专题8地下结构计算

1、国家精品课程国家精品课程 National Top Course西南交通大学西南交通大学 Southwest Jiaotong University地下结构与地面结构的区别地下结构与地面结构的区别v（2）力学作用机理）力学作用机理v（1）赋存环境）赋存环境v（3）载荷与施工过程密切相关）载荷与施工过程密切相关 结构与地层共同作用的机理结构与地层共同作用的机理岩体：变形、重力岩体：变形、重力土体：变形、重力土体：变形、重力围岩压力 岩体：约束结构的变形岩体：约束结构的变形 土体：约束结构的变形土体：约束结构的变形弹性抗力结构与地层共同作用结构与地层共同作用v（1）地层的地质条件）地层的地质条件v

2、（2）结构与）结构与地层的刚度地层的刚度影影响响因因素素地层刚度结构刚度地层刚度结构刚度地层对结地层对结构变形约构变形约束大，地束大，地层压力小层压力小地层对结地层对结构变形约构变形约束束小小，地，地层压力大层压力大坚硬岩体坚硬岩体软弱岩体软弱岩体地地下下结结构构计计算算的的目目的的承承受受不不同同的的作作用用安全安全地地下下结结构构计计算算的的内内容容v(2)刚度刚度(Stiffness)v(1)强度强度(Strength)v(3)稳定性稳定性(Stability) 建造结构的材料建造结构的材料v(1)混凝土（混凝土（Concrete）只能受压只能受压v(2)钢筋混凝土钢筋混凝土(Reinf

3、orced concrete) 可可受拉与受压受拉与受压v(3)预应力混凝土预应力混凝土(Prestressed concrete)v(4) 钢材（钢材（Steel） 钢结构钢结构v(5) 其他材料：木材、高分子材料其他材料：木材、高分子材料地下结构与其它土木工程结构的设计特点地下结构与其它土木工程结构的设计特点(1) (1) 施工方法决定了结构的设计方法。施工方法决定了结构的设计方法。(2) (2) 采用框架或拱形超静定结构。采用框架或拱形超静定结构。(3) (3) 线路纵向的长度远大于横断面的尺寸，要线路纵向的长度远大于横断面的尺寸，要考虑地下水的作用，即结构必须具有防水性。考虑地下水的作

4、用，即结构必须具有防水性。(4) (4) 改扩建非常困难，因此要详细考虑结构的改扩建非常困难，因此要详细考虑结构的形式和功能。形式和功能。 (3)(3)地铁地铁与轻轨高架结构设计与轻轨高架结构设计 Elevated structure(1) (1) 地铁与轻轨地下结构静动力计地铁与轻轨地下结构静动力计算算 Underground structure(2) (2) 地铁地铁与轻轨结构防水设计与轻轨结构防水设计 Waterproof design(1)(1)地铁地铁与轻轨地下结构静动力计算与轻轨地下结构静动力计算 q地铁结构静力特性地铁结构静力特性q作用在地铁结构上的载荷作用在地铁结构上的载荷q区

5、间隧道衬砌结构静力计算区间隧道衬砌结构静力计算q车站结构明挖法的静力计算车站结构明挖法的静力计算q地铁结构抗震计算地铁结构抗震计算q地铁车站抗浮计算地铁车站抗浮计算q地下结构静力特性地层地层与结构共同与结构共同承载承载v随着随着埋深的加大，结构稳定性受外载的影响减小。埋深的加大，结构稳定性受外载的影响减小。支护结构与围岩之间的相互作用支护结构与围岩之间的相互作用v（2 2）连续介质模型）连续介质模型( (Continuum Model) )，或称为，或称为地层与结构地层与结构共同作用共同作用模型模型。（连续介质力学，有限单元法）。（连续介质力学，有限单元法）l计算的力学模型计算的力学模型(Me

