地下建筑结构(中国地质大学孙金山)3-3课件

1、第3章 地下建筑结构荷载1 地下工程围岩分级方法2 地下建筑结构的荷载2 地下建筑结构的荷载2.1 荷载分类和组合2.2 围岩压力2.3 弹性抗力A：地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况分为以下三类：即永久荷载、可变荷载、偶然荷载2.1 荷载分类和组合2.1.1 荷载分类（1）永久（主要）荷载即长期作用的恒载，主要包括：结构自重；回填土重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力（含浮力）；混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。地层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被动荷载。2.1 荷载分类和组合2.1.1 荷载分类（2）可变（附加）荷载 分为基

2、本可变荷载和其它可变荷载两类。 基本可变荷载，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、人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，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。2.1 荷载分类和组合2.1.1 荷载分类2.1 荷载分类和组合2.1.1 荷载分类B：按存在状态分为：静荷载、动荷载、活荷载等 （1）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、弹性抗力和地下水压力等 ；2.1 荷载分类和组合（2）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

3、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 。2.1.1 荷载分类（3）活荷载：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板地面荷载（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。2.1.1 荷载分类2.1 荷载分类和组合（4）其他荷载：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）、温度变化等受到约束而产生的内力。2.1.1 荷载

4、分类2.1 荷载分类和组合表2-1 公路隧道设计规范（JTJ026-90）的隧道荷载编号荷载分类荷载名称1永久荷载（恒载）围岩压力2结构自重力3填土压力4混凝土收缩和徐变影响力5可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载、人群荷载6立交公路车辆荷载及其所产生的土压力7立交铁路列车活载及其所产生的土压力8其它可变荷载立交渡槽流水压力9温度变化的影响力10冻胀力11偶然荷载落石冲击力12地震力13施工荷载注：1设计隧道结构时，按其可能出现的最不利情况组合。 表2-2 铁隧道设计规范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷载）分类编号荷载分类荷载名称荷载分类1永久作用结构自重恒载主要荷载

5、2结构附加恒载3*围岩压力*4土压力5混凝土收缩和徐变的影响6可变作用列车活载活载7活载所产生的土压力8公路车辆荷载9冲击力10渡槽水流压力（设计渡槽明洞时）11制动力附加荷载12温度变化的影响13灌浆压力14冻胀力15施工荷载（施工阶段的某些外力）16偶然作用落石冲击力附加荷载17地震力特殊荷载举例：水工隧洞荷载组合基本荷载：山岩压力、衬砌自重、正常水位或宣泄设计洪水时的内水压力和外水压力。特殊荷载：校核水位时内、外水压力、灌浆压力、温度荷载、地震力、施工荷载等。衬砌计算时常采用下列荷载组合：1、正常运行情况：山岩压力+衬砌自重+宣泄设计洪水时内水压力+外水压力。不同地段岩石情况不同： 计弹

6、性抗力 VS 不考虑弹性抗力温度荷载: 北方考虑 VS 非寒冷地区 不考虑温度荷载2、施工、检修情况：山岩压力+衬砌自重+可能出 3、非常运用情况：山岩压力+衬砌自重+宣泄校核洪水时的内水压力+外水压力。正常运用情况，用以设计衬砌的尺寸和进行配筋，其它情况用来校核。举例：水工隧洞荷载组合2 地下建筑结构的荷载2.1 荷载分类和组合2.2 围岩压力2.3 弹性抗力2.2.1 围岩压力的概念 围岩压力：是指围岩作用在支护结构上的压力围岩应力：围岩所处的应力状态围岩压力按作用力发生形态分为： 松散压力：是指由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构的压力。 形变压力：是指由于围岩变形受到

7、与之密贴的支护的抑制，使围岩与支护结构共同变形，此时围岩对支护结构施加的接触压力。 膨胀压力：是指由于围岩膨胀崩解所引起的压力。 冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，突然施加在支护上的压力2.2.2 围岩压力的分类 松散压力：常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。2.2.2 围岩压力的分类 隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大； 隧道的埋深：实践证明，只有

8、当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。 施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。 自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态外，还取决于以下诸因素： 2.2.2 围岩压力的分类深埋隧道的自然拱圈2.2.2 围岩压力的分类围岩压力的确定目前常用有下列三种方法： 直接量测法 经验法或工程类比法 理论估算法2.2.3 围岩压力的确定围岩

9、压力的确定目前常用有下列三种方法： 直接量测法： 是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。 经验法或工程类比法： 是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。 理论估算法：是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。 由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素又非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。 在理论计算方法中，考虑几个主要因素

