地下建筑结构复习提纲

第 1 章绪论 1 地下建筑结构是修建在地层中的建筑物 它可以分为两大类 一类是修建在土层中的 一类是修建在岩层中 的 广义上讲 任何结构物都是修建在相应的介质中的 2 地下建筑结构的作用 1 地下建筑结构 即埋置于地层内部的结构 修建地下建筑物时 首先按照使用要求在地层中挖掘洞室 然后 沿洞室周边修建永久性支护结构 即衬砌结构 而内部结构与地面建筑的设计基本相同 2 作用 衬砌结构主要是起承重和围护两方面的作用 承重 即承受岩土体压力 结构自重以及其它荷载的作 用 围护 即防止岩土体风化 坍塌 防水 防潮等 3 地下建筑与地面建筑结构的区别 1 计算理论 设计和施工方法 2 地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂 3 地下建筑结构埋置于地下 其周围的岩土体不仅作为荷载作用于地下建筑结构上 而且约束着结构的移 动和变形 所以 在地下建筑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岩土 体的共同作用 这一点乃是地下建筑结构在计算理论上与地面建筑结构最主要的差别 第第 2 章地下建筑结构的荷载 1 1 掌握地下建筑结构所承受的荷载类型及其组合原则 掌握地下建筑结构所承受的荷载类型及其组合原则 按存在状态可分为 静荷载 动荷载和活荷载等按存在状态可分为 静荷载 动荷载和活荷载等 静荷载 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 体压力和地下水压力等 动荷载动荷载 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 活荷载活荷载 是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 其它荷载其它荷载 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 受到约束而产生的内力 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 2 库伦理论的基本假定 库伦理论的基本假定 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 倾斜面与水平面的夹角为角 在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件 朗肯土压力假定 朗肯土压力假定 1 挡土墙墙面是竖直 光滑的 2 挡土墙墙背面的填土是均质各向同性的无粘性土或粘性土 填土表面是水平的 3 墙体在压力作用下将产生足够的位移和变形 使填土处于极限平衡状态 4 填土滑动面为直线 3 3 围岩压力的概念 围岩压力的概念 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 4 4 影响围岩压力的因素 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 一般在于岩体结构面的类型和特征 5 5 围岩压力的计算方法 围岩压力的计算方法 1 按松散体理论计算围岩压力 1 垂直围岩压力 浅埋结构上的垂直围岩压力 深埋结构上的垂直围岩压力 2 水平围岩压力 3 底部围岩压力 2 按弹塑性体理论计算围岩压力 3 按围岩分级和经验公式确定围岩压力 6 6 掌握弹性抗力的基本概念 掌握弹性抗力的基本概念 弹性抗力是指结构在主动荷载作用下 如围岩压力 结构自重等 要产生变形 支护结构发生相向 围岩方向的变形引起的围岩对支护结构的约束反力 其作用是限制衬砌变形改善衬砌受力状态提高衬砌结 构承载力 弹性抗力大小和分布规律不仅决定于结构的变形 还与地层的物理力学性质有着密切的关 系 7 7 熟悉局部变形理论 共同变形理论及弹性抗力的分布规律 熟悉局部变形理论 共同变形理论及弹性抗力的分布规律 一种是局部变形理论 认为弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷 一种是共同变形理论 即认为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 