mm。但是对管片是否能承受荷载，还需要进行管片内力的计算。由于错缝拼装可使接缝均匀分布，提高管片的整体刚度，减少接缝及衬砌圆环的变形，故决定采用错缝拼接方式。2.1 设计方法的选取地下建筑结构设计的方法主要包括工程类比设计方法、力学模型设计方法、结构可靠度设计方法、结构荷载共同作用设计方法4种，但由于目前尚无很成熟的盾构管片设计规范，因此本设计只能采用工程类比设计方法，通过已建工程和本工程的类比分析初步选定衬砌管片的类型、形状、尺寸、管片系统、连接缝形式等参数，然后对其进行安全校核。管片结构设计的内力计算模型主要有层状结构模型法、有限元法(FEM)和弹性议程法。层状模型法是利用计算机矩阵计算内力的方法，属于一种多静态模糊模型，不适用于手算；有限元法是以连续体理论为基础，通过计算机的高速精确计算的一种设计方法，与层状结构模型法相同，也不适用于手算；在弹性议程法中，水压力被认为是垂直均载和水平均载的组合，在水平方向上的地基反作用力被简化为三角形分布的可变荷载，如图21。 图2-1 弹性方程法计算模型初衬安全性校核的方法包括极限状态设计法和允许应力设计法，本设计采用允许应力的设计方法，混凝土和钢筋的最大应力小于它们的允许应力，那么管片衬砌在荷载作用下是安全的。2.2 初始计算参数的选取根据隧道使用功能和地质情况以及对已建工程的类比分析初步拟定下列参数：管片类型：平面型管片外径：D=5000mm管片厚度：t=300mm形心半径：Rc=2350mm管片宽度：B=1200mm管片截面面积：A=3600管片弹性模量：管片截面惯性矩：管片混凝土抗压强度：混凝土抗弯刚度有效系数： 混凝土弹性模量比：n=6混凝土弯矩增大率： 钢筋允许抗拉强度： 螺栓允许强度： 盾构千斤顶轴推力：侧压力系数：Ko=0.69地基作用力系数：k=0超载：潜水位：1.8mHw=8.7m2.3 计算荷载采用水土合算，上部土压力采用松动区高度ho以内的土压力，土的重度在地下水位以上采用干重度，地下水位以下采用饱和重度。静荷载： 底部静载反作用： 地基反作用力位移：反作用力：图2-2 荷载条件2.4 计算内力轴向力对截面重心的偏心距：附加偏心距，其值取偏心方向截面尺寸的和20mm中的较大者。初始偏心距：偏心受压构件截面曲率修正系数： 因此，偏心受压构件长细比对截面曲率的影响系数：通过转换关系得出： 考虑二阶弯矩影响的轴向力偏心距增大系数： 又 可先按大偏心受压情况计算。轴向力作用点至受拉钢筋As合力点之间的距离：受压区计算高度：受压区钢筋面积：取最小值进行配筋：2.5 配筋计算弯矩设计值取弯矩最大绝对值进行计算，按承载能力极限状态进行设计，采用对称配筋，截面两侧的配筋相同，即配置：402+615=1017 ，则 满足验证弯矩：配筋所能承受的最大弯矩按单筋计算取配HRB335的钢筋12根受拉受压分别单排，布筋图如图所示。图2-3 管片配筋图2.6 初衬管片安全性验算验算截面A，截面B，连接部分和盾构千斤顶的推力，看初衬管片是否安全，主要采用允许应力法。2.6.1 截面A，截面B安全校核计算原理：利用材料力学中的均质材料受弯的方法进行叠加计算，但由于钢筋混凝土是非均质，因此计算管片截面积应把钢筋等效成混凝土进行计算，同理，管片截面惯性矩也应使用等效后的截面积。式中：A-等效后的管片面积，A实际-管片实际面积A实际=Bt, 式中：I-等效截面惯性矩I实际-实际截面惯性矩；X轴距-钢筋与中性轴的距离m。(1)截面A，承受正弯矩和轴向力 式中：-弯矩的提交率，e-偏心距， 等效截面积：等效截面惯性矩：混凝土的最大压应力：由图的几何关系可得钢筋应力： 截面A满足强度要求。 图2-4 截面A内力分布图(1)截面B承受负弯矩和轴向力混凝土的最大压应力：混凝土的最大拉应力：由图的几何关系可得钢筋应力：图2-5 截面B内力分布图 表2-1检查断面A、B安全性的计算结果截面A截面B抗压强度抗拉强度抗压强度抗拉强度全部满足要求，截面A和B均安全。2.6.2 连接缝的验算连接缝抵抗弯矩应该不小于管片自身抵抗弯矩的60%。(1)管片自身的抵抗弯矩x-当内力N=0时，受压区峰值纤维与中和轴的距离（受压区高度）-当受压区峰值纤维压力达到15时管片自身的抵抗弯矩，15是混凝土允许的最大抗压强度。-当钢筋应力达到时，管片自身的抵抗弯矩，其中200是钢筋允许的最大抗拉强度。(2)连接缝的抗弯矩X-当内力N=0时，受压区峰值纤维与中和轴的距离-当受压区峰值纤维压应力达到15时连接处的抵抗弯矩，15是混凝土允许的最大抗压强度。-钢筋压应力达到300时连接缝的抵抗矩，300是螺栓允许应力。