第2章地下建筑結(jié)構(gòu)荷載

1、 本講內(nèi)容本講內(nèi)容 1 2 3 4 5 6 1. 荷載種類和組合荷載種類和組合 荷載種類荷載種類 按存在狀態(tài)可分為：靜荷載、動(dòng)荷載和活荷載等按存在狀態(tài)可分為：靜荷載、動(dòng)荷載和活荷載等 靜荷載靜荷載：又稱恒載； 動(dòng)荷載動(dòng)荷載：這是瞬時(shí)作用的動(dòng)荷載 活荷載活荷載：是指在結(jié)構(gòu)物施工和使用期間可能存在 的變動(dòng)荷載，其大小和作用位置都可能變化。 其它荷載其它荷載：混凝土材料收縮（包括早期混凝土的 凝縮與日后的干縮）受到約束而產(chǎn)生的內(nèi)力； 1. 荷載種類和組合荷載種類和組合 荷載組合荷載組合 各種荷載對(duì)結(jié)構(gòu)可能不是同時(shí)作用，需進(jìn)行 最不利情況的組合。先計(jì)算個(gè)別荷載單獨(dú)作用下 的結(jié)構(gòu)各部件截面的內(nèi)力，再進(jìn)行

2、最不利的內(nèi)力 組合，得出各設(shè)計(jì)控制截面的最大內(nèi)力。 最不利的荷載組合一般有以下幾種情況： （一）靜載； （二）靜載+活載； （三）靜載+動(dòng)載（原子爆炸動(dòng)載、炮（炸） 彈動(dòng)載） 2. 2. 荷載的確定方法荷載的確定方法 確定依據(jù)確定依據(jù) . 1、依據(jù)規(guī)范：當(dāng)前在地下建筑結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中試行的規(guī)范、技術(shù)措施、條例 等有多種。有的仍沿用地面建筑的設(shè) 計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵守各有關(guān)規(guī)范 。 2. 2. 荷載的確定方法荷載的確定方法 . 2、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) （1）根據(jù)建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地震等級(jí) 等確定。 （2）地下建筑結(jié)構(gòu)材料的選用 （3）地下襯砌結(jié)構(gòu)一般為超靜定結(jié)構(gòu)，其 內(nèi)力在彈性階段可按結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。 （4）截

3、面計(jì)算原則 （5）安全系數(shù) （6）材料強(qiáng)度指標(biāo) 3. 3. 計(jì)算理論計(jì)算理論 計(jì)算原理計(jì)算原理 . 地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論較多地應(yīng)用以文克 爾假定為基礎(chǔ)的局部變形理論以及以彈性理 論為基礎(chǔ)的共同變形理論。 地層對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力限制了結(jié)構(gòu)的變 形，故改善了結(jié)構(gòu)的受力情況。 3. 3. 計(jì)算理論計(jì)算理論 地下結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生變形， 而地層阻止這種變形發(fā)展，給結(jié)構(gòu)一定的彈 性抗力，如下圖所示： 拱形、圓形等有跨變結(jié)構(gòu)的彈性抗力作用顯著。 而矩形結(jié)構(gòu)的抗力作用較小，在軟土中常忽略不計(jì)。 3. 3. 計(jì)算理論計(jì)算理論 計(jì)算方法計(jì)算方法 土層地下建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法有：一般 結(jié)構(gòu)力學(xué)法，彈性地基梁法（

4、見本書第3章）， 矩陣分析法，荷載結(jié)構(gòu)法，地層結(jié) 構(gòu)法（見本書第4章）。近來發(fā)展用連續(xù)介質(zhì) 力學(xué)的有限單元法來計(jì)算結(jié)構(gòu)與地層的內(nèi)力， 并進(jìn)而考慮彈塑性、非線性、粘彈性的計(jì)算 方法。 荷載的計(jì)算荷載的計(jì)算 地下建筑結(jié)構(gòu)上所承受的荷載有結(jié)構(gòu)自 重、地層壓力、彈性抗力、地下靜水壓力、 車輛和設(shè)備重量及其他使用荷載等。 其中地層壓力（包括土壓力和圍巖壓力） 是至關(guān)重要的荷載。 墻體位移與土壓力類型墻體位移與土壓力類型 E 15%15%0 E0 Ea H H Ep 土壓力 E _ HH + 靜止土壓力靜止土壓力 E0 主動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力 Ea 被動(dòng)土壓力被動(dòng)土壓力 Ep 1.1.靜止土壓力的計(jì)算靜止土

