地下建筑规划与设计-8

1、 主讲人：陈海明主讲人：陈海明 博士博士安徽理工大学土木与建筑学院2009年10月14日12/11/2021112/11/202128.1 地下结构分类地下结构分类8.2 地下结构荷载地下结构荷载8.3 地下结构计算的力学方法地下结构计算的力学方法8.4 明挖基坑支护桩设计明挖基坑支护桩设计12/11/20213?8.1 地下结构分类地下结构分类 8.2 地下结构荷载地下结构荷载 8.3 地下结构计算的力学方法地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计明挖基坑支护桩设计12/11/202148.1.1 按结构按结构形状形状划分划分地下空间结构可按结构形状划分为地下空间结构可按结构形状划

2、分为矩形框架结构矩形框架结构、圆形结构圆形结构、拱与直墙拱结构拱与直墙拱结构、薄壳结构薄壳结构、敞开式结构敞开式结构等。等。12/11/20215 地下空间的结构按地下空间的结构按土质状况土质状况可分为土层与岩层地下可分为土层与岩层地下空间结构。空间结构。 土层结构土层结构即指在土壤中挖掘的结构，即指在土壤中挖掘的结构，岩层结构岩层结构指在指在岩石中挖掘的结构。这里不含水中结构，水中结构岩石中挖掘的结构。这里不含水中结构，水中结构与岩土中结构又有较大差别，水中结构包括江河湖与岩土中结构又有较大差别，水中结构包括江河湖海内的水下结构，但包含水底岩土中的结构。海内的水下结构，但包含水底岩土中的结构

3、。岩石岩石结构结构中又分为喷锚结构、半衬砌结构和厚拱薄墙结中又分为喷锚结构、半衬砌结构和厚拱薄墙结构等。构等。12/11/20216地下空间的结构按地下空间的结构按施工方法施工方法可划分为以下几种类型：可划分为以下几种类型：1.敞开式敞开式是指直接在地面开挖所建造的地下空间建筑基坑，在其是指直接在地面开挖所建造的地下空间建筑基坑，在其坑内建造完工程后将土回填的一种方法，基坑边坡可采用放坡、坑内建造完工程后将土回填的一种方法，基坑边坡可采用放坡、直立或支撑的形式而防止土的塌落。直立或支撑的形式而防止土的塌落。2.暗挖式暗挖式常用于在土中埋深较大的情况下，通过竖井在土中进行常用于在土中埋深较大的情

4、况下，通过竖井在土中进行挖掘空间而建造的结构，此种方式又称为挖掘空间而建造的结构，此种方式又称为矿山法矿山法。3.盾构式盾构式是在地下采用隧道掘进机进行施工的一种方法，常用圆是在地下采用隧道掘进机进行施工的一种方法，常用圆形，顶管工具头也属盾构范畴。其特点是可穿越海底、水底等形，顶管工具头也属盾构范畴。其特点是可穿越海底、水底等地下修建隧道，隐蔽、自动化与机械化程度高，劳动强度低。地下修建隧道，隐蔽、自动化与机械化程度高，劳动强度低。12/11/202174.沉井式沉井式是在地面预先建造好结构，然后通过在井内不断挖土是在地面预先建造好结构，然后通过在井内不断挖土使结构借助自重克服土摩阻力不断下

5、沉至设计标高的一种方使结构借助自重克服土摩阻力不断下沉至设计标高的一种方法，常用于桥梁墩台、大型设备基础、地下仓（油）库、地法，常用于桥梁墩台、大型设备基础、地下仓（油）库、地下车站及国防工事等地下工程的建筑施工。下车站及国防工事等地下工程的建筑施工。5.连续墙式连续墙式是指在施工时先分段建造两条连续墙，然后在中间是指在施工时先分段建造两条连续墙，然后在中间挖土并由底至上建造底板、楼板、顶板及内部结构的一种施挖土并由底至上建造底板、楼板、顶板及内部结构的一种施工方法。工方法。6.沉箱沉箱（管）式（管）式是指将预制好的结构运至预定位置，并使之下是指将预制好的结构运至预定位置，并使之下沉到设计标高

6、的施工方法。沉到设计标高的施工方法。12/11/202187. 逆作式逆作式是在地下工程施工时不设支护体系，以结构构件作挡墙及是在地下工程施工时不设支护体系，以结构构件作挡墙及支撑，由柱墙、顶板、楼板、基础自上而下依次开挖和施工的一支撑，由柱墙、顶板、楼板、基础自上而下依次开挖和施工的一种方法，其特点是施工作业面小，可尽快恢复地面交通，对周围种方法，其特点是施工作业面小，可尽快恢复地面交通，对周围环境影响小，常为矩形结构。环境影响小，常为矩形结构。8. 顶管（箱）式顶管（箱）式是在起点和终点设置工作井（常采用沉井），在工是在起点和终点设置工作井（常采用沉井），在工作井壁设有孔作为预制管节的进口

7、与出口，通过千斤顶将预制管作井壁设有孔作为预制管节的进口与出口，通过千斤顶将预制管节按设计轴线逐节顶入土中，对于较长距离的情况，顶管常分段节按设计轴线逐节顶入土中，对于较长距离的情况，顶管常分段进行，该方法在城市中不影响交通及附近地面设施。进行，该方法在城市中不影响交通及附近地面设施。 由于施工方法对结构的影响较大，常需要进行施工阶段与使用阶由于施工方法对结构的影响较大，常需要进行施工阶段与使用阶段的结构分析与设计。段的结构分析与设计。12/11/20219 城市建设中大部分地面建筑带有地下建筑，这种城市建设中大部分地面建筑带有地下建筑，这种地面地下相连的地下建筑称为地面地下相连的地下建筑称为

