《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文(2)課件

《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2024/4/16《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)本講內(nèi)容荷載種類和組合荷載確定方法巖土體壓力的計(jì)算方法初始地應(yīng)力、釋放荷載與開挖效應(yīng)彈性抗力其他荷載《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.1荷載種類和組合2.1.1荷載種類按存在狀態(tài)分為：靜荷載、動(dòng)荷載和活荷載等

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、巖土體壓力、彈性抗力和地下水壓力等；《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.1荷載種類和組合2.1.1荷載種類動(dòng)荷載：要求具有一定防護(hù)能力的地下建筑物，需考慮原子武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭）爆炸沖擊波壓力荷載，這是瞬時(shí)作用的動(dòng)荷載；在抗震區(qū)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)算地震波作用下的動(dòng)荷載作用。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.1.1荷載種類活荷載：指在結(jié)構(gòu)物施工和使用期間可能存在的變動(dòng)荷載，其大小和作用位置都可能變化。如地下建筑物內(nèi)部的樓板地面荷載（人群物件和設(shè)備重量）、吊車荷載、落石荷載等。地面附近的堆積物和車輛對(duì)地下結(jié)構(gòu)作用的荷載以及施工安裝過程中的臨時(shí)性荷載。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.1.1荷載種類其他荷載：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的各種因素中，除有以上主要荷載的作用外，通常還有：混凝土材料收縮（包括早期混凝土的凝縮與日后的干縮）、溫度變化等受到約束而產(chǎn)生的內(nèi)力。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載，按其作用特點(diǎn)及使用中可能出現(xiàn)的情況分為以下三類，即永久（主要）荷載、可變（附加）荷載和偶然（特殊）荷載:（1）永久（主要）荷載即長(zhǎng)期作用的恒載，主要包括：結(jié)構(gòu)自重；回填土重量；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(yù)加應(yīng)力及設(shè)備自重等。地層壓力和結(jié)構(gòu)自重是襯砌承受的主要靜荷載，彈性抗力是地下結(jié)構(gòu)所特有的被動(dòng)荷載。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)（2）可變（附加）荷載分為基本可變荷載和其它可變荷載兩類。

基本可變荷載，即長(zhǎng)期的、經(jīng)常作用的變化荷載，如吊車荷載、設(shè)備重量、地下儲(chǔ)油庫(kù)的油壓力、車輛、人員等荷重人群荷載等。其它可變荷載，即非經(jīng)常作用的變化荷載，如溫度變化、施工荷載（施工機(jī)具，盾構(gòu)千斤頂推力，注漿壓力）等。（3）偶然（特殊）荷載偶然發(fā)生的荷載，如地震力或戰(zhàn)時(shí)發(fā)生的武器爆炸沖擊動(dòng)荷載。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.1.2荷載組合

各種荷載對(duì)結(jié)構(gòu)可能不是同時(shí)作用，需進(jìn)行最不利情況的組合。先計(jì)算個(gè)別荷載單獨(dú)作用下的結(jié)構(gòu)各部件截面的內(nèi)力，再進(jìn)行最不利的內(nèi)力組合，得出各設(shè)計(jì)控制截面的最大內(nèi)力。最不利的荷載組合一般有以下幾種情況：（一）靜載；（二）靜載+活載；（三）靜載+動(dòng)載（原子爆炸動(dòng)載、炮（炸）彈動(dòng)載）《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.1.2荷載組合指將可能同時(shí)出現(xiàn)在地下結(jié)構(gòu)上的荷載進(jìn)行編組，取其最不利組合作為設(shè)計(jì)荷載，以最危險(xiǎn)截面中最大內(nèi)力值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。我國(guó)公路和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中給出的永久、可變及偶然荷載（在鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法時(shí)稱為作用）參見表2-1和表2-2?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)表2-1公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ026-90）的隧道荷載編號(hào)荷載分類荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)自重力3填土壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載、人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的土壓力7立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力11偶然荷載落石沖擊力12地震力13施工荷載注：[1]設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，按其可能出現(xiàn)的最不利情況組合。

