地下建筑结构及设计_2PPT

1、第3章 地下建筑结构及设计(2,胡华,3、地下建筑结构设计 1）设计原则：在静载、动载等各种荷载作用下，满足服务年限内的耐久性、使用安全性、发挥功能的适用、修建和使用维护的经济性、建造技术先进性等； 2）地下建筑结构设计实质：协调优化结构可靠安全性与技术先进性、经济合理性，使用耐久性之间的矛盾,实现最优的建筑构思；确定结构形式（形态）、规模与尺寸、使用材料、施工技术方法（包括开挖与支护）等,3）地下结构安全稳定性判据： （1）容许应力法：也称极限强度理论法，结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下，结构的控制内力不超过材料的允许应力。 （2）破损阶段法：结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下，结构的

2、控制内力不超过材料的极限承载力。 （3）极限状态法按结构可靠度设计：容许应力法和破损阶段法用安全系数给予结构一定的安全储备，安全系数的大小无充分的理论依据，靠经验取值。而结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性，综合考虑了各种影响因素后，用失效概率或可靠度来定量描述。 4）循环反复设计过程：初步设计利用各种理论、模型或其他技术方法计算各种指标验证是否满足要求则改变结构形式、规模与尺寸、使用材料、施工技术方法等直到满足安全条件为止,5）地下建筑结构设计基本思想框图,图3-9 地下建筑结构设计思想框图,6）地下建筑结构设计内容 地下工程基本建设按勘察、设计、施工等程序进行； 设计包括：规划设计、建筑

3、设计、防护设计、结构设计、施工工艺设计、设备设计、经济概预算设计等； 而结构设计主要是解决结构的选型、强度、刚度和稳定性、抗裂性等问题，并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接大样。内容包括： （1）确定工程防护等级、三防要求（核武器、化学武器、生物武器）动、静荷载标准；确定埋置深度与施工方法；选定结构形式和结构平面布置；然后开始结构设计， （2）初步拟定结构截面尺寸，根据荷载和使用要求估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸； （3）分析并初算结构上作用的荷载值：按建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度和土层情况求出作用在结构上的各种荷载值；绘制初步结构图与计算简图； （4）结构内力

4、计算分析：选择合适的结构内力计算模型和计算方法，得出结构各控制设计截面的内力； （5）结构稳定性验算：抗浮、抗倾覆、抗滑动等验算,6）内力组合：在各种荷载作用下分别计算结构内力，对最不利的情况进行内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值，并验算截面强度； （7）配筋计算：核算截面强度和裂缝宽度，得出受力钢筋，并确定必要的构造钢筋；绘制结构施工详图：如结构平面图、结构构件配筋图、节点图等； （8）安全性评估：如不符合安全要求，重新（选定结构形式与布置）估算结构跨度、高度、顶板、底版、边墙厚度等主要尺寸； （9）重复上述步骤，直到满足各种要求； （10）绘制施工设计图， （11）材料、工程数量和工

5、程财务预算：选择建筑材料、估算工程材料、工程量及经济预算等。 地下建筑结构设计规范： 总体安全可靠、技术可行、经济合理原则； 混凝土结构设计规范、铁路隧道设计规范、公路隧道设计规范、地铁设计规范、锚杆喷射混凝土支护技术规范、水工隧洞设计规范、岩土工程勘察规范、建筑地基处理规范、建筑桩技术规范等,4、地下建筑结构设计与计算理论发展重要标志 1）第一阶段：古典岩土压力理论阶段，以海姆、郎肯和金尼克等为代表。主要学术思想：作用在支护结构上的竖向压力为上覆岩层的产生的竖向压力rH（容重、埋深）；侧压力=侧压系数*rH。主要适用于埋深不大的破碎松散岩土中的地下建筑工程结构设计。 2）第二阶段：散体压力理

