地下建筑規(guī)劃與設計

地下建筑規(guī)劃與設計主講人：陳海明博士安徽理工大學·土木與建筑學院2021年10月14日12/26/20231/70第8章地下空間構造設計

實際與方法12/26/20232/70提綱8.1地下構造分類8.2地下構造荷載8.3地下構造計算的力學方法8.4明挖基坑支護樁設計12/26/20233/70第8章地下空間構造設計

實際與方法8.1地下構造分類8.2地下構造荷載8.3地下構造計算的力學方法8.4明挖基坑支護樁設計12/26/20234/708.1地下構造分類8.1.1按構造外形劃分地下空間構造可按構造外形劃分為矩形框架構造、圓形構造、拱與直墻拱構造、薄殼構造、敞開式構造等。12/26/20235/708.1.2按土質情況劃分地下空間的構造按土質情況可分為土層與巖層地下空間構造。土層構造即指在土壤中發(fā)掘的構造，巖層構造指在巖石中發(fā)掘的構造。這里不含水中構造，水中構造與巖土中構造又有較大差別，水中構造包括江河湖海內的水下構造，但包含水底巖土中的構造。巖石構造中又分為噴錨構造、半襯砌構造和厚拱薄墻構造等。12/26/20236/708.1.3按施工方法劃分地下空間的構造按施工方法可劃分為以下幾種類型：敞開式是指直接在地面開挖所建造的地下空間建筑基坑，在其坑內建造完工程后將土回填的一種方法，基坑邊坡可采用放坡、直立或支撐的方式而防止土的塌落。暗挖式常用于在土中埋深較大的情況下，經過豎井在土中進展發(fā)掘空間而建造的構造，此種方式又稱為礦山法。盾構式是在地下采用隧道掘進機進展施工的一種方法，常用圓形，頂管工具頭也屬盾構范疇。其特點是可穿越海底、水底等地下建筑隧道，隱蔽、自動化與機械化程度高，勞動強度低。12/26/20237/708.1.3按施工方法劃分沉井式是在地面預先建造好構造，然后經過在井內不斷挖土使構造借助自重抑制土摩阻力不斷下沉至設計標高的一種方法，常用于橋梁墩臺、大型設備根底、地下倉〔油〕庫、地下車站及國防工事等地下工程的建筑施工。延續(xù)墻式是指在施工時先分段建造兩條延續(xù)墻，然后在中間挖土并由底至上建造底板、樓板、頂板及內部構造的一種施工方法。沉箱〔管〕式是指將預制好的構造運至預定位置，并使之下沉到設計標高的施工方法。12/26/20238/708.1.3按施工方法劃分逆作式是在地下工程施工時不設支護體系，以構造構件作擋墻及支撐，由柱墻、頂板、樓板、根底自上而下依次開挖和施工的一種方法，其特點是施任務業(yè)面小，可盡快恢復地面交通，對周圍環(huán)境影響小，常為矩形構造。頂管〔箱〕式是在起點和終點設置任務井〔常采用沉井〕，在任務井壁設有孔作為預制管節(jié)的進口與出口，經過千斤頂將預制管節(jié)按設計軸線逐節(jié)頂入土中，對于較長間隔的情況，頂管常分段進展，該方法在城市中不影響交通及附近地面設備。由于施工方法對構造的影響較大，常需求進展施工階段與運用階段的構造分析與設計。12/26/20239/708.1.4按與地面建筑的關系劃分城市建立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附建式〔地下室〕構造，反之稱為單建式構造。目前，我國建立的多層建筑大多建有地下室，高層建筑那么必需建有地下建筑。12/26/202310/708.1.5按埋深劃分根據(jù)地下空間構造在土中的埋深分為淺埋與深埋地下構造。深淺的定義較為模糊，較為不嚴厲的概念以為，地下空間開發(fā)深度分為淺層〔≤10m〕、次淺層〔10~30m〕、次深層〔30~50m〕、深層〔≥50m〕。深埋與淺埋的界限是非常必要的，但我國目前還沒有一致的劃分方法。12/26/202311/70第8章地下空間構造設計