8、附建式（地下室）附建式（地下室）结构结构，反之称为，反之称为单建式结构单建式结构。 目前，我国建设的多层建筑大多建有地下室，高目前，我国建设的多层建筑大多建有地下室，高层建筑则必须建有地下建筑。层建筑则必须建有地下建筑。12/11/202110 根据地下空间结构在土中的根据地下空间结构在土中的埋深埋深分为分为浅埋浅埋与与深埋地深埋地下结构下结构。 深浅的定义较为模糊，较为不严格的概念认为，地深浅的定义较为模糊，较为不严格的概念认为，地下空间开发深度分为下空间开发深度分为浅层浅层（10m）、）、次浅层次浅层（1030m）、）、次深层次深层（3050m）、）、深层深层（50m）。）。深埋与浅埋的界

9、限是十分必要的，但我国目前还没深埋与浅埋的界限是十分必要的，但我国目前还没有统一的划分方法。有统一的划分方法。12/11/202111 8.1 地下结构分类地下结构分类?8.2 地下结构荷载地下结构荷载 8.3 地下结构计算的力学方法地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计明挖基坑支护桩设计12/11/2021128.2.1 地下结构荷载的分类及其组合地下结构荷载的分类及其组合 地下结构所承受的荷载，按其地下结构所承受的荷载，按其作用特点作用特点及使用中可能出现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）的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、可变（附加）荷载

10、和偶然（特殊）荷载。荷载和偶然（特殊）荷载。1.永久（主要）荷载永久（主要）荷载2. 也称为也称为长期作用恒载长期作用恒载，主要包括结构，主要包括结构自重自重、回填土层重量回填土层重量、围岩压力围岩压力、弹性抗力弹性抗力、静水压力（含浮力）静水压力（含浮力）、混凝土收缩和徐变混凝土收缩和徐变影响力影响力、预加应力预加应力及及设备自重设备自重等。围岩压力和结构自重是衬砌承等。围岩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一种被动荷载。受的主要静荷载，弹性抗力是地下结构所特有的一种被动荷载。12/11/2021132. 可变（附加）荷载可变（附加）荷载3. 又分为又分为基本可

11、变荷载基本可变荷载和和其他可变荷载两类其他可变荷载两类。基本可变荷基本可变荷载载，即长期的、经常作用的变化荷载，如吊车荷载，设备，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、人群荷载等。重量，地下储油库的油压力，车辆、人群荷载等。其他可其他可变荷载变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷，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。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（特殊）荷载指偶然发生的荷载，如地震力或战指偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载。时发生的武

12、器爆炸冲击动荷载。12/11/202114 对于一个特定的地下结构，上述几种荷载不一定同时存对于一个特定的地下结构，上述几种荷载不一定同时存在，设计中应根据荷载实际可能出现的情况进行组合。在，设计中应根据荷载实际可能出现的情况进行组合。 所谓所谓荷载组合荷载组合，是指将可能同时出现在地下结构上的荷，是指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组，取其载进行编组，取其最不利组合最不利组合作为作为设计荷载设计荷载，以，以最危险最危险截面中最大内力值截面中最大内力值作为作为设计依据设计依据。 我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶然荷载参见表然

13、荷载参见表8.1和表和表8.2。12/11/2021158.2.2.1 围岩压力及其影响因素围岩压力及其影响因素12/11/2021161. 围岩压力的概念围岩压力的概念围岩压力围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的作是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的作用力，它包括由地应力（即原岩应力）引起的围岩应力以及围岩用力，它包括由地应力（即原岩应力）引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的总作用力。围岩压力也称为变形受阻而作用在支护结构上的总作用力。围岩压力也称为地压地压。由围岩压力引起的围岩与支护的变形、流动和破坏等现象称为由围岩压力引起的围岩与支护的变形、流动

14、和破坏等现象称为围围岩压力显现岩压力显现或或地压显现地压显现。从从广义广义上理解，围岩压力既包括围岩有支护情况，也包括无支护上理解，围岩压力既包括围岩有支护情况，也包括无支护情况；既包括在普通的传统支护上所显示的性态，也包括在锚喷情况；既包括在普通的传统支护上所显示的性态，也包括在锚喷和压力注浆等现代支护方法中所显示的性态。从和压力注浆等现代支护方法中所显示的性态。从狭义狭义上理解，围上理解，围岩压力是指围岩作用在衬砌上的压力。岩压力是指围岩作用在衬砌上的压力。12/11/2021171. 围岩压力的概念围岩压力的概念 由于围岩压力是围岩的变形或破坏造成的，其大小和分布由于围岩压力是围岩的变形

15、或破坏造成的，其大小和分布与导致围岩变形或破坏的诸多因素有关。事实上，围岩压与导致围岩变形或破坏的诸多因素有关。事实上，围岩压力和支护结构本来是一对相互作用和动态协调变化的力和支护结构本来是一对相互作用和动态协调变化的“作用作用体体”，完全用结构工程中的压力或荷载概念来理解，是不尽，完全用结构工程中的压力或荷载概念来理解，是不尽合理的。但是，为了采用结构力学方法进行地下结构设计，合理的。但是，为了采用结构力学方法进行地下结构设计，仍要明确仍要明确“压力压力”或或“荷载荷载”的概念，否则将无法进行计算。的概念，否则将无法进行计算。12/11/2021182. 影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素

16、3. 影响围岩压力的因素基本上与围岩分类因素大影响围岩压力的因素基本上与围岩分类因素大致相同，如致相同，如岩体结构岩体结构、岩石强度岩石强度、地下水地下水、洞室、洞室跨跨度度、形状形状、支护类型与刚度支护类型与刚度、施工方法施工方法、洞室、洞室埋置埋置深度深度和和支护时机支护时机等因素。等因素。12/11/2021191. 概述概述 围岩压力是地下衬砌结构设计中的围岩压力是地下衬砌结构设计中的主要荷载主要荷载之一。围岩压之一。围岩压力的研究最早开始于力的研究最早开始于14世纪，当时用来研究地下采矿工程世纪，当时用来研究地下采矿工程中出现的一系列问题，如地层移动、地表沉陷及坑道支撑中出现的一系列