6、论阶段（松弛荷载理论） 20世纪20年代提出的“松弛荷载理论”，以泰沙基、普罗托季亚科诺夫等为代表。其核心内容是:稳定的岩体有自稳和承载能力，不产生荷载。作用在支护结构上的压力不是覆岩层的重量，而是围岩塌落拱范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。塌落拱的高度与地下工程的跨度、围岩的性质有关。随着地下工程开挖深度增加，不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑,松弛荷载理论”将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，建立的是“荷载结构”力学体系。在这类模型中，隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。显然，“松弛荷载

7、理论”着重注意结果和对结果的处理,3）第三阶段：共同作用理论阶段（岩承理论） 20世纪50年代提出的“岩承理论”，其核心内容是:隧道围岩稳定是由于岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是具有一个过程的，如在这个过程中提供必要的支护或限制，则围岩仍能保持稳定状态。“岩承理论”建立的是岩体力学模型。它是将支护结构和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为复合整体模型。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩变形。 复合整体模型是当前隧道结构体系设计中力求采用的并在发展的模型，与新奥法隧道施工思想一致。显然，“岩承理论”更加注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能

8、力的充分利用,3.2.2 地下建筑结构设计计算模型,由于地下建筑结构的设计受众多因素的影响，在设计过程中所采用的基本理论和指导思想的着眼点和侧重不同，因而产生和形成了不同的思维模式和设计模型。国际隧道协会(ITA)收集和汇总了各国目前采用的设计方法，总结归纳为四种设计计算模型。 1、工程类比法与经验设计法（模型） 将拟建地下工程的自然条件和工程条件（地质条件、几何尺寸、使用要求、施工工艺等）与已建成的类似工程相比较，将已建工程的稳定状况、影响因素、及工程设计等方面的有关经验，应用到类似的拟建地下工程中去，借鉴成功的工程设计经验进而确定有关设计参数，或参照各类设计规范和法规提供的经验参数完成设计

9、。 该法的基础在于积累和整理既有工程资料，充分掌握和占有已往类似工程的资料和成功经验，前提是建立合理的围岩分类体系，对地下工程围岩进行正确分级。成功建造的关键是作好施工过程的监控量测和信息反馈。 地下工程围岩地质环境复杂，要取得准确的地质、围岩参数和设计荷载等参数数据极其困难，而且一些施工技术机理复杂，研究尚不完整，计算理论不太成熟，因此在相当长的历史时期内，经验判断对地下工程设计将很大作用,2、结构荷载共同作用设计法（收敛约束设计法） （1）地下工程施工中围岩应力及位移状态 地下工程开挖前岩体处于初始应力状态，为一次（原始）应力平衡状态；地下开挖后，引起了围岩应力的重调整分布，同时围岩将产生

10、向隧道内的位移，形成了新的应力场，称之为围岩的二次应力平衡状态。这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。期间产生临空面的位移，大小取决于施工方法、岩体特性、开挖空间大小等。 地下洞室开挖后，围岩会向地下洞室内部变形收敛，洞室围岩中的径向应力随之减少。如果没有支护，围岩收敛不受限制，根据围岩强度和稳定性的不同，可能出现两种极端情况：一是围岩收敛到一定程度后达到自稳状态；二是应力集中过强，围岩收敛过度出现塑性变形甚至塌落。 对第一种情况，如果围岩收敛幅度不影响洞室的净空要求，就不需支护即使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土。 ；对第二种情

11、况是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，围岩发生塑性变形并迫使围岩向隧道内滑移，围岩因变得松弛，其物理力学性质也发生变化。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置承载型的支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其达到新的稳定状态。 坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响。这就是三次应力平衡状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这个复杂的力学变化过程才告结束。 只有设置刚度

12、足够大的支护才能抵抗围岩的塌落荷载。为避免使用大刚度的支护，选择围岩出现塑性变形和塌落前支护来控制围岩收敛，达到控制围岩有效控制变形、降低支护费用的目的,2）收敛和约束 开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种位移为收敛。若岩体强度高，整体性好、断面形状有利，岩体的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。 在这种情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩和支护结构的相互作用会

