地下建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法分析

1、 主講人：陳海明主講人：陳海明 博士博士安徽理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院2009年10月14日4/22/202214/22/202228.1 地下結(jié)構(gòu)分類地下結(jié)構(gòu)分類8.2 地下結(jié)構(gòu)荷載地下結(jié)構(gòu)荷載8.3 地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法8.4 明挖基坑支護樁設(shè)計明挖基坑支護樁設(shè)計4/22/20223?8.1 地下結(jié)構(gòu)分類地下結(jié)構(gòu)分類 8.2 地下結(jié)構(gòu)荷載地下結(jié)構(gòu)荷載 8.3 地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法 8.4 明挖基坑支護樁設(shè)計明挖基坑支護樁設(shè)計4/22/202248.1.1 按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形狀形狀劃分劃分地下空間結(jié)構(gòu)可按結(jié)構(gòu)形狀劃分為地下空間結(jié)構(gòu)可按結(jié)構(gòu)形狀劃分為矩形

2、框架結(jié)構(gòu)矩形框架結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)圓形結(jié)構(gòu)、拱與直墻拱結(jié)構(gòu)拱與直墻拱結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)、敞開式結(jié)構(gòu)敞開式結(jié)構(gòu)等。等。4/22/20225 地下空間的結(jié)構(gòu)按地下空間的結(jié)構(gòu)按土質(zhì)狀況土質(zhì)狀況可分為土層與巖層地下可分為土層與巖層地下空間結(jié)構(gòu)?？臻g結(jié)構(gòu)。 土層結(jié)構(gòu)土層結(jié)構(gòu)即指在土壤中挖掘的結(jié)構(gòu)，即指在土壤中挖掘的結(jié)構(gòu)，巖層結(jié)構(gòu)巖層結(jié)構(gòu)指在指在巖石中挖掘的結(jié)構(gòu)。這里不含水中結(jié)構(gòu)，水中結(jié)構(gòu)巖石中挖掘的結(jié)構(gòu)。這里不含水中結(jié)構(gòu)，水中結(jié)構(gòu)與巖土中結(jié)構(gòu)又有較大差別，水中結(jié)構(gòu)包括江河湖與巖土中結(jié)構(gòu)又有較大差別，水中結(jié)構(gòu)包括江河湖海內(nèi)的水下結(jié)構(gòu)，但包含水底巖土中的結(jié)構(gòu)。海內(nèi)的水下結(jié)構(gòu)，但包含水底巖土中的結(jié)構(gòu)。巖石巖石

3、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中又分為噴錨結(jié)構(gòu)、半襯砌結(jié)構(gòu)和厚拱薄墻結(jié)中又分為噴錨結(jié)構(gòu)、半襯砌結(jié)構(gòu)和厚拱薄墻結(jié)構(gòu)等。構(gòu)等。4/22/20226地下空間的結(jié)構(gòu)按地下空間的結(jié)構(gòu)按施工方法施工方法可劃分為以下幾種類型：可劃分為以下幾種類型：1.敞開式敞開式是指直接在地面開挖所建造的地下空間建筑基坑，在其是指直接在地面開挖所建造的地下空間建筑基坑，在其坑內(nèi)建造完工程后將土回填的一種方法，基坑邊坡可采用放坡、坑內(nèi)建造完工程后將土回填的一種方法，基坑邊坡可采用放坡、直立或支撐的形式而防止土的塌落。直立或支撐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較大的情況下，通過豎井在土中進行常用于在土中埋深較大的情況下，通過豎

4、井在土中進行挖掘空間而建造的結(jié)構(gòu)，此種方式又稱為挖掘空間而建造的結(jié)構(gòu)，此種方式又稱為礦山法礦山法。3.盾構(gòu)式盾構(gòu)式是在地下采用隧道掘進機進行施工的一種方法，常用圓是在地下采用隧道掘進機進行施工的一種方法，常用圓形，頂管工具頭也屬盾構(gòu)范疇。其特點是可穿越海底、水底等形，頂管工具頭也屬盾構(gòu)范疇。其特點是可穿越海底、水底等地下修建隧道，隱蔽、自動化與機械化程度高，勞動強度低。地下修建隧道，隱蔽、自動化與機械化程度高，勞動強度低。4/22/202274.沉井式沉井式是在地面預(yù)先建造好結(jié)構(gòu)，然后通過在井內(nèi)不斷挖土是在地面預(yù)先建造好結(jié)構(gòu)，然后通過在井內(nèi)不斷挖土使結(jié)構(gòu)借助自重克服土摩阻力不斷下沉至設(shè)計標(biāo)高的

5、一種方使結(jié)構(gòu)借助自重克服土摩阻力不斷下沉至設(shè)計標(biāo)高的一種方法，常用于橋梁墩臺、大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下倉（油）庫、地法，常用于橋梁墩臺、大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下倉（油）庫、地下車站及國防工事等地下工程的建筑施工。下車站及國防工事等地下工程的建筑施工。5.連續(xù)墻式連續(xù)墻式是指在施工時先分段建造兩條連續(xù)墻，然后在中間是指在施工時先分段建造兩條連續(xù)墻，然后在中間挖土并由底至上建造底板、樓板、頂板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種施挖土并由底至上建造底板、樓板、頂板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種施工方法。工方法。6.沉箱沉箱（管）式（管）式是指將預(yù)制好的結(jié)構(gòu)運至預(yù)定位置，并使之下是指將預(yù)制好的結(jié)構(gòu)運至預(yù)定位置，并使之下沉到設(shè)計標(biāo)高的施工方法。沉

6、到設(shè)計標(biāo)高的施工方法。4/22/202287. 逆作式逆作式是在地下工程施工時不設(shè)支護體系，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件作擋墻及是在地下工程施工時不設(shè)支護體系，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件作擋墻及支撐，由柱墻、頂板、樓板、基礎(chǔ)自上而下依次開挖和施工的一支撐，由柱墻、頂板、樓板、基礎(chǔ)自上而下依次開挖和施工的一種方法，其特點是施工作業(yè)面小，可盡快恢復(fù)地面交通，對周圍種方法，其特點是施工作業(yè)面小，可盡快恢復(fù)地面交通，對周圍環(huán)境影響小，常為矩形結(jié)構(gòu)。環(huán)境影響小，常為矩形結(jié)構(gòu)。8. 頂管（箱）式頂管（箱）式是在起點和終點設(shè)置工作井（常采用沉井），在工是在起點和終點設(shè)置工作井（常采用沉井），在工作井壁設(shè)有孔作為預(yù)制管節(jié)的進口與出口，通過千斤

7、頂將預(yù)制管作井壁設(shè)有孔作為預(yù)制管節(jié)的進口與出口，通過千斤頂將預(yù)制管節(jié)按設(shè)計軸線逐節(jié)頂入土中，對于較長距離的情況，頂管常分段節(jié)按設(shè)計軸線逐節(jié)頂入土中，對于較長距離的情況，頂管常分段進行，該方法在城市中不影響交通及附近地面設(shè)施。進行，該方法在城市中不影響交通及附近地面設(shè)施。 由于施工方法對結(jié)構(gòu)的影響較大，常需要進行施工階段與使用階由于施工方法對結(jié)構(gòu)的影響較大，常需要進行施工階段與使用階段的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。段的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。4/22/20229 城市建設(shè)中大部分地面建筑帶有地下建筑，這種城市建設(shè)中大部分地面建筑帶有地下建筑，這種地面地下相連的地下建筑稱為地面地下相連的地下建筑稱為附建式（地下室）附