近一定范围的地基沉陷 后一种理论较为合理 但由于局部变形理论计算较为简单 且一般尚能满 足工程精度要求 所以目前多采用局部变形理论计算弹性抗力 8 8 普氏压力拱公式 普氏压力拱公式 h h1 1为压力拱高度为压力拱高度 a a1 1跨度跨度 kf a h 1 1 普氏系数fk的物理意义物理意义 增大了摩擦系数 可根据单抽抗压强度确定 9 9 温克尔假定 温克尔假定 地层的弹性抗力与结构变为成正比 k 1010 深埋式与浅埋式界限 深埋式与浅埋式界限 浅埋式是指覆盖土层较薄 不满足压力拱成拱条件 H土 2 2 5 h1 h1为压力拱高 深埋满足压力拱成拱条件 第第3 3章章 弹性地基梁理论弹性地基梁理论 1 1 弹性地基梁与普通梁相比的区别 弹性地基梁与普通梁相比的区别 1 普通梁是静定的或有限次超静定结构 弹性地基梁是无穷多次超静定结构 由此可知 超静定 次数是无限还是有限 这是他们的一个主要区别 2 普通梁的支座看作是刚性支座 可省略地基变形 只考虑梁的变形 弹性梁则必须同时考虑地 基变形 由此可知 地基变形是否考虑 是他们的另一个主要区别 2 2 弹性地基梁概念 弹性地基梁概念 搁置在具有一定弹性地基上 各点与地基紧密相贴的梁 3 3 弹性地基梁理论三个假设 弹性地基梁理论三个假设 1 地基的沉陷或者隆起与梁的挠度处处相等 2 地基返利处处与接触面相垂直 3 地基梁高跨比小 符合平截面假设 可直接应用材料力学有关梁的变形及内力计算 4 是与梁和地基的弹性性质相关的一个综合参数 反映了地基梁与地基的相对刚度 对地基梁是与梁和地基的弹性性质相关的一个综合参数 反映了地基梁与地基的相对刚度 对地基梁 的受力特征和变形有重要影响 通常把的受力特征和变形有重要影响 通常把 成为弹性特征系数 成为弹性特征系数 为换算长度 为换算长度 EI Kb 4 4 5 5 弹性地基梁的分类 弹性地基梁的分类 1 短梁 换算长度1 2 75 2 长梁 换算长度 2 75 分为无限长梁和有限长梁 3 刚性梁 换算长度 1 EI趋近于无穷或者 趋近于0 6 6 弹性地基梁两种计算模型的区别和优缺点弹性地基梁两种计算模型的区别和优缺点 1 1 局部弹性地基模型 局部弹性地基模型 符合温克尔假定 地基表面任一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成 正比 即 k p y 优点 优点 可以考虑梁本身的实际弹性变形 因此消除了反力直线分布假设中的缺点 缺点 缺点 没有反应地基的变形连续性 当地基表面在某一点承受压力时 实际上不仅在该点局部产生 沉陷 而且也在邻近区域产生沉陷与转角 2 2 半无限体弹性地基模型 半无限体弹性地基模型 把地基看作一个均质 连续 弹性的半无限体 优点优点 反映了地基的连续整体性 从几何上 物理上对地基进行简化 缺点 缺点 弹性假设没有反映土壤的非弹性性质 均质假设没有反映土壤的不均匀性 半无限体的 假设没有反映低级的分层特点 模型数学处理比较复杂 应用上受限 计算结果比实际的大 第 6 章浅埋式结构 1 1 浅埋式结构概念 浅埋式结构概念 是指其覆盖土层较薄 不满足压力拱成拱条件 H土 2 2 5 h1 h1为压力拱高 或软土地层中覆盖 层厚度小于结构尺寸的地下结构 采用深或浅埋式的因素包括 建筑物的使用要求 环境条件 地质条件 防护等级 以及施工能力 等 常采用明挖法明挖法施工 比较经济 但在地面环境条件要求苛刻的地段 也可采用管幕法 箱涵顶进 法等暗挖法施工 结构形式 结构形式 直墙拱 矩形框架和梁板式结构 或者是上述型式的组合 直墙拱 直墙拱 从结构受力分析看 拱形结构主要承受轴向压力 弯矩和剪力都较小 拱顶部分按照其轴 线形状又可分为 半圆拱 割圆拱 抛物线拱等多种形式 矩形闭合框架 矩形闭合框架 具有空间利用率高 挖掘断面经济 且易于施工的优点 矩形闭合框架的顶底板为 水平构件 承受的弯矩较拱形结构大 故一般做成钢筋混凝土 梁板式结构 梁板式结构 在地下水位较高或防护等级要求较高的工程中 一般除内部隔墙 均做成箱形闭合框 架钢筋混凝土结构 序号荷载类型类别 1 水土压力 结构自重重恒载 2 地面超载活载 3 特殊荷载 偶然荷载 4 车辆爆炸荷载偶然荷载 5 地震荷载 偶然荷载 2 2 熟悉矩形闭合框架结构的计算原理和方法 熟悉矩形闭合框架结构的计算原理和方法 