實際與方法8.1地下構造分類8.2地下構造荷載8.3地下構造計算的力學方法8.4明挖基坑支護樁設計12/26/202312/708.2地下構造荷載8.2.1地下構造荷載的分類及其組合地下構造所接受的荷載，按其作用特點及運用中能夠出現(xiàn)的情況分為以下三類，即永久〔主要〕荷載、可變〔附加〕荷載和偶爾〔特殊〕荷載。永久〔主要〕荷載也稱為長期作用恒載，主要包括構造自重、回填土層分量、圍巖壓力、彈性抗力、靜水壓力〔含浮力〕、混凝土收縮和徐變影響力、預加應力及設備自重等。圍巖壓力和構造自重是襯砌接受的主要靜荷載，彈性抗力是地下構造所特有的一種被動荷載。12/26/202313/708.2.1地下構造荷載的分類及其組合可變〔附加〕荷載又分為根本可變荷載和其他可變荷載兩類。根本可變荷載，即長期的、經常作用的變化荷載，如吊車荷載，設備分量，地下儲油庫的油壓力，車輛、人群荷載等。其他可變荷載，即非經常作用的變化荷載，如溫度變化、施工荷載〔施工機具，盾構千斤頂推力，注漿壓力〕等。偶爾〔特殊〕荷載——指偶爾發(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。12/26/202314/708.2.1地下構造荷載的分類及其組合對于一個特定的地下構造，上述幾種荷載不一定同時存在，設計中應根據(jù)荷載實踐能夠出現(xiàn)的情況進展組合。所謂荷載組合，是指將能夠同時出如今地下構造上的荷載進展編組，取其最不利組協(xié)作為設計荷載，以最危險截面中最大內力值作為設計根據(jù)。我國公路和鐵路隧道設計規(guī)范中給出的永久、可變及偶爾荷載參見表8.1和表8.2。12/26/202315/708.2.2圍巖壓力分類8.2.2.1圍巖壓力及其影響要素12/26/202316/708.2.2.1圍巖壓力及其影響要素圍巖壓力的概念圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形、破壞的作用力，它包括由地應力〔即原巖應力〕引起的圍巖應力以及圍巖變形受阻而作用在支護構造上的總作用力。圍巖壓力也稱為地壓。由圍巖壓力引起的圍巖與支護的變形、流動和破壞等景象稱為圍巖壓力顯現(xiàn)或地壓顯現(xiàn)。從廣義上了解，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)，也包括在錨噴和壓力注漿等現(xiàn)代支護方法中所顯示的性態(tài)。從狹義上了解，圍巖壓力是指圍巖作用在襯砌上的壓力。12/26/202317/708.2.2.1圍巖壓力及其影響要素圍巖壓力的概念由于圍巖壓力是圍巖的變形或破壞呵斥的，其大小和分布與導致圍巖變形或破壞的諸多要素有關。現(xiàn)實上，圍巖壓力和支護構造本來是一對相互作用和動態(tài)協(xié)調變化的“作用體〞，完全用構造工程中的壓力或荷載概念來了解，是不盡合理的。但是，為了采用構造力學方法進展地下構造設計，仍要明確“壓力〞或“荷載〞的概念，否那么將無法進展計算。12/26/202318/708.2.2.1圍巖壓力及其影響要素影響圍巖壓力的要素影響圍巖壓力的要素根本上與圍巖分類要素大致一樣，如巖體構造、巖石強度、地下水、洞室跨度、外形、支護類型與剛度、施工方法、洞室埋置深度和支護時機等要素。12/26/202319/708.2.2.2圍巖壓力分類概述圍巖壓力是地下襯砌構造設計中的主要荷載之一。圍巖壓力的研討最早開場于14世紀，當時用來研討地下采礦工程中出現(xiàn)的一系列問題，如地層挪動、地表沉陷及坑道支撐等。以后，隨著采礦事業(yè)和其他地下工程的開展，圍巖壓力的研討也相應得到開展。目前，它已成為巖膂力學研討極為重要的內容。目前運用較廣的分類是把圍巖壓力分成松動壓力、變形壓力、沖擊壓力和膨脹壓力四大類。12/26/202320/708.2.2.2圍巖壓力分類松動壓力由于開挖導致圍巖松動或塌落的巖體以重力的方式直接作用在支護上的壓力稱為松動壓力。這種壓力表現(xiàn)為荷載的特有方式：頂壓大，側壓小。松動壓力通常由下述三種情況構成：〔1〕在整體穩(wěn)定的巖體中，能夠出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石對支護呵斥的落石壓力；〔2〕在松散脆弱的巖體中，隧道頂部和兩側片幫冒落對支護呵斥的散體壓力；〔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，構成了部分塌落松動壓力。呵斥松動壓力的要素很多，如圍巖地質條件、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、洞形和支護方式等。