17、问题，如地层移动、地表沉陷及坑道支撑等。以后，随着采矿事业和其他地下工程的发展，围岩压等。以后，随着采矿事业和其他地下工程的发展，围岩压力的研究也相应得到发展。目前，它已成为岩体力学研究力的研究也相应得到发展。目前，它已成为岩体力学研究极为重要的内容。目前应用较广的分类是把围岩压力分成极为重要的内容。目前应用较广的分类是把围岩压力分成松动压力松动压力、变形压力变形压力、冲击压力冲击压力和和膨胀压力膨胀压力四大类。四大类。12/11/2021202. 松动压力松动压力 由于开挖导致围岩松动或塌落的岩体以重力的形式直接作用在支护上的压由于开挖导致围岩松动或塌落的岩体以重力的形式直接作用在支护上的压

18、力称为力称为松动压力松动压力。这种压力表现为荷载的特有形式：顶压大，侧压小。这种压力表现为荷载的特有形式：顶压大，侧压小。 松动压力通常由下述三种情况形成：松动压力通常由下述三种情况形成： （1）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石对支护造成的落石压力；）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石对支护造成的落石压力； （2）在松散软弱的岩体中，隧道顶部和两侧片帮冒落对支护造成的散体压力；）在松散软弱的岩体中，隧道顶部和两侧片帮冒落对支护造成的散体压力； （3）在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位的岩体沿弱面发生剪切破坏或拉坏，）在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位的岩体沿弱面发

19、生剪切破坏或拉坏，形成了局部塌落松动压力。形成了局部塌落松动压力。 造成松动压力的造成松动压力的因素因素很多，如围岩地质条件、岩体破碎程度、开挖施工方很多，如围岩地质条件、岩体破碎程度、开挖施工方法、爆破作用、支护不及时、回填密实程度、洞形和支护形式等。而岩体法、爆破作用、支护不及时、回填密实程度、洞形和支护形式等。而岩体破碎与临空面不利组合所构成的不稳定岩体也容易造成松动压力。破碎与临空面不利组合所构成的不稳定岩体也容易造成松动压力。12/11/2021213.变形压力变形压力松动压力松动压力是以重力形式直接作用在支护上的，而是以重力形式直接作用在支护上的，而变形压力变形压力则是由于围岩变形

20、受到支则是由于围岩变形受到支护的抑制产生的。所以变形压力除与围岩应力有关外，还与支护时机和支护刚度密护的抑制产生的。所以变形压力除与围岩应力有关外，还与支护时机和支护刚度密切相关。按其成因可进一步分为下述几种情况：切相关。按其成因可进一步分为下述几种情况：（1）弹性变形压力弹性变形压力当采用紧跟开挖面进行支护的施工法时，由于存在着开挖当采用紧跟开挖面进行支护的施工法时，由于存在着开挖面的面的“空间效应空间效应”而使支护受到一部分围岩的弹性变形作用，由此而形成的变形压力而使支护受到一部分围岩的弹性变形作用，由此而形成的变形压力称为弹性变形压力。称为弹性变形压力。（2）塑性变形压力）塑性变形压力由

21、于围岩塑性变形（有时还包括一部分弹性变形）而使支由于围岩塑性变形（有时还包括一部分弹性变形）而使支护受到的压力称为塑性变形压力，这是最常见的一种围岩变形压力。护受到的压力称为塑性变形压力，这是最常见的一种围岩变形压力。（3）流变压力）流变压力围岩产生显著的随时间增长而增加的变形或蠕变。压力是由岩围岩产生显著的随时间增长而增加的变形或蠕变。压力是由岩体的蠕变变形引起的，有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。体的蠕变变形引起的，有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。变形压力主要是围岩变形的根本所在，所以变形压力的大小，既决定于原岩应力的变形压力主要是围岩变形的根本所

22、在，所以变形压力的大小，既决定于原岩应力的大小和岩体的力学性质，也决定于支护结构刚度和支护的时间。大小和岩体的力学性质，也决定于支护结构刚度和支护的时间。12/11/2021224. 膨胀压力膨胀压力 含有某些膨胀矿物的岩体具有吸水膨胀崩解的特性，这种含有某些膨胀矿物的岩体具有吸水膨胀崩解的特性，这种由于围岩膨胀变形引起的压力称为由于围岩膨胀变形引起的压力称为膨胀压力膨胀压力。围岩吸水膨。围岩吸水膨胀、体积增大，既有物理性质，也有化学性质。膨胀压力胀、体积增大，既有物理性质，也有化学性质。膨胀压力与变形压力的根本区别在于围岩变形是由吸水膨胀引起的。与变形压力的根本区别在于围岩变形是由吸水膨胀引

23、起的。岩体膨胀性，主要决定于其岩体膨胀性，主要决定于其蒙脱石蒙脱石、伊利石伊利石和和高岭土高岭土的含的含量。同时，还依赖于外界水的渗入和地下水的活动特征。量。同时，还依赖于外界水的渗入和地下水的活动特征。岩层中蒙脱石含量越高，有水源供给，膨胀性也就越显著。岩层中蒙脱石含量越高，有水源供给，膨胀性也就越显著。12/11/2021235. 冲击压力冲击压力 冲击压力又称冲击压力又称岩爆岩爆，它是在工程开挖过程中，围岩积累了，它是在工程开挖过程中，围岩积累了大量的大量的弹性变形能弹性变形能。在外界扰动下突然释放所产生的压力。在外界扰动下突然释放所产生的压力。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放，所以它

