第2章地下建筑結(jié)構(gòu)的荷載

第2章地下建筑結(jié)構(gòu)荷載荷載的種類與組合荷載的確定方法土體壓力計(jì)算圍巖壓力計(jì)算2.1荷載種類和組合荷載的種類按作用時(shí)間的長(zhǎng)短分類：恒載與活載按載荷的性質(zhì)分類：靜載荷與動(dòng)載荷按作用范圍分類：分布載荷與集中載荷最不利荷載組合靜載靜載+活載靜載+動(dòng)載2.2荷載的確定方法依據(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)范根據(jù)建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地震等級(jí)等確定。地下建筑結(jié)構(gòu)材料的選用地下襯砌結(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?？紤]抗爆動(dòng)載時(shí)，允許考慮由塑性變形引起的內(nèi)力重分布截面計(jì)算原則安全系數(shù) 材料強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)2.3土壓力的計(jì)算土壓力的類型垂直土壓力側(cè)向土壓力：靜止土壓力、主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力=H土壓力EEpE0Ea-H1~5%1~5%o垂直土壓力svshshzsv外土柱內(nèi)土柱靜止土壓力E填土對(duì)于側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式朗肯(Rankine)土壓力理論朗肯土壓力理論基本條件和假定條件墻背光滑墻背垂直填土表面水平假設(shè)墻后各點(diǎn)均處于極限平衡狀態(tài)PaK0vv45o+/290o－svshz半無(wú)限土體主動(dòng)極限平衡狀態(tài)半無(wú)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)的條件主動(dòng)土壓力填土為砂土的朗肯主動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力分布45＋/2Ea=1/2KagH2HH/3HKapa=tg2(45-f/2)gz

(kN/m2)主動(dòng)土壓力系數(shù)

Ka=tg2(45-f/2)墻后破裂面形狀pa=Kagz填土為粘土的朗肯主動(dòng)土壓力PaK0vv被動(dòng)土壓力s1s345-f/21fv=zK0vPp半無(wú)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)的條件填土為砂土的朗肯被動(dòng)土壓力pp=sh=tg2(45+

/2)gz

(kN/m2)Kp=tg2(45+

/2)直線分布總被動(dòng)土壓力

Ep=1/2Kp

gH2

(kN/m)作用點(diǎn)：底部以上1/3H處滑裂面方向：與水平夾角45-

/2

被動(dòng)土壓力分布HKpEp2c

KpH總土壓力vPp填土為粘土的朗肯被動(dòng)土壓力平面滑裂面假設(shè)：滑裂面為平面剛體滑動(dòng)假設(shè)：破壞土楔為剛體滑動(dòng)楔體在兩個(gè)平面上處于極限平衡狀態(tài)主動(dòng)極限平衡狀態(tài)被動(dòng)極限平衡狀態(tài)庫(kù)侖(Coulomb)土壓力理論變化,取若干滑裂面,使E最大dE/d=0,求得，得：ABC11R1EW取一滑裂面，假設(shè)滑面上滿足極限平衡條件，通過(guò)力平衡求EW1E1R1C2C3C4C5砂土庫(kù)侖主動(dòng)土壓力－庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù)EEaEa特例:===0，即墻背垂直光滑，填土面水平，與朗肯理論等價(jià)土壓力分布：三角形分布WABCREE庫(kù)侖RW求解方法類似主動(dòng)土壓力,變化,

使E最小，dE/d=0,求得：砂土庫(kù)侖被動(dòng)土壓力土壓力分布HEp－EpHKpH/3填土為砂土的庫(kù)侖被動(dòng)土壓力分層土土壓力計(jì)算分層計(jì)算加權(quán)平均地面超載作用下土壓力計(jì)算均布荷載郎肯土壓力理論1=gz+qpa=3=qKa+gzKaHZ13qKaHKazKa按照庫(kù)侖土壓力理論lHWABCqREaWGREaEa’qKaHKa三角形相似局部荷載--朗肯土壓力理論q45o＋/245o＋/2qKaHKa集中荷載考慮地下水時(shí)水土壓力計(jì)算水土分算CBg