8、建式（地下室）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，反之稱為，反之稱為單建式結(jié)構(gòu)單建式結(jié)構(gòu)。 目前，我國建設(shè)的多層建筑大多建有地下室，高目前，我國建設(shè)的多層建筑大多建有地下室，高層建筑則必須建有地下建筑。層建筑則必須建有地下建筑。4/22/202210 根據(jù)地下空間結(jié)構(gòu)在土中的根據(jù)地下空間結(jié)構(gòu)在土中的埋深埋深分為分為淺埋淺埋與與深埋地深埋地下結(jié)構(gòu)下結(jié)構(gòu)。 深淺的定義較為模糊，較為不嚴格的概念認為，地深淺的定義較為模糊，較為不嚴格的概念認為，地下空間開發(fā)深度分為下空間開發(fā)深度分為淺層淺層（10m）、）、次淺層次淺層（1030m）、）、次深層次深層（3050m）、）、深層深層（50m）。）。深埋與淺埋的界限是十分必要的，但我

9、國目前還沒深埋與淺埋的界限是十分必要的，但我國目前還沒有統(tǒng)一的劃分方法。有統(tǒng)一的劃分方法。4/22/202211 8.1 地下結(jié)構(gòu)分類地下結(jié)構(gòu)分類?8.2 地下結(jié)構(gòu)荷載地下結(jié)構(gòu)荷載 8.3 地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法 8.4 明挖基坑支護樁設(shè)計明挖基坑支護樁設(shè)計4/22/2022128.2.1 地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合 地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載，按其地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載，按其作用特點作用特點及使用中可能出現(xiàn)及使用中可能出現(xiàn)的情況分為以下三類，即永久（主要）荷載、可變（附加）的情況分為以下三類，即永久（主要）荷載、可變（附加）荷載和偶然（特殊）荷載。荷載

10、和偶然（特殊）荷載。1.永久（主要）荷載永久（主要）荷載2. 也稱為也稱為長期作用恒載長期作用恒載，主要包括結(jié)構(gòu)，主要包括結(jié)構(gòu)自重自重、回填土層重量回填土層重量、圍巖壓力圍巖壓力、彈性抗力彈性抗力、靜水壓力（含浮力）靜水壓力（含浮力）、混凝土收縮和徐變混凝土收縮和徐變影響力影響力、預(yù)加應(yīng)力預(yù)加應(yīng)力及及設(shè)備自重設(shè)備自重等。圍巖壓力和結(jié)構(gòu)自重是襯砌承等。圍巖壓力和結(jié)構(gòu)自重是襯砌承受的主要靜荷載，彈性抗力是地下結(jié)構(gòu)所特有的一種被動荷載。受的主要靜荷載，彈性抗力是地下結(jié)構(gòu)所特有的一種被動荷載。4/22/2022132. 可變（附加）荷載可變（附加）荷載3. 又分為又分為基本可變荷載基本可變荷載和和其他

11、可變荷載兩類其他可變荷載兩類?；究勺兒苫究勺兒奢d載，即長期的、經(jīng)常作用的變化荷載，如吊車荷載，設(shè)備，即長期的、經(jīng)常作用的變化荷載，如吊車荷載，設(shè)備重量，地下儲油庫的油壓力，車輛、人群荷載等。重量，地下儲油庫的油壓力，車輛、人群荷載等。其他可其他可變荷載變荷載，即非經(jīng)常作用的變化荷載，如溫度變化、施工荷，即非經(jīng)常作用的變化荷載，如溫度變化、施工荷載（施工機具，盾構(gòu)千斤頂推力，注漿壓力）等。載（施工機具，盾構(gòu)千斤頂推力，注漿壓力）等。3. 偶然（特殊）荷載偶然（特殊）荷載指偶然發(fā)生的荷載，如地震力或戰(zhàn)指偶然發(fā)生的荷載，如地震力或戰(zhàn)時發(fā)生的武器爆炸沖擊動荷載。時發(fā)生的武器爆炸沖擊動荷載。4/22

12、/202214 對于一個特定的地下結(jié)構(gòu)，上述幾種荷載不一定同時存對于一個特定的地下結(jié)構(gòu)，上述幾種荷載不一定同時存在，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)荷載實際可能出現(xiàn)的情況進行組合。在，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)荷載實際可能出現(xiàn)的情況進行組合。 所謂所謂荷載組合荷載組合，是指將可能同時出現(xiàn)在地下結(jié)構(gòu)上的荷，是指將可能同時出現(xiàn)在地下結(jié)構(gòu)上的荷載進行編組，取其載進行編組，取其最不利組合最不利組合作為作為設(shè)計荷載設(shè)計荷載，以，以最危險最危險截面中最大內(nèi)力值截面中最大內(nèi)力值作為作為設(shè)計依據(jù)設(shè)計依據(jù)。 我國公路和鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中給出的永久、可變及偶我國公路和鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中給出的永久、可變及偶然荷載參見表然荷載參見表8.1和表和表8.

13、2。4/22/2022158.2.2.1 圍巖壓力及其影響因素圍巖壓力及其影響因素4/22/2022161. 圍巖壓力的概念圍巖壓力的概念圍巖壓力圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形、破壞的作是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形、破壞的作用力，它包括由地應(yīng)力（即原巖應(yīng)力）引起的圍巖應(yīng)力以及圍巖用力，它包括由地應(yīng)力（即原巖應(yīng)力）引起的圍巖應(yīng)力以及圍巖變形受阻而作用在支護結(jié)構(gòu)上的總作用力。圍巖壓力也稱為變形受阻而作用在支護結(jié)構(gòu)上的總作用力。圍巖壓力也稱為地壓地壓。由圍巖壓力引起的圍巖與支護的變形、流動和破壞等現(xiàn)象稱為由圍巖壓力引起的圍巖與支護的變形、流動和破壞等現(xiàn)象稱為圍圍巖壓力顯現(xiàn)巖

14、壓力顯現(xiàn)或或地壓顯現(xiàn)地壓顯現(xiàn)。從從廣義廣義上理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護情況，也包括無支護上理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護情況，也包括無支護情況；既包括在普通的傳統(tǒng)支護上所顯示的性態(tài)，也包括在錨噴情況；既包括在普通的傳統(tǒng)支護上所顯示的性態(tài)，也包括在錨噴和壓力注漿等現(xiàn)代支護方法中所顯示的性態(tài)。從和壓力注漿等現(xiàn)代支護方法中所顯示的性態(tài)。從狹義狹義上理解，圍上理解，圍巖壓力是指圍巖作用在襯砌上的壓力。巖壓力是指圍巖作用在襯砌上的壓力。4/22/2022171. 圍巖壓力的概念圍巖壓力的概念 由于圍巖壓力是圍巖的變形或破壞造成的，其大小和分布由于圍巖壓力是圍巖的變形或破壞造成的，其大小和分布與導(dǎo)致圍

15、巖變形或破壞的諸多因素有關(guān)。事實上，圍巖壓與導(dǎo)致圍巖變形或破壞的諸多因素有關(guān)。事實上，圍巖壓力和支護結(jié)構(gòu)本來是一對相互作用和動態(tài)協(xié)調(diào)變化的力和支護結(jié)構(gòu)本來是一對相互作用和動態(tài)協(xié)調(diào)變化的“作用作用體體”，完全用結(jié)構(gòu)工程中的壓力或荷載概念來理解，是不盡，完全用結(jié)構(gòu)工程中的壓力或荷載概念來理解，是不盡合理的。但是，為了采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理的。但是，為了采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計，仍要明確仍要明確“壓力壓力”或或“荷載荷載”的概念，否則將無法進行計算。的概念，否則將無法進行計算。4/22/2022182. 影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素3. 影響圍巖壓力的因素基本上與圍巖