24、与岩体弹由于冲击压力是岩体能量的积累与释放，所以它与岩体弹性特性紧密相关。弹性模量较大的岩体在高地应力的作用性特性紧密相关。弹性模量较大的岩体在高地应力的作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈地大量释放。会突然猛烈地大量释放。12/11/202124因围岩压力的计算有不同的模式，要确定围岩压力，首先要区分因围岩压力的计算有不同的模式，要确定围岩压力，首先要区分深埋和浅埋隧道（地下结构）。对于深埋和浅埋隧道（地下结构）。对于公路隧道公路隧道而言，可以按照经而言，可以按照经典围岩压力理论、地质条件、施工方法等因素综合判定埋

25、深的界典围岩压力理论、地质条件、施工方法等因素综合判定埋深的界限：限：式中式中 Hp深埋与浅埋隧道分界深度；深埋与浅埋隧道分界深度； hp荷载等效高度，荷载等效高度， hp =q/； q深埋隧道垂直均布压力（深埋隧道垂直均布压力（kN/m2）；）； 围岩重度（围岩重度（kN/m3）。）。pp(2.0 2.5)Hh12/11/202125 在矿山法施工的条件下，在矿山法施工的条件下，类围岩取类围岩取Hp=2.5hp；类类围岩取围岩取Hp=2.0hp。 对于铁路隧道而言，隧道覆盖厚度小于表对于铁路隧道而言，隧道覆盖厚度小于表8.3所列数值时为所列数值时为浅埋隧道。浅埋隧道。12/11/202126

26、8.2.4.1 铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范所推荐的方法所推荐的方法铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范（TB 100032005）的方法）的方法根据以往铁路隧道的坍方资料统计所反映的围岩松动范围的大小，根据以往铁路隧道的坍方资料统计所反映的围岩松动范围的大小，通过对坍方资料的统计分析获得围岩松动压力的通过对坍方资料的统计分析获得围岩松动压力的经验估算公式经验估算公式。当然，塌方资料的背景不同或统计分析的前提假定不同，所得经当然，塌方资料的背景不同或统计分析的前提假定不同，所得经验公式也不同。例如，对于在不产生显著偏压力及膨胀性压力的验公式也不同。例如，对于在不产生显著偏压力及膨胀性压力的围岩

27、中用钻爆法开挖的、高跨比小于围岩中用钻爆法开挖的、高跨比小于1.7的隧道，经过对的隧道，经过对417个塌个塌方数据库的统计与回归，可以得到铁路双线隧道围岩竖向均布松方数据库的统计与回归，可以得到铁路双线隧道围岩竖向均布松动压力的计算表达式为动压力的计算表达式为*10.45 21(5)sqhi B12/11/202127*/hbf8.2.4.2 普氏理论普氏理论 普氏理论假定围岩为松散体（岩体不同程度地被节理、裂隙等软普氏理论假定围岩为松散体（岩体不同程度地被节理、裂隙等软弱结构面所切割），是一种基于天然拱概念的围岩压力理论，即弱结构面所切割），是一种基于天然拱概念的围岩压力理论，即围岩的垂直均

28、布压力为围岩的垂直均布压力为 适用范围适用范围：普氏理论一般对松散、破碎围岩较适用。在松软地层：普氏理论一般对松散、破碎围岩较适用。在松软地层（如淤泥、软黏土等）中或结构埋深太浅，不能使用普氏理论。（如淤泥、软黏土等）中或结构埋深太浅，不能使用普氏理论。*qh12/11/2021288.2.4.2 太沙基太沙基理论理论 太沙基理论也把洞室围岩看作松散体；但没有天然拱的概念，而太沙基理论也把洞室围岩看作松散体；但没有天然拱的概念，而是在假定洞室上方岩体变形形态的基础上按平衡条件推导出围岩是在假定洞室上方岩体变形形态的基础上按平衡条件推导出围岩压力的计算表达式。压力的计算表达式。 假定：洞室上方岩

29、体因洞室变形而下沉，产生错动面假定：洞室上方岩体因洞室变形而下沉，产生错动面OAB和和OAB；竖向压应力；竖向压应力v是均布的，且侧向压应力是均布的，且侧向压应力 （k为侧压为侧压力系数）。力系数）。hvkv/tan1 exp (tanc bbkhkb（）12/11/202129 一般来说，对于埋深较浅的洞室（如山岭铁路或公路隧道的洞口一般来说，对于埋深较浅的洞室（如山岭铁路或公路隧道的洞口地段、明挖或暗挖的浅埋地铁车站和区间隧道等），开挖会引起地段、明挖或暗挖的浅埋地铁车站和区间隧道等），开挖会引起整个上覆地层的变位，如果不及时支撑，地层就会大量变形和塌整个上覆地层的变位，如果不及时支撑，地

30、层就会大量变形和塌落，波及地表而形成一个沉陷区。参照图落，波及地表而形成一个沉陷区。参照图8.5，按平衡条件可得，按平衡条件可得松动围岩压力松动围岩压力=支护结构反力支护结构反力=滑动岩体的重力滑动岩体的重力-滑移面上的摩擦阻力滑移面上的摩擦阻力 式中滑移面上的摩擦阻力与具体的埋深情况有关。式中滑移面上的摩擦阻力与具体的埋深情况有关。12/11/202130 前面所讲的松动围岩压力，如结构自重等均属主动荷载。地下结前面所讲的松动围岩压力，如结构自重等均属主动荷载。地下结构除承受主动荷载作用外，还承受一种被动荷载，即围岩的弹性构除承受主动荷载作用外，还承受一种被动荷载，即围岩的弹性抗力。抗力。