《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)表2-2鐵隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷載）分類編號(hào)荷載分類荷載名稱荷載分類1永久作用結(jié)構(gòu)自重恒載主要荷載2結(jié)構(gòu)附加恒載3圍巖壓力4土壓力5混凝土收縮和徐變的影響6可變作用列車活載活載7活載所產(chǎn)生的土壓力8公路車輛荷載9沖擊力10渡槽水流壓力（設(shè)計(jì)渡槽明洞時(shí)）11制動(dòng)力附加荷載12溫度變化的影響13灌漿壓力14凍脹力15施工荷載（施工階段的某些外力）16偶然作用落石沖擊力附加荷載17地震力特殊荷載《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.2荷載的確定方法2.2.1確定依據(jù)(1)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。(2)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1）根據(jù)建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地震等級(jí)等確定。2）地下建筑結(jié)構(gòu)材料的選用3）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。考慮抗爆動(dòng)載時(shí)，允許考慮由塑性變形引起的內(nèi)力重分布。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.2荷載的確定方法3）截面計(jì)算原則結(jié)構(gòu)截面計(jì)算時(shí)，按總安全系數(shù)法進(jìn)行，一般進(jìn)行強(qiáng)度、裂縫（抗裂度或裂縫寬度）和變形的驗(yàn)算等。混凝土和磚石結(jié)構(gòu)僅需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并在必要時(shí)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在施工和正常使用階段的靜荷載作用下，除按強(qiáng)度計(jì)算外，一般應(yīng)驗(yàn)算裂縫寬度，根據(jù)工程的重要性，限制裂縫寬度小于0.10~0.20mm，但不允許出現(xiàn)通透裂縫。對(duì)較重要的結(jié)構(gòu)則不能開裂，即驗(yàn)算抗裂度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸動(dòng)載作用下只需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，不作裂縫驗(yàn)算。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)4）安全系數(shù)結(jié)構(gòu)在靜載作用下的安全系數(shù)可參照有關(guān)規(guī)范確定。對(duì)于地下建筑結(jié)構(gòu)，如施工條件差，不易保證質(zhì)量和荷載變異大時(shí)，對(duì)混凝土和鋼筋砼結(jié)構(gòu)需考慮用附加安全系數(shù)1.1。靜載下的抗裂安全系數(shù)不小于1.25，視工程重要性，可予提高。結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下，由于爆炸時(shí)間較短，而荷載很大，為使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)和配筋合理，其安全系數(shù)可以適當(dāng)降低。5）材料強(qiáng)度指標(biāo)一般采用工業(yè)與民用建筑規(guī)范中的規(guī)定值，亦可根據(jù)實(shí)際情況，參照水利、交通、人防和國(guó)防等專門規(guī)范。結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下，材料強(qiáng)度可以提高；提高系數(shù)見有關(guān)規(guī)定。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.3巖土體壓力的計(jì)算方法土壓力是土與擋土結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果，它與結(jié)構(gòu)的變位有著密切關(guān)系。以擋土墻為例，作用在擋土墻墻背上的土壓力可以分為靜止土壓力、主動(dòng)土壓力（往往簡(jiǎn)稱土壓力）和被動(dòng)土壓力（往往簡(jiǎn)稱土抗力）三種，其中主動(dòng)土壓力值最小，被動(dòng)土壓力值最大，而靜止土壓力值介于兩者之間?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.3.1經(jīng)典土壓力理論

