地下建筑结构课件 庆文-地下工程09年试卷参考答案

PAGEPAGE1地下工程09年试卷参考答案分析城市地下空间开发利用的必要性和可行性。（10分）必要性：开发利用地下空间必要性、重要性：地价高涨，建地面工程成本高：铁路、交通地下化、建地下城市等；地面不能提供建工程连续的土地；保护地面空间，高架道路地下化；利用地下空间的优势和特点：抗震性：能源储藏、生命线工程；恒温、恒湿，冬暖夏凉；地下住宅；隔断宇宙线、电磁波、核放射、爆炸等；开拓未来备用的地下空间。可行性：1、居民对地下空间的适应性和认可性：

自人类产生和发展，一直开发利用并兴建地下建筑工程，早已熟悉和习惯地下空间和地下工程，其开发利用的价值和可行性已得到认可。近代和现代，炸药的发明和应用，进一步推动地下空间开发。2、地面与地下的整体协调性：地下工程可以满足现代人口规模、扩大城市容量的需求；地下空间的开发利用比建造海洋城市、宇宙城市等技术难度小，且人类已解决了在土层、岩体和水体中建造地下工程的关键技术，各种工艺技术、先进装备比较成熟，跨越各种障碍，具有技术可行性和安全性。3、部分大城市具备开发利用地下空间经济条件；4、在大城市开发地下空间比较成本优势突出：经济成本方面，由于地下环境特殊性，维持通风照明、湿度等条件和使用维护费用较高，是地面建筑的士3~5倍，但考虑地面征地拆迁、环境保护、城市景观等社会综合效益，使用成本并不高。城市地下空间开发利用形式的多样性和适用性；国外地下空间开发利用取得巨大成效；国内地下空间开发利用初具规模；地下空间开发利用是21世纪城市发展的必然趋势：世界共商发展大计；我国城市发展迫切要求；拓展城市空间和容量的必然选择。简述地下建筑结构的设计特点。（10分）1）地下空间内建筑结构替代了原来的地层，承受原来有地层承受的荷载。设计和施工过程中，要最大限度发挥地层围岩自身承载能力，以便控制地下建筑结构的变形，降低工程造价。

2）在受荷状态下构建地下建筑结构，地层荷载随施工进程发生变化，设计要考虑最不利的荷载工况。

3)地下空间结构上的地层荷载由工程的地质情况确定，对于土体一般可按松散连续体来计算；如是岩石，不仅要考虑岩石的种类，而且要查清岩石的构造、节理、裂隙等，才能使结构上的地层荷载准确可靠。

4）地下水的状态对地下建筑结构设计和施工影响较大，如静水压力、动水压力、浮力效应、腐蚀性等。设计前查清地下水位的分布和变化。

5）设计阶段的地质资料可能与施工揭露的实际地质情况不同，应根据施工的实时工况随时修改设计。

6）地下建筑结构中设置变形缝最难处理的是防水问题，一般尽量避免设变形缝，通过局部加强地基、用整片较大的基础、调整施工顺序等得到整体平衡。

7）地下建筑结构设计还应考虑与防水、防腐、防火、防霉、通风等有关的特殊要求。

可见：地下建筑结构的设计计算影响因素多，设计难度比地面结构大。简述地下建筑结构设计主要内容。（10分）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。

简述围岩弹性抗力的形成过程，其值大小与哪些因素有关？如何计算围岩弹性抗力？（10分）形成过程为：主动荷载作用于—地下支护结构—变形——作用于地层——地层反作用于地下结构—产生被动弹性抗力荷载。影响因素：层弹性抗力是地下建筑结构特有荷载，影响因素有支护结构的变形、地层的物理力学性质。被动荷载—地层弹性抗力计算：（a）局部变形理论：

温克尔模型（点弹性理论），弹性地基（围岩）某点的外力只引起该点的沉陷和变形；弹性抗力=地层弹性抗力系数*围岩压缩变形；该方法容易理解，计算简单，只要满足工程要求，一般采用。计算关键问题是确定地层弹性抗力系数的大小。

（b）共同变形理论（面弹性变形理论）：

弹性地基（围岩）某点的外力不仅引起该点的沉陷和变形，而且引起附近周围一定范围内地基发生沉陷；但计算复杂，一般不用。画图分析说明收敛—约束法地下建筑结构设计原理。（10分）围岩特性曲线(支护需求曲线)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；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。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。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）简述地下建筑结构的概念，按结构断面形式可分为哪些类型？分别适用于什么类型的地下工程？（10分）地下建筑结构基本定义：

保留上部地层（岩体或土层）的前提下，在开挖出的地下空间内修建能够提供某种用途的建筑结构物，统称为地下建筑结构，一般是由人工建筑（构筑）结构、地下支护结构与天然周边围岩共同组成地下建筑结构体系。分类标准地下建筑结构分类备注说明