5、壓力的計(jì)算 圖2.3 靜止土壓力計(jì)算圖式 巖土體壓力的計(jì)算巖土體壓力的計(jì)算 sin 0 K a-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，砂土，粉土取1.0； 黏性土、淤泥質(zhì)土取0.95。 通過CU試驗(yàn)測(cè)定。 巖土體壓力的計(jì)算巖土體壓力的計(jì)算 2.2.庫(kù)倫土壓力理論庫(kù)倫土壓力理論 庫(kù)倫理論的基本假定 庫(kù)倫理論是由法國(guó)科學(xué)家?guī)靷悾–oulomb, C.A.）于1773 年發(fā)表的，主要是針對(duì)擋土墻的計(jì)算，其計(jì)算的基本假定 為（圖2.4） 擋土墻墻后土體為均質(zhì)各向同性的無粘性土無粘性土； 擋土墻是剛性的且長(zhǎng)度很長(zhǎng)，屬于平面應(yīng)變問題； 擋土墻后土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力或被動(dòng)土壓力時(shí)，土體形 成滑動(dòng)楔體，滑裂面為通過墻踵的平面； 墻頂處土體

6、表面可以是水平面，也可以為傾斜面，傾斜 面與水平面的夾角為角； 在滑裂面和墻背面上的切向力分別滿足極限平衡條件 A C H B 無粘性土的主動(dòng)土壓力無粘性土的主動(dòng)土壓力 W E R W R E - =90 - - )( )(180sin )sin( f W E 0 d d f 、E 2.2.庫(kù)倫土壓力理論庫(kù)倫土壓力理論 aa KHE 2 2 1 E Ea 22 2 )cos()cos( )sin()sin( 1)cos(cos )(cos a K 庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù)庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù) a HK H 3 1 Ea 土壓力分布：土壓力分布：三角形分布三角形分布 2.2.庫(kù)倫土壓力理論庫(kù)倫土壓力理論

7、 A B C H 無粘性土的被動(dòng)土壓力無粘性土的被動(dòng)土壓力 W R E + =90 + - W E R 庫(kù)侖被動(dòng)土壓力系數(shù)庫(kù)侖被動(dòng)土壓力系數(shù) 22 2 )cos()cos( )sin()sin( 1)cos(cos )(cos p K 2.2.庫(kù)倫土壓力理論庫(kù)倫土壓力理論 說明：1、根據(jù)庫(kù)侖土壓力理論，計(jì)算土壓力的關(guān)鍵是 如何確定主動(dòng)土壓力系數(shù) 和被動(dòng)土壓力系數(shù)。 2、 3.3.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 1 朗肯極限平衡應(yīng)力狀態(tài)朗肯極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 自重應(yīng)力作用下，半無限土體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力從自重應(yīng)力作用下，半無限土體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力從 彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的情況。彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限

8、平衡狀態(tài)的情況。 3f v= z K0 v 主動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)主動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 1 3 45 + /2 2.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 1f v= z K0 v 被動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)被動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 1 3 3 1 45 - /2 2.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 主動(dòng)土壓力系數(shù)主動(dòng)土壓力系數(shù) )2/45( 2 tgK p )2/45( 2 tgKa 被動(dòng)土壓力系數(shù)被動(dòng)土壓力系數(shù) 靜止土壓力系數(shù)靜止土壓力系數(shù)sin1 0 K sin1 sin1 sin1 sin1 pa KKK1 0 15%15%0 E0 Ea H H Ep 土壓力 E _ HH + 2.2.朗肯土壓力理論

9、朗肯土壓力理論 在庫(kù)侖理論中：在庫(kù)侖理論中： = = =0，即墻背垂直，即墻背垂直 光滑，填土表面水平時(shí)，與朗肯理論等價(jià)光滑，填土表面水平時(shí)，與朗肯理論等價(jià) 1、分層土的土壓力計(jì)算 2、不同地面超載作用下的土壓力計(jì)算與圖式 3、考慮地下水時(shí)水土壓力計(jì)算 水土壓力合算（砂土，粉土）、水土壓力分算（黏性土） 特殊情況下的土壓力 2 1 分層土的土壓力計(jì)算分層土的土壓力計(jì)算 aaa kczKp2 2 2 H1 H2 1 1 111a KH 211a KH 22211 )( a KHH 1 = 2 時(shí)時(shí) 2 12 固結(jié)不排水 剪(CU)強(qiáng)度不固結(jié)不排水剪(UU)強(qiáng)度 剪切破壞強(qiáng)度是發(fā)生剪切變形破壞時(shí)的

10、強(qiáng)度。 圍巖壓力的計(jì)算 （一）圍巖壓力及其影響因素 1、圍巖壓力的概念 即所謂由于洞室圍巖的變形和破壞而作 用在支護(hù)或襯砌上的壓力的圍巖壓力的圍巖壓力 。 圍巖壓力可分為圍巖垂直壓力、圍巖水圍巖垂直壓力、圍巖水 平壓力及圍巖底部壓力平壓力及圍巖底部壓力 。 2、影響圍巖壓力的因素 影響山巖壓力的因素 (1)洞室的形狀和大小 (2)地質(zhì)構(gòu)造 (3)支護(hù)的型式和剛度 (4)洞室深度 (5)時(shí)間 (6)施工方法 圍巖壓力及其影響因素 （二）圍巖壓力的計(jì)算方法 1、按松散體理論計(jì)算圍巖壓力 1）垂直圍巖壓力）垂直圍巖壓力 淺埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力 深埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力 2）水平圍巖壓力）水平圍巖壓