13、一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止。 围岩特性曲线与围岩地质体特性有关；支护结构特性曲线与围岩变形大小与过程、支护时间、支护结构刚度等有关。这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩的承载能力就得不到充分的发挥,3）围岩特性曲线(支护需求曲线)及分析,图3-11支护阻力与地下工程洞壁位移的关系曲线,在围岩强度和稳定性允许的范围内，围岩在支护前的收敛越大，支护所需要约束的围岩剩余收敛就越小，即支护受到的围岩剩余变形荷载越小

14、。但如果围岩出现塑性变形破坏，则塑性和塌落范围增大，围岩在设置支护前的收敛越大，支护所需要抵抗的围岩塌落荷载也越大。这种关系见围岩特征曲线 支护设置后，在弹性范围内，支护的变形越大，支护能提供的抗力越大，如果支护的刚度不足以完全制止围岩的继续变形，随着变形的加剧，围岩残留形变荷载减小，支护提供的抗力增加，二者最终在某个围岩变形值处达到平衡。这种利用围岩与支护共同作用特性来选择支护参数的方法为特征曲线法（收敛约束法） （4）技术要点 地下工程开挖后，围岩会向自由面收敛变形，围岩中的径向应力随之减小，环向应力随之增大。如果围岩收敛过度，应力集中过强，而出现塑性变形甚至塌落，因此，必须在围岩塑性变形

15、和塌落前设置支护来控制围岩的收敛。收敛限制模型以地层收敛线、支护特征线为基础，确定作用在支护结构上的最终地层压力、结构变形的最终位移,在围岩强度和稳定性所允许的范围内，围岩在设置支护前的收敛越大，支护所需要约束的围岩剩余收敛就越小，即支护受到的围岩剩余变形荷载越小。但如果围岩出现塑性破坏，则因为塑性和塌落范围的增大，围岩在设置支护前的收敛越大，支护所需要抵抗的围岩塌落荷载也越大。可以把这种关系在围岩收敛于围岩荷载构成的直角坐标系中表示出来，称为围岩特征曲线。 在弹性范围内，支护的变形（等于围岩的变形）越大，支护所能提供的抗力就越大；在围岩收敛与支护抗力所构成的直角坐标系中，这种关系称为支护特征

16、曲线。支护受到的围岩变形（包括松动）荷载大小与支护的设置时间和刚度有关。支护设置后，如果支护的刚度不足以完全制止围岩的继续变形，随着围岩的继续变形，围岩残留形变荷载在变小，支护所能提供的抗力在增加，两者最终在某个围岩变形值处达到平衡。这种利用围岩与支护共同作用特征来选择设计支护参数的方法叫做特征曲线法（又称收敛约束法,在一般情况下，洞室周边各点处的特征曲线和支护特征曲线是不同的，设计应由最不利位置的特征曲线控制。不同类型的支护有不同的特征曲线。复合型支护的特征曲线由各支护构件的特征曲线按施作时间组合而成。围岩与支护特征曲线分别代表围岩与支护的力-位移关系，需要经过力学计算获得。另外对于强度较低

17、、稳定性较差的围岩，需要采取超前围岩加固或超前支护措施。常用的有效超前锚杆、小导管注浆、管棚等支护措施,3、荷载结构模型（结构力学模型）（力学模型理论设计法） 根据具体工程的特点，抽象和建立合理的力学结构模型，以地下结构的设计模型为基础进行地下建筑结构设计。根据地质条件确定围岩压力，求出地下结构内力核算截面参数，验算结构的强度、刚度和稳定性，并绘制施工图。其中计算模型选定是关键，要综合考虑围岩地质特征、结构形式、洞室跨度、埋深、施工方法等。 该模型的理论基础是“松弛荷载理论”，认为结构就是指衬砌结构，荷载主要是指洞室开挖以后由松动岩土体的自重所产生的地层压力。地下工程开挖后地层只是产生对地下衬

