明挖地鐵車站支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算講義

明挖地鐵車站支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算1地下工程支護結(jié)構(gòu)計算理論概述2明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)計算3暗挖結(jié)構(gòu)計算分析4幾點建議目錄1.1地下工程支護結(jié)構(gòu)計算，最重要的問題就是如何確定作用在地下結(jié)構(gòu)上的荷載。1.2目前我們設(shè)計涉及的結(jié)構(gòu)計算。1.2.1地鐵車站結(jié)構(gòu)計算由于地鐵車站結(jié)構(gòu)遇到的地層基本上是第四紀堆積物，主要荷載就是水、土壓力。(對于地鐵車站基坑計算，達不到主動土壓力和被動土壓力值，一般取靜止土壓力和被動土壓力降低值)

1地下結(jié)構(gòu)計算理論概述1.2.2礦山法施工的隧道結(jié)構(gòu)計算山嶺隧道圍巖壓力理論經(jīng)歷的三個階段：1、古典的壓力理論階段：認為豎向荷載就是結(jié)構(gòu)上覆巖層的重量，側(cè)壓力有三種觀點：海姆認為是1，郎金根據(jù)松散體理論認為是tg2(450-φ/2)，而金尼克根據(jù)彈性理論認為是μ/1-μ。2、松散體理論：認為當?shù)叵鹿こ搪裆钶^大時，作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力只是圍巖塌落拱內(nèi)的松動巖體重量（太沙基和普氏理論）。3、現(xiàn)代支護理論：支護與圍巖共同作用的理論。認為圍巖即是地下工程的荷載同時也是承載體。新奧法是本理論的典型代表。1地下結(jié)構(gòu)計算理論概述2.1明挖車站基坑工程基坑計算一般包括三方面的內(nèi)容:穩(wěn)定性驗算、支護結(jié)構(gòu)強度計算、基坑變形計算。2.1.1基坑工程荷載計算地鐵車站一般建設(shè)在城市主干道下方，基坑周邊環(huán)境對位移限制非常嚴格，因此土壓力取靜止土壓力。（最關(guān)鍵的是K0的確定）1、土壓力計算方法：對于地下水位線以下土體，側(cè)壓力計算時一般有兩個原則，即水土分算和水土合算。2明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)計算（a）水位線以下土壓力水土分算：適用于土孔隙中存在自由的重力水或土的滲透性較好的情況，一般適用于砂土、粉性土和粉質(zhì)粘土。土壓力公式：水土合算：認為土孔隙中不存在自由的重力水，而是結(jié)合水，直接用土的飽和重度計算側(cè)壓力，這一原則適用于不透水的粘土層。土壓力公式：

2明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)計算（b）水位線以上土壓力計算公式（c）土的抗剪強度指標取值：水土分算時計算土壓力應(yīng)該采用土的有效應(yīng)力。鑒于目前土的有效強度指標c‘、φ’確定的實際困難，根據(jù)相關(guān)研究，可采用三軸固結(jié)不排水剪切實驗強度指標。水土合算應(yīng)采用土的總應(yīng)力，計算式采用直剪固結(jié)快剪指標。2、水壓力計算：（a）不考慮地下水滲流作用時，水壓力通常按靜水壓力取值。工程實測表明，對于粘性土實測孔隙水壓力約占靜水壓力70%，砂性土約占85%~90%。實測水壓力資料有限，且離散性較大，水壓力問題還需要進一步研究。（b）考慮滲流作用時，計算水壓力的經(jīng)驗方法基坑施工時，基坑內(nèi)降水形成圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外水頭差，地下水會從坑外流向坑內(nèi)，若為穩(wěn)態(tài)滲流，那么水壓力的計算可近似采用直線比例法，即假定滲流中水頭損失是沿圍護結(jié)構(gòu)滲流輪廓線均勻分配的，其計算公式為：

式中：Hi為圍護結(jié)構(gòu)流線上某點i的滲流總水頭；L為經(jīng)折算后的圍護結(jié)構(gòu)的滲流總長度；Si為自i點沿圍護結(jié)構(gòu)輪廓線至下游端點的折算長度；h0——上下游總水頭差。滲透情況下的水壓力:L=H+d-j+d-i=H+2d-i-jSi=2(d-i)h0=H+d-jdjHiγw(d-i)ufufγw(H+d-j)3、地層反力系數(shù)的確定