图2-6 管片连接断面2.6.3 验算千斤顶的推力是否符合要求e=1.0cm;p=10cm;=10cm;t=30cmB-定位板中心，弧长A-作用在衬砌管片上一个千斤顶推力机的接触面积A=Bt-混凝土的最大压应力，图2-7 管片和盾构千斤顶推力图2-8 管片千斤顶推力作用图2.7 结论衬砌管片设计承载值相对负荷是安全的。3 主出入口降水设计3.1 工程概况及降水要求该工程为中国地质大学（北京）综合地下商城，其地上已建的建筑有综合教学楼、探工楼、学生19号楼，拟建的地下商城为两层：地下一层书店、小卖部、二手货交易市场；地下二层自行车停车场和汽车停车场。设计降水要求为-16m（地面标高为0.00m）。3.2 场地水文条件表1-1地层参数一览表序号名称层厚（m）重度（kN/m3）粘聚力c（kPa）内摩擦角（）渗透系数（cm/s）(1)(2)-1(2)-2(3)-2a(3)-1(3)-2(3)-3a(3)-3填土粘土粉质粘土粉质粘土粘土粉砂粉质粘土粉细砂2.24.05.36.07.48.53.28.519.018.919.418.718.818.419.553121.831003813.51418323212349.6E-65.5E-42.58E-35.4E-36.08E-3地下水埋藏类型为潜水，平均埋深1.8m，潜水层厚度平均15.4m，穿透(1)层填土、(2)-1层粘土和(2)-2层粉质粘土，进入(3)-2a层粉质粘土。干燥的施工环境必须将水位降至基底以下0.5m-1m后方可施工。3.3 降水方案设计3.3.1 设计依据(1)建筑基坑支护技术规程 （JGJ 120-99）； (2)建筑与市政降水工程技术规范 （JGJ 111-98T）； (3)地下建筑结构设计，清华大学出版社，2007年版； (4)简明地下结构设计施工资料集成，中国电力出版社，2005年版； (5)城市地下空间结构，哈尔滨工业大学出版社，2005年版。3.3.2 设计原则(1)在达到降水目的的情况下，抽出的水量最少。(2)降水井点间距的合理性。(3)方案实施工艺成熟，与施工水平相适应。(4)主体降水一次性成功，有补救措施，同时要预测降水所需时间及出水量，并休憩后果分析预测降水病害。3.3.3 降水方案选择人工降低地下水位，常用井点降水方法，是沿基坑的四周或一侧埋入深于坑底的井点滤水管或管井，以总管连接排水，使地下水低于基坑底，以便在无水干燥的状态下挖土，可以防止流砂现象，增加边坡稳定。目前国内取得一定成功经验的降水井点主要有：轻型井点降水、管井降水、喷射井点降水、电渗井点降水等。由于地基土土层渗透系数的不同及降低水位和工程的不同特点，需采用不同的降水方法。考虑到工程场地的土层渗透系数，结合工程地质、水文地质条件综合考虑，可知降水深度范围内土层多为粉质粘土，土层渗透系数为2m/d，适宜用管井井点法。管井井点主要适用于基坑开挖较深，降水深度要求大于6m小于20m，适用于土层系数在0.1-20m/d范围内的砂土、粉砂、粘性土。在坑外每隔一定距离设置一个管井，每个管井单独用一台水泵不断地抽水来降低地下水位。图3-1 基坑降水剖面图3.4 参数确定及计算(1)降水方法选择：管井井点降水法(2)、R、r计算水位降低值：=-1.8+0.5=15.5-1.8+0.5=14.2(m)抽水井影响半径： k=2R=2=214.2=157.6(m)井的半径：r=d/2=300(mm)(3)涌水量计算基坑引用半径：=1.175(a+b)/4=1.175(10+15)/4=7.31(m)抽水计算影响半径：=R+=157.6+7.31=164.91(m)基坑排水量：Q=1.366k=1.3662 =475.9（/d） H=19.5(m)图3-2 井管示意图(4)单井抽水量计算=60 3.14 0.45 1 =119.9（/d）(5)井点数量计算取井数n=5(6)井点间距计算井点绕基坑环状布置5个井点，间距为图3-3 井点分布图(7)降水验算=15.4- =14.6m =14.2m降水满足要求。 3.5 安全技术措施(1)本式法执行国家和上级部门制定的各项安全规程；(2)施工操作前必须在技术交底的同时进行安全交底；(3)现场机械设备必须定机、定人、定责任、专人操作，定期维护、保养，做好运转记录；(4)合理安排夜间施工，增加照明，加强降水及安全检查；(5)现场用电设备必须符合用电规程。3.6 安全生产文明施工(1)现场操作人员必须严格执行安全技术操作规程和有关安全生产规范规定。(2)配备专职安全员，建立安全生产责任制。