fg

fH2H1B不透水層墻基不透水gwH2水壓力(gH1+gH2)gH1土壓力KaKa水土合算u=0孔壓gsatH2gH1垂直有效應(yīng)力=總應(yīng)力Ka(gH1+gsatH2)KagH1土壓力H2H1透水地基2.4圍巖壓力的計(jì)算地下洞室開(kāi)挖的力學(xué)作用與過(guò)程zγzp0γz未開(kāi)挖狀態(tài)zσθ開(kāi)挖后應(yīng)力重分布圍巖發(fā)生變形襯砌結(jié)構(gòu)承受圍巖壓力地下洞室圍巖的變形與分區(qū)ΔX松動(dòng)圈塑性圈彈性圈原巖圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算彈性圍巖重分布應(yīng)力柯西課題分析示意圖天然應(yīng)力等于或小于其單軸抗壓強(qiáng)度的一半圍巖視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體圓形洞室圍巖應(yīng)力分析圓形洞室圍巖應(yīng)力分析模型洞壁為單向應(yīng)力狀態(tài)洞壁上應(yīng)力差最大塑性圍巖重分布應(yīng)力塑性圈圍巖應(yīng)力重分布隨洞壁距離增大，徑向應(yīng)力σr增大，洞壁逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)塑性松動(dòng)圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)應(yīng)力因釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力移至塑、彈圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯提高圍巖壓力計(jì)算圍巖壓力：地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過(guò)量的塑性變形或松動(dòng)破壞，進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上的壓力。P-圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動(dòng)的合力P1-以變形形式轉(zhuǎn)化的力，即塑性變形能釋放所消耗的力P2-圍巖的自撐力P3-工程支護(hù)力，即圍巖壓力不允許圍巖變形圍巖無(wú)自承能力P允許圍巖變形圍巖無(wú)自承能力P-P1允許圍巖變形圍巖有自承能力P-P1-P2變形越大變形能釋放越多，圍巖變形所消耗的力P1越大變形越大圍巖越破碎，自承能力P2越小在最佳支護(hù)時(shí)間進(jìn)行支護(hù)，可以減小對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖壓力圍巖壓力隨變形而產(chǎn)生的變化最佳支護(hù)時(shí)間PP1P2P1+P2T最佳支護(hù)時(shí)段形變圍巖壓力松動(dòng)圍巖壓力沖擊圍巖壓力圍巖壓力按形成機(jī)理分類形變圍巖壓力計(jì)算Pi-R1(圍巖壓力與塑性區(qū)范圍)關(guān)系曲線在圍巖不至失穩(wěn)的情況下，適當(dāng)擴(kuò)大塑性區(qū)，有助于減小圍巖壓力塑性變形階段的圍巖也具有自承能力圍巖的塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的擠壓力芬納-塔羅勃圍巖壓力公式圍巖壓力與洞壁變形關(guān)系曲線圍巖壓力隨洞壁位移增大而減小，說(shuō)明適當(dāng)?shù)淖冃斡欣诮档蛧鷰r壓力，減小襯砌厚度圍巖開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形時(shí)，圍巖壓力最大松動(dòng)圍巖壓力計(jì)算-平衡拱理論平衡拱及受力分析圖平衡拱的曲線方程普氏系數(shù)洞室開(kāi)挖后，如不及時(shí)支護(hù)，洞頂巖體將不斷跨落形成一個(gè)拱形,又稱塌落拱。如洞側(cè)壁穩(wěn)定，拱高隨塌落不斷增高，若側(cè)壁不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時(shí)增大。當(dāng)洞的埋深較大（H>5b1），塌落拱不會(huì)無(wú)限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個(gè)自然平衡拱。圍巖壓力計(jì)算圖洞側(cè)壁不穩(wěn)定時(shí)洞頂?shù)乃蓜?dòng)圍巖壓力側(cè)壁圍巖壓力平衡拱理論適用散體結(jié)構(gòu)巖體，洞室上覆巖體有一定厚度洞側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)洞頂?shù)乃蓜?dòng)圍巖壓力側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)的圍巖壓力計(jì)算圖當(dāng)z=H時(shí)，為作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力，用q表示為：分析薄層dz，由極限平衡條件可得：側(cè)壁穩(wěn)定把受節(jié)理裂隙切割的巖體視為一種具有一定內(nèi)聚力的散粒體。松動(dòng)圍巖壓力計(jì)算-太沙基理論側(cè)壁不穩(wěn)定側(cè)壁不穩(wěn)定時(shí)圍巖壓力計(jì)算圖側(cè)壁圍巖沿α角的面滑移其中：太沙基理論適用于散體結(jié)構(gòu)巖體中開(kāi)挖的淺埋洞室塊體極限平衡理論楔形體平衡分析及圍巖壓力計(jì)算圖找出可能不穩(wěn)定楔形體，進(jìn)行穩(wěn)定性校核。校核后，楔形體穩(wěn)定，圍巖壓力為零，不穩(wěn)定，再具體計(jì)算其圍巖壓力。洞頂圍巖壓力楔形體ABC的穩(wěn)定條件若不穩(wěn)定側(cè)壁圍巖壓力楔形體DEFH的穩(wěn)定條件若不穩(wěn)定按照設(shè)計(jì)規(guī)范確定支護(hù)荷載《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10003-2001荷載組合為：結(jié)構(gòu)自重+圍巖壓力計(jì)算單線深埋隧道襯砌時(shí)，圍巖壓力按松散壓力考慮松散體理論(1)淺埋與深埋隧道的界限荷載等效高度的確定圍巖級(jí)別寬度影響系數(shù)隧道最大開(kāi)挖跨度(考慮超挖)表2-1公路隧道圍巖分級(jí)，摘自《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》深埋、淺埋與超淺埋界限判別礦山法施工IV-VI級(jí)圍巖分界深度礦山法施工I-III級(jí)圍巖分界深度超淺埋隧道的埋深淺埋隧道的埋深深埋隧道的埋深(2)超淺埋隧道（地道）圍巖壓力垂直均布荷載側(cè)向均布荷載隧道埋深隧道高度(3)淺埋隧道（地道）圍巖壓力EFHG的重力FDB、AEC的重力HG面垂直壓力由FDB的靜力平衡得：側(cè)壓力系數(shù)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布荷載為：側(cè)壓力為：(4)深埋隧道（地道）圍巖壓力垂直均布?jí)毫r層水平側(cè)壓力粘（沙）土層水平側(cè)