軟土地區(qū)淺埋的地下工程，采用“土柱理論”計(jì)算。豎向土壓力即為結(jié)構(gòu)頂蓋上整個(gè)土柱的全部重量。側(cè)向土壓力經(jīng)典理論主要是庫(kù)倫（Coulomb）理論和朗肯（Rankine）理論。靜止土壓力計(jì)算一般采用彈性理論，它也可以稱為經(jīng)典理論。盡管上述經(jīng)典土壓力理論存在許多不足之處，但是在工程界仍然得到廣泛應(yīng)用?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)1、靜止土壓力的計(jì)算結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形和任何位移（移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)，背后填土處于彈性平衡狀態(tài)?？筛鶕?jù)半無限彈性體的應(yīng)力狀態(tài)求解。粘土ko=0.5~0.7；砂土ko=0.34~0.45。砂土、粉土1.0；粘性土、淤泥質(zhì)土0.95《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2、庫(kù)倫土壓力理論庫(kù)倫理論的基本假定：庫(kù)倫理論由法國(guó)科學(xué)家?guī)靷悾–oulomb,C.A.）于1773年發(fā)表，主要針對(duì)擋土墻計(jì)算，基本假定為：①擋土墻墻后土體為均質(zhì)各向同性的無粘性土；②擋土墻是剛性的且長(zhǎng)度很長(zhǎng)，屬于平面應(yīng)變問題；③擋土墻后土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力或被動(dòng)土壓力時(shí)，土體形成滑動(dòng)楔體，滑裂面為通過墻踵的平面；④墻頂處土體表面可以是水平面，也可以為傾斜面，傾斜面與水平面有夾角；⑤在滑裂面和墻背面上的切向力分別滿足極限平衡條件《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)求導(dǎo)：最大滑楔面求導(dǎo)：最小滑楔面《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)3、朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論是由英國(guó)科學(xué)家朗肯（Rankine）于1857年提出。朗肯理論的基本假定為：（1）擋土墻背豎直，墻面為光滑，不計(jì)墻面和土層之間的摩擦力；（2）擋土墻后填土的表面為水平面，土體向下和沿水平方向都能伸展到無窮，即為半無限空間；（3）擋土墻后填土處于極限平衡狀態(tài)。朗肯理論是從彈性半空間的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，由土的極限平衡理論導(dǎo)出?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)特殊情況下的土壓力1、成層土的土壓力計(jì)算2、地面超載作用下的土壓力計(jì)算與圖式《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)特殊情況下的土壓力3、考慮地下水時(shí)水土壓力計(jì)算水土壓力分算：砂性土和粉土水土壓力合算：粘性土《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2.3.2圍巖壓力的計(jì)算

（一）圍巖壓力及其影響因素

1、圍巖壓力的概念圍巖壓力是指位于地下結(jié)構(gòu)周圍變形及破壞的巖層，作用在襯砌或支撐上的壓力。洞室開挖之前，地層中的巖體處于復(fù)雜的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)。洞室開挖之后，圍巖中的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力重新分布，從而使圍巖產(chǎn)生變形。當(dāng)變形發(fā)展到巖體極限變形時(shí)，巖體就產(chǎn)生破壞。如在圍巖發(fā)生變形時(shí)及時(shí)進(jìn)行襯砌或圍護(hù)，阻止圍巖繼續(xù)變形，防止圍巖塌落，則圍巖對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)就要產(chǎn)生壓力，即所謂的圍巖壓力。

圍巖壓力可分為圍巖垂直壓力、圍巖水平壓力及圍巖底部壓力?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2、影響圍巖壓力的因素

影響圍巖壓力的因素很多，主要與巖體的結(jié)構(gòu)、巖石的強(qiáng)度、地下水的作用、洞室的尺寸與形狀、支護(hù)的類型和剛度、施工方法、洞室的埋置深度和支護(hù)時(shí)間等因素相關(guān)。其中，巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于巖體結(jié)構(gòu)面的類型和特征。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)F28F6F5F27《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)按圍巖壓力及作用分：支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段：第一階段：古典巖土壓力理論階段興起于20世紀(jì)20年代以前，代表性人物主要有海姆（A.Haim）、朗肯（W.J.M.Rankine）和金尼克（A.H.Дииик）。認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重量，側(cè)壓力方面，海姆認(rèn)為側(cè)壓系數(shù)為1，朗肯根據(jù)松散體理論認(rèn)為是，而金尼克根據(jù)彈性理論認(rèn)為是μ/(1-μ)（μ為巖體的泊松比）。當(dāng)時(shí)地下工程埋藏深度不大，一度被認(rèn)為是正確的。