11、力 3）底部圍巖壓力）底部圍巖壓力 2、按彈塑性體理論計(jì)算圍巖壓力 1、按松散體理論計(jì)算圍巖壓力 由于巖體一般總是有一定的裂隙節(jié)理，又由于洞室開挖施 工的影響，其圍巖不可能是一個(gè)非常完整的整體，而松散體理 論中假定巖石為散粒體，并具有一定的凝聚力，所以用這一理 論計(jì)算松動(dòng)圍巖壓力有時(shí)也可以得到較好的效果。 淺埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力 作用在地下結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力為巖石柱重量與兩側(cè)所提供 摩擦力之差。從洞室底面的兩端起可能形成伸延到地面的傾斜 破裂面，見下圖中的AB和CD。 從上式可以看出隨著深度 的增加，圍巖壓力逐漸減 小，這與實(shí)際不符。 該式僅適用于淺埋結(jié)構(gòu)。 隨著深度的增加，兩側(cè)摩阻力超過了滑

12、移柱的重量。 只有AEB以下巖體重量對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，又稱為壓力拱壓力拱 壓力拱能夠自然穩(wěn)定平衡，其上任何一點(diǎn)均無力矩。 只要確定壓力拱的形狀及高度就可以確定出圍巖壓力 q=h1 深埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力 2）水平圍巖壓力）水平圍巖壓力 3）底部圍巖壓力）底部圍巖壓力 1、按松散體理論計(jì)算圍巖壓力 只是對(duì)較松軟的巖石才考慮 計(jì)算時(shí)先求出垂直圍巖壓力的集度， 而后乘以側(cè)壓力系數(shù)Ka(主動(dòng)土壓力) 通常不計(jì)算 2、按彈塑性體理論計(jì)算圍巖壓力 從理論k講，彈塑性理論比前面的理論要嚴(yán)密些，但是彈塑 性理論的數(shù)學(xué)運(yùn)算較復(fù)雜，公式也較繁。 在 r= R的可變范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑性區(qū)。 彈 性 變 形 區(qū) 彈 性

13、變 形 區(qū) 非 圖2.24 彈塑性模型計(jì)算圍巖壓力圖式 ctgc R a ctgcppb sin1 sin2 sin1 這就是著名的修正了的芬諾公式芬諾公式。 它表示當(dāng)巖體性質(zhì)、埋深等確定的情況下，非彈 性變形區(qū)大小與支護(hù)對(duì)圍巖提供的反力間的關(guān)系 在彈性區(qū)和塑性區(qū)的交界處分別滿足彈性解和塑性解， 據(jù)此推導(dǎo)出圍巖壓力的計(jì)算公式 2、按彈塑性體理論計(jì)算圍巖壓力 3、按圍巖分級(jí)和經(jīng)驗(yàn)公式確定圍巖壓力 初始地應(yīng)力、釋放荷載與開挖效應(yīng) 初始地應(yīng)力一般包括自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，但土層中 僅有自重應(yīng)力場(chǎng)存在，巖層中對(duì)于級(jí)以下圍巖，噴射混凝 土層將在同圍巖共同變形的過程中對(duì)圍巖提供支護(hù)抗力，使 圍巖變形得到

14、控制，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，噴層 將受到來自圍巖的擠壓力。這種擠壓力由圍巖變形引起，常 稱作“形變壓力”。 時(shí)間效應(yīng)：級(jí)以下圍巖一般呈現(xiàn)塑性和流變特性 1、初始地應(yīng)力的確定 初始地應(yīng)力0的確定常需專門研究。對(duì)巖石地層，初始 地應(yīng)力可分為自重地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力兩部分,而土層一般僅有 自重地應(yīng)力。其中自重地應(yīng)力可由有限元法求得，構(gòu)造地應(yīng)力 可由位移反分析方法確定。 2、 釋放荷載的計(jì)算 釋放荷載：可由已知初始地應(yīng)力或與前一步開挖相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng) 確定。先求得預(yù)計(jì)開挖邊界上各結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，并假定各結(jié)點(diǎn)間 應(yīng)力呈線性分布，然后反轉(zhuǎn)開挖邊界上各結(jié)點(diǎn)應(yīng)力的方向(改變 其符號(hào))，據(jù)以求得釋放荷載 彈性抗力大小和分布規(guī)律不僅決定于結(jié)構(gòu)的變形， 還與地層的物理力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。 計(jì)算理論：一種是局部變形理論