而巖體破碎與臨空面不利組合所構成的不穩(wěn)定巖體也容易呵斥松動壓力。12/26/202321/708.2.2.2圍巖壓力分類變形壓力松動壓力是以重力方式直接作用在支護上的，而變形壓力那么是由于圍巖變形遭到支護的抑制產生的。所以變形壓力除與圍巖應力有關外，還與支護時機和支護剛度親密相關。按其成因可進一步分為下述幾種情況：〔1〕彈性變形壓力——當采用緊跟開挖面進展支護的施工法時，由于存在著開挖面的“空間效應〞而使支護遭到一部分圍巖的彈性變形作用，由此而構成的變形壓力稱為彈性變形壓力。〔2〕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〕而使支護遭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——圍巖產生顯著的隨時間增長而添加的變形或蠕變。壓力是由巖體的蠕變變形引起的，有顯著的時間效應，它能使圍巖鼓出、閉合，甚至完全封鎖。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，既決議于原巖應力的大小和巖體的力學性質，也決議于支護構造剛度和支護的時間。12/26/202322/708.2.2.2圍巖壓力分類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，這種由于圍巖膨脹變形引起的壓力稱為膨脹壓力。圍巖吸水膨脹、體積增大，既有物理性質，也有化學性質。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。巖體膨脹性，主要決議于其蒙脫石、伊利石和高嶺土的含量。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，有水源供應，膨脹性也就越顯著。12/26/202323/708.2.2.2圍巖壓力分類沖擊壓力沖擊壓力又稱巖爆，它是在工程開挖過程中，圍巖積累了大量的彈性變形能。在外界擾動下忽然釋放所產生的壓力。由于沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放，所以它與巖體彈性特性嚴密相關。彈性模量較大的巖體在高地應力的作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，就會忽然猛烈地大量釋放。12/26/202324/708.2.3深埋和淺埋地下構造的判別因圍巖壓力的計算有不同的方式，要確定圍巖壓力，首先要區(qū)分深埋和淺埋隧道〔地下構造〕。對于公路隧道而言，可以按照經典圍巖壓力實際、地質條件、施工方法等要素綜合斷定埋深的界限：式中Hp———深埋與淺埋隧道分界深度；hp———荷載等效高度，hp=q/γ；q———深埋隧道垂直均布壓力〔kN/m2〕；γ———圍巖重度〔kN/m3〕。12/26/202325/708.2.3深埋和淺埋地下構造的判別在礦山法施工的條件下，Ⅰ~Ⅱ類圍巖取Hp=2.5hp；Ⅳ~Ⅵ類圍巖取Hp=2.0hp。對于鐵路隧道而言，隧道覆蓋厚度小于表8.3所列數(shù)值時為淺埋隧道。12/26/202326/708.2.4深埋構造圍巖松動壓力的計算8.2.4.1<鐵路隧道設計規(guī)范>所引薦的方法<鐵路隧道設計規(guī)范>〔TB10003—2005〕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，經過對坍方資料的統(tǒng)計分析獲得圍巖松動壓力的閱歷估算公式。當然，塌方資料的背景不同或統(tǒng)計分析的前提假定不同，所得閱歷公式也不同。例如，對于在不產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1.7的隧道，經過對417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動壓力的計算表達式為12/26/202327/708.2.4深埋構造圍巖松動壓力的計算8.2.4.2普氏實際普氏實際假定圍巖為松散體〔巖體不同程度地被節(jié)理、裂隙等脆弱構造面所切割〕，是一種基于天然拱概念的圍巖壓力實際，即圍巖的垂直均布壓力為適用范圍：普氏實際普通對松散、破碎圍巖較適用。