10、，使其结果相对地接近实际围岩压力的情况，是目前隧道工程设计中采用较多的方法。隧道围岩松散压力工程类比法（规范规定）公路隧道规范：2004铁路隧道规范：2005 深、浅埋隧道的判定 隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。 深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度(等效荷载高度值)为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度通常为22.5倍的坍方平均高度值 深、浅埋隧道的判定 Hp（22.5）hp 式中:Hp深浅埋隧道分界深度; hp荷载等效高度，按下式计算： hpp/ p深埋隧道竖向均布压力 kNm2； 围岩容重（kN

11、m2）。 在矿山法施工的条件下I一III级围岩取 Hp2hpIVVI级围岩取 Hp2.5hp 当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋， HHp时为浅埋 深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法) 围岩竖向匀布压力p按下式计算： p= 0.45 2 s-1 (kN/m2) 式中 ：S围岩级别，如属II级，则S2； 围岩容重， (kN/m3)； 1+ i(B-5) 宽度影响系数； B 隧道宽度，（m）； i 以B5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。 当B 5m,取i 0.1。 公路隧道规范：2004 深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法) p = 0.45 2 s-1 (kN/m2) 适用条件 H/B 1

12、.7， 式中H 为隧道高度； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； 采用钻爆法施工的隧道。 公路隧道规范：2004 ph h=0.411.79S 这是全国1046座铁路隧道得出的经验公式，其中S 新规范围岩的分级。 注：铁路隧道跨度小于公路隧道铁路隧道规范：2005 围岩的水平均布压力e 的确定，按下表中的经验公式计算 围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力00.15p(0.150.3)p(0.30.5)p(0.51.0)p公路隧道规范：2004铁路隧道规范：2005 浅埋隧道围岩压力的确定方法 埋深(H)小于或等于等效荷载高度hp时，荷载视为均布竖向压力 p = H式中:

13、p匀布布竖向压力； 深度上覆围岩容重； H隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。 浅埋隧道围岩压力的确定方法 侧向压力e，按匀布考虑时，其值为： e = (H + 1/2 Hi)tg2(450 /2)式中: e 侧向匀布压力； 围岩容重，以kN/m3计； H 隧道埋深，以m计； Hi 隧道高度，以m计； 一围岩计算摩擦角，可查有关规范。围岩的物理力学参数围岩级别重度（Kn/m3）弹性抗力系数（MPa/m）变形模量（GPa）泊松比内摩擦角（）粘聚力（MPa）计算摩擦角（）262818002800330.2602.17825271200180020330.20.2550601.52.1707823255

14、0012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.750601720100200120.350.4520270.050.24050151710010.40.5200.23040隧道围岩松散压力基于有界破裂区的计算方法这一计算方法是将破裂区内的岩体自重作为隧洞支护上的荷载。为了确定破裂区的范围，必须首先对破裂区的边界线作出假定，如认为是抛物线、半椭圆形等，此外还有采用弹塑性区的分界面作为破裂区的边界线。普氏压力拱理论、康姆端尔的岩体破碎理论，以及卡柯弹塑性理论都属于这一类计算方法。其中以普氏压力拱理论在我国应用最广。普氏假定压

15、力拱形状为二次抛物线形，压力拱高按经验确定，它取决于隧洞跨度和岩石性质。普氏采用下式确定压力拱高：f-岩石坚固性系数，又称普氏系数 。f=Rc/10围岩竖向压力为：深埋 侧向围岩压力 （1）岩柱理论 考虑到隧洞两侧的岩体也可能下滑，需将可能滑动的岩柱宽度比隧洞宽度适当增大，并考虑岩柱的应力传递 浅埋 顶部压力为：（2）太沙基公式 太沙基认为，隧洞开挖后，岩体将沿OAB曲面滑动，作用在隧洞顶部的压力等于滑动岩体的重量减去滑移面上摩擦力的垂直分量。为推导简单起见，太沙基又进一步假定岩体沿垂直面AC滑动，而且假定滑动体中任意水平面上的垂直压力为均布。取地面下埋置深度z处，滑动体的体宽为2a1，厚为d

16、z的单元体，由垂直方向平衡条件得： 边界条件为：平衡方程为：隧洞顶部的围岩压力为 ：为静止侧压力系数，太沙基取为1.0；地面超载。 （3）侧向围岩压力 按挡土墙理论来计算 深埋隧道形变围岩压力理论估算法围岩应力与变形的线弹性分析 由于开挖，洞室周围地层中应力大小和主应力方向发生了变化，这种现象叫做应力的重分布，把重分布后的应力状态叫做围岩二次应力状态。对于裂隙不多的坚硬岩体，或对于裂隙岩体、软弱岩体，如果围岩应力不高，当采用紧跟作业面的施工方法及支护向围岩提供很大的抗力时，围岩有可能处于弹性状态，如再略去其各向异性的影响，那么可以应用线弹性理论分析。 1.无衬砌圆形洞室的围岩应力与变形应力分析

