專題8 地下結(jié)構(gòu)計(jì)算

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NationalTopCourse地下鐵道METRO西南交通大學(xué)SouthwestJiaotongUniversity第8專題地下結(jié)構(gòu)計(jì)算Section8Computationforunderground

Structure地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別（2）力學(xué)作用機(jī)理（1）賦存環(huán)境（3）載荷與施工過(guò)程密切相關(guān)結(jié)構(gòu)與地層共同作用的機(jī)理圍巖壓力巖體：變形、重力土體：變形、重力彈性抗力巖體：約束結(jié)構(gòu)的變形土體：約束結(jié)構(gòu)的變形結(jié)構(gòu)與地層共同作用（1）地層的地質(zhì)條件（2）結(jié)構(gòu)與地層的剛度影響因素地層剛度>結(jié)構(gòu)剛度地層剛度<結(jié)構(gòu)剛度地層對(duì)結(jié)構(gòu)變形約束大，地層壓力小地層對(duì)結(jié)構(gòu)變形約束小，地層壓力大堅(jiān)硬巖體軟弱巖體地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的目的承受不同的作用安全實(shí)用耐久地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)容(2)剛度(Stiffness)(1)強(qiáng)度(Strength)(3)穩(wěn)定性(Stability)

建造結(jié)構(gòu)的材料(1)混凝土（Concrete）只能受壓(2)鋼筋混凝土(Reinforcedconcrete)可受拉與受壓(3)預(yù)應(yīng)力混凝土(Prestressedconcrete)(4)鋼材（Steel）鋼結(jié)構(gòu)(5)其他材料：木材、高分子材料地下結(jié)構(gòu)與其它土木工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)(1)施工方法決定了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。(2)采用框架或拱形超靜定結(jié)構(gòu)。(3)線路縱向的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于橫斷面的尺寸，要考慮地下水的作用，即結(jié)構(gòu)必須具有防水性。(4)改擴(kuò)建非常困難，因此要詳細(xì)考慮結(jié)構(gòu)的形式和功能。

(3)地鐵與輕軌高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Elevatedstructure(1)地鐵與輕軌地下結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力計(jì)算

Undergroundstructure(2)地鐵與輕軌結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

Waterproofdesign(1)地鐵與輕軌地下結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力計(jì)算

地鐵結(jié)構(gòu)靜力特性作用在地鐵結(jié)構(gòu)上的載荷區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算車站結(jié)構(gòu)明挖法的靜力計(jì)算地鐵結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算地鐵車站抗浮計(jì)算地下結(jié)構(gòu)靜力特性地層與結(jié)構(gòu)共同承載隨著埋深的加大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受外載的影響減小。支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用（2）連續(xù)介質(zhì)模型(ContinuumModel)，或稱為地層與結(jié)構(gòu)共同作用模型。（連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，有限單元法）計(jì)算的力學(xué)模型

(Mechanicalmodel)（1）作用—反作用模型(Action-reactionModel)，或稱為荷載與結(jié)構(gòu)模型(Load-structuremodel)。(結(jié)構(gòu)力學(xué)方法)荷載與結(jié)構(gòu)模型地層與結(jié)構(gòu)模型(1)以工程類比為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法(EmpiricalMethod)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法DesignMethod(2)以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)法(Convergence-confinementMethod)作用在地鐵地下結(jié)構(gòu)上的載荷☆荷載種類☆荷載組合☆地層壓力計(jì)算方法☆靜水壓力計(jì)算方法☆地面車輛荷載及其沖擊力計(jì)算方法☆計(jì)算模型和研究方法偶然荷載恒定荷載可變荷載作用或荷載的分類恒定荷載（永久荷載，Deadload）圍巖壓力結(jié)構(gòu)自重靜水壓力(含浮力)預(yù)加應(yīng)力和設(shè)備重量混凝土收縮和徐變影響力隧道上部的設(shè)施及建筑物基礎(chǔ)附加應(yīng)力(1)基本可變荷載地面車輛荷載,包括沖擊力地鐵車站荷載、包括沖擊力、搖擺力、離心力和制動(dòng)力。人群荷載等。(2)其它可變荷載混凝土溫度變化應(yīng)力施工荷載(機(jī)具、盾構(gòu)頂推力、注漿壓力)等。

可變荷載

偶然荷載contingentloads地震力爆炸力作用于地下結(jié)構(gòu)上的載荷分類

荷載組合按照3類荷載同時(shí)存在的可能性進(jìn)行最不利工況的組合。淺埋地鐵與輕軌的地下結(jié)構(gòu)恒定荷載基本可變荷載以最不利工況偶然荷載地震荷載7度以上高烈度地震區(qū)特殊要求人防荷載戰(zhàn)備要求結(jié)構(gòu)不同作用組合計(jì)算的原則承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)不利作用組合下的安全與穩(wěn)定性驗(yàn)算作用組合下的裂縫寬度作用設(shè)計(jì)值作用標(biāo)準(zhǔn)值重要性系數(shù)或分項(xiàng)系數(shù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）荷載的組合和分項(xiàng)系數(shù)