在松軟地層〔如淤泥、軟黏土等〕中或構造埋深太淺，不能運用普氏實際。12/26/202328/708.2.4深埋構造圍巖松動壓力的計算8.2.4.2太沙基實際太沙基實際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狀的根底上按平衡條件推導出圍巖壓力的計算表達式。假定：①洞室上方巖體因洞室變形而下沉，產生錯動面OAB和O′A′B′；②豎向壓應力σv是均布的，且側向壓應力〔k為側壓力系數(shù)〕。12/26/202329/708.2.5淺埋構造圍巖松動壓力的計算普通來說，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〕，開挖會引起整個上覆地層的變位，假設不及時支撐，地層就會大量變形和塌落，涉及地表而構成一個沉陷區(qū)。參照圖8.5，按平衡條件可得松動圍巖壓力=支護構造反力=滑動巖體的重力-滑移面上的摩擦阻力式中滑移面上的摩擦阻力與詳細的埋深情況有關。12/26/202330/708.2.6圍巖彈性抗力前面所講的松動圍巖壓力，如構造自重等均屬自動荷載。地下構造除接受自動荷載作用外，還接受一種被動荷載，即圍巖的彈性抗力。構造在自動荷載作用下要產生變形，如圖8.6所示的曲墻拱形構造，在自動荷載〔垂直荷載大于程度荷載〕作用下，產生的變形如虛線所示。在拱頂，其變形背向地層，在此區(qū)域內圍巖對構造不產生約束作用，所以稱為“脫離區(qū)〞，而在接近拱腳和邊墻的部位，構造產生壓向地層的變形。由于構造與圍巖嚴密接觸，圍巖將制止構造的變形，從而產生了對構造的反作用力，對這個反作用力習慣上稱“彈性抗力〞。因此，圍巖的彈性抗力是在自動荷載作用下，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“抗力區(qū)〞。12/26/202331/708.2.6圍巖彈性抗力圍巖彈性抗力的存在是地下構造區(qū)別于地面構造的顯著特點之一。由于，地面構造在外力作用下，可以自在變形不受外界的約束，而地下構造在外力作用下，其變形要受圍巖的約束。所以，地下構造設計必需思索構造與圍巖之間的相互作用，這使得地下構造設計與計算變得復雜，但這只是問題的一個方面；另一方面，由于圍巖彈性抗力的存在，限制了構造的變形，以致構造的受力條件得以改善，使其變形小而承載才干有所添加。12/26/202332/708.2.6圍巖彈性抗力由于彈性抗力是由構造與圍巖的相互作用產生的，所以彈性抗力的大小和分布規(guī)律不僅決議構造的變形，還與圍巖的物理力學性質有著親密的關系。如何確定彈性抗力的大小和其作用范圍〔抗力區(qū)〕，目前有兩種實際：一種是部分變形實際，以為彈性地基〔圍巖〕某點上施加的外力只會引起該點的沉陷；另一種是共同變形實際，即以為彈性地基上的一點的外力，不僅引起該點發(fā)生沉陷，而且還會引起附近一定范圍的地基發(fā)生沉陷。后一種實際較為合理，但由于部分變形實際計算較為簡單，且普通可以滿足工程精度要求，所以目前多采用部分變形實際計算彈性抗力。12/26/202333/70第8章地下空間構造設計實際與方法8.1地下構造分類8.2地下構造荷載8.3地下構造計算的力學方法8.4明挖基坑支護樁設計12/26/202334/708.3地下構造計算的力學方法8.3.1地下構造內力計算力學模型關于地下構造的內力計算，目前有兩種不同的設計理念，一種以為圍巖的作用只是向構造施加荷載，而構造的作用只是接受荷載；另一種那么以為圍巖既是荷載又有承載才干，而構造的作用是調整圍巖從而與之共同維持洞室的穩(wěn)定性。相應地，地下構造的內力計算模型可以劃分為如下兩種類型：荷載-構造模型——以為圍巖對支護構造的作用只是產生作用在構造上的荷載〔包括自動的圍巖壓力和被動的彈性抗力〕，以計算支護構造在荷載作用下產生的內力和變形的方法稱為荷載-構造法。12/26/202335/708.3.1地下構造內力計算力學模型荷載-構造模型荷載-構造模型只適用于淺埋情況及圍巖塌落而出現(xiàn)松動壓力的情況。12/26/202336/708.3.1地下構造內力計算力學模型荷載-構造模型荷載-構造模型還可按荷載不同細分成如下幾種方式：〔1〕自動荷載模型?！?