16、分類因素大影響圍巖壓力的因素基本上與圍巖分類因素大致相同，如致相同，如巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)、巖石強度巖石強度、地下水地下水、洞室、洞室跨跨度度、形狀形狀、支護類型與剛度支護類型與剛度、施工方法施工方法、洞室、洞室埋置埋置深度深度和和支護時機支護時機等因素。等因素。4/22/2022191. 概述概述 圍巖壓力是地下襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計中的圍巖壓力是地下襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要荷載主要荷載之一。圍巖壓之一。圍巖壓力的研究最早開始于力的研究最早開始于14世紀，當(dāng)時用來研究地下采礦工程世紀，當(dāng)時用來研究地下采礦工程中出現(xiàn)的一系列問題，如地層移動、地表沉陷及坑道支撐中出現(xiàn)的一系列問題，如地層移動、地表沉陷及坑道支撐等

17、。以后，隨著采礦事業(yè)和其他地下工程的發(fā)展，圍巖壓等。以后，隨著采礦事業(yè)和其他地下工程的發(fā)展，圍巖壓力的研究也相應(yīng)得到發(fā)展。目前，它已成為巖體力學(xué)研究力的研究也相應(yīng)得到發(fā)展。目前，它已成為巖體力學(xué)研究極為重要的內(nèi)容。目前應(yīng)用較廣的分類是把圍巖壓力分成極為重要的內(nèi)容。目前應(yīng)用較廣的分類是把圍巖壓力分成松動壓力松動壓力、變形壓力變形壓力、沖擊壓力沖擊壓力和和膨脹壓力膨脹壓力四大類。四大類。4/22/2022202. 松動壓力松動壓力 由于開挖導(dǎo)致圍巖松動或塌落的巖體以重力的形式直接作用在支護上的壓由于開挖導(dǎo)致圍巖松動或塌落的巖體以重力的形式直接作用在支護上的壓力稱為力稱為松動壓力松動壓力。這種壓力表

18、現(xiàn)為荷載的特有形式：頂壓大，側(cè)壓小。這種壓力表現(xiàn)為荷載的特有形式：頂壓大，側(cè)壓小。 松動壓力通常由下述三種情況形成：松動壓力通常由下述三種情況形成： （1）在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石對支護造成的落石壓力；）在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石對支護造成的落石壓力； （2）在松散軟弱的巖體中，隧道頂部和兩側(cè)片幫冒落對支護造成的散體壓力；）在松散軟弱的巖體中，隧道頂部和兩側(cè)片幫冒落對支護造成的散體壓力； （3）在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位的巖體沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞，）在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位的巖體沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞，形成了局部塌落松動壓力

19、。形成了局部塌落松動壓力。 造成松動壓力的造成松動壓力的因素因素很多，如圍巖地質(zhì)條件、巖體破碎程度、開挖施工方很多，如圍巖地質(zhì)條件、巖體破碎程度、開挖施工方法、爆破作用、支護不及時、回填密實程度、洞形和支護形式等。而巖體法、爆破作用、支護不及時、回填密實程度、洞形和支護形式等。而巖體破碎與臨空面不利組合所構(gòu)成的不穩(wěn)定巖體也容易造成松動壓力。破碎與臨空面不利組合所構(gòu)成的不穩(wěn)定巖體也容易造成松動壓力。4/22/2022213.變形壓力變形壓力松動壓力松動壓力是以重力形式直接作用在支護上的，而是以重力形式直接作用在支護上的，而變形壓力變形壓力則是由于圍巖變形受到支則是由于圍巖變形受到支護的抑制產(chǎn)生的

20、。所以變形壓力除與圍巖應(yīng)力有關(guān)外，還與支護時機和支護剛度密護的抑制產(chǎn)生的。所以變形壓力除與圍巖應(yīng)力有關(guān)外，還與支護時機和支護剛度密切相關(guān)。按其成因可進一步分為下述幾種情況：切相關(guān)。按其成因可進一步分為下述幾種情況：（1）彈性變形壓力彈性變形壓力當(dāng)采用緊跟開挖面進行支護的施工法時，由于存在著開挖當(dāng)采用緊跟開挖面進行支護的施工法時，由于存在著開挖面的面的“空間效應(yīng)空間效應(yīng)”而使支護受到一部分圍巖的彈性變形作用，由此而形成的變形壓力而使支護受到一部分圍巖的彈性變形作用，由此而形成的變形壓力稱為彈性變形壓力。稱為彈性變形壓力。（2）塑性變形壓力）塑性變形壓力由于圍巖塑性變形（有時還包括一部分彈性變形）

21、而使支由于圍巖塑性變形（有時還包括一部分彈性變形）而使支護受到的壓力稱為塑性變形壓力，這是最常見的一種圍巖變形壓力。護受到的壓力稱為塑性變形壓力，這是最常見的一種圍巖變形壓力。（3）流變壓力）流變壓力圍巖產(chǎn)生顯著的隨時間增長而增加的變形或蠕變。壓力是由巖圍巖產(chǎn)生顯著的隨時間增長而增加的變形或蠕變。壓力是由巖體的蠕變變形引起的，有顯著的時間效應(yīng)，它能使圍巖鼓出、閉合，甚至完全封閉。體的蠕變變形引起的，有顯著的時間效應(yīng)，它能使圍巖鼓出、閉合，甚至完全封閉。變形壓力主要是圍巖變形的根本所在，所以變形壓力的大小，既決定于原巖應(yīng)力的變形壓力主要是圍巖變形的根本所在，所以變形壓力的大小，既決定于原巖應(yīng)力的

22、大小和巖體的力學(xué)性質(zhì)，也決定于支護結(jié)構(gòu)剛度和支護的時間。大小和巖體的力學(xué)性質(zhì)，也決定于支護結(jié)構(gòu)剛度和支護的時間。4/22/2022224. 膨脹壓力膨脹壓力 含有某些膨脹礦物的巖體具有吸水膨脹崩解的特性，這種含有某些膨脹礦物的巖體具有吸水膨脹崩解的特性，這種由于圍巖膨脹變形引起的壓力稱為由于圍巖膨脹變形引起的壓力稱為膨脹壓力膨脹壓力。圍巖吸水膨。圍巖吸水膨脹、體積增大，既有物理性質(zhì)，也有化學(xué)性質(zhì)。膨脹壓力脹、體積增大，既有物理性質(zhì)，也有化學(xué)性質(zhì)。膨脹壓力與變形壓力的根本區(qū)別在于圍巖變形是由吸水膨脹引起的。與變形壓力的根本區(qū)別在于圍巖變形是由吸水膨脹引起的。巖體膨脹性，主要決定于其巖體膨脹性，主

23、要決定于其蒙脫石蒙脫石、伊利石伊利石和和高嶺土高嶺土的含的含量。同時，還依賴于外界水的滲入和地下水的活動特征。量。同時，還依賴于外界水的滲入和地下水的活動特征。巖層中蒙脫石含量越高，有水源供給，膨脹性也就越顯著。巖層中蒙脫石含量越高，有水源供給，膨脹性也就越顯著。4/22/2022235. 沖擊壓力沖擊壓力 沖擊壓力又稱沖擊壓力又稱巖爆巖爆，它是在工程開挖過程中，圍巖積累了，它是在工程開挖過程中，圍巖積累了大量的大量的彈性變形能彈性變形能。在外界擾動下突然釋放所產(chǎn)生的壓力。在外界擾動下突然釋放所產(chǎn)生的壓力。由于沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放，所以它與巖體彈由于沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放，所

