地下建筑與結(jié)構(gòu)-第二篇第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載 第7講課件

1、地下建筑結(jié)構(gòu)主講：張亮泉 副教授第二篇 地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法本篇的內(nèi)容：理解地下建筑結(jié)構(gòu)形式和荷載了解地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的現(xiàn)狀與發(fā)展理解地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四類模型：經(jīng)驗(yàn)類比模型、荷載-結(jié)構(gòu)模型、地層-結(jié)構(gòu)模型、收斂限制模型理解地下建筑結(jié)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)方法：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、荷載-結(jié)構(gòu)法、地層-結(jié)構(gòu)法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載本章內(nèi)容：理解地下建筑結(jié)構(gòu)荷載類型及其組合理解圍巖及、圍巖的分級(jí)、圍巖的應(yīng)力狀態(tài)了解淺埋和深埋地下結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力了解地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的核武器和常規(guī)武器的爆炸荷載第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載1.1 地下結(jié)構(gòu)的形式一、地下工程的組成（*）地下空間的構(gòu)筑物和實(shí)現(xiàn)，

2、首先要在地層中挖掘洞室，洞室開(kāi)挖使地層的初始應(yīng)力狀態(tài)改變，釋放荷載，產(chǎn)生變形并隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸發(fā)展，因此洞室開(kāi)挖后必須沿洞室周邊修建永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，即襯砌。同時(shí)，為了滿足使用要求，有時(shí)尚需在襯砌內(nèi)部修建必要的梁、板、柱、墻體等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即地下結(jié)構(gòu)由襯砌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分組成。第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載2、地下建筑結(jié)構(gòu)的形式土層地下建筑結(jié)構(gòu)（1）淺埋式結(jié)構(gòu)覆土厚度：510m修建方法：明挖填埋法結(jié)構(gòu)平面形狀：平面呈方形、長(zhǎng)方形或條形結(jié)構(gòu)形式：梁板式或框架式（頂部呈拱形時(shí)，做豎壁，成 直墻拱）（2）地道式結(jié)構(gòu)修建方法：暗挖法結(jié)構(gòu)形式：直墻或曲墻拱結(jié)構(gòu)第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第1章 地

3、下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法（3）裝配式圓形管片結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)斷面形式：圓形修建方法：盾構(gòu)法（4）沉井結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式：一端開(kāi)口的井狀結(jié)構(gòu)，水平斷面一般成方形或 圓形，可以單孔也可以多孔修建方法：底部挖土，頂部出土，主要利用結(jié)構(gòu)的自重作用下沉（5）頂管式結(jié)構(gòu)斷面形式：圓形（最常用）、矩形或多跨箱涵結(jié)構(gòu)修建方法：千斤頂頂進(jìn)就位第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載（6）沉管式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式：箱型結(jié)構(gòu)修建方法：預(yù)制管段，托運(yùn)沉放（7）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)建筑施工，敞開(kāi)開(kāi)挖的地下空間，其四周的垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)（8）附建式結(jié)構(gòu)房屋下面的地下室

4、，一般有承重的外墻、內(nèi)墻的梁板式結(jié)構(gòu)或板式結(jié)構(gòu)。（9）地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)分段建造兩條連續(xù)墻，然后中間挖土，修建底板、頂板和中間樓層。第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載巖石地下建筑結(jié)構(gòu)（1）半襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：巖層較堅(jiān)硬，巖石整體性好而節(jié)理又不發(fā)育的 穩(wěn)定或基本穩(wěn)定圍巖。結(jié)構(gòu)形式：只做拱圈，不做邊（2）貼壁式襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：圍巖穩(wěn)定或基本穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)形式：襯砌與圍巖緊密接觸。又分為：厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)、直墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)、曲墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章 地

5、下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法（3）離壁式襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：圍巖穩(wěn)定或基本。結(jié)構(gòu)形式：襯砌與圍巖分離，拱腳處局部支撐于巖壁上（4）噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)適用情況：巖層的地質(zhì)條件較差，可以臨時(shí)的支護(hù)，也可 作永久襯砌結(jié)構(gòu)形式：噴混凝土、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、錨桿噴混凝土、 錨桿鋼筋網(wǎng)噴混凝土（5）復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：巖層具有自承載能力，支護(hù)能加固和穩(wěn)定圍巖， 使圍巖自支承能力可充分發(fā)揮。第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載1.2 地下結(jié)構(gòu)的荷載一、地下結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（*）地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)相比，在計(jì)算理論和施工方法兩個(gè)方面都有許多