按结构设计断面形式不同拱形地下建筑结构喷锚衬砌、半衬砌、厚拱薄墙衬砌、直墙与曲墙拱形衬砌等。在地下工程中广泛应用，如隧道、地下厂房、仓库等。圆形、矩形或管状地下结构软土中的地下铁道、穿越江河湖海底部的越江、跨海隧道。一般作成装配式的管片或管节，施工时利用盾构、顶管或沉管法形成。框架地下建筑结构软土浅埋明挖施工的地铁车站、厂房、地下医院等采用框架地下建筑结构。薄壳地下建筑结构地下油库、顶盖采用穹顶薄壳结构。异形地下建筑结构非圆形、非矩形。如双圆形衬砌结构、三圆形衬砌结构、椭圆形衬砌结构等。7.简述地下建筑结构设计计算四种模型的优缺点及基本适用条件。（10分）序号设计模型优点缺点不足基本适用条件1工程经验类比法1）以围岩分类为基础，设计借鉴已有的工程经验；2）围岩分类综合考虑影响围岩定性和定量因素；3）分析方法简便，分类参数便于获取；4）无需定量计算，易于实现和掌握；5）为围岩质量预测提供了一条途径；6）多数情况下能满足工程实用精度要求；7）能综合考虑多种非确定性影响因素，快速地对拟建地下建筑结构的设计参数作出估算和评价。1）用于给定的跨度、洞形和埋深，不能具体反映不同因素变化对结构条件的影响；2）不能反映支护类型与支护参数增减对安全性和经济性变化影响，不能进行优化设计；3）不能利用已有的监控资料定量地改进设计；4）用于坚硬岩石偏保守，用于软弱围岩偏危险；5）以人的经验为主，解决地下结构设计问题的范围较窄，带有的主观性。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。

2荷载—结构模型（结构力学模型）1）结构计算模型概念明确，采用成熟的结构力学方法，计算结果可靠；

2）可以直接获得结构安全系数，满足传统设计要求；3）对明挖回填及浅埋刚性支护地下建筑结构，计算精度较高，其结果满足设计精度。1）计算中的荷载基于一定的假设前提，对于深埋地下工程，假设条件难以满足；2）对于承受变形地压的结构，其计算难以考虑，计算精度不高；3）不能考虑结构与围岩的相互作用，对于锚喷支护以及深埋变形岩层不能采用。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。3地层—结构模型（连续介质力学模型）1）能借助计算模型和数值计算技术，对不同条件、不同受力环境以及不同开挖方法进行模拟，从而进行支护参数和断面形状优化；2）能研究地下工程的围岩力学性质变化（弹塑性区位置与大小）以及应力分布；3）能在工程施工前进行分析、研究和方案比较；4）能研究地下工程的变形破坏机理、失稳条件以及影响因素。

1）由于岩土体参数准确地获取存在相当困难，使得计算结果难以满足设计要求；2）数值分析方法仅限于给出地下工程围岩的应力场、位移场以及弹塑性区的位置和大小，不能直接给出安全系数指标；3）需要扎实的理论基础，也需要一定工程实践经验，对设计者要求较高。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。

4收敛—限制模型1）洞周围岩变形是隧道围岩整体稳定性最直接、最能反映本质和总体的宏观表现。用这种方法设计最接近实际；2）给出围岩支护系统在锚喷支护末期洞周收敛的概略值；3）围岩变形是支护效果直观体现。1）只能用于工程开挖施工阶段，不能进行开挖前的设计与分析；2）只能用于特定监测工程，不能推广应用到尚未实施监测的多数地下工程；3）对于隧道开挖后支护初期围岩稳定性判断准则，尚无定量判据。适用用于工程开挖施工阶段,用于特定监测工程8.简述地下工程开挖与支护过程中围岩应力的变化过程，并分析地下工程一次支护和二次支护各有什么特点。（10分）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；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。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。

｛此问真没有｝9.按使用功能不同，地下工程如何分类？如何区分深埋和浅埋地下工程？（10分）按开发利用阶段层次分人类生存和确保安全的地下工程储藏设施、地下住宅等；能源（石油、天油气）储藏，用水储藏：放射性废弃物处理等；伴随城市发展而加以利用的地下工程地下街、停车场、交通系统、能源供给、通信、文化设施、地下铁道、市政地下管道等；伴随科学技术发展而利用的地下工程地下生产工厂、地下水力发电站、废弃物地下处理等；大规模国土有效利用的地下工程城市之间地下交通、物流系统、铁路隧道、公路隧道、海峡隧道等；防御和减灾的地下工程人防工程、地下防洪大坝、地下河等；分类标准地下建筑结构分类备注说明按使用条件、功能不同分类交通隧道铁路隧道、公路隧道、城市地铁隧道、水底隧道等。水工隧洞水力发电站的各种输水隧洞、灌溉输水隧洞、给水排水隧洞等。矿山隧道矿山各类运输隧道、开采井巷等。地下仓储粮食、油料、水果、蔬菜等的储藏库、鱼肉食品冷藏库、车库、核废料封存库等。按地下工程埋置深度区分浅层地下工程埋深10m范围内的地下工程；次浅层地下工程埋深10～30m范围内的地下工程；中层地下工程埋深30～50m范围内的地下工程；深层地下工程埋深50m以下的地下工程；全地下工程h/b＜a时，为浅埋地下建筑工程；h/b≥a时，为深埋地下建筑工程；h：洞顶衬砌外缘至地面的垂直距离；b：为洞顶衬砌外缘的跨度或圆形洞室的直径；a：根据土压力理论计算，a约为2.5；10.分析比较地面建筑结构与地下建筑结构的工程特点。（10分）比较内容地下建筑结构工程特点地面建筑结构工程特点荷载类型和形成先后顺序先有荷载，后有结构。在地下建筑结构形成前存在地应力、地下水压力等荷载；除存在主动荷载外，存在被动荷载—弹性抗力作用。先有结构工程，后有荷载。经过施工，形成地面结构，承受静载和动载作用；一般只有主动荷载。工程材料特性工程材料具有不确定性：除支护材料、建筑结构材料可控制外，围岩地质体难以预测和控制。表现在：1）空间上不确定性：不同位置的围岩地质条件如岩性、断层、节理、地下水、地应力等存在差异。2）时间上不确定性：不同历史演变时期，上述因素不同，且与开挖方式、支护形式、时间、工艺等密