24、以它與巖體彈性特性緊密相關(guān)。彈性模量較大的巖體在高地應(yīng)力的作用性特性緊密相關(guān)。彈性模量較大的巖體在高地應(yīng)力的作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，就下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，就會突然猛烈地大量釋放。會突然猛烈地大量釋放。4/22/202224因圍巖壓力的計算有不同的模式，要確定圍巖壓力，首先要區(qū)分因圍巖壓力的計算有不同的模式，要確定圍巖壓力，首先要區(qū)分深埋和淺埋隧道（地下結(jié)構(gòu)）。對于深埋和淺埋隧道（地下結(jié)構(gòu)）。對于公路隧道公路隧道而言，可以按照經(jīng)而言，可以按照經(jīng)典圍巖壓力理論、地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定埋深的界典圍巖壓力理論、地質(zhì)條件、施工方法等因素綜

25、合判定埋深的界限：限：式中式中 Hp深埋與淺埋隧道分界深度；深埋與淺埋隧道分界深度； hp荷載等效高度，荷載等效高度， hp =q/； q深埋隧道垂直均布壓力（深埋隧道垂直均布壓力（kN/m2）；）； 圍巖重度（圍巖重度（kN/m3）。）。pp(2.0 2.5)Hh4/22/202225 在礦山法施工的條件下，在礦山法施工的條件下，類圍巖取類圍巖取Hp=2.5hp；類類圍巖取圍巖取Hp=2.0hp。 對于鐵路隧道而言，隧道覆蓋厚度小于表對于鐵路隧道而言，隧道覆蓋厚度小于表8.3所列數(shù)值時為所列數(shù)值時為淺埋隧道。淺埋隧道。4/22/2022268.2.4.1 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范鐵路隧道設(shè)計規(guī)范所推

26、薦的方法所推薦的方法鐵路隧道設(shè)計規(guī)范鐵路隧道設(shè)計規(guī)范（TB 100032005）的方法）的方法根據(jù)以往鐵路隧道的坍方資料統(tǒng)計所反映的圍巖松動范圍的大小，根據(jù)以往鐵路隧道的坍方資料統(tǒng)計所反映的圍巖松動范圍的大小，通過對坍方資料的統(tǒng)計分析獲得圍巖松動壓力的通過對坍方資料的統(tǒng)計分析獲得圍巖松動壓力的經(jīng)驗估算公式經(jīng)驗估算公式。當(dāng)然，塌方資料的背景不同或統(tǒng)計分析的前提假定不同，所得經(jīng)當(dāng)然，塌方資料的背景不同或統(tǒng)計分析的前提假定不同，所得經(jīng)驗公式也不同。例如，對于在不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹性壓力的驗公式也不同。例如，對于在不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹性壓力的圍巖中用鉆爆法開挖的、高跨比小于圍巖中用鉆爆法開挖的、高

27、跨比小于1.7的隧道，經(jīng)過對的隧道，經(jīng)過對417個塌個塌方數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計與回歸，可以得到鐵路雙線隧道圍巖豎向均布松方數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計與回歸，可以得到鐵路雙線隧道圍巖豎向均布松動壓力的計算表達式為動壓力的計算表達式為*10.45 21(5)sqhi B4/22/202227*/hbf8.2.4.2 普氏理論普氏理論 普氏理論假定圍巖為松散體（巖體不同程度地被節(jié)理、裂隙等軟普氏理論假定圍巖為松散體（巖體不同程度地被節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面所切割），是一種基于天然拱概念的圍巖壓力理論，即弱結(jié)構(gòu)面所切割），是一種基于天然拱概念的圍巖壓力理論，即圍巖的垂直均布壓力為圍巖的垂直均布壓力為 適用范圍適用范圍：普氏理

28、論一般對松散、破碎圍巖較適用。在松軟地層：普氏理論一般對松散、破碎圍巖較適用。在松軟地層（如淤泥、軟黏土等）中或結(jié)構(gòu)埋深太淺，不能使用普氏理論。（如淤泥、軟黏土等）中或結(jié)構(gòu)埋深太淺，不能使用普氏理論。*qh4/22/2022288.2.4.2 太沙基太沙基理論理論 太沙基理論也把洞室圍巖看作松散體；但沒有天然拱的概念，而太沙基理論也把洞室圍巖看作松散體；但沒有天然拱的概念，而是在假定洞室上方巖體變形形態(tài)的基礎(chǔ)上按平衡條件推導(dǎo)出圍巖是在假定洞室上方巖體變形形態(tài)的基礎(chǔ)上按平衡條件推導(dǎo)出圍巖壓力的計算表達式。壓力的計算表達式。 假定：洞室上方巖體因洞室變形而下沉，產(chǎn)生錯動面假定：洞室上方巖體因洞室變

29、形而下沉，產(chǎn)生錯動面OAB和和OAB；豎向壓應(yīng)力；豎向壓應(yīng)力v是均布的，且側(cè)向壓應(yīng)力是均布的，且側(cè)向壓應(yīng)力 （k為側(cè)壓為側(cè)壓力系數(shù)）。力系數(shù)）。hvkv/tan1 exp (tanc bbkhkb（）4/22/202229 一般來說，對于埋深較淺的洞室（如山嶺鐵路或公路隧道的洞口一般來說，對于埋深較淺的洞室（如山嶺鐵路或公路隧道的洞口地段、明挖或暗挖的淺埋地鐵車站和區(qū)間隧道等），開挖會引起地段、明挖或暗挖的淺埋地鐵車站和區(qū)間隧道等），開挖會引起整個上覆地層的變位，如果不及時支撐，地層就會大量變形和塌整個上覆地層的變位，如果不及時支撐，地層就會大量變形和塌落，波及地表而形成一個沉陷區(qū)。參照圖落，

30、波及地表而形成一個沉陷區(qū)。參照圖8.5，按平衡條件可得，按平衡條件可得松動圍巖壓力松動圍巖壓力=支護結(jié)構(gòu)反力支護結(jié)構(gòu)反力=滑動巖體的重力滑動巖體的重力-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與具體的埋深情況有關(guān)。式中滑移面上的摩擦阻力與具體的埋深情況有關(guān)。4/22/202230 前面所講的松動圍巖壓力，如結(jié)構(gòu)自重等均屬主動荷載。地下結(jié)前面所講的松動圍巖壓力，如結(jié)構(gòu)自重等均屬主動荷載。地下結(jié)構(gòu)除承受主動荷載作用外，還承受一種被動荷載，即圍巖的彈性構(gòu)除承受主動荷載作用外，還承受一種被動荷載，即圍巖的彈性抗力?？沽?。 結(jié)構(gòu)在主動荷載作用下要產(chǎn)生變形，如圖結(jié)構(gòu)在主動荷載作用下要產(chǎn)