6、不同之處。其中，最主要的是地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載比地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這是因?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)埋置于地下，其周圍的巖土體不僅作為荷載作用于結(jié)構(gòu)上，而且約束著結(jié)構(gòu)的位移和變形。所以，在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了要計(jì)算因素多變的巖土體壓力之外，還要考慮地下結(jié)構(gòu)與周圍土體的共同作用。這一點(diǎn)是地下結(jié)構(gòu)在計(jì)算理論上與地面結(jié)構(gòu)最主要的差別。第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載二、地下結(jié)構(gòu)的荷載（*）1、荷載類型及荷載組合（1）荷載類型按荷載存在的狀態(tài)可分為下列四類：靜荷載：又稱恒載，是指長(zhǎng)期作用在結(jié)構(gòu)上且大小、方向 和作用點(diǎn)不變的荷載。如結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力、 地下水壓力、固定的設(shè)備或設(shè)施等。動(dòng)荷載：主要是核武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭

7、）爆炸沖 擊波壓力所產(chǎn)生的荷載（瞬時(shí)作用）。還指地 震荷載和長(zhǎng)期震動(dòng)荷載。第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載活荷載：指結(jié)構(gòu)物施工和使用期間存在變動(dòng)的荷載，其大 小和作用位置都可能變化，如作用在結(jié)構(gòu)樓板上 的人、物品、設(shè)備等，施工安裝過(guò)程中的臨時(shí)性 荷載、移動(dòng)荷載。其他荷載：材料收縮、溫度變化、不均勻沉降等是結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生的內(nèi)力。這些因素一般通過(guò)加大安全系數(shù)和 在施工、構(gòu)造上采取措施解決。 第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載（2）荷載組合荷載組合方案：靜荷載靜荷載+活荷載靜荷載+核爆炸荷載（一次單獨(dú)作用）炮（炸）彈局部沖擊作用荷載（一次單獨(dú)作用）靜荷載+核爆炸荷載+上部建筑物自重后倒塌荷載靜荷載+施工荷

8、載不同結(jié)構(gòu)采用的組合方案單建式淺埋大跨度防護(hù)結(jié)構(gòu)采用項(xiàng)組合無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)采用組合第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載不同結(jié)構(gòu)采用的組合方案單建式淺埋大跨度防護(hù)結(jié)構(gòu)采用項(xiàng)組合無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)采用組合整體小跨度國(guó)防工事采用項(xiàng)組合附建式防護(hù)結(jié)構(gòu)采用項(xiàng)組合對(duì)于同一建筑不同構(gòu)件的組合方案直接承受核爆炸荷載的外部構(gòu)件采用項(xiàng)組合不直接承受核爆炸荷載的內(nèi)部構(gòu)件采用項(xiàng)組合第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載2、地下結(jié)構(gòu)的地質(zhì)環(huán)境（*）（1）圍巖及其分級(jí)圍巖是指地層中受開(kāi)挖作用影響的那一部分巖體。圍巖的工程性質(zhì)：強(qiáng)度和變形圍巖的工程性質(zhì)的影響因素：巖體的結(jié)構(gòu)特征及其特性、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力及地下水條件等。圍巖的分級(jí)（工程

9、類比設(shè)計(jì)的重要依據(jù)）單因素巖石力學(xué)指標(biāo)分級(jí)法多因素綜合指標(biāo)分級(jí)法組合指標(biāo)函數(shù)法定性與定量多因素指標(biāo)相結(jié)合分級(jí)法第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載（2）圍巖初始應(yīng)力、釋放荷載與地層抗力圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)：由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在地下工程開(kāi)挖前巖體中就已經(jīng)存在著一定的地應(yīng)力場(chǎng)。這個(gè)地應(yīng)力場(chǎng)就叫做圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)成：自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)于巖石地層初始應(yīng)力可分為自重地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力，其初始應(yīng)力的確定需專門研究對(duì)于土層初始應(yīng)力僅有自重地應(yīng)力，其初始應(yīng)力的確定采用半無(wú)限體的假定條件下，用疊加法計(jì)算（土力學(xué)的方法）釋放荷載：巖體開(kāi)挖后，圍巖釋放出來(lái)的初始應(yīng)力或前一步開(kāi)挖相應(yīng)的應(yīng)力所產(chǎn)生的荷載。第1章 地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載地層抗力產(chǎn)生原因：地面結(jié)構(gòu)在外力的作用下，可以自由變形不受約束，而地下結(jié)構(gòu)在外力的作用下，其變形受到地層的約束，這種結(jié)構(gòu)與地層之間的相互作用，稱之為地層抗力。地層抗力的大小及其影響因素：結(jié)構(gòu)的變形、地層的物理力學(xué)性質(zhì)確定方法：局部變形理論（簡(jiǎn)單，精度滿足工程要求）彈性地基某點(diǎn)上施加的外力只會(huì)引起該點(diǎn)的沉陷共同變形理論（合理，計(jì)算復(fù)雜）彈性地基上的一點(diǎn)的外力，不僅引起該點(diǎn)發(fā)生沉陷，而且還會(huì)引起附近一定范圍的地基