6、chanical model)v（1 1）作用）作用反作用模型反作用模型( (Action-reaction Model) )，或，或称为荷载与称为荷载与结构结构模型模型( (Load-structure model) )。( (结构结构力学方法力学方法) )荷荷载载与与结结构构模模型型地层与结构模型地层与结构模型v(1) (1) 以工程类比为依以工程类比为依据的据的经验设计法经验设计法( (Empirical Method) )l地下结构设计方法地下结构设计方法 Design Methodv(2) (2) 以以现场量测和试现场量测和试验为主的实用设计法验为主的实用设计法( (Converge

7、nce-confinement Method) )作用在地铁地下结构上的载荷作用在地铁地下结构上的载荷地面车辆荷载及其冲击力计算方法地面车辆荷载及其冲击力计算方法偶然荷载偶然荷载恒定荷载恒定荷载可变荷载可变荷载作用或荷载的分类恒定荷载（永久荷载，恒定荷载（永久荷载，Dead load）围岩压力围岩压力结构自重结构自重静水压力静水压力(含浮力含浮力)预加应力和设备重量预加应力和设备重量混凝土收缩和徐变影响力混凝土收缩和徐变影响力隧道上部的设施及建筑物基础附加应力隧道上部的设施及建筑物基础附加应力(1) (1) 基本可变荷载基本可变荷载地面地面车辆车辆荷载荷载, ,包括冲击力包括冲击力地铁车站荷载

8、、包括地铁车站荷载、包括冲击力、摇摆力、冲击力、摇摆力、离心力和制动力。离心力和制动力。人群荷载人群荷载等等。(2)(2)其它可变荷载其它可变荷载混凝土温度变化应力混凝土温度变化应力施工荷载施工荷载( (机具机具、盾构顶推盾构顶推力、注浆压力、注浆压力力) )等。等。 可可变变荷荷载载 偶然荷载偶然荷载contingent loads地震力地震力爆炸力爆炸力作作用用于于地地下下结结构构上上的的载载荷荷分分类类 荷载组合荷载组合v按照按照3 3类荷载同时存在类荷载同时存在的可能性进行最的可能性进行最不利工不利工况的组合。况的组合。恒定恒定荷载荷载基本基本可可变荷载变荷载以最不利工况以最不利工况偶

9、然荷载地震荷载7度以上高烈度度以上高烈度地震区地震区特殊要求人防荷载战备要求承载能力承载能力极限状态极限状态正常使用正常使用极限状态极限状态不利作用不利作用组组合下的安全合下的安全与稳定性与稳定性验算作用验算作用组组合下的裂缝合下的裂缝宽度宽度kdFFf=作用设计值作用标准值重要性系数或分项系数 地层压力的计算方法地层压力的计算方法土体结构土体结构岩体结构岩体结构按照浅埋和深埋加以区分H Hcrcr- -结构的覆盖层厚度结构的覆盖层厚度W-W-结构的开挖宽度结构的开挖宽度h hq q- -土体塌落拱的高度，土体塌落拱的高度，m m浅埋土质隧道作用计算计算方法（计算方法（2）)()()()()(

10、2452452452121：为处于浅埋时，围岩压力土层较硬，且深度仍然浅埋隧道围岩压力12212111htgaatgtgktgtgkkackaHHq解：解：(1)不不考虑上覆盖层滑动面摩擦力的影响，考虑上覆盖层滑动面摩擦力的影响，则有：则有： q=H=205.0=100kPa(2) 如果如果考虑滑动面摩擦力的影响，则有考虑滑动面摩擦力的影响，则有K1=tan20tan2(45-10)=0.1785K2=tan20tan(45-10)=0.2548a1=B/2+htan(45-10)=5.8m从而从而:)(21112121kackaHHqkPaq188.（1 1）普氏压力拱理论）普氏压力拱理论t