31、生變形，如圖8.6所示的曲墻拱形結(jié)構(gòu)，在主所示的曲墻拱形結(jié)構(gòu)，在主動荷載（垂直荷載大于水平荷載）作用下，產(chǎn)生的變形如虛線所示。在動荷載（垂直荷載大于水平荷載）作用下，產(chǎn)生的變形如虛線所示。在拱頂，其變形背向地層，在此區(qū)域內(nèi)圍巖對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生約束作用，所以拱頂，其變形背向地層，在此區(qū)域內(nèi)圍巖對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生約束作用，所以稱為稱為“脫離區(qū)脫離區(qū)”，而在靠近拱腳和邊墻的部位，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓向地層的變形。，而在靠近拱腳和邊墻的部位，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓向地層的變形。由于結(jié)構(gòu)與圍巖緊密接觸，圍巖將制止結(jié)構(gòu)的變形，從而產(chǎn)生了對結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)與圍巖緊密接觸，圍巖將制止結(jié)構(gòu)的變形，從而產(chǎn)生了對結(jié)構(gòu)的反作用力，對這個反作用力習(xí)慣上稱

32、的反作用力，對這個反作用力習(xí)慣上稱“彈性抗力彈性抗力”。因此，。因此，圍巖的彈性圍巖的彈性抗力抗力是在主動荷載作用下，襯砌向圍巖方向的變形而引起的圍巖被動力。是在主動荷載作用下，襯砌向圍巖方向的變形而引起的圍巖被動力。彈性抗力作用的范圍稱為彈性抗力作用的范圍稱為“抗力區(qū)抗力區(qū)”。4/22/202231 圍巖彈性抗力的存在是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點之一。圍巖彈性抗力的存在是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點之一。因為，地面結(jié)構(gòu)在外力作用下，可以自由變形不受外界的約束，因為，地面結(jié)構(gòu)在外力作用下，可以自由變形不受外界的約束，而地下結(jié)構(gòu)在外力作用下，其變形要受圍巖的約束。所以，地下而地下結(jié)構(gòu)在

33、外力作用下，其變形要受圍巖的約束。所以，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用，這使得地下結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用，這使得地下結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算變得復(fù)雜，但這只是問題的設(shè)計與計算變得復(fù)雜，但這只是問題的一個方面一個方面；另一方面另一方面，由，由于圍巖彈性抗力的存在，限制了結(jié)構(gòu)的變形，以致結(jié)構(gòu)的受力條于圍巖彈性抗力的存在，限制了結(jié)構(gòu)的變形，以致結(jié)構(gòu)的受力條件得以改善，使其變形小而承載能力有所增加。件得以改善，使其變形小而承載能力有所增加。4/22/202232 因為彈性抗力是由結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用產(chǎn)生的，所以彈性抗力因為彈性抗力是由結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用產(chǎn)生的，所以彈性抗力的

34、大小和分布規(guī)律不僅決定結(jié)構(gòu)的變形，還與圍巖的物理力學(xué)性的大小和分布規(guī)律不僅決定結(jié)構(gòu)的變形，還與圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。質(zhì)有著密切的關(guān)系。 如何確定彈性抗力的大小和其作用范圍（抗力區(qū)），目前有兩種如何確定彈性抗力的大小和其作用范圍（抗力區(qū)），目前有兩種理論：一種是理論：一種是局部變形理論局部變形理論，認為彈性地基（圍巖）某點上施加，認為彈性地基（圍巖）某點上施加的外力只會引起該點的沉陷；另一種是的外力只會引起該點的沉陷；另一種是共同變形理論共同變形理論，即認為彈，即認為彈性地基上的一點的外力，不僅引起該點發(fā)生沉陷，而且還會引起性地基上的一點的外力，不僅引起該點發(fā)生沉陷，而且還會引起附近

35、一定范圍的地基發(fā)生沉陷。后一種理論較為合理，但由于局附近一定范圍的地基發(fā)生沉陷。后一種理論較為合理，但由于局部變形理論計算較為簡單，且一般能夠滿足工程精度要求，所以部變形理論計算較為簡單，且一般能夠滿足工程精度要求，所以目前多采用局部變形理論計算彈性抗力。目前多采用局部變形理論計算彈性抗力。k4/22/202233 8.1 地下結(jié)構(gòu)分類地下結(jié)構(gòu)分類 8.2 地下結(jié)構(gòu)荷載地下結(jié)構(gòu)荷載?8.3 地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)方法 8.4 明挖基坑支護樁設(shè)計明挖基坑支護樁設(shè)計4/22/2022348.3.1 地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學(xué)模型地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算力學(xué)模型 關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，目前有兩

36、種不同的設(shè)計理念，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，目前有兩種不同的設(shè)計理念，一種一種認為圍巖的作用只是向結(jié)構(gòu)施加荷載，而結(jié)構(gòu)的作用只是承受認為圍巖的作用只是向結(jié)構(gòu)施加荷載，而結(jié)構(gòu)的作用只是承受荷載；荷載；另一種另一種則認為圍巖既是荷載又有承載能力，而結(jié)構(gòu)的作則認為圍巖既是荷載又有承載能力，而結(jié)構(gòu)的作用是調(diào)整圍巖從而與之共同維持洞室的穩(wěn)定性。相應(yīng)地，地下用是調(diào)整圍巖從而與之共同維持洞室的穩(wěn)定性。相應(yīng)地，地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算模型可以劃分為如下兩種類型：結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算模型可以劃分為如下兩種類型：1.荷載荷載-結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型認為圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在認為圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在結(jié)構(gòu)上的荷

37、載（包括主動的圍巖壓力和被動的彈性抗力），以結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動的圍巖壓力和被動的彈性抗力），以計算支護結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法稱為計算支護結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法稱為荷載荷載-結(jié)構(gòu)法結(jié)構(gòu)法。4/22/2022351.荷載荷載-結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 荷載荷載-結(jié)構(gòu)模型只結(jié)構(gòu)模型只適用適用于淺埋情況及圍巖塌落而出現(xiàn)松動壓力于淺埋情況及圍巖塌落而出現(xiàn)松動壓力的情況。的情況。4/22/2022361.荷載荷載-結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型 荷載荷載-結(jié)構(gòu)模型還可按荷載不同細分成如下幾種模式：結(jié)構(gòu)模型還可按荷載不同細分成如下幾種模式： （1）主動荷載模型。）主動荷載模型。 （2）主動荷載

38、）主動荷載+被動荷載模型。被動荷載模型。 （3）量測壓力模型。）量測壓力模型。4/22/2022372.地層結(jié)構(gòu)模型地層結(jié)構(gòu)模型 主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護結(jié)主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，這是反映當(dāng)前現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)原理的構(gòu)與圍巖共同作用而求得，這是反映當(dāng)前現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)原理的一種計算方法，需采用巖石力學(xué)方法進行計算。一種計算方法，需采用巖石力學(xué)方法進行計算。 4/22/2022382. 地層結(jié)構(gòu)模型地層結(jié)構(gòu)模型 計算方法通常有計算方法通常有數(shù)值解法數(shù)值解法和和解析解法解析解法兩類。兩類。 數(shù)值解法數(shù)值解法是把圍巖視作彈塑性體

39、或黏彈塑性體，并與支護是把圍巖視作彈塑性體或黏彈塑性體，并與支護一起采用有限元或邊界元數(shù)值法求解。數(shù)值解法可以直接一起采用有限元或邊界元數(shù)值法求解。數(shù)值解法可以直接算出圍巖與支護的應(yīng)力和變形狀態(tài)，以判斷圍巖是否失穩(wěn)算出圍巖與支護的應(yīng)力和變形狀態(tài)，以判斷圍巖是否失穩(wěn)和支護是否破壞。數(shù)值解法往往有多種功能，能考慮巖體和支護是否破壞。數(shù)值解法往往有多種功能，能考慮巖體中的節(jié)理裂隙、層面、地下水滲流及巖體膨脹性等影響，中的節(jié)理裂隙、層面、地下水滲流及巖體膨脹性等影響，是目前理論計算法中的主要方法。是目前理論計算法中的主要方法。4/22/2022392.地層結(jié)構(gòu)模型地層結(jié)構(gòu)模型 計算方法通常有計算方法通