地層壓力的計(jì)算方法土體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)按照淺埋和深埋加以區(qū)分土體中的地下結(jié)構(gòu)Hcr≤(1.0~2.0)W屬淺埋Hcr＞(2.0~2.5)hq屬深埋Hcr-結(jié)構(gòu)的覆蓋層厚度W-結(jié)構(gòu)的開挖寬度hq-土體塌落拱的高度，m淺埋土質(zhì)隧道作用計(jì)算計(jì)算方法（1）計(jì)算方法（2）如下圖所示的拱形隧道，已知：h=4m,H=5m,B=2a1=6m,土壤的c=10kPa,γ=20kN/m3，φ=20°，試計(jì)算隧道洞頂?shù)拇怪眽毫=?。解：(1)不考慮上覆蓋層滑動(dòng)面摩擦力的影響，則有：q=γH=20×5.0=100kPa(2)如果考慮滑動(dòng)面摩擦力的影響，則有K1=tan20°tan2(45°-10°)=0.1785K2=tan20°tan(45°-10°)=0.2548a1=B/2+h×tan(45°-10°)=5.8m從而:深埋土層隧道作用計(jì)算（1）普氏壓力拱理論（2）泰沙基理論側(cè)向土壓力的計(jì)算：巖石地層中隧道作用的計(jì)算淺埋隧道深埋隧道深淺埋的判定按荷載等效高度的判定式為：式中Hp—深埋與淺埋隧道分界深度，m；

hq—荷載等效高度，hq=q/γ；

q—深埋隧道垂直均布?jí)毫?kN／m2；

γ—圍巖的容重，kN／m3;圍巖的荷載等效高度hq對(duì)于礦山法條件下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖Hp=2hqⅣ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖Hp=2.5hq淺埋隧道(1)當(dāng)隧道的埋深H≤等效荷載高度hq時(shí)，荷載視為均布垂直壓力，q為

側(cè)壓力e為

式中H——隧道深埋，m；

h——隧道開挖凈高，m；

γ—圍巖的容重，kN／m3；

φg—圍巖計(jì)算摩擦角,°。淺埋隧道(2)當(dāng)隧道的埋深H滿足等效荷載高度hq≤H<Hp時(shí)，荷載視為均布垂直壓力，q為

深埋巖石隧道（1）單線隧道（2）雙線隧道（1）單線隧道

隧道側(cè)向水平壓力e為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)圍巖λ=0Ⅲ級(jí)圍巖：λ<0.15Ⅳ級(jí)圍巖：λ=0.15～0.3Ⅴ級(jí)圍巖：λ=0.30～0.5Ⅵ級(jí)圍巖：λ=0.50～1.0（2）雙線隧道隧道側(cè)向水平壓力e為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)圍巖λ=0Ⅲ級(jí)圍巖：λ<0.15Ⅳ級(jí)圍巖：λ=0.15～0.3Ⅴ級(jí)圍巖：λ=0.30～0.5Ⅵ級(jí)圍巖：λ=0.50～1.0使用的條件（1）鉆爆法施工的隧道（2）H/B<1.7

（高跨比）（3）無(wú)偏壓或膨脹圍巖（4）整體式襯砌的隧道地下水靜水壓力的荷載效應(yīng)靜水壓力對(duì)不同類型的地下結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不同的荷載效應(yīng)。★圓形或接近圓形結(jié)構(gòu)按最低水位計(jì)算★矩形結(jié)構(gòu)按最高水位計(jì)算土壓力計(jì)算中地下水靜水壓力的處理方法（2）水土合算針對(duì)：粘性土結(jié)合水（1）水土分算針對(duì)：卵礫石、砂性土游離水(1)水土分算在施工期間，土的容重的取值：

地下水位以上的土采用天然容重γ；地下水位以下的土采用土的浮容重γ’；另外還要再計(jì)算靜水壓力的作用。

固體顆粒的質(zhì)量孔隙的體積水的容重土體的總體積地下水位以上的土采用天然容重γ，地下水位以下的土采用飽和容重γsat來(lái)計(jì)算土壓力，不再另外計(jì)算靜水壓力。

（2）水土合算地面車輛荷載及其沖擊力計(jì)算方法路面車輛荷載的計(jì)算可查閱:《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1-2005)淺埋地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算遵循3個(gè)原則(2)框架節(jié)點(diǎn)視為剛性節(jié)點(diǎn)(1)鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)是超靜定結(jié)構(gòu)。(3)內(nèi)力計(jì)算方法采用力矩分配法或有限單元法。