18、砌结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层弹性抗力）作用，衬砌在荷载作用下产生内力和变形，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载作用。计算时先按地层分类法实用公式确定地层压力，然后计算衬砌结构在地层压力及其他荷载作用下的内力分布，最后根据内力组合进行衬砌结构断面设计和验算。相应的计算方法称为荷载结构法。因荷载结构模型与地面结构力学中荷载结构设计法计算内力方法相近，又称结构力学法,荷载结构模型分为3种不同力学计算模式： （1）主动载荷模式：不考虑围岩与支护结构的相互作用，支护结构可自由变形，围岩较软弱，完全破坏，无法约束支护结构的变形，只考虑围岩的主动压力，适用于没有抗力的土体中。 （2）主动

19、载荷+被动载荷模式（考虑围岩弹性约束）：围岩没有完全破坏，有一定的结构弹性，不仅对支护结构施加主动载荷，而且与支护结构相互作用，对支护结构施加被动弹性抗力，适用一般情况。 （3）实测荷载值法：是围岩与支护结构相互作用的综合反映，包含主动压力和围岩的弹性抗力部分，关键是如何准确测量。 这类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主要承担围岩“松动”压力的情况。所以，利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承给支护结构的弹性抗力,4、地层结构模型（连续介质力学模型） “地层结构”模型又称连续介

20、质力学模型，理论基础是“岩承理论”。认为地下结构周围的地层不仅能对衬砌结构产生荷载，而且其自身也能承受荷载，地下结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。由此可知，衬砌结构的作用是在洞室周围地层应力重分布的过程中参与地层的变形，对地层提供必要的支承抗力，并与周围地层一起组成共同受力的整体，以保持洞室的稳定，因此又称“复合整体模型”。在这种模型中，围岩和支护系统不再作为相互作用的两个方面，而是作为一个联合系统加以考虑。衬砌结构的内力和洞室周围的应力都能计算出来，在计算过程中，通过位移协调条件使地层应力与衬砌结构的内力保持平衡，且验算结构的强度时综合考虑了地层稳定性的影响,地层结构模型把地下

21、结构与地层作为一个受力变形的整体，共同承受荷载。按照连续介质力学原理来计算地下建筑结构以及周围地层的变形；不仅计算出衬砌结构的内力与变形，而且计算周围地层的应力，充分体现周围地层与地下建筑结构的相互作用。连续体模型视岩土体为具有粘弹塑性的连续均匀介质，根据平衡方程、几何方程、物理方程等，采用弹塑性力学解析推导法求解偏微分方程组，或采用数值模拟计算计算法等，在满足边界条件的前提下获得结构和地层的内力，并检验地层稳定性和结构截面设计,连续介质数值分析方法的理论基础是弹（塑）性力学，在数值分析计算公式的推导过程中，需要满足结构工程的基本方程和边界条件。只是在求解手段上，采用了不同于弹性力学的各种近似

22、解法。这类方法适用于连续介质体的地下工程围岩与结构的应力分析和位移求解。工程数值模拟计算分析方法连续介质数值模拟分析非连续介质数值模拟分析混合介质数值模拟分析有限元与离散元耦合边界元与离散元耦合有限差分法有限单元法边界单元法离散单元法不连续变形法流形元法,图3-11 连续介质数值模拟分析方法,3.2.3 地下建筑结构设计模型利弊分析,1、地下建筑结构设计模型利弊分析 1）工程经验类比法 工程经验类类比法以围岩分级为基础的经验设计方法，设计结构包括确定地下建筑结构形状、尺寸规模、材料、施工方法、支护类型、支护强度、工程开挖程序、施工时机、量测措施布置等。分为直接类比（与类似成功实施工程类比）和间