40、常有數(shù)值解法數(shù)值解法和和解析解法解析解法兩類。兩類。 解析解法解析解法主要適用于一些簡單情況下，以及某些簡化情況主要適用于一些簡單情況下，以及某些簡化情況下的近似計算。目前，國內(nèi)外這類方法已經(jīng)很多，一般可下的近似計算。目前，國內(nèi)外這類方法已經(jīng)很多，一般可概括成如下幾種：概括成如下幾種： （1）支護結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的解析解法）支護結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的解析解法。利用圍巖與支。利用圍巖與支護襯砌之間的位移協(xié)調(diào)條件，得簡單洞形（如圓形）條件下圍巖與護襯砌之間的位移協(xié)調(diào)條件，得簡單洞形（如圓形）條件下圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性及黏彈性解。襯砌結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性及黏彈性解。4/22/20224

41、02.地層結(jié)構(gòu)模型地層結(jié)構(gòu)模型 計算方法通常有計算方法通常有數(shù)值解法數(shù)值解法和和解析解法解析解法兩類。兩類。 解析解法解析解法 （2）收斂）收斂-約束法或特征曲線法約束法或特征曲線法。原理原理：按彈塑：按彈塑-黏性理論等推導(dǎo)黏性理論等推導(dǎo)公式后，再以洞周位移為橫坐標(biāo)、支護反力為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)平面內(nèi)公式后，再以洞周位移為橫坐標(biāo)、支護反力為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示圍巖受力變形特征的洞周收斂線，并按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理在同繪出表示圍巖受力變形特征的洞周收斂線，并按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理在同一坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示支護結(jié)構(gòu)受力變形特征的支護限制線，得出一坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示支護結(jié)構(gòu)受力變形特征的支護限制線，得出以上兩條曲線的

42、交點，根據(jù)交點處表示的支護抗力值進行支護結(jié)構(gòu)以上兩條曲線的交點，根據(jù)交點處表示的支護抗力值進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計。4/22/2022412.地層結(jié)構(gòu)模型地層結(jié)構(gòu)模型 解析解法解析解法 （3）剪切滑移楔體法。）剪切滑移楔體法?；诨赗obcewicz提出的提出的“剪切破壞理論剪切破壞理論”。該理論認為，圍巖穩(wěn)定性的喪失，主要發(fā)生在洞室與主應(yīng)力方向垂該理論認為，圍巖穩(wěn)定性的喪失，主要發(fā)生在洞室與主應(yīng)力方向垂直的兩側(cè)，并形成剪切滑移楔體。由于地下洞室開挖在側(cè)壓系數(shù)直的兩側(cè)，并形成剪切滑移楔體。由于地下洞室開挖在側(cè)壓系數(shù)1的條件下，巖體的破壞過程如圖的條件下，巖體的破壞過程如圖8.11所示。首先兩側(cè)

43、壁的楔形巖所示。首先兩側(cè)壁的楔形巖塊由于剪切而分離，并向洞內(nèi)移動（圖塊由于剪切而分離，并向洞內(nèi)移動（圖8.11a），而后，上部和下部），而后，上部和下部巖體由于楔形巖塊滑移造成跨度加大，上下巖體向洞內(nèi)撓曲（圖巖體由于楔形巖塊滑移造成跨度加大，上下巖體向洞內(nèi)撓曲（圖8.11b），甚至移動（圖），甚至移動（圖8.11c）。支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計按照由錨桿、噴）。支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計按照由錨桿、噴射混凝土及鋼拱架提供的支護抗力與塑性滑移楔體的滑移力達成平射混凝土及鋼拱架提供的支護抗力與塑性滑移楔體的滑移力達成平衡這一條件進行。衡這一條件進行。4/22/2022428.3.2.1 拱形結(jié)構(gòu)拱形結(jié)構(gòu)1. 曲墻拱結(jié)構(gòu)曲

44、墻拱結(jié)構(gòu) 曲墻拱襯砌屬超靜定結(jié)構(gòu)，計算方法采用曲墻拱襯砌屬超靜定結(jié)構(gòu)，計算方法采用“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，也稱朱布加也娃法，也稱朱-布法。布法。（1）考慮土層彈性抗力及其分布）考慮土層彈性抗力及其分布曲墻拱型結(jié)構(gòu)在豎向荷載及側(cè)向水平荷載（土層壓力）的作用下，曲墻拱型結(jié)構(gòu)在豎向荷載及側(cè)向水平荷載（土層壓力）的作用下，結(jié)構(gòu)拱頂部向內(nèi)產(chǎn)生變形，曲墻向外側(cè)變形，曲墻的變形使土體結(jié)構(gòu)拱頂部向內(nèi)產(chǎn)生變形，曲墻向外側(cè)變形，曲墻的變形使土體產(chǎn)生變形，土體變形達到一定程度即出現(xiàn)土體抵抗側(cè)墻的繼續(xù)變產(chǎn)生變形，土體變形達到一定程度即出現(xiàn)土體抵抗側(cè)墻的繼續(xù)變形，對側(cè)墻變形的抵抗作用

45、即稱為土體對結(jié)構(gòu)的彈性抗力。形，對側(cè)墻變形的抵抗作用即稱為土體對結(jié)構(gòu)的彈性抗力。4/22/2022438.3.2.1 拱形結(jié)構(gòu)拱形結(jié)構(gòu)1.曲墻拱結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)（2）計算簡圖）計算簡圖有有垂直土層壓力垂直土層壓力q，側(cè)向水平壓力側(cè)向水平壓力e+e，拱腳彈性固定兩側(cè)拱腳彈性固定兩側(cè)受地層約束的受地層約束的無鉸無鉸拱拱，荷載與結(jié)構(gòu)對，荷載與結(jié)構(gòu)對稱。稱。4/22/2022448.3.2.1 拱形結(jié)構(gòu)拱形結(jié)構(gòu)1.曲墻拱結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)（3）計算步驟）計算步驟I. 求主動荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力求主動荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力II. 求求b=1時的時的III.求最大抗力求最大抗力IV.計算各截面最終內(nèi)力值計算各截面最終

46、內(nèi)力值計算的校核計算的校核12xx和b4/22/2022452.曲墻拱結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)該方法是將襯砌結(jié)構(gòu)的邊墻看作擱置于彈性地基上的曲梁或直梁，彈性該方法是將襯砌結(jié)構(gòu)的邊墻看作擱置于彈性地基上的曲梁或直梁，彈性地基按文克爾計算方法。當(dāng)曲墻的曲率是常數(shù)或直墻時，可采用初參數(shù)地基按文克爾計算方法。當(dāng)曲墻的曲率是常數(shù)或直墻時，可采用初參數(shù)法求解。一般直墻式襯砌的直邊墻采用此法求解。法求解。一般直墻式襯砌的直邊墻采用此法求解。計算圖式計算圖式將拱圈和梁分開計算，將拱圈處理為彈性固定在邊墻頂上的無鉸平拱，將拱圈和梁分開計算，將拱圈處理為彈性固定在邊墻頂上的無鉸平拱，邊墻處理為擱置在彈性地基上的直梁。在拱腳