《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)第二階段：散體壓力理論階段代表性人物是泰沙基（K.Terzaghi，太沙基）和普羅托季亞科諾夫（普氏，M.M.Лротдъяконов）。認(rèn)為當(dāng)?shù)叵鹿こ搪癫厣疃容^大時(shí)，支護(hù)上的壓力只是圍巖坍落拱內(nèi)松動(dòng)巖體的重量，坍落拱的高度與地下工程的跨度及圍巖的性質(zhì)有關(guān)。太沙基認(rèn)為坍落拱為矩形，而普羅托季亞科諾夫認(rèn)為是拋物線形。并通過假定抗力的形式考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用。采用荷載—結(jié)構(gòu)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)第三階段：共同作用理論階段沒能科學(xué)地確定坍落拱的高度及其形成過程，更沒有認(rèn)識(shí)到穩(wěn)定圍巖和充分發(fā)揮圍巖的自承作用問題。20世紀(jì)50年代以來，巖石力學(xué)開始成為一門獨(dú)立的學(xué)科，圍巖彈性、彈塑性及粘彈性解答逐步出現(xiàn)，錨（桿）噴（射混凝土）支護(hù)及新奧法（新奧地利隧道設(shè)計(jì)施工）的興起，終于形成了以巖石力學(xué)原理（圍巖）及彈性力學(xué)（結(jié)構(gòu)）為基礎(chǔ)的、考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用的地下現(xiàn)代支護(hù)理論。我國(guó)采用較多的仍是以散體壓力理論為基礎(chǔ)的荷載——結(jié)構(gòu)法，一方面該理論發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，有較多經(jīng)驗(yàn)，另一方面是該計(jì)算理論形式簡(jiǎn)單，比較容易為工程設(shè)計(jì)人員所掌握。只對(duì)圓形斷面才有封閉的解析解，設(shè)計(jì)中一般作為校核，但近年來地層——結(jié)構(gòu)法得到了越來越廣泛的應(yīng)用?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論（按地下結(jié)構(gòu)分）：1、剛性結(jié)構(gòu)階段

剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，如壓力線理論等。背景：十九世紀(jì)磚石結(jié)構(gòu)流行分析方法：三鉸拱靜定體系設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2、彈性結(jié)構(gòu)階段背景：十九世紀(jì)未混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分析方法：彈性連續(xù)拱形框架體系設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)3、假定抗力階段背景：(1910年O.Kommerall；….)1934年Зурабов，бугаева分析方法：鐮刀形抗力圖形作為荷載計(jì)算設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：分析方法：抗力大小，及其位置均由計(jì)算決定在主動(dòng)荷載作用下發(fā)生彈性變形的同時(shí)，將受到地層對(duì)其變形產(chǎn)生的約束作用。將這類約束作用假設(shè)為彈性抗力，地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論便有了與地面結(jié)構(gòu)不同的特點(diǎn)。由此建立的典型方法有類屬假定抗力法的朱拉波夫（Г.Г.Зурабов）、布加也娃（О.Е.бугаева）法（1934），以及將邊墻視為彈性地基梁的力法（1956）、角變位移法及不均衡力矩與側(cè)力傳播法等。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)4、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論

計(jì)算機(jī)數(shù)值方法與設(shè)計(jì)CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圓形隧道的彈塑性屈服準(zhǔn)則應(yīng)用1968年O.C.Zienkiewicz無拉分析研究隧道應(yīng)力和變形1977年W.Wittke圍巖節(jié)理及施工順序?qū)Χ词曳€(wěn)定的影響1979年同濟(jì)大學(xué)，四川二灘水電站地下廠房洞室穩(wěn)定分析1983年發(fā)表初始地應(yīng)力的反分析原理(線性、非線性)1988年完成非線性抗爆動(dòng)力響應(yīng)1992年江陰長(zhǎng)江大橋錨碇的三維時(shí)間效應(yīng)分析由于人們認(rèn)識(shí)到地下結(jié)構(gòu)與地層是一個(gè)受力整體，20世紀(jì)以來，按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論建立地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法的研究也逐漸取得成果。已經(jīng)建立的方法既有解析解，又有各類數(shù)值計(jì)算法?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)的推廣和巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算方法有了很大發(fā)展，已編制多種功能齊全的程序軟件。70年代起，隨著隧道施工力學(xué)研究的發(fā)展，采用新奧法施作的隧道建立仿真計(jì)算技術(shù)的研究，提出復(fù)合支護(hù)計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法，后者同時(shí)包括對(duì)地下工程施工的安全性監(jiān)測(cè)建立和完善量測(cè)技術(shù)，引入反饋設(shè)計(jì)方法，以優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和確保工程施工的安全性。應(yīng)予指出，后期提出的計(jì)算方法一般并不否定前期的研究成果。鑒于巖土介質(zhì)性質(zhì)的復(fù)雜多變性，這些計(jì)算方法一般都有各自的適用場(chǎng)合，但都帶有一定的局限性。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)確定圍巖壓力的方法可分為三種：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)理論計(jì)算：代表性方法為普氏理論、泰沙基理論，至今尚不夠完善，有待進(jìn)一步研究；工程類比法。該方法是在大量實(shí)際資料和一定理論分析的情況下，按圍巖分類提出經(jīng)驗(yàn)公式，作為確定圍巖壓力依據(jù)的方法。我國(guó)多采用工程類比法確定圍巖壓力，并采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算的方法進(jìn)行驗(yàn)算?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)（二）圍巖壓力的計(jì)算方法1、按松散體理論計(jì)算圍巖壓力1）垂直圍巖壓力

