地下建筑與結(jié)構(gòu)-第二篇第1章-地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載-第7講

地下建筑結(jié)構(gòu)主講：張亮泉副教授第二篇地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論與方法本篇的內(nèi)容：理解地下建筑結(jié)構(gòu)形式和荷載了解地下建筑結(jié)構(gòu)計算方法的現(xiàn)狀與發(fā)展理解地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的四類模型：經(jīng)驗類比模型、荷載-結(jié)構(gòu)模型、地層-結(jié)構(gòu)模型、收斂限制模型理解地下建筑結(jié)構(gòu)的三種設(shè)計方法：經(jīng)驗設(shè)計方法、荷載-結(jié)構(gòu)法、地層-結(jié)構(gòu)法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載本章內(nèi)容：理解地下建筑結(jié)構(gòu)荷載類型及其組合理解圍巖及、圍巖的分級、圍巖的應(yīng)力狀態(tài)了解淺埋和深埋地下結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力了解地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的核武器和常規(guī)武器的爆炸荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載1.1

地下結(jié)構(gòu)的形式一、地下工程的組成（*）地下空間的構(gòu)筑物和實現(xiàn)，首先要在地層中挖掘洞室，洞室開挖使地層的初始應(yīng)力狀態(tài)改變，釋放荷載，產(chǎn)生變形并隨著時間的推進(jìn)逐漸發(fā)展，因此洞室開挖后必須沿洞室周邊修建永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，即襯砌。同時，為了滿足使用要求，有時尚需在襯砌內(nèi)部修建必要的梁、板、柱、墻體等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即地下結(jié)構(gòu)由襯砌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個部分組成。第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載二、襯砌的作用（*）襯砌結(jié)構(gòu)主要起承重和圍護(hù)兩方面的作用。承重，即承受巖土體壓力、結(jié)構(gòu)自重以及其他荷載的作用，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求；圍護(hù)，即防止巖土體風(fēng)化、坍塌，防水，防潮等，保持地下空間干燥、清潔，滿足使用要求。三、地下建筑結(jié)構(gòu)的分類及其主要形式（*）1、根據(jù)地層介質(zhì)的不同，地下結(jié)構(gòu)分為兩大類：土層地下建筑結(jié)構(gòu)和巖石地下建筑結(jié)構(gòu)。2、地下建筑結(jié)構(gòu)的形式土層地下建筑結(jié)構(gòu)（1）淺埋式結(jié)構(gòu)覆土厚度：5~10m修建方法：明挖填埋法結(jié)構(gòu)平面形狀：平面呈方形、長方形或條形結(jié)構(gòu)形式：梁板式或框架式（頂部呈拱形時，做豎壁，成

直墻拱）（2）地道式結(jié)構(gòu)修建方法：暗挖法結(jié)構(gòu)形式：直墻或曲墻拱結(jié)構(gòu)第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法（3）裝配式圓形管片結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)斷面形式：圓形修建方法：盾構(gòu)法（4）沉井結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式：一端開口的井狀結(jié)構(gòu)，水平斷面一般成方形或

圓形，可以單孔也可以多孔修建方法：底部挖土，頂部出土，主要利用結(jié)構(gòu)的自重作用下沉（5）頂管式結(jié)構(gòu)斷面形式：圓形（最常用）、矩形或多跨箱涵結(jié)構(gòu)修建方法：千斤頂頂進(jìn)就位第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載（6）沉管式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式：箱型結(jié)構(gòu)修建方法：預(yù)制管段，托運(yùn)沉放（7）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)建筑施工，敞開開挖的地下空間，其四周的垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)（8）附建式結(jié)構(gòu)房屋下面的地下室，一般有承重的外墻、內(nèi)墻的梁板式結(jié)構(gòu)或板式結(jié)構(gòu)。（9）地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)分段建造兩條連續(xù)墻，然后中間挖土，修建底板、頂板和中間樓層。第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載巖石地下建筑結(jié)構(gòu)（1）半襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：巖層較堅硬，巖石整體性好而節(jié)理又不發(fā)育的

穩(wěn)定或基本穩(wěn)定圍巖。結(jié)構(gòu)形式：只做拱圈，不做邊（2）貼壁式襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：圍巖穩(wěn)定或基本穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)形式：襯砌與圍巖緊密接觸。又分為：厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)、直墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)、曲墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法（3）離壁式襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：圍巖穩(wěn)定或基本。結(jié)構(gòu)形式：襯砌與圍巖分離，拱腳處局部支撐于巖壁上（4）噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)適用情況：巖層的地質(zhì)條件較差，可以臨時的支護(hù)，也可

作永久襯砌結(jié)構(gòu)形式：噴混凝土、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、錨桿噴混凝土、

錨桿鋼筋網(wǎng)噴混凝土（5）復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：巖層具有自承載能力，支護(hù)能加固和穩(wěn)定圍巖，

使圍巖自支承能力可充分發(fā)揮。第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法（6）穹頂直墻襯砌結(jié)構(gòu)適用情況：無水平壓力或側(cè)壁圍巖穩(wěn)定的巖層結(jié)構(gòu)形式：頂、墻整體式和頂、墻分離式（7）連拱隧道結(jié)構(gòu)適用情況：洞口地形狹窄，或?qū)啥撮g距有特殊要求的中

