第2章地下建筑結構的荷載

1、 本講內容本講內容1234561. 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、動荷載和活荷載等按存在狀態(tài)可分為：靜荷載、動荷載和活荷載等 靜荷載靜荷載：又稱恒載；動荷載動荷載：這是瞬時作用的動荷載活荷載活荷載：是指在結構物施工和使用期間可能存在的變動荷載，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）受到約束而產生的內力； 1. 荷載種類和組合荷載種類和組合荷載組合荷載組合 各種荷載對結構可能不是同時作用，需進行最不利情況的組合。先計算個別荷載單獨作用下的結構各部件截面的內力，再進行最不利的內力組合，得出各設計控制截

2、面的最大內力。 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+動載（原子爆炸動載、炮（炸） 彈動載） 2. 2. 荷載的確定方法荷載的確定方法確定依據確定依據.1、依據規(guī)范：當前在地下建筑結構設計中試行的規(guī)范、技術措施、條例等有多種。有的仍沿用地面建筑的設計規(guī)范，設計時應遵守各有關規(guī)范 。2. 2. 荷載的確定方法荷載的確定方法.2、設計標準 （1）根據建筑用途、防護等級、地震等級等確定。 （2）地下建筑結構材料的選用 （3）地下襯砌結構一般為超靜定結構，其內力在彈性階段可按結構力學計算。 （4）截面計算原則 （5）安全系數 （6）材料強度指標3. 3.

3、計算理論計算理論計算原理計算原理 . 地下結構的計算理論較多地應用以文克爾假定為基礎的局部變形理論以及以彈性理論為基礎的共同變形理論。 地層對結構的彈性抗力限制了結構的變形，故改善了結構的受力情況。3. 3. 計算理論計算理論 地下結構在主動荷載作用下會發(fā)生變形，而地層阻止這種變形發(fā)展，給結構一定的彈性抗力，如下圖所示：拱形、圓形等有跨變結構的彈性抗力作用顯著。而矩形結構的抗力作用較小，在軟土中常忽略不計。 3. 3. 計算理論計算理論計算方法計算方法 土層地下建筑結構的計算方法有：一般結構力學法，彈性地基梁法（見本書第3章），矩陣分析法，荷載結構法，地層結構法（見本書第4章）。近來發(fā)展用連續(xù)

4、介質力學的有限單元法來計算結構與地層的內力，并進而考慮彈塑性、非線性、粘彈性的計算方法。 荷載的計算荷載的計算 地下建筑結構上所承受的荷載有結構自重、地層壓力、彈性抗力、地下靜水壓力、車輛和設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E15%15%0E0EaHHEp土壓力 E_ HH+靜止土壓力靜止土壓力 E0主動土壓力主動土壓力 Ea被動土壓力被動土壓力 Ep1.1.靜止土壓力的計算靜止土壓力的計算圖2.3 靜止土壓力計算圖式 巖土體壓力的計算巖土體壓力的計算sin0K a-經驗系數，砂土，粉土取1.0； 黏性土、

5、淤泥質土取0.95。通過CU試驗測定。巖土體壓力的計算巖土體壓力的計算2.2.庫倫土壓力理論庫倫土壓力理論 庫倫理論的基本假定 庫倫理論是由法國科學家?guī)靷悾–oulomb, C.A.）于1773年發(fā)表的，主要是針對擋土墻的計算，其計算的基本假定為（圖2.4） 擋土墻墻后土體為均質各向同性的無粘性土無粘性土； 擋土墻是剛性的且長度很長，屬于平面應變問題； 擋土墻后土體產生主動土壓力或被動土壓力時，土體形成滑動楔體，滑裂面為通過墻踵的平面； 墻頂處土體表面可以是水平面，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 ACH B無粘性土的主動土壓力無粘性土

6、的主動土壓力W ER WRE - =90 - - )()(180sin)sin(fWE0ddf 、E2.2.庫倫土壓力理論庫倫土壓力理論 aaKHE221 EEa222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosaK庫侖主動土壓力系數庫侖主動土壓力系數aHKH31Ea土壓力分布：土壓力分布：三角形分布三角形分布2.2.庫倫土壓力理論庫倫土壓力理論 ABC H無粘性土的被動土壓力無粘性土的被動土壓力WRE + =90 + - W ER 庫侖被動土壓力系數庫侖被動土壓力系數222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cospK2.2.庫倫土壓力理論庫

7、倫土壓力理論 說明：1、根據庫侖土壓力理論，計算土壓力的關鍵是如何確定主動土壓力系數 和被動土壓力系數。 2、3.3.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 1 朗肯極限平衡應力狀態(tài)朗肯極限平衡應力狀態(tài) 自重應力作用下，半無限土體內各點的應力從自重應力作用下，半無限土體內各點的應力從彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的情況。彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的情況。 3f v= z K0 v主動極限平衡應力狀態(tài)主動極限平衡應力狀態(tài) 1 345 + /22.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 1f v= z K0 v被動極限平衡應力狀態(tài)被動極限平衡應力狀態(tài) 1 3 3 145 - /22.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓

8、力理論 主動土壓力系數主動土壓力系數)2/45(2tgKp)2/45(2tgKa被動土壓力系數被動土壓力系數靜止土壓力系數靜止土壓力系數sin10Ksin1sin1sin1sin1paKKK1015%15%0E0EaHHEp土壓力 E_ HH+2.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 在庫侖理論中：在庫侖理論中： = = =0，即墻背垂直，即墻背垂直光滑，填土表面水平時，與朗肯理論等價光滑，填土表面水平時，與朗肯理論等價 1、分層土的土壓力計算 2、不同地面超載作用下的土壓力計算與圖式 3、考慮地下水時水土壓力計算 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

9、土的土壓力計算分層土的土壓力計算aaakczKp2 2 2 H1H2 1 1 111aKH211aKH 22211)(aKHH 1 = 2 時時2 12 固結不排水剪(CU)強度不固結不排水剪(UU)強度 剪切破壞強度是發(fā)生剪切變形破壞時的強度。 圍巖壓力的計算 （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)地質構造 (3)支護的型式和剛度

10、(4)洞室深度 (5)時間 (6)施工方法 圍巖壓力及其影響因素（二）圍巖壓力的計算方法1、按松散體理論計算圍巖壓力1）垂直圍巖壓力）垂直圍巖壓力 淺埋結構上的垂直圍巖壓力 深埋結構上的垂直圍巖壓力 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 2、按彈塑性體理論計算圍巖壓力 1、按松散體理論計算圍巖壓力 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，所以用這一理論計算松動圍巖壓力有時也可以得到較好的效果。 淺埋結構上的垂直圍巖壓力 作用在地下結構上的圍巖壓力為巖石柱重量與兩側

11、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，這與實際不符。該式僅適用于淺埋結構。 隨著深度的增加，兩側摩阻力超過了滑移柱的重量。只有AEB以下巖體重量對結構產生壓力，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 深埋結構上的垂直圍巖壓力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、按松散體理論計算圍巖壓力只是對較松軟的巖石才考慮計算時先求出垂直圍巖壓力的集度，而后乘以側壓力系數Ka(主動土壓力)通常不計算

12、2、按彈塑性體理論計算圍巖壓力 從理論k講，彈塑性理論比前面的理論要嚴密些，但是彈塑性理論的數學運算較復雜，公式也較繁。 在 r= R的可變范圍內出現了塑性區(qū)。彈性變形區(qū)彈性變形區(qū)非圖2.24 彈塑性模型計算圍巖壓力圖式ctgcRactgcppbsin1sin2sin1 這就是著名的修正了的芬諾公式芬諾公式。它表示當巖體性質、埋深等確定的情況下，非彈性變形區(qū)大小與支護對圍巖提供的反力間的關系 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，據此推導出圍巖壓力的計算公式2、按彈塑性體理論計算圍巖壓力 3、按圍巖分級和經驗公式確定圍巖壓力 初始地應力、釋放荷載與開挖效應 初始地應力一般包括自重應力

13、場和構造應力場，但土層中僅有自重應力場存在，巖層中對于級以下圍巖，噴射混凝土層將在同圍巖共同變形的過程中對圍巖提供支護抗力，使圍巖變形得到控制，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時，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”。 時間效應：級以下圍巖一般呈現塑性和流變特性 1、初始地應力的確定 初始地應力0的確定常需專門研究。對巖石地層，初始地應力可分為自重地應力和構造地應力兩部分,而土層一般僅有自重地應力。其中自重地應力可由有限元法求得，構造地應力可由位移反分析方法確定。 2、 釋放荷載的計算 釋放荷載：可由已知初始地應力或與前一步開挖相應的應力場確定。先求得預計開挖邊界上各結點的應力，并假定各結點間應力呈線性分布，然后反轉開挖邊界上各結點應力的方向(改變其符號)，據以求得釋放荷載 地層彈性抗力 結構在主動荷載作用下，要產生變形。以隧道工程為例，如圖2.25所示的曲墻拱形結構，在主動荷載（垂直荷載大于水平荷載）作用下，產生的變形如虛線所示襯砌拉力區(qū)脫離區(qū)變形后外輪廓線圖2.25 襯砌結構在外力作用下的變形規(guī)律（被動荷載）彈性抗力大小和分布規(guī)律不僅決定于結構的變形，還與地層的物理力學性質有著密切的關系。 計算理論：一種是局部變形理論，認為彈