①淺埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力

《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)（3）淺埋水平地下結(jié)構(gòu)圍巖壓力計(jì)算埋深（H）小于或等于等效荷載高度（hq）時(shí)，荷載視為均布垂直壓力側(cè)向力e按均布考慮時(shí)，其值為：《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)表3.7公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ026-90）給出的計(jì)算摩擦角圍巖類別IIIIIIIVV～VI圍巖級(jí)別V～VIIVIIIIII計(jì)算摩擦角≤30o31o～42o43o～54o55o～66o>78o圍巖的計(jì)算摩擦角《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)（1）深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判定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；hp——荷載等效高度，q——深埋隧道垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）（可由下述公式確定）；

——圍巖容重（kN/m3）；《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)表3-3鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10003-2001,J117-2001）給出的淺埋隧道覆蓋層厚度值（m）圍巖類別IIIIVV單線隧道覆蓋厚度5～710～1418～25雙線隧道覆蓋厚度8～1015～2030～35《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)(b)埋深（H）大于等效荷載高度（hq），小于深埋淺埋隧道分界深度（圖3-3埋深大于等效荷載高度、小于深埋隧道分界深度時(shí)土壓力計(jì)算模式《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)表3-8公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ026-90）給出的各類圍巖的θ值圍巖類別≥IVIIIIIθ值0.9φ(0.7～0.9)φ(0.5～0.7)φ隧道上覆巖體EFHG的重力為W，兩側(cè)三棱巖體FDB或ECA的重量為W1，未擾動(dòng)巖體對(duì)整個(gè)滑動(dòng)土體的阻力為F，當(dāng)EFHG下沉，兩側(cè)受到的阻力為T或T’作用于HG面上的垂直壓力總值:《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)由正弦定律可得：《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)

——側(cè)壓力系數(shù)，由下式給出：《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水平側(cè)壓力為《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)（二）圍巖壓力的計(jì)算方法1、按松散體理論計(jì)算圍巖壓力②深埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力

普氏理論拋物線狀的天然拱《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)（二）圍巖壓力的計(jì)算方法1）豎直壓力2）水平圍巖壓力

3）底部圍巖壓力《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)松動(dòng)模型水平層理圍巖的松弛土壓（孫廣忠，1988；代高飛，2004）

太沙基松動(dòng)模型

（b）泰沙基（K.Terzaghi）理論《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)豎直力為深埋隧道《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)泰氏地層壓力表地層情況地層壓力按坍落高度計(jì)(m)地層情況地層壓力按坍落高度計(jì)(m)堅(jiān)硬地層或成薄層0～0.5b有壓力的覆蓋較薄1.1c～2.1c大塊的有輕微裂隙0～2.5b有壓力的覆蓋較厚2.1c～4.5c有輕微碎塊未活動(dòng)0.25b～0.35c*有膨脹壓力可達(dá)8c有強(qiáng)烈破碎未活動(dòng)0.35c～1.1c沙0.6c～1.6c成碎塊的未解體1.1c*注：①b為坍落度高度的一半，c=b+凈空高度（m）；適用條件：埋深>1.5c；②坑道隧道位于地下水位以下時(shí)，表列值可減少50%。《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)泰沙基根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出K=1.0～1.5，取K=1.0，則上式可寫為