31、结构在主动荷载作用下要产生变形，如图结构在主动荷载作用下要产生变形，如图8.6所示的曲墙拱形结构，在主所示的曲墙拱形结构，在主动荷载（垂直荷载大于水平荷载）作用下，产生的变形如虚线所示。在动荷载（垂直荷载大于水平荷载）作用下，产生的变形如虚线所示。在拱顶，其变形背向地层，在此区域内围岩对结构不产生约束作用，所以拱顶，其变形背向地层，在此区域内围岩对结构不产生约束作用，所以称为称为“脱离区脱离区”，而在靠近拱脚和边墙的部位，结构产生压向地层的变形。，而在靠近拱脚和边墙的部位，结构产生压向地层的变形。由于结构与围岩紧密接触，围岩将制止结构的变形，从而产生了对结构由于结构与围岩紧密接触，围岩将制止结

32、构的变形，从而产生了对结构的反作用力，对这个反作用力习惯上称的反作用力，对这个反作用力习惯上称“弹性抗力弹性抗力”。因此，。因此，围岩的弹性围岩的弹性抗力抗力是在主动荷载作用下，衬砌向围岩方向的变形而引起的围岩被动力。是在主动荷载作用下，衬砌向围岩方向的变形而引起的围岩被动力。弹性抗力作用的范围称为弹性抗力作用的范围称为“抗力区抗力区”。12/11/202131 围岩弹性抗力的存在是地下结构区别于地面结构的显著特点之一。围岩弹性抗力的存在是地下结构区别于地面结构的显著特点之一。因为，地面结构在外力作用下，可以自由变形不受外界的约束，因为，地面结构在外力作用下，可以自由变形不受外界的约束，而地下

33、结构在外力作用下，其变形要受围岩的约束。所以，地下而地下结构在外力作用下，其变形要受围岩的约束。所以，地下结构设计必须考虑结构与围岩之间的相互作用，这使得地下结构结构设计必须考虑结构与围岩之间的相互作用，这使得地下结构设计与计算变得复杂，但这只是问题的设计与计算变得复杂，但这只是问题的一个方面一个方面；另一方面另一方面，由，由于围岩弹性抗力的存在，限制了结构的变形，以致结构的受力条于围岩弹性抗力的存在，限制了结构的变形，以致结构的受力条件得以改善，使其变形小而承载能力有所增加。件得以改善，使其变形小而承载能力有所增加。12/11/202132 因为弹性抗力是由结构与围岩的相互作用产生的，所以弹

34、性抗力因为弹性抗力是由结构与围岩的相互作用产生的，所以弹性抗力的大小和分布规律不仅决定结构的变形，还与围岩的物理力学性的大小和分布规律不仅决定结构的变形，还与围岩的物理力学性质有着密切的关系。质有着密切的关系。 如何确定弹性抗力的大小和其作用范围（抗力区），目前有两种如何确定弹性抗力的大小和其作用范围（抗力区），目前有两种理论：一种是理论：一种是局部变形理论局部变形理论，认为弹性地基（围岩）某点上施加，认为弹性地基（围岩）某点上施加的外力只会引起该点的沉陷；另一种是的外力只会引起该点的沉陷；另一种是共同变形理论共同变形理论，即认为弹，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

35、引起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发生沉陷。后一种理论较为合理，但由于局附近一定范围的地基发生沉陷。后一种理论较为合理，但由于局部变形理论计算较为简单，且一般能够满足工程精度要求，所以部变形理论计算较为简单，且一般能够满足工程精度要求，所以目前多采用局部变形理论计算弹性抗力。目前多采用局部变形理论计算弹性抗力。k12/11/202133 8.1 地下结构分类地下结构分类 8.2 地下结构荷载地下结构荷载?8.3 地下结构计算的力学方法地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计明挖基坑支护桩设计12/11/2021348.3.1 地下结构内力计

36、算力学模型地下结构内力计算力学模型 关于地下结构的内力计算，目前有两种不同的设计理念，关于地下结构的内力计算，目前有两种不同的设计理念，一种一种认为围岩的作用只是向结构施加荷载，而结构的作用只是承受认为围岩的作用只是向结构施加荷载，而结构的作用只是承受荷载；荷载；另一种另一种则认为围岩既是荷载又有承载能力，而结构的作则认为围岩既是荷载又有承载能力，而结构的作用是调整围岩从而与之共同维持洞室的稳定性。相应地，地下用是调整围岩从而与之共同维持洞室的稳定性。相应地，地下结构的内力计算模型可以划分为如下两种类型：结构的内力计算模型可以划分为如下两种类型：1.荷载荷载-结构模型结构模型认为围岩对支护结构

37、的作用只是产生作用在认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力），以结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力），以计算支护结构在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为计算支护结构在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载荷载-结构法结构法。12/11/2021351.荷载荷载-结构模型结构模型 荷载荷载-结构模型只结构模型只适用适用于浅埋情况及围岩塌落而出现松动压力于浅埋情况及围岩塌落而出现松动压力的情况。的情况。12/11/2021361.荷载荷载-结构模型结构模型 荷载荷载-结构模型还可按荷载不同细分成如下几种模式：结构模型还可按荷载不同细

38、分成如下几种模式： （1）主动荷载模型。）主动荷载模型。 （2）主动荷载）主动荷载+被动荷载模型。被动荷载模型。 （3）量测压力模型。）量测压力模型。12/11/2021372.地层结构模型地层结构模型 主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种计算方法，需采用岩石力学方法进行计算。一种计算方法，需采用岩石力学方法进行计算。 12/11/2021382. 地层结构模型地层结构模型 计算方法通常有计算方法通常有数值解法数

39、值解法和和解析解法解析解法两类。两类。 数值解法数值解法是把围岩视作弹塑性体或黏弹塑性体，并与支护是把围岩视作弹塑性体或黏弹塑性体，并与支护一起采用有限元或边界元数值法求解。数值解法可以直接一起采用有限元或边界元数值法求解。数值解法可以直接算出围岩与支护的应力和变形状态，以判断围岩是否失稳算出围岩与支护的应力和变形状态，以判断围岩是否失稳和支护是否破坏。数值解法往往有多种功能，能考虑岩体和支护是否破坏。数值解法往往有多种功能，能考虑岩体中的节理裂隙、层面、地下水渗流及岩体膨胀性等影响，中的节理裂隙、层面、地下水渗流及岩体膨胀性等影响，是目前理论计算法中的主要方法。是目前理论计算法中的主要方法。