(3)对职工进行安全教育，正确使用劳动防护品。(4)机械、电气由专人操作，维修和定期检查保养。(5)做好施工现场的文明施工，保持场容整洁。(6)做好宿舍清洁工作，遵守工地上文明施工的有关规定。(7)遵纪守法，不违法乱纪，吵架斗殴。4 重力式挡土墙设计4.1 设计内容4.1.1 墙体宽度和深度墙体宽度和深度的确定与基坑开挖深度、范围、地质条件、周围环境、地面荷载以及基坑等级等有关。初步设计可按经验确定，一般墙宽可取为开挖深度的0.60.8倍，坑底以下插入深度可取为开挖深度的0.81.2倍。初步确定墙体宽度和深度后，要进行抗倾覆、抗滑验算，验算是否满足要求。4.1.2 宽度方向布桩形式最简单的布置形式就是不留空挡，打成实体，但这样做较浪费，为节约工程量，常做成格栅式。4.1.3 墙体强度 一般采用普通硅酸盐水泥，水泥土支护体的强度要求龄期一个月的无侧压限抗压强度不小于。掺入外掺剂具有改善土性、提高强度、节约水泥、促进早强 、缓凝或减水等作用，外掺剂的使用与水泥品种、水灰比、气候条件等有关，选用时应有一定经验或事先进行室内试块试验。4.1.4 其他加固措施(1)坑底加固 有的场地基坑边与建筑红线之间距离有限，不能满足正常的搅拌桩宽度的要求，这时可考虑减小坑底以上搅拌桩宽度，加宽坑底以下搅拌桩宽度，因为这部分搅拌桩可设置与底板以下，从而增强了稳定性，同时提高被动区抗力。(2)墙身插毛竹或钢筋 插毛竹时，毛竹的小头直径不小于，长度宜不小于开挖深度，插毛竹能减少墙体位移和增强墙体整体性；插钢筋时，钢筋长度一般为，由于钢筋与水泥土接触面积小，所能提供的握裹力有限，但施工方便。(3)墙顶现浇混凝土路面厚度不小于，内配双向钢筋网片，不但便于施工现场运输，也利于加强墙体整体性，防止雨水从墙顶渗入挡墙格栅而损坏墙体。4.2 土压力计算及嵌固深度设计值4.2.1 基坑支护结构设计计算参数的确定4.2.1.1 地质计算参数参见表1-1场地主要土层组成及指标。4.2.1.2 土压力系数计算主动土压力系数： 式中： -主动土压力系数； -三轴实验确定的地层土固结不排水（块）剪内摩擦角标准值。被动土压力系数： 式中： -被动土压力系数4.2.2 基坑支护结构设计计算(1)计算各土层每延米的主动土压力强度值因本基坑周围采用的是轻型井点降水措施，所以可以不考虑水压力，且地面超载取，有土层主要分为粉土及粘性土，可由公式来计算各土层每延米的主动土压力强度值。-土层每延米的主动土压力强度值；-作用于深处的竖向土压力；-第层土的主动土压力系数；-三轴实验确定的地层土固结不排水（块）剪粘聚力（）(2)土层每延米被动土压力值-土层每延米的被动土压力强度值；-作用于基坑地面以下深度处的竖向应力标准值；-第层土的被动土压力系数；-三轴实验确定的地层土固结不排水（块）剪粘聚力（）图4-1 力的计算简图4.2.3 嵌固深度设计值嵌固深度设计值为对点取矩，得试数法得 4.2.4 重力混凝土挡土墙厚度设计 当水泥土墙底部位于粘性土或粉土中时，墙体厚度设计值按下列经验公式确定-水泥墙底以上基坑外侧水平荷载标准合力之和；-合力作用点至水泥墙底的距离；-水泥土墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和；-嵌固深度；-水泥土墙体平均重度 -建筑基坑侧壁重要性系数 -基坑深度 -合力作用点至水泥墙底的距离； ； ；图4-2 重力挡土墙4.2.5 抗倾覆验算-抗倾覆安全系数，一般要求不小于；-支护墙的宽度，；-支护墙自重，（取单位长度）；-墙体平均重度，一般为；、-主、被动土压力的合力，；、-主、被动土压力合力作用线距离墙底的距离，；。 4.2.6 抗滑验算-墙底抗滑安全系数，一般要求不小于；-墙底土层的粘聚力，内摩擦角，。5 设计结论5.1 管片衬砌设计结论5.1.1 拼装方式采用错缝拼装。5.1.2 管片厚度、分块及宽度衬砌环的厚度规定为300mm本次设计每环管片分为10块盾构管片参数：管片类型：C40钢筋混凝土平板型管片；管片内径：4400mm；管片外径：5000mm；管片厚度：300mm；管片宽度：1200mm；管片分块：每环10块。5.1.3 衬砌方式 根据设计要求，盾构外径为5m。平板型管片的抗弯刚度和强度相对较大，且管片混凝土截面削弱小，对盾构推进装置的顶力有较大的抵抗能力。故决定采用c40钢筋混凝土平行管片；根据场地土质条件、覆盖层的厚度、施工荷载状况及管片施工条件等多种因素选择管片的外径为5000mm，厚度为300mm，内径为4400mm，采用错缝拼