其形式和普氏理論一致?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)(c)我國(guó)公（鐵）路隧道推薦圍巖壓力計(jì)算方法以隧道圍巖分類和工程類比設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)數(shù)百座公（鐵）路隧道的坍塌調(diào)查資料而擬定的。i——以隧道跨度B=5m的圍巖豎直均布?jí)毫榛A(chǔ)，B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率。當(dāng)B<5m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B=5～15m時(shí)，取i=0.1；當(dāng)B>15m時(shí)，可參照i=0.1采用。舊：新：《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)圍巖水平均布?jí)毫?公路隧道設(shè)計(jì)新規(guī)范給出的水平均布?jí)毫Γ╧N/m2）圍巖級(jí)別VIVIVIIII～I(xiàn)I水平均布?jí)毫（0.5～1.0）q（0.3～0.5）q（0.15～0.3）q<0.15q0《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)對(duì)于更一般的深埋隧道，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10003-2001,J117-2001）給出的豎直均布?jí)毫Φ挠?jì)算公式為：式中S——圍巖類別（按鐵路隧道新的圍巖分類，I類最好，VI類最差）《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)這就是著名的修正了的芬諾公式。它表示當(dāng)巖體性質(zhì)、埋深等確定的情況下，非彈性變形區(qū)大小與支護(hù)對(duì)圍巖提供的反力間的關(guān)系

2、按彈塑性體理論計(jì)算圍巖壓力

彈性厚壁圓筒:非彈性區(qū)彈塑性理論解:r=R，支護(hù)對(duì)洞室周邊的反力《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)3、按圍巖分級(jí)和經(jīng)驗(yàn)公式確定圍巖壓力

《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)初始地應(yīng)力、釋放荷載與開挖效應(yīng)

初始地應(yīng)力一般包括自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，但土層中僅有自重應(yīng)力場(chǎng)存在，巖層中對(duì)于Ⅳ級(jí)以下圍巖，噴射混凝土層將在同圍巖共同變形的過程中對(duì)圍巖提供支護(hù)抗力，使圍巖變形得到控制，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，噴層將受到來自圍巖的擠壓力。這種擠壓力由圍巖變形引起，常稱作“形變壓力”。

時(shí)間效應(yīng)：Ⅳ級(jí)以下圍巖一般呈現(xiàn)塑性和流變特性

釋放荷載：可由已知初始地應(yīng)力或與前一步開挖相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)確定。先求得預(yù)計(jì)開挖邊界上各結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，并假定各結(jié)點(diǎn)間應(yīng)力呈線性分布，然后反轉(zhuǎn)開挖邊界上各結(jié)點(diǎn)應(yīng)力的方向(改變其符號(hào))，據(jù)以求得釋放荷載。

《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)1、初始地應(yīng)力的確定

初始地應(yīng)力{

0}的確定常需專門研究。對(duì)巖石地層，初始地應(yīng)力可分為自重地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力兩部分，而土層一般僅有自重地應(yīng)力。其中自重地應(yīng)力可由有限元法求得，構(gòu)造地應(yīng)力可由位移反分析方法確定。

補(bǔ)充彈性力學(xué)有限元..\..\地下結(jié)構(gòu)\地下結(jié)構(gòu)講義\第五章_2_彈性力學(xué)有限元基礎(chǔ)2.pdf《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)分期施工效應(yīng)采用增量法考慮荷載的逐級(jí)施加，模擬填筑和開挖等施工工程?！兜叵陆ㄖY(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)初始地應(yīng)力場(chǎng)和隧道（隧洞）開挖效應(yīng)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)釋放荷載等效結(jié)點(diǎn)力的求法有二種：第一種：根據(jù)結(jié)點(diǎn)力靜力等效原則——單元應(yīng)力法《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)第二種：洞周邊界等效結(jié)點(diǎn)力法《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)2、釋放荷載的計(jì)算《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)彈性抗力

結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下，要產(chǎn)生變形。以隧道工程為例，如圖所示的曲墻拱形結(jié)構(gòu)，在主動(dòng)荷載（垂直荷載大于水平荷載）作用下，產(chǎn)生的變形如虛線所示：《地下建筑結(jié)構(gòu)》第二版(朱合華)中文課件(2)三、圍巖彈性抗力

所謂彈性抗力就是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向圍巖方向的變形而引起圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束反力。

確定彈性抗力大小和作用范圍的描述方法有兩種：1）局部變形理論認(rèn)為彈性地基（圍巖）某點(diǎn)上施加的外力只會(huì)引起該點(diǎn)的沉陷；2）共同變形理論認(rèn)為