〕自動荷載+被動荷載模型。〔3〕量測壓力模型。12/26/202337/708.3.1地下構造內力計算力學模型地層構造模型主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必需經過支護構造與圍巖共同作用而求得，這是反映當前現(xiàn)代支護構造原理的一種計算方法，需采用巖石力學方法進展計算。12/26/202338/708.3.1地下構造內力計算力學模型地層構造模型計算方法通常有數(shù)值解法和解析解法兩類。數(shù)值解法是把圍巖視作彈塑性體或黏彈塑性體，并與支護一同采用有限元或邊境元數(shù)值法求解。數(shù)值解法可以直接算出圍巖與支護的應力和變外形狀，以判別圍巖能否失穩(wěn)和支護能否破壞。數(shù)值解法往往有多種功能，能思索巖體中的節(jié)理裂隙、層面、地下水滲流及巖體膨脹性等影響，是目前實際計算法中的主要方法。12/26/202339/708.3.1地下構造內力計算力學模型地層構造模型計算方法通常有數(shù)值解法和解析解法兩類。解析解法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，國內外這類方法曾經很多，普通可概括成如下幾種：〔1〕支護構造體系與圍巖共同作用的解析解法。利用圍巖與支護襯砌之間的位移協(xié)調條件，得簡單洞形〔如圓形〕條件下圍巖與襯砌構造的彈性、彈塑性及黏彈性解。12/26/202340/708.3.1地下構造內力計算力學模型地層構造模型計算方法通常有數(shù)值解法和解析解法兩類。解析解法〔2〕收斂-約束法或特征曲線法。原理：按彈塑-黏性實際等推導公式后，再以洞周位移為橫坐標、支護反力為縱坐標的坐標平面內繪出表示圍巖受力變形特征的洞周收斂線，并按構造力學原理在同一坐標平面內繪出表示支護構造受力變形特征的支護限制線，得出以上兩條曲線的交點，根據(jù)交點處表示的支護抗力值進展支護構造設計。12/26/202341/708.3.1地下構造內力計算力學模型地層構造模型解析解法〔3〕剪切滑移楔體法。基于Robcewicz提出的“剪切破壞實際〞。該實際以為，圍巖穩(wěn)定性的喪失，主要發(fā)生在洞室與主應力方向垂直的兩側，并構成剪切滑移楔體。由于地下洞室開挖在側壓系數(shù)λ<1的條件下，巖體的破壞過程如圖8.11所示。首先兩側壁的楔形巖塊由于剪切而分別，并向洞內挪動〔圖8.11a〕，而后，上部和下部巖體由于楔形巖塊滑移呵斥跨度加大，上下巖體向洞內撓曲〔圖8.11b〕，甚至挪動〔圖8.11c〕。支護構造的設計按照由錨桿、放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展。12/26/202342/708.3.2荷載構造計算方式8.3.2.1拱形構造曲墻拱構造曲墻拱襯砌屬超靜定構造，計算方法采用“假定抗力法〞。即朱拉波夫-布加也娃法，也稱朱-布法。〔1〕思索土層彈性抗力及其分布曲墻拱型構造在豎向荷載及側向程度荷載〔土層壓力〕的作用下，構造拱頂部向內產生變形，曲墻向外側變形，曲墻的變形使土體產生變形，土體變形到達一定程度即出現(xiàn)土體抵抗側墻的繼續(xù)變形，對側墻變形的抵抗作用即稱為土體對構造的彈性抗力。12/26/202343/708.3.2荷載構造計算方式8.3.2.1拱形構造曲墻拱構造〔2〕計算簡圖有垂直土層壓力q，側向程度壓力e+?e，拱腳彈性固定兩側受地層約束的無鉸拱，荷載與構造對稱。12/26/202344/708.3.2荷載構造計算方式8.3.2.1拱形構造曲墻拱構造〔3〕計算步驟求自動荷載作用下構造內力求σb=1時的求最大抗力計算各截面最終內力值計算的校核12/26/202345/708.3.2.1拱形構造曲墻拱構造該方法是將襯砌構造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。當曲墻的曲率是常數(shù)或直墻時，可采用初參數(shù)法求解。普通直墻式襯砌的直邊墻采用此法求解。計算圖式將拱圈和梁分開計算，將拱圈處置為彈性固定在邊墻頂上的無鉸平拱，邊墻處置為擱置在彈性地基上的直梁。在拱腳和墻頂銜接處應滿足力的平衡條件和變形延續(xù)條件。