11、gffhtgahqkk)(2450（2 2）泰沙基理论）泰沙基理论tan)(;,)(tan)(tantankacathennhHifckhHnqeekacaVVhnknkV1111土层的内聚力；-土层的内摩擦角，1)245(2)245(2tgctgqeia)()(24522452tgctgqeip侧向土压力的计算：iihpq岩石地岩石地层层中中隧隧道作用道作用的计算的计算v浅埋隧道v深埋隧道深浅埋的判定深浅埋的判定按荷载等效高度的判定式为：qphH)5 . 20 . 2(围岩的荷载等效高度围岩的荷载等效高度h hq q)5(1 Bi1245. 0sqh对于矿山法条件下对于矿山法条件下v、级围岩

12、级围岩vHp=2hqv、级围岩级围岩vHp=2.5hq浅埋隧道v(1) (1) 当隧道的埋深当隧道的埋深HH等效荷载高度等效荷载高度h hq q时，时，v 荷载视为均布垂直压力，荷载视为均布垂直压力，q q为为 Hq侧压力侧压力e为为 )-(tg)hH( eg24522+=浅埋隧道浅埋隧道v(2) (2) 当隧道的埋深当隧道的埋深H H 满足满足v 等效荷载高度等效荷载高度h hq q HHH Hp p 时，时，v 荷载视为均布垂直压力，荷载视为均布垂直压力，q q为为 )1 (tgBHHq深深埋埋岩岩石石隧隧道道（1 1）单线隧道）单线隧道 sqqhhq79. 141. 0隧道侧向水平压力e

13、为qe级、级、级围岩级围岩 =0=0级围岩：级围岩： 0.150.15级围岩：级围岩： =0.15=0.150.30.3级围岩：级围岩： =0.30=0.300.50.5级围岩：级围岩： =0.50=0.501.01.01245. 0sqh)5(1 Biqhq1 . 052 . 05imBimB，；，隧道侧向水平压力e为qe级、级、级围岩级围岩 =0=0级围岩：级围岩： 0.150.15级围岩：级围岩： =0.15=0.150.30.3级围岩：级围岩： =0.30=0.300.50.5级围岩：级围岩： =0.50=0.501.01.0使用的条件使用的条件v（1 1）钻爆法施工的隧道）钻爆法施工

14、的隧道v（2 2）H/B1.7 （高跨比）（高跨比）v（3 3）无偏压或膨胀围岩）无偏压或膨胀围岩v（4 4）整体式衬砌的隧道）整体式衬砌的隧道l地下水静水压力的荷载效应地下水静水压力的荷载效应v静水压力对不同类型的地下结构将产生不同的荷载静水压力对不同类型的地下结构将产生不同的荷载效应效应。圆形或接近圆形结构按最低水位圆形或接近圆形结构按最低水位计算计算矩形矩形结构按最高水位结构按最高水位计算计算l土压力计算中地下水静水压力的处理方法土压力计算中地下水静水压力的处理方法（2 2）水土）水土合算合算针对：粘性针对：粘性土土结合水结合水（1 1）水土分算）水土分算针对针对：卵砾石、砂性土：卵砾石

15、、砂性土游离水游离水(1) (1) 水土水土分分算算在施工期间，土的容重的取值：在施工期间，土的容重的取值： 地下水位地下水位以上的土采用天然容重以上的土采用天然容重； 地下水位以下的土采用土的浮容重地下水位以下的土采用土的浮容重； 另外还要再计算静水压力的作用。另外还要再计算静水压力的作用。 sat39.8/kN m水的容重，3/satkN m土的饱和容重，sVwsatmVV固体颗粒的质量孔隙的体积水的容重土体的总体积地下水位地下水位以上的土采用天然容重以上的土采用天然容重 ，地下水位地下水位以下的土采用饱和容重以下的土采用饱和容重sat来来计算土压力，计算土压力，不再不再另外计算静水压力。

16、另外计算静水压力。 （2 2）水土）水土合算合算3/satkN m土的饱和容重，sVwsatmVV地面车辆荷载及其冲击力计算方法地面车辆荷载及其冲击力计算方法v路面车辆荷载的计算可查阅路面车辆荷载的计算可查阅:v公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004) v铁路桥涵设计基本规范铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005)浅埋浅埋地下结构的计算地下结构的计算遵循遵循3 3个原则个原则(2)框架节点视为刚性节点框架节点视为刚性节点(1)钢筋混凝土矩形框架结构钢筋混凝土矩形框架结构是超静定结构。是超静定结构。(3)内力计算方法采用力矩分内力计算方法采用力矩分配法或有