荷载计算荷载计算 1 顶板上的荷载 覆土压力 水压力 顶板自重 路面活载 特载 覆土压力iihq 土 水压力wwhq 水 顶板自重dq 顶板材料的特载 qt顶 地面超载 q qqdhhq t ww i ii 侧 侧侧 侧 2 底板上的荷载 假定地基反力为直线分布 3 侧墙上的荷载 侧向压力 水压力 特载 土层侧向压力 侧向水压力 对于砂土 1 对于粘土 0 7 3 3 浅埋式结构考虑与不考虑弹性地基影响有何区别 浅埋式结构考虑与不考虑弹性地基影响有何区别 浅埋式结构考虑弹性地基影响与一般平面框架的区别 底板承受未知的地基弹性反力而使内力分析变 为复杂 弹性地基上平面框架的内力计算时将底板按照弹性地基梁来考虑 可采用结构力学中的力 法 4 4 配筋 配筋 由于温度变化 沉陷不匀由于温度变化 沉陷不匀 材料收缩 地震荷载等因素也会使结构产生内力 在构造上采取适当措施 加配一些构造钢筋 设置伸缩缝和沉降缝等 5 5 内力计算 内力计算 ip 框架基本结构在外荷载作用下产生的位移 不包括底板 biq 底板按弹性地基梁在外荷载q作用下算出的切口处Xi方向的位移 ij 框架基本结构在单位力作用下产生的位移 不包括底板 bij 底板按弹性地基梁在单位力Xj作用下算出的切口处xi方向的位移 第10章 盾构法隧道结构 1 盾构法隧道结构优点 盾构法隧道结构优点 掘进速度快 周围环境影响小 施工不受季节影响 松软含水层 埋深较大的长大隧道更 具技术与经济的优越性 断面形式的选型 断面形式的选型 衬砌结构在施工阶段保护开挖面以防止土体变形 坍塌及泥水渗入 并承受盾构推进时千斤顶顶 力及其它施工荷载 在隧道竣工后作为永久性支撑结构 并防止泥水渗入 同时支承衬砌周围的水 土压力以及使用 阶段某些特殊需要的荷载 以满足结构的预期使用要求 依据隧道的使用目的 地层条件以及施工方法 合理选择衬砌的强度 结构 形式和种类等 盾构隧道横断面一般有圆形 矩形 半圆型 马蹄形 椭圆形等多种型式 最常用的为圆型与矩 型 在饱和含水软土地层中修建隧道 由于顶压和侧压较为接近 较有利的结构型式是选用圆形结构 2 2 管片的形式 管片的形式 钢筋混凝土管片钢筋混凝土管片 箱形管片 箱形管片 一般用于较大直径的隧道 单块管片重量较轻 管片本身强度不如平 板形管片 特别在盾构顶力作用下易开裂 平板形管片 平板形管片 用于较小直径的隧道 单块管片重量较重 对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力 正常运营时对隧道通风阻力较小 铸铁管片 铸铁管片 管片较轻 耐蚀性好 机械加工后管片精度高 能有效地防渗抗漏 缺点是金属消耗量 t q L P qq 侧 侧侧 侧侧 侧 t w qeeq 侧 侧侧 侧 tan 2 45 2 i iih e he ww 0 0 0 3333322311 2233222111 1133122211 p p p xxx xxx xxx ds EI MM b b ji ij iqipij ijijij 大 机械加工量也大 价格昂贵 钢管片 钢管片 优点是重量轻 强度高 缺点是刚度小 耐锈蚀性差 需进行机械加工以满足防水要求 成本昂贵 金属消耗量大 国外在使用钢管片的同时 再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬 复合管片 复合管片 外壳采用钢板制成 在钢壳内浇注钢筋混凝土 组成一复合结构 其重量比钢筋混凝土 管片轻 刚度比钢管片大 金属消耗量比钢管片小 缺点是钢板耐蚀性差 加工复杂冗繁 3 3 衬砌按形成方式分类 分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌 衬砌按形成方式分类 分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌 装配式衬砌的特点 1 安装后能立即承受荷载 2 管片生产工厂化 质量易于保证 管片安装机械化 方便快捷 3 其接缝处防水需要采取特别有效的措施 挤压混凝土衬砌特点 1 自动化程度高 施工速度快 2 整体式衬砌结构可以达到理想的受力 防水要求 建成的隧道有满意的使用效果 3 采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能 