23、接类比（与规范、手册等类比）确定地下建筑结构的设计参数。关键是对围岩进行准确的分类，依据是实地调查和实验室测试的各种参数做依据。 在大多数情况下，隧道支护体系依赖“经验设计”，并在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证。经验设计法供参考和借签，但要结合实际情况修改和完善，同时对已有成功经验需要继承，更需要发展；采用经验设计法设计工程是否成功最终需要实践检验,2、“荷载结构”设计计算模型（结构力学设计计算方法） 基本思想是沿用建筑结构的计算模式和设计理念，把围岩对支护结构的作用作为施加在结构上的载荷，借助结构力学的理论和计算方法，进行支护结构内力与位移的计算，从而进行结构的设计与稳定性评价。主要

24、特点是将支护结构与围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，承受岩体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力；围岩是荷载来源，支护结构作为弹性支承。该法的关键是确定围岩的主动荷载和弹性抗力的大小。该法适用于浅埋地下建筑结构（上部为填土），围岩塌落而出现松动压力的情况。但一般具有一定的自稳性能，因此计算结果偏于保守和安全。 该模型发展时间长，概念清晰，实践经验多，计算简便，工作量小，易于被接受，容易掌握等优点，故至今仍很通用，尤其适用于模筑衬砌。我国铁路隧道结构设计中采用的隧道衬砌标准图就是基于这种力学计算理论而编制的，它构成了我国铁路隧道结构设计的基础。 缺点在于，衬砌结构本身的内力和变形可以由计算得出

25、，但是周围环境的变形仅能由衬砌结构的变形间接求得，而且难以知道周围岩土体的应力状况及其稳定性。计算步骤多、费时费事；计算模型桉弹性体系建立各种方程，是一种近似计算，实际情况中有部分破坏、裂隙、且不一定连续均质等，不符合近似弹性力学使用前提；如何准确判定载荷的大小与分布是难题；计算过程中的有一些假定有局限性,3、地层结构模型（连续介质力学模型） 该计算模型的特点是围岩与支护结构（衬砌、喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架等）合为一体，组成隧道的结构体系，共同承载。适用于初始应力、地质条件复杂，构筑在软岩或较稳定的地层内，并采用新奥法设计、施工的复合衬砌或喷锚衬砌的隧道的设计。 地下建筑结构与地层共同

26、构成受力整体，可按连续介质力学的理论计算，如以弹塑性理论为依据弹力力学解析法，但如果数学解析困难时，则采用数值模拟计算法（一般有限元法）。求解的关键是确定围岩的初始应力场、材料的非线性以及各种参数。一般圆形断面采用解析解（弹性力学方法）。关键的问题是如何确定围岩的初始应力场、表示材料非线性特征的各种参数及其变化情况、确定隧道结构稳定判据、确定地层参数的概率模型及其统计参数等。 但由于周围地层与地下结构相互作用模拟的复杂性、地层-结构模型目前处于发展阶段，在工程应用中仅作为辅助手段。但该法相对于荷载-结构法，充分考虑了地下结构与周围介质的相互作用，结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构及周围地层

27、在每一个施工工况的结构内力和周围地层变形更能符合工程实际，因此，地层-结构法在将来的研究和发展中将得到广泛的应用和发展,4、收敛限制模型（收敛约束法或支护与围岩共同作用设计方法） （1）该模型以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法。以洞周位移量测值为根据的“收敛约束”法，实验室模型试验等。以量测围岩的收敛作为监控和设计依据和最终控制目标。利用围岩与支护共同作用特性来选择支护参数的收敛约束法。思想容易理解，但很难确定收敛曲线和实际应用。 （2）优点在于：充分利用和发挥围岩的自承能力；增强围岩的强度，并允许围岩有一定程度的变形，以减少对支护的围岩压力；利用现场的监测值进行反馈施工。 （3）不足之处在于：“收敛约束”模型认为围岩压力和支护抗力是在围岩和支护