(地下建筑結(jié)構(gòu))第四章(地下結(jié)構(gòu)荷載計算)

地下建筑結(jié)構(gòu)荷載第四章1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24.1荷載種類和組合4.1.1荷載種類按存在狀態(tài)分為:靜荷載、動荷載和活荷載等靜荷載: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、巖土體壓力、彈性抗力和地下水壓力等；3活荷載:指在結(jié)構(gòu)物施工和使用期間可能存在的變動荷載，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地下結(jié)構(gòu)作用的荷載以及施工安裝過程中的臨時性荷載。動荷載:要求具有一定防護能力的地下建筑物，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，這是瞬時作用的動荷載；在抗震區(qū)進行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)計算地震波作用下的動荷載作用。456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。7地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載，按其作用特點及使用中可能出現(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)所特有的被動荷載。8（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、地下儲油庫的油壓力、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)時發(fā)生的武器爆炸沖擊動荷載。94.1.2荷載組合各種荷載對結(jié)構(gòu)可能不是同時作用，需進行最不利情況的組合。先計算個別荷載單獨作用下的結(jié)構(gòu)各部件截面的內(nèi)力，再進行最不利的內(nèi)力組合，得出各設(shè)計控制截面的最大內(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+動載（原子爆炸動載、炮（炸）彈動載）104.1.2荷載組合指將可能同時出現(xiàn)在地下結(jié)構(gòu)上的荷載進行編組,取其最不利組合作為設(shè)計荷載,以最危險截面中最大內(nèi)力值作為設(shè)計依據(jù)。我國公路和鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中給出的永久、可變及偶然荷載（在鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中采用概率極限狀態(tài)設(shè)計法時稱為作用）參見表4-1和表4-2。11表4-1公路隧道設(shè)計規(guī)范（JTJ026-90）的隧道荷載編號荷載分類荷載名稱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)計隧道結(jié)構(gòu)時，按其可能出現(xiàn)的最不利情況組合。12表4-2鐵隧道設(shè)計規(guī)范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷載）分類編號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)計渡槽明洞時）11制動力附加荷載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134.2荷載的確定方法4.2.1確定依據(jù)(1)依據(jù)規(guī)范:當前在地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中試行的規(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)計規(guī)范，設(shè)計時應(yīng)遵守各有關(guān)規(guī)范。(2)設(shè)計標準1）根據(jù)建筑用途、防護等級、地震等級等確定。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)計算?？紤]抗爆動載時,允許考慮由塑性變形引起的內(nèi)力重分布。144.2荷載的確定方法3）截面計算原則結(jié)構(gòu)截面計算時,按總安全系數(shù)法進行,一般進行強度、裂縫（抗裂度或裂縫寬度）和變形的驗算等?；炷梁痛u石結(jié)構(gòu)僅需進行強度計算,并在必要時驗算結(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,除按強度計算外,一般應(yīng)驗算裂縫寬度,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。對較重要的結(jié)構(gòu)則不能開裂,即驗算抗裂度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸動載作用下只需進行強度計算,不作裂縫驗算。154）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,對混凝土和鋼筋砼結(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,由于爆炸時間較短,而荷載很大,為使結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟和配筋合理,其安全系數(shù)可以適當降低。5）材料強度指標一般采用工業(yè)與民用建筑規(guī)范中的規(guī)定值,亦可根據(jù)實際情況,參照水利、交通、人防和國防等專門規(guī)范。結(jié)構(gòu)在動載作用下,材料強度可以提高；提高系數(shù)見有關(guān)規(guī)定。164.3巖土體壓力的計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、主動土壓力（往往簡稱土壓力）和被動土壓力（往往簡稱土抗力）三種,其中主動土壓力值最小,被動土壓力值最大,而靜止土壓力值介于兩者之間。17182.3.1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”計算。豎向土壓力即為結(jié)構(gòu)頂蓋上整個土柱的全部重量。側(cè)向土壓力經(jīng)典理論主要是庫倫（Coulomb）理論和朗肯（Rankine）理論。靜止土壓力計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。19

4.3.2圍巖壓力的計算

（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。當變形發(fā)展到巖體極限變形時，巖體就產(chǎn)生破壞。如在圍巖發(fā)生變形時及時進行襯砌或圍護，阻止圍巖繼續(xù)變形，防止圍巖塌落，則圍巖對襯砌結(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。202.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)、巖石的強度、地下水的作用、洞室的尺寸與形狀、支護的類型和剛度、施工方法、洞室的埋置深度和支護時間等因素相關(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。212223按圍巖壓力及作用分:支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展可以劃分為三個階段:第一階段:古典巖土壓力理論階段興起于20世紀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）。認為作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重量，側(cè)壓力方面，海姆認為側(cè)壓系數(shù)為1，朗肯根據(jù)松散體理論認為是，而金尼克根據(jù)彈性理論認為是μ/(1-μ)（μ為巖體的泊松比）。當時地下工程埋藏深度不大，一度被認為是正確的。24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）。認為當?shù)叵鹿こ搪癫厣疃容^大時，支護上的壓力只是圍巖坍落拱內(nèi)松動巖體的重量，坍落拱的高度與地下工程的跨度及圍巖的性質(zhì)有關(guān)。太沙基認為坍落拱為矩形，而普羅托季亞科諾夫認為是拋物線形。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)法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算。25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，更沒有認識到穩(wěn)定圍巖和充分發(fā)揮圍巖的自承作用問題。20世紀50年代以來，巖石力學(xué)開始成為一門獨立的學(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）支護及新奧法（新奧地利隧道設(shè)計施工）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、考慮支護結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用的地下現(xiàn)代支護理論。我國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)展時間較長，有較多經(jīng)驗，另一方面是該計算理論形式簡單，比較容易為工程設(shè)計人員所掌握。只對圓形斷面才有封閉的解析解，設(shè)計中一般作為校核，但近年來地層——結(jié)構(gòu)法得到了越來越廣泛的應(yīng)用。26地下結(jié)構(gòu)的計算理論（按地下結(jié)構(gòu)分）：1.剛性結(jié)構(gòu)階段剛性結(jié)構(gòu)的計算理論，如壓力線理論等。背景：十九世紀磚石結(jié)構(gòu)流行分析方法：三鉸拱靜定體系設(shè)計準則：272.彈性結(jié)構(gòu)階段背景：十九世紀未混凝土、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)計準則：混凝土設(shè)計規(guī)范283.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算設(shè)計準則：分析方法：抗力大小，及其位置均由計算決定在主動荷載作用下發(fā)生彈性變形的同時，將受到地層對其變形產(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)計算理論便有了與地面結(jié)構(gòu)不同的特點。2930彈性抗力

結(jié)構(gòu)在主動荷載作用下，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:314.連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論計算機數(shù)值方法與設(shè)計CAD1966年S.F.Reyes,D.U.Deere圓形隧道的彈塑性屈服準則應(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力響應(yīng)1992年江陰長江大橋錨碇的三維時間效應(yīng)分析由于人們認識到地下結(jié)構(gòu)與地層是一個受力整體,20世紀以來,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)值計算法。3260年代以來,隨著計算機的推廣和巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進步,數(shù)值計算方法有了很大發(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算技術(shù)的研究,提出復(fù)合支護計算方法和設(shè)計方法,后者同時包括對地下工程施工的安全性監(jiān)測建立和完善量測技術(shù),引入