40、12/11/2021392.地层结构模型地层结构模型 计算方法通常有计算方法通常有数值解法数值解法和和解析解法解析解法两类。两类。 解析解法解析解法主要适用于一些简单情况下，以及某些简化情况主要适用于一些简单情况下，以及某些简化情况下的近似计算。目前，国内外这类方法已经很多，一般可下的近似计算。目前，国内外这类方法已经很多，一般可概括成如下几种：概括成如下几种： （1）支护结构体系与围岩共同作用的解析解法）支护结构体系与围岩共同作用的解析解法。利用围岩与支。利用围岩与支护衬砌之间的位移协调条件，得简单洞形（如圆形）条件下围岩与护衬砌之间的位移协调条件，得简单洞形（如圆形）条件下围岩与衬砌结构的

41、弹性、弹塑性及黏弹性解。衬砌结构的弹性、弹塑性及黏弹性解。12/11/2021402.地层结构模型地层结构模型 计算方法通常有计算方法通常有数值解法数值解法和和解析解法解析解法两类。两类。 解析解法解析解法 （2）收敛）收敛-约束法或特征曲线法约束法或特征曲线法。原理原理：按弹塑：按弹塑-黏性理论等推导黏性理论等推导公式后，再以洞周位移为横坐标、支护反力为纵坐标的坐标平面内公式后，再以洞周位移为横坐标、支护反力为纵坐标的坐标平面内绘出表示围岩受力变形特征的洞周收敛线，并按结构力学原理在同绘出表示围岩受力变形特征的洞周收敛线，并按结构力学原理在同一坐标平面内绘出表示支护结构受力变形特征的支护限制

42、线，得出一坐标平面内绘出表示支护结构受力变形特征的支护限制线，得出以上两条曲线的交点，根据交点处表示的支护抗力值进行支护结构以上两条曲线的交点，根据交点处表示的支护抗力值进行支护结构设计。设计。12/11/2021412.地层结构模型地层结构模型 解析解法解析解法 （3）剪切滑移楔体法。）剪切滑移楔体法。基于基于Robcewicz提出的提出的“剪切破坏理论剪切破坏理论”。该理论认为，围岩稳定性的丧失，主要发生在洞室与主应力方向垂该理论认为，围岩稳定性的丧失，主要发生在洞室与主应力方向垂直的两侧，并形成剪切滑移楔体。由于地下洞室开挖在侧压系数直的两侧，并形成剪切滑移楔体。由于地下洞室开挖在侧压系

43、数1的条件下，岩体的破坏过程如图的条件下，岩体的破坏过程如图8.11所示。首先两侧壁的楔形岩所示。首先两侧壁的楔形岩块由于剪切而分离，并向洞内移动（图块由于剪切而分离，并向洞内移动（图8.11a），而后，上部和下部），而后，上部和下部岩体由于楔形岩块滑移造成跨度加大，上下岩体向洞内挠曲（图岩体由于楔形岩块滑移造成跨度加大，上下岩体向洞内挠曲（图8.11b），甚至移动（图），甚至移动（图8.11c）。支护结构的设计按照由锚杆、喷）。支护结构的设计按照由锚杆、喷射混凝土及钢拱架提供的支护抗力与塑性滑移楔体的滑移力达成平射混凝土及钢拱架提供的支护抗力与塑性滑移楔体的滑移力达成平衡这一条件进行。衡这一

44、条件进行。12/11/2021428.3.2.1 拱形结构拱形结构1. 曲墙拱结构曲墙拱结构 曲墙拱衬砌属超静定结构，计算方法采用曲墙拱衬砌属超静定结构，计算方法采用“假定抗力法假定抗力法”。即朱拉波夫即朱拉波夫-布加也娃法，也称朱布加也娃法，也称朱-布法。布法。（1）考虑土层弹性抗力及其分布）考虑土层弹性抗力及其分布曲墙拱型结构在竖向荷载及侧向水平荷载（土层压力）的作用下，曲墙拱型结构在竖向荷载及侧向水平荷载（土层压力）的作用下，结构拱顶部向内产生变形，曲墙向外侧变形，曲墙的变形使土体结构拱顶部向内产生变形，曲墙向外侧变形，曲墙的变形使土体产生变形，土体变形达到一定程度即出现土体抵抗侧墙的继

45、续变产生变形，土体变形达到一定程度即出现土体抵抗侧墙的继续变形，对侧墙变形的抵抗作用即称为土体对结构的弹性抗力。形，对侧墙变形的抵抗作用即称为土体对结构的弹性抗力。12/11/2021438.3.2.1 拱形结构拱形结构1.曲墙拱结构曲墙拱结构（2）计算简图）计算简图有有垂直土层压力垂直土层压力q，侧向水平压力侧向水平压力e+e，拱脚弹性固定两侧拱脚弹性固定两侧受地层约束的受地层约束的无铰无铰拱拱，荷载与结构对，荷载与结构对称。称。12/11/2021448.3.2.1 拱形结构拱形结构1.曲墙拱结构曲墙拱结构（3）计算步骤）计算步骤I. 求主动荷载作用下结构内力求主动荷载作用下结构内力II.