拱腳d處除有轉角和垂直位移外，還有程度位移。在構造和荷載對稱的條件下，垂直位移對拱圈構造內力無影響，可以不計。12/26/202346/708.3.2.2圓形構造整體式圓形構造〔1〕自在變形圓環(huán)法當整體式圓管構造建筑在松軟地層中，地層對構造的彈性抗力很小，故假定構造可以自在變形，地基反力沿環(huán)的程度投影為均勻分布，計算圖式如圖8.17所示。12/26/202347/708.3.2.2圓形構造整體式圓形構造〔2〕假定抗力圖法襯砌機構在豎向荷載作用下，產生向地層方向的變形，從而引起彈性抗力。對于圓管構造，彈性抗力的分布規(guī)律，可根據(jù)已有的實際閱歷假定給出。計算圖式如圖8.18所示。12/26/202348/708.3.2.2圓形構造裝配式圓形構造裝配式圓管構造，應根據(jù)管片或砌塊間銜接構造以及所采用的施工方法，確定相應的計算方法。當組成圓管構造的管片或砌塊在環(huán)向采用如圖8.19所示的銜接構造，而接頭能傳送全部內力時〔實踐上是不能夠傳送全部內力的，而只能傳送部分內力，故應把接頭當作傳送一定內力的彈性鉸，按彈性鉸接圓環(huán)進展構造計算〕，可按整體均質圓環(huán)計算；而當管片或砌塊采用如圖8.20〔砌塊端為圓柱形接頭〕或圖8.21所示的銜接構造時，應按多鉸圓環(huán)計算，其計算圖式如圖8.22所示。12/26/202349/708.3.2.3框架構造地下鐵道的通道、車站或地下廠房，接受地層的豎向壓力和程度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，按閉合框架計算其構造內力。由于底板與地基之間有摩擦力，故可以為底板不能沿程度方向運動。地下鐵道通道的計算簡圖如圖8.27所示。12/26/202350/708.3.3地層構造計算方法8.3.3.1地層的初始應力形狀地層構造法以為，地下空間的構造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。從地層的初始應力形狀出發(fā)，地層構造法采用固膂力學方法計算開挖和支護對圍巖應力和位移場的作用，而支護構造的內力和變形只是整個圍巖-構造體系計算結果中的一部分。地層的初始應力場與地層的構造、性質、埋藏條件及地質構造運動歷史等要素有關，可以劃分成自重應力場和構造應力場兩個部分。前者是地層自重產生的應力，后者代表過去和當前地質構造運動〔包括褶曲、斷裂、層間錯動、地殼升降、板塊運動等〕所引發(fā)的應力〔分別稱為剩余構造應力和新構造應力〕。12/26/202351/708.3.3.1地層的初始應力形狀在以自重應力為主的地層中，當?shù)乇頌槌潭让妗⒌貙訛榫|各向同性時，深度為h處自重應力的垂直和程度分量可以分別表示為假設地層是程度成層分布的，自重應力的大小可以分層總和而得。12/26/202352/708.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應力場圍巖二次應力形狀分析是地層構造法的關鍵步驟。地下開挖使地層出現(xiàn)了新臨空面和該臨空面上地層應力的釋放，破壞了地層的初始應力平衡，引起地層應力的重新分布。在這個時間過程中，地層應力是延續(xù)變化的，特別地，洞室開挖后在未加支護的情況下，地層應力所到達的新的相對平衡稱為圍巖的二次應力形狀。二次應力的開展與穩(wěn)定遭到自然要素和工程要素的影響：①圍巖組成、構造、性質、初始應力形狀等；②開挖手段和方法，洞室的位置、大小和外形及其與圍巖構造的相對關系等。12/26/202353/708.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應力場普通來說，二次應力場是三維場。12/26/202354/708.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應力場用初始應力釋放的方法經過固膂力學計算確定。在圍巖資料本構關系為線彈性的條件下。12/26/202355/708.3.3.3支護抗力對圍巖位移的控制洞室的穩(wěn)定與否，取決于圍巖的二次應力和變形能否超越了圍巖的強度和變形才干。