17、限单元法。配法或有限单元法。 地下铁道区间隧道框架结构地下铁道区间隧道框架结构v(1)(1)选定设计断面和拟定尺寸选定设计断面和拟定尺寸v(2)(2)计算计算载荷或作用载荷或作用v(3)(3)计算计算框架结构的内力框架结构的内力 (力矩分配力矩分配法或有限单元法法或有限单元法)v(4(4) )根据构件的内力根据构件的内力计算计算结构配筋结构配筋v(5)(5)绘制绘制结构结构设计设计图和配筋图图和配筋图地铁与轻轨建筑结构混凝土的最低设计强度等级地铁与轻轨建筑结构混凝土的最低设计强度等级 地铁与轻轨建筑结构混凝土的最低设计强度等级不小地铁与轻轨建筑结构混凝土的最低设计强度等级不小于于C20C20混

18、凝土混凝土 例题：某地铁区间隧道采用明挖法施工，其结构设计例题：某地铁区间隧道采用明挖法施工，其结构设计为框架结构，具体尺寸及埋深如图例所示。已知路面为框架结构，具体尺寸及埋深如图例所示。已知路面载荷为载荷为20kN/m2，其超载系数为，其超载系数为1.2；隧道顶板上覆土；隧道顶板上覆土壤为砂性土；顶板考虑的人防载荷为壤为砂性土；顶板考虑的人防载荷为147kN/m2，侧墙，侧墙的人防载荷为的人防载荷为78.4kN/m2，其超载系数为，其超载系数为1.2；土壤的；土壤的内摩擦角内摩擦角=30，内聚力，内聚力C=20kPa，中间圆立柱柱间距，中间圆立柱柱间距为为3.0m，圆立柱半径为，圆立柱半径为

19、0.3m。求该明挖隧道结构所承。求该明挖隧道结构所承受的载荷。受的载荷。3/5 .17mkNsn3/5 .19mkNsat3/25mkNco3/8 . 9mkNw已知：土的天然容重为：已知：土的天然容重为：土的饱和容重为：土的饱和容重为：钢筋混凝土容重为：钢筋混凝土容重为：水的容重为：水的容重为：土土的浮容重的浮容重为：为：337989519m/kN.m/kN.-. =）（解：解： 取隧道纵向长度为取隧道纵向长度为1m的结构来进行计算的结构来进行计算（1 1）求隧道顶板所承受的所有载荷）求隧道顶板所承受的所有载荷隧道顶板的载荷作用在顶板的结构轴线所在的平面上，主要隧道顶板的载荷作用在顶板的结构

20、轴线所在的平面上，主要有有路面载荷路面载荷 220/1.2 9.51.024.09.51.0kN mmmkPamm因为是砂性土因为是砂性土，采用水土分算。顶板，采用水土分算。顶板上部土体的载荷按照地下上部土体的载荷按照地下水位以上和地下水位以下水位以上和地下水位以下土壤容重分别土壤容重分别计算，则有计算，则有3317.5/2.019.5-9.8/6.25 9.51.095.6259.51.0kN mmkN mmmmkPamm（）顶板人防载荷为顶板人防载荷为 2147/1.2 9.51.0176.409.51.0kN mmmkPamm 顶板的自重顶板的自重（2）求侧墙所承受的载荷）求侧墙所承受的

21、载荷 在计算侧墙所受的侧向土压力时，土体的在计算侧墙所受的侧向土压力时，土体的容重仍按照容重仍按照地下地下水位以上和地下水位以下不同地层的容重来加以考虑。侧墙顶水位以上和地下水位以下不同地层的容重来加以考虑。侧墙顶部的土压力为部的土压力为30.59.5125/12.509.51.0mmmkN mkPamm将以上各载荷相加便可得出顶板所承受的竖向载荷为将以上各载荷相加便可得出顶板所承受的竖向载荷为 308.525kPa)245(2)245(211tgctgqe16.79kPa2303024.017.52(19.59.8)(60.25)(45)220(45)22tgtg2(2417.5 29.76