單道及多道支撐的圍護結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力計算一般采用豎向彈性地基梁方法?；娱_挖面以下土層的水平抗力(基坑側(cè))σx等于該點的地層反力系數(shù)Kx與該點的水平位移x的乘積，即：a、常數(shù)法:假定地層反力系數(shù)沿深度方向均勻分布b、“m”法：假定土的地層反力隨深度成正比的增加。(b)(c)(a)3、“K”法：假定圍護護結(jié)構(gòu)在土中中彈性曲線的的第一個橫向向位移零點以以下的地層反反力系數(shù)為一一常數(shù)，而地地面至第一橫橫向位移零點點之間的地層層反力系數(shù)隨隨深度按直線線增大。2.1.2基坑工程穩(wěn)定定性驗算基坑穩(wěn)定性是是指基坑周圍圍土體或土體體與圍護體系系一起保持穩(wěn)穩(wěn)定性的能力力?；拥氖Х€(wěn)形態(tài)可歸歸納為兩類：：一是因基坑坑土體強度不不足、地下水水滲流作用而而造成基坑失失穩(wěn)。二是因因支護結(jié)構(gòu)的的強度、剛度度或穩(wěn)定性不不足引起支護護體系破壞而而造成基坑失失穩(wěn)1、第一類失穩(wěn)穩(wěn)形態(tài)主要表表現(xiàn)為一下幾幾種基坑內(nèi)外側(cè)土土體整體滑動動失穩(wěn)、基坑坑底土隆起失失穩(wěn)、地層因因承壓水作用用發(fā)生管涌失失穩(wěn)、底鼓失失穩(wěn)等。管涌(c)

砂地層管涌失穩(wěn)定承壓水不透水層(d)

底鼓失穩(wěn)(a)整體滑動失穩(wěn)滑動面(b)踢腳引起隆起失穩(wěn)2、第二類失穩(wěn)穩(wěn)3、入土深度的的確定基坑穩(wěn)定性驗驗算主要是基基坑的整體失失穩(wěn)、隆起失失穩(wěn)、管涌失失穩(wěn)、底鼓失失穩(wěn)等幾方面面的驗算。而而影響穩(wěn)定性性很重要的因因素之一就是是圍護結(jié)構(gòu)的的入土深度。。合理的入土土深度既能保保證基坑工程程的安全要求求，又能節(jié)省省造價。(b)