4 在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难 4 4 装配式衬砌 装配式衬砌拼装形式 通缝和错缝两种 选择管片接头构造 选择管片接头构造 土体的适用性 经济适用性 荷载的确定 荷载的确定 自重 g h 竖向土压 i n i ihrq 1 拱背土压 R2H 4 1 2 G 地面超载 取20KN m2 侧向均匀主动土压 2 45 2 2c tan 45 2 tan1qp 侧向三角形主动土压 p2 2RH tan2 45 2 侧向土壤抗力 Pk k y 水压 p w hw 拱底反力 Pk q g 0 2146RH RH w 2 5 5 管片接头构造 管片接头构造 管片间的接头有两类 沿纵向 接头面平行于纵轴 的称纵向接头 沿环向 接头面垂直于纵轴 的称环向接头 从其力学特性可分为柔性接头和刚性接头 从其力学特性可分为柔性接头和刚性接头 前者要求相邻管片间允许产生微小的转动与压缩 使整个衬砌能屈从于内力的方向产生一定的 变 形 后者则是通过增加螺栓数量等手段 力图在构造上使接头的刚度与构件本身相同 基本的接头结构有螺栓接头基本的接头结构有螺栓接头 直螺栓 斜直螺栓 弯螺栓 铰接头 销插入式接头 暗销接 头 纵径向销接头 楔形接头 榫接头等等 6 6 隧道防水及其综合处理 隧道防水及其综合处理 1 1 衬砌的抗渗 衬砌的抗渗 衬砌埋设在含水地层内 承受着一定静水压力 必须具有相当的抗渗能力 衬砌本身的抗渗能力要 求 1 合理提出衬砌本身的抗渗指标 2 经过抗渗试验的混凝土的合适配合比 严格控制水灰比 一般不大于0 4 另加塑化剂以增加混 凝土的和易性 3 衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层 4 管片生产工艺 振捣方式和养护条件的选择 5 严格的产品质量检验制度 6 减少管片在堆放 运输和拼装过程中的损坏率 2 2 管片制作精度 管片制作精度 1 管片制作精度对于隧道防水效果具有很大的影响 管片制作精度不够引起隧道漏水 2 制作精度较差的管片 再加上拼装误差的累计 往往导数衬砌拼装缝不密贴而出现了较大的初始 接隙 当管片防水密封垫的弹性变形量不能适应初始接隙时就会漏水 3 管片制作精度的不够 造成管片的顶碎和开裂 造成漏水 4 必须要有一个高精度的钢模 3 3 接缝防水的基本技术要求 接缝防水的基本技术要求 1 保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力 使之适应隧道长期处于 蠕动 状态而产生的接缝 张开和错动 2 具有令人满意的弹性期龄和工作效能 3 与混凝土构件具有一定的粘结力 4 能适应地下水的侵蚀 4 4 二次衬砌 二次衬砌 1 常采用双层衬砌 2 在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下 进行二次内衬浇捣 在内衬混凝土浇筑前应对隧道内 侧的渗漏点进行修补堵漏 污泥以高压水冲浇 清理 3 内衬混凝土层的厚度根据防水和内衬混凝土施工的需要 至少不得小于150mm 也有厚达300mm 有在外层衬砌结构内直接浇捣两次内衬混凝土 也有在外层衬砌的内侧面先喷注20mm厚的找平层 再铺设油毡或合成橡胶类的防水层 再浇注内衬 混凝土层 4 内衬混凝土一般都采用混凝土泵再加钢模台车配合分段进行 每段大致为8 lOm左右 内衬混凝 土每二十四小时进行一个施工循环 隧道顶拱部分混凝土质量不易保证 尚需预留压浆孔进行压注 填实 5 也有用喷射混凝土进行二次衬砌 第第1111章章 沉管法施工沉管法施工 沉管法的优点 沉管法的优点 1 隧道可紧贴河床最低点设置 隧道较短 2 隧道主体结构在干坞中工厂化预制 具有很好的水密性 3 对地基的适应性强 4 接头数量少 防水性能好 缺点 1 需要一个占地较大的干坞 市区内难以实施 2 基槽开挖数量较大 需要进行清淤 对航运和市区影响较大 3 管节浮运 沉放作业需考虑水文 气象条件影响 第14章 整体式隧道结构 1 1 体式隧道结构形式以及受力特点和适用条件 体式隧道结构形式以及受力特点和适用条件 1 半衬砌结构 适用于坚硬的岩层 无水平应力影响 只构拱圈不构侧墙 2 厚拱薄墙衬砌结构 适用中硬岩层 特点拱将上