假設二次應力的開展沒有伴隨圍巖的塌落或過度變形，那么單從圍巖穩(wěn)定的角度來看是沒有必要設置支護構造的。但假設情況相反，圍巖本身不能堅持長期穩(wěn)定，就必需施作支護控制圍巖的變形、改善圍巖的應力形狀〔支護使洞室周邊圍巖處在三維壓應力形狀，有利于發(fā)揚圍巖的抗壓才干〕。支護與圍巖共同變形而到達某種平衡，稱為圍巖-構造體系的三次應力形狀。地層構造法就是在確定初始應力以后，以二次應力分析為根底，計算支護構造與圍巖的共同作用，從而確定隧道構造體系的三次應力形狀。12/26/202356/708.3.3.4地層構造模型的有限單元法實踐地下構造的地層構造模型分析往往需求思索比較復雜的資料模型、幾何外形、邊境條件，普通是沒有方法求出解析解的；因此就必需運用數(shù)值方法。原理：經過單元分析建立單元剛度方程，根據(jù)位移協(xié)調條件組建總體剛度方程，引入邊境條件并求解，得到各節(jié)點的位移，然后再利用節(jié)點位移經過單元剛度方程獲得單元節(jié)點力，經過單元應力方程獲得單元應力，經過單元應變方程獲得單元應變。12/26/202357/708.3.3.4地層構造模型的有限單元法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，而地下構造周圍的地層相對而言是無限大或半無限大〔深埋或淺埋〕的；因此必需選擇某個有限的計算范圍建立有限單元模型。這個計算范圍的邊境應該離地下構造足夠遠，設在幾乎不受地下工程影響的地方。閱歷闡明，普通來說，在離洞室中心3～5倍于洞室特征尺寸〔最大內徑〕以外的地方，地下工程的影響足夠小。12/26/202358/708.3.3.4地層構造模型的有限單元法單元類型的選擇可以用二維平面單元〔平面應變或平面應力問題〕或三維實體單元〔三維問題〕來對計算范圍內的地層進展離散化分析。開挖效應的模擬洞室的開挖釋放了洞室邊境上的初始應力，在計算中可以經過在開挖邊境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力釋放。假設思索開挖與支護的時間效應，那么釋放荷載的取值應視支護構造的設立時間而定。假設支護是在開挖后瞬時設置的，那么支護構造單元將接受全部的釋放荷載；假設支護是在開挖之后某個時辰設立的，那么支護構造接受的釋放荷載應該只是全部釋放荷載中尚未釋放掉的那個部分。12/26/202359/70第8章地下空間構造設計實際與方法8.1地下構造分類8.2地下構造荷載8.3地下構造計算的力學方法8.4明挖基坑支護樁設計12/26/202360/708.4明挖基坑支護樁設計8.4.1支護構造設計的計算實際8.4.1.1基坑圍護樁的作用深基坑支護構造多種多樣，用材和施工方法也千變萬化，但主要可以分為兩大類：第一類為支擋型的，如排樁式支擋構造和地下延續(xù)墻；第二類為加固型的，如高壓旋噴法加固、靜壓注漿加固、深層攪拌法加固、噴錨支護和土釘墻等。深基坑支護構造的主要作用是減小土方開挖，少占場地空間，維護相鄰的已有建〔構〕筑物和地下設備，減少或防止坑底隆起，另外還兼有支護和防水的雙重效果。12/26/202361/708.4.1.2土壓力計算作用于支護構造上的荷載主要指土壓力和水壓力。其中土壓力的計算是設計者最為關注的問題，目前大致有兩類計算方法，一是建立于極限平衡實際上的經典土壓力實際；包括朗肯土壓力實際和庫侖土壓力實際；二是根據(jù)實測結果而提出的Terzaghi-Peck土壓力方式。按經典土壓力實際計算(1)地下水位以上土壓力計算——地下水位以上土層及地面超載作用于支護構造上的自動土壓力規(guī)范值Paik可采用土層的抗剪強度目的按朗肯實際分層。(2)地下水位以下水、土壓力計算——水土分算和水土合算。12/26/202362/708.4.1.2土壓力計算按Terzaghi-Peck方式計算Terzaghi-Peck閱歷土壓力方式在國外的運用比較普遍，國內普通用于黏性土基底標高以上帶支撐〔或錨固〕的自動土壓力計算，分布方式如圖8.38所示。12/26/202363/708.4.2排樁支護構造設計8.4.2.1普通規(guī)定對于施工場地狹窄、地質條件較差、基坑較深、或需嚴厲控制基坑開挖引起的地面變形時，應采用排樁式擋土