46、 求求b=1时的时的III.求最大抗力求最大抗力IV.计算各截面最终内力值计算各截面最终内力值计算的校核计算的校核12xx和b12/11/2021452.曲墙拱结构曲墙拱结构该方法是将衬砌结构的边墙看作搁置于弹性地基上的曲梁或直梁，弹性该方法是将衬砌结构的边墙看作搁置于弹性地基上的曲梁或直梁，弹性地基按文克尔计算方法。当曲墙的曲率是常数或直墙时，可采用初参数地基按文克尔计算方法。当曲墙的曲率是常数或直墙时，可采用初参数法求解。一般直墙式衬砌的直边墙采用此法求解。法求解。一般直墙式衬砌的直边墙采用此法求解。计算图式计算图式将拱圈和梁分开计算，将拱圈处理为弹性固定在边墙顶上的无铰平拱，将拱圈和梁分

47、开计算，将拱圈处理为弹性固定在边墙顶上的无铰平拱，边墙处理为搁置在弹性地基上的直梁。在拱脚和墙顶连接处应满足力的边墙处理为搁置在弹性地基上的直梁。在拱脚和墙顶连接处应满足力的平衡条件和变形连续条件。拱脚平衡条件和变形连续条件。拱脚d处除有转角和垂直位移外，还有水平处除有转角和垂直位移外，还有水平位移。在结构和荷载对称的条件下，垂直位移对拱圈结构内力无影响，位移。在结构和荷载对称的条件下，垂直位移对拱圈结构内力无影响，可以不计。可以不计。12/11/2021461. 整体式圆形结构整体式圆形结构2. （1）自由变形圆环法）自由变形圆环法3. 当整体式圆管结构修建在松软地层中，地层对结构的弹当整体

48、式圆管结构修建在松软地层中，地层对结构的弹性抗力很小，故假定结构可以自由变形，地基反力沿环的性抗力很小，故假定结构可以自由变形，地基反力沿环的水平投影为均匀分布，计算图式如图水平投影为均匀分布，计算图式如图8.17所示。所示。12/11/2021471. 整体式圆形结构整体式圆形结构2. （2）假定抗力图法）假定抗力图法 衬砌机构在竖向荷载作用下，产生向地层方向的变形，衬砌机构在竖向荷载作用下，产生向地层方向的变形，从而引起弹性抗力。对于圆管结构，弹性抗力的分布从而引起弹性抗力。对于圆管结构，弹性抗力的分布规律，可根据已有的实践经验假定给出。计算图式如规律，可根据已有的实践经验假定给出。计算图

49、式如图图8.18所示。所示。12/11/2021482. 装配式圆形结构装配式圆形结构装配式圆管结构，应根据管片或砌块间连接构造以及所采用的施装配式圆管结构，应根据管片或砌块间连接构造以及所采用的施工方法，确定相应的计算方法。当组成圆管结构的管片或砌块在工方法，确定相应的计算方法。当组成圆管结构的管片或砌块在环向采用如图环向采用如图8.19所示的连接构造，而接头能传递全部内力时所示的连接构造，而接头能传递全部内力时（实际上是不可能传递全部内力的，而只能传递部分内力，故应（实际上是不可能传递全部内力的，而只能传递部分内力，故应把接头当作传递一定内力的弹性铰，按弹性铰接圆环进行结构计把接头当作传递

50、一定内力的弹性铰，按弹性铰接圆环进行结构计算），可按整体均质圆环计算；而当管片或砌块采用如图算），可按整体均质圆环计算；而当管片或砌块采用如图8.20（砌块端为圆柱形接头）或图（砌块端为圆柱形接头）或图8.21所示的连接构造时，应按多铰所示的连接构造时，应按多铰圆环计算，其计算图式如图圆环计算，其计算图式如图8.22所示所示。12/11/202149 地下铁道的通道、车站或地下厂房，承受地层的竖向地下铁道的通道、车站或地下厂房，承受地层的竖向压力和水平压力以及车辆等荷载，可视为平面变形问压力和水平压力以及车辆等荷载，可视为平面变形问题，沿纵向取单位宽度，按闭合框架计算其结构内力。题，沿纵向取单

51、位宽度，按闭合框架计算其结构内力。由于底板与地基之间有摩擦力，故可认为底板不能沿由于底板与地基之间有摩擦力，故可认为底板不能沿水平方向运动。地下铁道通道的计算简图如图水平方向运动。地下铁道通道的计算简图如图8.27所示。所示。12/11/2021508.3.3.1 地层的初始应力状态地层的初始应力状态地层结构法认为，地下空间的结构体系是由围岩和支护共同组成的，围地层结构法认为，地下空间的结构体系是由围岩和支护共同组成的，围岩既是荷载的来源，又是承载体系的一部分。从地层的初始应力状态出岩既是荷载的来源，又是承载体系的一部分。从地层的初始应力状态出发，地层结构法采用固体力学方法计算开挖和支护对围岩

52、应力和位移场发，地层结构法采用固体力学方法计算开挖和支护对围岩应力和位移场的作用，而支护结构的内力和变形只是整个的作用，而支护结构的内力和变形只是整个围岩围岩-结构体系结构体系计算结果中计算结果中的一部分。的一部分。地层的初始应力场与地层的结构、性质、埋藏条件及地质构造运动历史地层的初始应力场与地层的结构、性质、埋藏条件及地质构造运动历史等等因素因素有关，可以划分成有关，可以划分成自重应力场自重应力场和和构造应力场构造应力场两个部分。前者是地两个部分。前者是地层自重产生的应力，后者代表过去和当前地质构造运动（包括褶曲、断层自重产生的应力，后者代表过去和当前地质构造运动（包括褶曲、断裂、层间错动

53、、地壳升降、板块运动等）所引发的应力（分别称为残余裂、层间错动、地壳升降、板块运动等）所引发的应力（分别称为残余构造应力和新构造应力）。构造应力和新构造应力）。12/11/202151 在以自重应力为主的地层中，当地表为水平面、地层为均在以自重应力为主的地层中，当地表为水平面、地层为均质各向同性时，深度为质各向同性时，深度为h处自重应力的垂直和水平分量可以处自重应力的垂直和水平分量可以分别表示为分别表示为 如果地层是水平成层分布的，自重应力的大小可以分层总如果地层是水平成层分布的，自重应力的大小可以分层总和而得。和而得。vrh垂直应力 h0 h 水平应力12/11/202152 围岩二次应力状