地下鐵道區(qū)間隧道框架結(jié)構(gòu)地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的流程(1)選定設(shè)計(jì)斷面和擬定尺寸(2)計(jì)算載荷或作用(3)計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力(力矩分配法或有限單元法)(4)根據(jù)構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)配筋(5)繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和配筋圖地鐵與輕軌建筑結(jié)構(gòu)混凝土的最低設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)

地鐵與輕軌建筑結(jié)構(gòu)混凝土的最低設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)不小于C20混凝土

例題：某地鐵區(qū)間隧道采用明挖法施工，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu)，具體尺寸及埋深如圖例所示。已知路面載荷為20kN/m2，其超載系數(shù)為1.2；隧道頂板上覆土壤為砂性土；頂板考慮的人防載荷為147kN/m2，側(cè)墻的人防載荷為78.4kN/m2，其超載系數(shù)為1.2；土壤的內(nèi)摩擦角φ=30o，內(nèi)聚力C=20kPa，中間圓立柱柱間距為3.0m，圓立柱半徑為0.3m。求該明挖隧道結(jié)構(gòu)所承受的載荷。已知：土的天然容重為：土的飽和容重為：鋼筋混凝土容重為：水的容重為：土的浮容重為：解：取隧道縱向長(zhǎng)度為1m的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行計(jì)算（1）求隧道頂板所承受的所有載荷隧道頂板的載荷作用在頂板的結(jié)構(gòu)軸線所在的平面上，主要有路面載荷因?yàn)槭巧靶酝?，采用水土分算。頂板上部土體的載荷按照地下水位以上和地下水位以下土壤容重分別計(jì)算，則有頂板人防載荷為

頂板的自重（2）求側(cè)墻所承受的載荷在計(jì)算側(cè)墻所受的側(cè)向土壓力時(shí)，土體的容重仍按照地下水位以上和地下水位以下不同地層的容重來(lái)加以考慮。側(cè)墻頂部的土壓力為將以上各載荷相加便可得出頂板所承受的豎向載荷為側(cè)墻頂部所受的側(cè)向水壓力為

側(cè)墻頂部頂板人防載荷為

由以上可得側(cè)墻頂部即頂板中心面處所受的側(cè)向壓力合計(jì)為：

172.12kPa側(cè)墻底部所受的側(cè)向土壓力為側(cè)墻底部所受的側(cè)向水壓力為側(cè)墻底部的人防載荷為則側(cè)墻底部所受的側(cè)向壓力合計(jì)為230.73kPa(3)底板所承受的載荷由底板自重產(chǎn)生的載荷為由頂板傳遞的載荷為由側(cè)墻傳遞的載荷為

立柱的間距為3.0m，則1m長(zhǎng)度底板上由立柱傳遞的載荷為

由頂板縱梁傳遞的載荷為則底板所受到豎向向下的載荷為332.28kPa。由于結(jié)構(gòu)底板承受地下水壓力的作用，其值為為保持底板的平衡，底板還受到地基的反作用力，根據(jù)靜力平衡的原理，其數(shù)值為226.93kPa。由此可以得出底板所承受的載荷為332.28kPa。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以繪出結(jié)構(gòu)的受力圖。

鉆爆法隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算StructuralcalculationoftunnelbyDBM

區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算鉆爆法施工的區(qū)間隧道計(jì)算模型結(jié)構(gòu)荷載Structuremechanics荷載與結(jié)構(gòu)模型主動(dòng)荷載模型主動(dòng)荷載與地層彈性約束模型地層實(shí)測(cè)荷載模型Activeloadmodel主動(dòng)荷載+地層彈性約束模型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)荷載模型彈性鏈桿支承計(jì)算模型基底反力或彈性抗力的計(jì)算Winkler彈性基礎(chǔ)理論計(jì)算地層表面某點(diǎn)所產(chǎn)生的壓縮變形量；m地層在同一點(diǎn)所產(chǎn)生的彈性抗力；MPa地層的彈性抗力系數(shù),MPa/m注意的問(wèn)題：K值精度對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)影響不大，一般能滿足工程設(shè)計(jì)要求?；追戳驈椥钥沽Φ拇笮『头植夹螒B(tài)取決于襯砌結(jié)構(gòu)的變形，而結(jié)構(gòu)變形又與反力或彈性抗力有關(guān)。采用迭代法求解超靜定結(jié)構(gòu)問(wèn)題，可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和有限元法，有限元方法建立模型較為容易，適用更為廣泛，求解更為靈活。圍巖彈性抗力系數(shù)k與彈性連桿的剛度系數(shù)k’之間的換算彈性抗力，MPa/m鏈桿支承處2相鄰桿件長(zhǎng)度和的1/2，m襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算寬度，一般取1m剛度系數(shù)