47、和墻頂連接處應(yīng)滿足力的邊墻處理為擱置在彈性地基上的直梁。在拱腳和墻頂連接處應(yīng)滿足力的平衡條件和變形連續(xù)條件。拱腳平衡條件和變形連續(xù)條件。拱腳d處除有轉(zhuǎn)角和垂直位移外，還有水平處除有轉(zhuǎn)角和垂直位移外，還有水平位移。在結(jié)構(gòu)和荷載對稱的條件下，垂直位移對拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力無影響，位移。在結(jié)構(gòu)和荷載對稱的條件下，垂直位移對拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力無影響，可以不計。可以不計。4/22/2022461. 整體式圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)2. （1）自由變形圓環(huán)法）自由變形圓環(huán)法3. 當(dāng)整體式圓管結(jié)構(gòu)修建在松軟地層中，地層對結(jié)構(gòu)的彈當(dāng)整體式圓管結(jié)構(gòu)修建在松軟地層中，地層對結(jié)構(gòu)的彈性抗力很小，故假定結(jié)構(gòu)可以自由變形，地基反力沿環(huán)的

48、性抗力很小，故假定結(jié)構(gòu)可以自由變形，地基反力沿環(huán)的水平投影為均勻分布，計算圖式如圖水平投影為均勻分布，計算圖式如圖8.17所示。所示。4/22/2022471. 整體式圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)2. （2）假定抗力圖法）假定抗力圖法 襯砌機構(gòu)在豎向荷載作用下，產(chǎn)生向地層方向的變形，襯砌機構(gòu)在豎向荷載作用下，產(chǎn)生向地層方向的變形，從而引起彈性抗力。對于圓管結(jié)構(gòu)，彈性抗力的分布從而引起彈性抗力。對于圓管結(jié)構(gòu)，彈性抗力的分布規(guī)律，可根據(jù)已有的實踐經(jīng)驗假定給出。計算圖式如規(guī)律，可根據(jù)已有的實踐經(jīng)驗假定給出。計算圖式如圖圖8.18所示。所示。4/22/2022482. 裝配式圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓管

49、結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)管片或砌塊間連接構(gòu)造以及所采用的施裝配式圓管結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)管片或砌塊間連接構(gòu)造以及所采用的施工方法，確定相應(yīng)的計算方法。當(dāng)組成圓管結(jié)構(gòu)的管片或砌塊在工方法，確定相應(yīng)的計算方法。當(dāng)組成圓管結(jié)構(gòu)的管片或砌塊在環(huán)向采用如圖環(huán)向采用如圖8.19所示的連接構(gòu)造，而接頭能傳遞全部內(nèi)力時所示的連接構(gòu)造，而接頭能傳遞全部內(nèi)力時（實際上是不可能傳遞全部內(nèi)力的，而只能傳遞部分內(nèi)力，故應(yīng)（實際上是不可能傳遞全部內(nèi)力的，而只能傳遞部分內(nèi)力，故應(yīng)把接頭當(dāng)作傳遞一定內(nèi)力的彈性鉸，按彈性鉸接圓環(huán)進行結(jié)構(gòu)計把接頭當(dāng)作傳遞一定內(nèi)力的彈性鉸，按彈性鉸接圓環(huán)進行結(jié)構(gòu)計算），可按整體均質(zhì)圓環(huán)計算；而當(dāng)管片或砌塊采用如圖算）

50、，可按整體均質(zhì)圓環(huán)計算；而當(dāng)管片或砌塊采用如圖8.20（砌塊端為圓柱形接頭）或圖（砌塊端為圓柱形接頭）或圖8.21所示的連接構(gòu)造時，應(yīng)按多鉸所示的連接構(gòu)造時，應(yīng)按多鉸圓環(huán)計算，其計算圖式如圖圓環(huán)計算，其計算圖式如圖8.22所示所示。4/22/202249 地下鐵道的通道、車站或地下廠房，承受地層的豎向地下鐵道的通道、車站或地下廠房，承受地層的豎向壓力和水平壓力以及車輛等荷載，可視為平面變形問壓力和水平壓力以及車輛等荷載，可視為平面變形問題，沿縱向取單位寬度，按閉合框架計算其結(jié)構(gòu)內(nèi)力。題，沿縱向取單位寬度，按閉合框架計算其結(jié)構(gòu)內(nèi)力。由于底板與地基之間有摩擦力，故可認為底板不能沿由于底板與地基之間

51、有摩擦力，故可認為底板不能沿水平方向運動。地下鐵道通道的計算簡圖如圖水平方向運動。地下鐵道通道的計算簡圖如圖8.27所示。所示。4/22/2022508.3.3.1 地層的初始應(yīng)力狀態(tài)地層的初始應(yīng)力狀態(tài)地層結(jié)構(gòu)法認為，地下空間的結(jié)構(gòu)體系是由圍巖和支護共同組成的，圍地層結(jié)構(gòu)法認為，地下空間的結(jié)構(gòu)體系是由圍巖和支護共同組成的，圍巖既是荷載的來源，又是承載體系的一部分。從地層的初始應(yīng)力狀態(tài)出巖既是荷載的來源，又是承載體系的一部分。從地層的初始應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，地層結(jié)構(gòu)法采用固體力學(xué)方法計算開挖和支護對圍巖應(yīng)力和位移場發(fā)，地層結(jié)構(gòu)法采用固體力學(xué)方法計算開挖和支護對圍巖應(yīng)力和位移場的作用，而支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和

52、變形只是整個的作用，而支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形只是整個圍巖圍巖-結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系計算結(jié)果中計算結(jié)果中的一部分。的一部分。地層的初始應(yīng)力場與地層的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運動歷史地層的初始應(yīng)力場與地層的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運動歷史等等因素因素有關(guān)，可以劃分成有關(guān)，可以劃分成自重應(yīng)力場自重應(yīng)力場和和構(gòu)造應(yīng)力場構(gòu)造應(yīng)力場兩個部分。前者是地兩個部分。前者是地層自重產(chǎn)生的應(yīng)力，后者代表過去和當(dāng)前地質(zhì)構(gòu)造運動（包括褶曲、斷層自重產(chǎn)生的應(yīng)力，后者代表過去和當(dāng)前地質(zhì)構(gòu)造運動（包括褶曲、斷裂、層間錯動、地殼升降、板塊運動等）所引發(fā)的應(yīng)力（分別稱為殘余裂、層間錯動、地殼升降、板塊運動等）所引發(fā)的應(yīng)力（

53、分別稱為殘余構(gòu)造應(yīng)力和新構(gòu)造應(yīng)力）。構(gòu)造應(yīng)力和新構(gòu)造應(yīng)力）。4/22/202251 在以自重應(yīng)力為主的地層中，當(dāng)?shù)乇頌樗矫妗⒌貙訛榫谝宰灾貞?yīng)力為主的地層中，當(dāng)?shù)乇頌樗矫妗⒌貙訛榫|(zhì)各向同性時，深度為質(zhì)各向同性時，深度為h處自重應(yīng)力的垂直和水平分量可以處自重應(yīng)力的垂直和水平分量可以分別表示為分別表示為 如果地層是水平成層分布的，自重應(yīng)力的大小可以分層總?cè)绻貙邮撬匠蓪臃植嫉模灾貞?yīng)力的大小可以分層總和而得。和而得。vrh垂直應(yīng)力 h0 h 水平應(yīng)力4/22/202252 圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)分析是地層結(jié)構(gòu)法的關(guān)鍵步驟圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)分析是地層結(jié)構(gòu)法的關(guān)鍵步驟。 地下開挖使地層出現(xiàn)了新臨空面和