54、态分析是地层结构法的关键步骤围岩二次应力状态分析是地层结构法的关键步骤。 地下开挖使地层出现了新临空面和该临空面上地层应力的地下开挖使地层出现了新临空面和该临空面上地层应力的释放，破坏了地层的初始应力平衡，引起释放，破坏了地层的初始应力平衡，引起地层应力的重新地层应力的重新分布分布。在这个时间过程中，地层应力是连续变化的，特别。在这个时间过程中，地层应力是连续变化的，特别地，洞室开挖后在未加支护的情况下，地层应力所达到的地，洞室开挖后在未加支护的情况下，地层应力所达到的新的相对平衡称为新的相对平衡称为围岩的二次应力状态围岩的二次应力状态。二次应力的发展。二次应力的发展与稳定受到自然因素和工程与

55、稳定受到自然因素和工程因素因素的的影响影响：围岩组成、结：围岩组成、结构、性质、初始应力状态等；开挖手段和方法，洞室的构、性质、初始应力状态等；开挖手段和方法，洞室的位置、大小和形状及其与围岩结构的相对关系等。位置、大小和形状及其与围岩结构的相对关系等。12/11/202153 一般来说，二次应力场是三维场。一般来说，二次应力场是三维场。12/11/202154 用初始应力释放的办法通过固体力学计算确定。在围岩材用初始应力释放的办法通过固体力学计算确定。在围岩材料本构关系为料本构关系为线弹性线弹性的条件下。的条件下。12/11/202155洞室的稳定与否，取决于围岩的二次应力和变形是否超过了围

56、岩洞室的稳定与否，取决于围岩的二次应力和变形是否超过了围岩的强度和变形能力。如果二次应力的发展没有伴随围岩的塌落或的强度和变形能力。如果二次应力的发展没有伴随围岩的塌落或过度变形，则单从围岩稳定的角度来看是没有必要设置支护结构过度变形，则单从围岩稳定的角度来看是没有必要设置支护结构的。但如果情况相反，围岩自身不能保持长期稳定，就必须施作的。但如果情况相反，围岩自身不能保持长期稳定，就必须施作支护控制围岩的变形、改善围岩的应力状态（支护使洞室周边围支护控制围岩的变形、改善围岩的应力状态（支护使洞室周边围岩处在三维压应力状态，有利于发挥围岩的抗压能力）。支护与岩处在三维压应力状态，有利于发挥围岩的

57、抗压能力）。支护与围岩共同变形而达到某种平衡，称为围岩共同变形而达到某种平衡，称为围岩围岩-结构体系的三次应力结构体系的三次应力状态状态。地层结构法就是在确定初始应力以后，以二次应力分析为。地层结构法就是在确定初始应力以后，以二次应力分析为基础，计算支护结构与围岩的共同作用，从而确定隧道结构体系基础，计算支护结构与围岩的共同作用，从而确定隧道结构体系的三次应力状态。的三次应力状态。12/11/202156实际地下结构的地层结构模型分析往往需要考虑比较复杂的材料实际地下结构的地层结构模型分析往往需要考虑比较复杂的材料模型、几何形状、边界条件，一般是没有办法求出解析解的；因模型、几何形状、边界条件

58、，一般是没有办法求出解析解的；因而就必须使用数值方法。而就必须使用数值方法。原理原理：通过单元分析建立单元刚度方程，根据位移协调条件组建：通过单元分析建立单元刚度方程，根据位移协调条件组建总体刚度方程，引入边界条件并求解，得到各节点的位移，然后总体刚度方程，引入边界条件并求解，得到各节点的位移，然后再利用节点位移通过单元刚度方程获得单元节点力，通过单元应再利用节点位移通过单元刚度方程获得单元节点力，通过单元应力方程获得单元应力，通过单元应变方程获得单元应变。力方程获得单元应力，通过单元应变方程获得单元应变。12/11/2021571. 计算范围的选取计算范围的选取有限单元法的模型只能是空间有限

59、的区域，而地下结构周围的地有限单元法的模型只能是空间有限的区域，而地下结构周围的地层相对而言是无限大或半无限大（深埋或浅埋）的；因此必须选层相对而言是无限大或半无限大（深埋或浅埋）的；因此必须选择某个有限的计算范围建立有限单元模型。这个计算范围的边界择某个有限的计算范围建立有限单元模型。这个计算范围的边界应该离地下结构应该离地下结构足够远足够远，设在几乎不受地下工程影响的地方。经，设在几乎不受地下工程影响的地方。经验表明，一般来说，在离洞室中心验表明，一般来说，在离洞室中心35倍倍于洞室特征尺寸（最大于洞室特征尺寸（最大内径内径）以外的地方，地下工程的影响足够小。）以外的地方，地下工程的影响足

60、够小。12/11/2021582.单元类型的选择单元类型的选择可以用二维平面单元（平面应变或平面应力问题）或三维实体单元（三可以用二维平面单元（平面应变或平面应力问题）或三维实体单元（三维问题）来对计算范围内的地层进行离散化分析。维问题）来对计算范围内的地层进行离散化分析。3.开挖效应的模拟开挖效应的模拟洞室的开挖释放了洞室边界上的初始应力，在计算中可以通过在开挖边洞室的开挖释放了洞室边界上的初始应力，在计算中可以通过在开挖边界上施加与初始作用力大小相等、方向相反的释放荷载来模拟这种应力界上施加与初始作用力大小相等、方向相反的释放荷载来模拟这种应力释放。释放。如果考虑开挖与支护的时间效应，则释