17、应力集中系数（环向应力与P0的比值）讨论洞室两侧容易压碎，顶底容易拉坏 围岩位移 u径向位移，以向洞内方向为正；v切向位移，以顺时针方向为正；在轴对称情况下，即2.围岩与支护相互作用的应力与位移衬砌的应力和变形 r0、r1-衬砌 的外半径和内半径 衬砌材料刚度系数 由洞壁的位移与衬砌外径的位移相等得到衬砌抗力（其反作用力 即为围岩对支护的弹性变形压力）3.开挖面的空间效应4.立即支护与延迟支护的计算立即支护就是紧贴开挖面进行支护，开挖面处已释放的弹性位移较小，将来作用在支护上的压力较大；延迟支护就是离开挖面一段距离进行支护，此时支护处已释放的弹性位移较大，将来作用在支护上的压力较小；由于是线弹

18、性关系，计算围岩与支护相互作用的应力与位移时，可采用AP0 代替上述公式中的P0，A=1-ur/ur0（ur为洞壁实际释放的位移，ur0为无支护时洞壁所能释放的位移） 5.非圆形洞室的围岩应力椭圆形洞室 其它洞形（直墙拱、曲墙拱）的简化计算采用等代圆法6.无衬砌洞室的最佳形状使围岩保持稳定的最佳洞形是具有一定轴比的椭圆。如果洞形周边的应力等于原岩应力张量的第一不变量，并保持沿洞周各点的应力不变，那么就能得到最小的应力集中，这种洞形也就是谐洞。等应力轴比 零拉应力轴比洞顶不出现拉应力的条件为洞壁两侧不出现拉应力的条件 围岩应力与位移的弹塑性分析 1.概述围岩破坏的两种情况： 拉裂破坏，围岩局部区

19、域的拉应力达到了抗拉强度，产生局部受拉分离破坏； 剪切破坏，局部区域的剪应力达到岩体抗剪强度，从而使这部分围岩进入塑性状态，但其余部分围岩仍然处于弹性状态。设计人员可以通过改变隧洞形状和轴比来消除围岩中的拉应力，所以一般情况下，围岩破坏主要是剪切破坏。 进入塑性状态的围岩分为两部分 ： 塑性承载区 （外圈），与开挖前的初始应力相比 ,外圈的应力高于初始应力，它与围岩弹性区中应力升高部分合在一起称作围岩承载区 。 塑性松动区 （内圈），松动区内应力和强度都有明显下降，裂隙扩张增多，容积扩大，出现了明显的塑性滑移，这时没有足够的支护抗力就不能使围岩维持平衡状态。 2.轴对称应力条件下围岩应力的弹塑

20、性分析 概述 塑性区满足平衡方程与塑性条件，塑性区外围的弹性区满足平衡方程和弹性条件，在弹性区与塑性区交界处既满足弹性条件又满足塑性条件。 轴对称条件下，塑性区为一个等厚度圆 塑性区求解平衡方程塑性条件边界条件当r=r0时塑性区应力支护抗力与塑性区的半径设塑性区的半径为R0，在弹、塑性区的界面上（r=R0），弹性区（ ）的应力为弹塑性边界上的应力满足联立两式解得支护抗力与塑性区半径的关系结论：塑性区半径越小，支护抗力越大；反之依然；在围岩稳定的前提下，扩大塑性区半径，可降 低为维持极限平衡状态所需的支护抗力，从而 充分发挥了围岩的自承作用。 位移分析松动区半径 设松动区与承载区界面处的半径为R，松动区边界上环向正应力为原岩应力，即 解得围岩弹塑性变形压力 围岩松动区内的滑裂面为一对对数螺线。 假设松动区内强度己大大下降，滑移岩体已无丝毫自承作用，松动区内滑移体的全部重量要由支护抗力来承受，由此有 ，如果考虑到实际情况下，真正作用在支护结构上的压力应当是松动区的重力与承载区传递过来的变形压力相叠加，简化考虑，取 弹塑性变形压力为2 地下建筑结构的荷载2.1 荷载分类和组合2.2 围岩压力2.3 弹性抗力 在十九世纪末，隧道衬砌结构是作为超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽视了围岩对衬砌的约束作用2.3 被动荷载弹性抗力 弹性抗力：衬砌在受力