短隧道結(jié)構(gòu)形式：整體式中墻和復(fù)合式中墻第1章地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載1.2

地下結(jié)構(gòu)的荷載一、地下結(jié)構(gòu)的特點（*）地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)相比，在計算理論和施工方法兩個方面都有許多不同之處。其中，最主要的是地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載比地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這是因為地下結(jié)構(gòu)埋置于地下，其周圍的巖土體不僅作為荷載作用于結(jié)構(gòu)上，而且約束著結(jié)構(gòu)的位移和變形。所以，在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計中除了要計算因素多變的巖土體壓力之外，還要考慮地下結(jié)構(gòu)與周圍土體的共同作用。這一點是地下結(jié)構(gòu)在計算理論上與地面結(jié)構(gòu)最主要的差別。第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載二、地下結(jié)構(gòu)的荷載（*）1、荷載類型及荷載組合（1）荷載類型按荷載存在的狀態(tài)可分為下列四類：靜荷載：又稱恒載，是指長期作用在結(jié)構(gòu)上且大小、方向

和作用點不變的荷載。如結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力、

地下水壓力、固定的設(shè)備或設(shè)施等。動荷載：主要是核武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭）爆炸沖

擊波壓力所產(chǎn)生的荷載（瞬時作用）。還指地

震荷載和長期震動荷載。第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載活荷載：指結(jié)構(gòu)物施工和使用期間存在變動的荷載，其大

小和作用位置都可能變化，如作用在結(jié)構(gòu)樓板上

的人、物品、設(shè)備等，施工安裝過程中的臨時性

荷載、移動荷載。其他荷載：材料收縮、溫度變化、不均勻沉降等是結(jié)構(gòu)產(chǎn)

生的內(nèi)力。這些因素一般通過加大安全系數(shù)和

在施工、構(gòu)造上采取措施解決。

第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載（2）荷載組合荷載組合方案：①靜荷載②靜荷載+活荷載③靜荷載+核爆炸荷載（一次單獨(dú)作用）④炮（炸）彈局部沖擊作用荷載（一次單獨(dú)作用）⑤靜荷載+核爆炸荷載+上部建筑物自重后倒塌荷載⑥靜荷載+施工荷載不同結(jié)構(gòu)采用的組合方案單建式淺埋大跨度防護(hù)結(jié)構(gòu)采用③項組合無防護(hù)結(jié)構(gòu)采用②組合第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載不同結(jié)構(gòu)采用的組合方案單建式淺埋大跨度防護(hù)結(jié)構(gòu)采用③項組合無防護(hù)結(jié)構(gòu)采用②組合整體小跨度國防工事采用④項組合附建式防護(hù)結(jié)構(gòu)采用⑤項組合對于同一建筑不同構(gòu)件的組合方案直接承受核爆炸荷載的外部構(gòu)件采用③項組合不直接承受核爆炸荷載的內(nèi)部構(gòu)件采用②項組合第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載2、地下結(jié)構(gòu)的地質(zhì)環(huán)境（*）（1）圍巖及其分級圍巖是指地層中受開挖作用影響的那一部分巖體。圍巖的工程性質(zhì)：強(qiáng)度和變形圍巖的工程性質(zhì)的影響因素：巖體的結(jié)構(gòu)特征及其特性、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力及地下水條件等。圍巖的分級（工程類比設(shè)計的重要依據(jù)）①單因素巖石力學(xué)指標(biāo)分級法②多因素綜合指標(biāo)分級法③組合指標(biāo)函數(shù)法④定性與定量多因素指標(biāo)相結(jié)合分級法第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載（2）圍巖初始應(yīng)力、釋放荷載與地層抗力圍巖的初始應(yīng)力場：由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在地下工程開挖前巖體中就已經(jīng)存在著一定的地應(yīng)力場。這個地應(yīng)力場就叫做圍巖的初始應(yīng)力場。圍巖初始應(yīng)力場的構(gòu)成：自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場對于巖石地層初始應(yīng)力可分為自重地應(yīng)力和構(gòu)造地應(yīng)力，其初始應(yīng)力的確定需專門研究對于土層初始應(yīng)力僅有自重地應(yīng)力，其初始應(yīng)力的確定采用半無限體的假定條件下，用疊加法計算（土力學(xué)的方法）釋放荷載：巖體開挖后，圍巖釋放出來的初始應(yīng)力或前一步開挖相應(yīng)的應(yīng)力所產(chǎn)生的荷載。第1章地下建筑結(jié)構(gòu)的形式和荷載地層抗力①產(chǎn)生原因：地面結(jié)構(gòu)在外力的作用下，可以自由變形不受約束，而地下結(jié)構(gòu)在外力的作用下，其變形受到地層的約束，這種結(jié)構(gòu)與地層之間的相互作用，稱之為地層抗力。②地層抗力的大小及其影響因素：結(jié)構(gòu)的變形、地層的物理力學(xué)性質(zhì)③確定方法：局部變形理論（簡單，精度滿足工程要求）彈性地基某點上施加的外力只會引起該點的沉陷共同變形理論（合理，計算復(fù)雜）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