54、該臨空面上地層應(yīng)力的地下開挖使地層出現(xiàn)了新臨空面和該臨空面上地層應(yīng)力的釋放，破壞了地層的初始應(yīng)力平衡，引起釋放，破壞了地層的初始應(yīng)力平衡，引起地層應(yīng)力的重新地層應(yīng)力的重新分布分布。在這個時間過程中，地層應(yīng)力是連續(xù)變化的，特別。在這個時間過程中，地層應(yīng)力是連續(xù)變化的，特別地，洞室開挖后在未加支護的情況下，地層應(yīng)力所達到的地，洞室開挖后在未加支護的情況下，地層應(yīng)力所達到的新的相對平衡稱為新的相對平衡稱為圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)。二次應(yīng)力的發(fā)展。二次應(yīng)力的發(fā)展與穩(wěn)定受到自然因素和工程與穩(wěn)定受到自然因素和工程因素因素的的影響影響：圍巖組成、結(jié)：圍巖組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、初始應(yīng)力狀態(tài)等；開挖手段

55、和方法，洞室的構(gòu)、性質(zhì)、初始應(yīng)力狀態(tài)等；開挖手段和方法，洞室的位置、大小和形狀及其與圍巖結(jié)構(gòu)的相對關(guān)系等。位置、大小和形狀及其與圍巖結(jié)構(gòu)的相對關(guān)系等。4/22/202253 一般來說，二次應(yīng)力場是三維場。一般來說，二次應(yīng)力場是三維場。4/22/202254 用初始應(yīng)力釋放的辦法通過固體力學(xué)計算確定。在圍巖材用初始應(yīng)力釋放的辦法通過固體力學(xué)計算確定。在圍巖材料本構(gòu)關(guān)系為料本構(gòu)關(guān)系為線彈性線彈性的條件下。的條件下。4/22/202255洞室的穩(wěn)定與否，取決于圍巖的二次應(yīng)力和變形是否超過了圍巖洞室的穩(wěn)定與否，取決于圍巖的二次應(yīng)力和變形是否超過了圍巖的強度和變形能力。如果二次應(yīng)力的發(fā)展沒有伴隨圍巖的塌

56、落或的強度和變形能力。如果二次應(yīng)力的發(fā)展沒有伴隨圍巖的塌落或過度變形，則單從圍巖穩(wěn)定的角度來看是沒有必要設(shè)置支護結(jié)構(gòu)過度變形，則單從圍巖穩(wěn)定的角度來看是沒有必要設(shè)置支護結(jié)構(gòu)的。但如果情況相反，圍巖自身不能保持長期穩(wěn)定，就必須施作的。但如果情況相反，圍巖自身不能保持長期穩(wěn)定，就必須施作支護控制圍巖的變形、改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)（支護使洞室周邊圍支護控制圍巖的變形、改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)（支護使洞室周邊圍巖處在三維壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于發(fā)揮圍巖的抗壓能力）。支護與巖處在三維壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于發(fā)揮圍巖的抗壓能力）。支護與圍巖共同變形而達到某種平衡，稱為圍巖共同變形而達到某種平衡，稱為圍巖圍巖-結(jié)構(gòu)體系的三次應(yīng)力

57、結(jié)構(gòu)體系的三次應(yīng)力狀態(tài)狀態(tài)。地層結(jié)構(gòu)法就是在確定初始應(yīng)力以后，以二次應(yīng)力分析為。地層結(jié)構(gòu)法就是在確定初始應(yīng)力以后，以二次應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，計算支護結(jié)構(gòu)與圍巖的共同作用，從而確定隧道結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)，計算支護結(jié)構(gòu)與圍巖的共同作用，從而確定隧道結(jié)構(gòu)體系的三次應(yīng)力狀態(tài)。的三次應(yīng)力狀態(tài)。4/22/202256實際地下結(jié)構(gòu)的地層結(jié)構(gòu)模型分析往往需要考慮比較復(fù)雜的材料實際地下結(jié)構(gòu)的地層結(jié)構(gòu)模型分析往往需要考慮比較復(fù)雜的材料模型、幾何形狀、邊界條件，一般是沒有辦法求出解析解的；因模型、幾何形狀、邊界條件，一般是沒有辦法求出解析解的；因而就必須使用數(shù)值方法。而就必須使用數(shù)值方法。原理原理：通過單元分析建立單元剛度方

58、程，根據(jù)位移協(xié)調(diào)條件組建：通過單元分析建立單元剛度方程，根據(jù)位移協(xié)調(diào)條件組建總體剛度方程，引入邊界條件并求解，得到各節(jié)點的位移，然后總體剛度方程，引入邊界條件并求解，得到各節(jié)點的位移，然后再利用節(jié)點位移通過單元剛度方程獲得單元節(jié)點力，通過單元應(yīng)再利用節(jié)點位移通過單元剛度方程獲得單元節(jié)點力，通過單元應(yīng)力方程獲得單元應(yīng)力，通過單元應(yīng)變方程獲得單元應(yīng)變。力方程獲得單元應(yīng)力，通過單元應(yīng)變方程獲得單元應(yīng)變。4/22/2022571. 計算范圍的選取計算范圍的選取有限單元法的模型只能是空間有限的區(qū)域，而地下結(jié)構(gòu)周圍的地有限單元法的模型只能是空間有限的區(qū)域，而地下結(jié)構(gòu)周圍的地層相對而言是無限大或半無限大（深

59、埋或淺埋）的；因此必須選層相對而言是無限大或半無限大（深埋或淺埋）的；因此必須選擇某個有限的計算范圍建立有限單元模型。這個計算范圍的邊界擇某個有限的計算范圍建立有限單元模型。這個計算范圍的邊界應(yīng)該離地下結(jié)構(gòu)應(yīng)該離地下結(jié)構(gòu)足夠遠足夠遠，設(shè)在幾乎不受地下工程影響的地方。經(jīng)，設(shè)在幾乎不受地下工程影響的地方。經(jīng)驗表明，一般來說，在離洞室中心驗表明，一般來說，在離洞室中心35倍倍于洞室特征尺寸（最大于洞室特征尺寸（最大內(nèi)徑內(nèi)徑）以外的地方，地下工程的影響足夠小。）以外的地方，地下工程的影響足夠小。4/22/2022582.單元類型的選擇單元類型的選擇可以用二維平面單元（平面應(yīng)變或平面應(yīng)力問題）或三維實體

60、單元（三可以用二維平面單元（平面應(yīng)變或平面應(yīng)力問題）或三維實體單元（三維問題）來對計算范圍內(nèi)的地層進行離散化分析。維問題）來對計算范圍內(nèi)的地層進行離散化分析。3.開挖效應(yīng)的模擬開挖效應(yīng)的模擬洞室的開挖釋放了洞室邊界上的初始應(yīng)力，在計算中可以通過在開挖邊洞室的開挖釋放了洞室邊界上的初始應(yīng)力，在計算中可以通過在開挖邊界上施加與初始作用力大小相等、方向相反的釋放荷載來模擬這種應(yīng)力界上施加與初始作用力大小相等、方向相反的釋放荷載來模擬這種應(yīng)力釋放。釋放。如果考慮開挖與支護的時間效應(yīng)，則釋放荷載的取值應(yīng)視支護結(jié)構(gòu)的設(shè)如果考慮開挖與支護的時間效應(yīng)，則釋放荷載的取值應(yīng)視支護結(jié)構(gòu)的設(shè)立時間而定。如果支護是在開