支撐強度，剛度不夠(a)圍護結(jié)構(gòu)強度度不足（a）根據(jù)抗基坑坑整體滑動失失穩(wěn)的穩(wěn)定條條件確定入土土深度在整體失穩(wěn)時時，坑底被動動側(cè)達到被動動土壓力(假定滑裂面通通過墻底)。在求Pa時，不計上部部土壓力。安全系數(shù)：單撐或最下一道撐DPaPpLpLa(b)根據(jù)基坑抗隆隆起的穩(wěn)定條條件確定入土土深度基坑開挖后，，會不會產(chǎn)生生隆起失穩(wěn)，，取決于地質(zhì)質(zhì)條件、入土土深度以及基基坑尺寸和形形狀等。①計及墻體極極限彎矩的抗抗隆起方法開挖面以下的的墻體能起到到幫助基底抵抵抗基底土體體隆起的作用用，并假定沿沿墻體底面滑滑動，認為墻墻體地面以下下的滑動面為為一圓弧。dzO′DAZBCdτ′″zτ″zτ′zαqf=γH+qdαMbE地面荷載q基坑底面H產(chǎn)生滑動的力力為土體重量量γH及地面超載q。抵抗滑動力力則為滑動面面上的土體抗抗剪強度，對對于非理想粘粘性土來說，，其內(nèi)摩擦角角φ≠0，因此在計算算滑動面上的的抗剪強度時時應(yīng)采用的τ=σtanφ+c公式，不能只只單純考慮(c為粘聚力)。將滑動力與抗抗滑動力分別別對圓心O取力矩滑動力矩：②同時考慮基基底承載力的的抗隆起法要求Ks≥(1.7~2.5)。qA′BB′DDγ2Dγ1(H+D)+qHτ基坑底③模擬試驗研研究經(jīng)驗公式式同濟大學(xué)通過過模擬試驗建建立了基底向向上位移δ與荷載q以及地層的c、φ、γ和地下墻的入入土深度D與開挖深度H的關(guān)系式：式中D——入土深度(m)；——基底(允許)向上位移量(cm)；可采用下表中的數(shù)值。?！却叨?m)，其P為超載(kN/m2)；2.1.3基坑支護結(jié)構(gòu)構(gòu)剛度計算支護結(jié)構(gòu)剛度度計算是指分分析計算支護護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力力，使其滿足足構(gòu)件強度設(shè)設(shè)計的要求。。1、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力分析方法法（a）古典分析法：：平衡法、等等值梁法、塑塑性鉸法等。。它的特點是是土壓力已知知，不考慮墻墻體變位和支支撐變形。假想鉸位置假想鉸（b）解析法：解析方方法是通過將將擋土結(jié)構(gòu)分分成有限個區(qū)區(qū)間，建立彈彈性微分方程程，根據(jù)邊界界條件和連續(xù)續(xù)條件求解結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支支承軸力。常常見的方法山山肩邦男法、、彈性法和彈彈塑性法等。。山肩邦男法有有如下幾條假假定：a.在粘土地層中中，擋土結(jié)構(gòu)構(gòu)為無限長彈彈性體；b.擋土結(jié)構(gòu)背側(cè)側(cè)土壓力在開開挖面以上取取為三角形，，在開挖面以以下取為矩形形(已抵消開挖面面一側(cè)的三角角形土壓力)；c.開挖面以下土土的橫向抵抗抗反力可分為為兩個區(qū)域即即高度為l達到被動土壓壓力的塑性區(qū)區(qū)和反力與擋擋土結(jié)構(gòu)變形形形成直線關(guān)關(guān)系的彈性區(qū)區(qū)；d.橫撐設(shè)置后即即作為不動支支點；e.下道支撐設(shè)置置后，認為上上道支撐的軸軸力保持不變變且下道橫撐撐點以上的擋擋土結(jié)構(gòu)仍保保持原來的位位置。彈性法的基本本點：a.考慮支撐的彈彈性變形b.主動側(cè)的土壓壓力已知(開挖面以上為為三角形分布布，開挖面以以下為矩形分分布)；c．基底下被動動土抗力，符符合σ=ky(扣除主動側(cè)三三角形土壓力力后)；d．擋土結(jié)構(gòu)作作為有限長彈彈性體，墻底底可以是自由由，鉸結(jié)，固固定。彈塑性法彈塑性法的基基本假定：a．同彈性法；；b．主動側(cè)土壓壓力有兩種圖圖式c．基底以下為為為兩個區(qū)：：塑性區(qū)(達到被動土壓壓力)；彈性區(qū)(符合文克爾假假定)；d．同彈性法。。（c）數(shù)值分析法法。早期的古典典分析方法和和解析方法由由于在理論上上存在局限性性而難以滿足足復(fù)雜基坑工工程的設(shè)計要要求，因此現(xiàn)現(xiàn)在應(yīng)用較少少。目前常用用的數(shù)值分析析方法主要有有平面彈性地地基梁法和平平面連續(xù)介質(zhì)質(zhì)有限元法。。2、平面彈性地地基梁法（a）計算原理：：假定圍護結(jié)結(jié)構(gòu)為平面應(yīng)應(yīng)變問題，取取單位寬度的的圍護結(jié)構(gòu)作作為豎向放置置的彈性地基基梁，支撐或或錨桿簡化為為彈簧支座，，基坑內(nèi)開挖挖面以下土體體采用彈簧模模擬，圍護結(jié)結(jié)構(gòu)外側(cè)作用用已知的水壓壓力和土壓力力。(b)支撐剛度計算算KBi=EA/SL式中L—水平支撐的計計算長度S—水平支撐桿件件的間距(c)水平彈簧支座座剛度計算KH==kHbh經(jīng)驗公式：kH=2000N(kN/m3)式中N—標準貫入擊數(shù)數(shù)一般采用m法。模擬計算考慮慮墻體變形、、考慮支撐變變形，即采用用增量法原理理。2.1.4基坑變形估算算2.2明挖車站主體體結(jié)構(gòu)計算2.2.1荷載計算及荷荷載組合荷載類型荷載名稱荷載計算及取值永久荷載結(jié)構(gòu)自重按實際考慮地層壓力豎向壓力按計算截面以上全部土柱重量計算水平壓力主、被土壓力按朗金土壓力公式計算水壓力及浮力按最不利地下水位計算靜水壓力及全部浮力混凝土收縮及徐變影響力混凝土收縮的影響按降低溫度的方法計算，對于整體澆注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相當于降低溫度15℃,對于分段澆注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相當于降低10℃?；炷列熳兊挠绊懓刺岣邷囟鹊姆椒ㄓ嬎銈?cè)向地層抗力及地基反力側(cè)向地層抗力及地基反力按結(jié)構(gòu)型式及其在荷載作用下的約束變形、結(jié)構(gòu)與地層剛度、施工方法等情況及土層性質(zhì)，根據(jù)所采用的結(jié)構(gòu)計算簡圖和計算方法加以確定荷載類型荷載名稱荷載計算及取值可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載及其沖擊力地面車輛荷載按20KN/m2的均布荷載并不計沖擊力的影響地面車輛引起的側(cè)向力按20KN/m2的均布荷載作用于地層上考慮溫度影響力根據(jù)當?shù)販囟惹闆r及施工條件所確定的溫度變化值計算確定偶然荷載人防荷載6級人防等效靜載地震作用按設(shè)防烈度7度考慮荷載組合:荷載種類組合永久荷載可變荷載人防荷載地震荷載基本組合1：永久荷載+ψ基本可變荷載1.351.400標準組合2：永久荷載+基本可變荷載1.01.000偶然組合3：永久荷載+基本可變荷載+人防荷載1.201.00偶然組合4：永久荷載+基本可變荷載+地震荷載1.2001.32.2.2結(jié)構(gòu)計算1、基本假定明挖車站一般般采用順作法法修建，可結(jié)結(jié)構(gòu)視為一次次整體受力的的彈性地基上上的框架。由由于柱子延縱縱向不是連續(xù)續(xù)設(shè)置的（即即不是中隔墻墻）。故在建建平面模型時時要對其進行行等效處理。。有以下兩種種處理辦法：：（a）按剛度等效效，折算成中中隔墻，再取取一延米“中中隔墻”進行行建模。計算算結(jié)果除柱子子所受軸力要要反算回去外外，其他部件件均為每延米米的受力。（b）延車站縱向向取中柱的前前后各半跨（（4米），結(jié)構(gòu)的的力學(xué)參數(shù)