22、.25)(30 )220(30 )tgtg 侧墙顶部所受的侧向水压力为侧墙顶部所受的侧向水压力为 39.8/6.2561.25whkN mmkPa侧墙顶部顶板人防载荷为侧墙顶部顶板人防载荷为 278.4/1.294.08kNmkPa由以上可得侧墙顶部即顶板中心面处所受的侧向压力合计为：由以上可得侧墙顶部即顶板中心面处所受的侧向压力合计为： 172.12kPa侧墙底部所受的侧向土压力为侧墙底部所受的侧向土压力为侧墙底部所受的侧向水压力为侧墙底部所受的侧向水压力为 侧墙底部的人防载荷为侧墙底部的人防载荷为 278.4/1.294.08kNmkPa)245(2)245(222tgctgqe31.3k

23、Pa39.8/10.75105.35whkN mmkPa则侧墙底部所受的侧向压力合计则侧墙底部所受的侧向压力合计为为 230.73kPa2303024 17.5 2(19.59.8) (60.254.5)(45)2 20(45)22tgtg 2(24 17.5 29.7 10.75)(30 )2 20(30 )tgtg (3) (3) 底板所承受的载荷底板所承受的载荷由底板自重产生的载荷为由底板自重产生的载荷为30.59.5125/12.509.51.0mmmkN mkPamm由顶板传递的载荷为由顶板传递的载荷为 2308.525/9.51.0308.5259.51.0kN mmmkPamm由

24、侧墙传递的载荷为由侧墙传递的载荷为30.44.512 25/9.474.752 1mmmkN mkPamm 立柱的间距为立柱的间距为3.0m，则，则1m长度底板上由立柱传递的载荷为长度底板上由立柱传递的载荷为 由顶板纵梁传递的载荷为由顶板纵梁传递的载荷为23(0.3 )3.725/10.9174.752 1.03mmkN mkPamm 30.60.55125/0.8684.752 1mmmkN mkPamm 则底板则底板所受到竖向向下的载荷为所受到竖向向下的载荷为 332.28kPa。 由于结构底板承受地下水压力的作用，其值为由于结构底板承受地下水压力的作用，其值为 为为保持底板的平衡，底板还

25、受到地基的反作用力保持底板的平衡，底板还受到地基的反作用力，根据静力，根据静力平衡的原理，其平衡的原理，其数值数值为为226.93kPa。由此可以得出底板所承受的由此可以得出底板所承受的载荷为载荷为332.28kPa。 根据根据以上计算结果，可以绘出结构的以上计算结果，可以绘出结构的受力图。受力图。 39.8/10.75105.35whkN mmkPaABCDEF308.53kPa172.12kPa230.73kPa332.28kPa172.12kPa230.73kPa钻爆法隧道结构计算钻爆法隧道结构计算Structural calculation of tunnel by DBM 区间隧道衬

26、砌结构静力计算钻爆法钻爆法施工的区间隧道施工的区间隧道计算模型计算模型结构结构荷载荷载Structure mechanics荷荷载载与与结结构构模模型型主动荷载模型主动荷载模型主动荷载与地层弹性约束模型主动荷载与地层弹性约束模型地层实测荷载模型地层实测荷载模型Active load model主动荷载主动荷载+ +地层弹性约束模型地层弹性约束模型现场实测荷载模型现场实测荷载模型弹性链杆支承计算模型弹性链杆支承计算模型iiKv基底反力或弹性抗力的计算基底反力或弹性抗力的计算vWinkler弹性基础理论计算弹性基础理论计算地层表面某点所产生地层表面某点所产生的压缩变形量；的压缩变形量；m地层在同一点所地层在同一点所产生的弹性抗力；产生的弹性抗力；MPa地层的弹