第2章地下建筑結(jié)構(gòu)的荷載

1、NoImage NoImage本講內(nèi)容本講內(nèi)容123456NoImage1. 荷載種類和組合荷載種類和組合荷載種類荷載種類按存在狀態(tài)可分為：靜荷載、動(dòng)荷載和活荷載等按存在狀態(tài)可分為：靜荷載、動(dòng)荷載和活荷載等 靜荷載靜荷載：又稱恒載；動(dòng)荷載動(dòng)荷載：這是瞬時(shí)作用的動(dòng)荷載活荷載活荷載：是指在結(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。其它荷載其它荷載：混凝土材料收縮（包括早期混凝土的凝縮與日后的干縮）受到約束而產(chǎn)生的內(nèi)力； NoImage1. 荷載種類和組合荷載種類和組合荷載組合荷載組合 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

2、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） NoImage2. 2. 荷載的確定方法荷載的確定方法確定依據(jù)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 。NoImage2. 2. 荷載的確定方法荷載的確定方法.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

3、按結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。 （4）截面計(jì)算原則 （5）安全系數(shù) （6）材料強(qiáng)度指標(biāo)NoImage3. 3. 計(jì)算理論計(jì)算理論計(jì)算原理計(jì)算原理 . 地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論較多地應(yīng)用以文克爾假定為基礎(chǔ)的局部變形理論以及以彈性理論為基礎(chǔ)的共同變形理論。 地層對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力限制了結(jié)構(gòu)的變形，故改善了結(jié)構(gòu)的受力情況。NoImage3. 3. 計(jì)算理論計(jì)算理論 地下結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生變形，而地層阻止這種變形發(fā)展，給結(jié)構(gòu)一定的彈性抗力，如下圖所示：拱形、圓形等有跨變結(jié)構(gòu)的彈性抗力作用顯著。而矩形結(jié)構(gòu)的抗力作用較小，在軟土中常忽略不計(jì)。 NoImage3. 3. 計(jì)算理論計(jì)算理論計(jì)算方法計(jì)算方法 土層地下建筑結(jié)構(gòu)

4、的計(jì)算方法有：一般結(jié)構(gòu)力學(xué)法，彈性地基梁法（見本書第3章），矩陣分析法，荷載結(jié)構(gòu)法，地層結(jié)構(gòu)法（見本書第4章）。近來發(fā)展用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限單元法來計(jì)算結(jié)構(gòu)與地層的內(nèi)力，并進(jìn)而考慮彈塑性、非線性、粘彈性的計(jì)算方法。 荷載的計(jì)算荷載的計(jì)算 地下建筑結(jié)構(gòu)上所承受的荷載有結(jié)構(gòu)自重、地層壓力、彈性抗力、地下靜水壓力、車輛和設(shè)備重量及其他使用荷載等。 其中地層壓力（包括土壓力和圍巖壓力）是至關(guān)重要的荷載。墻體位移與土壓力類型墻體位移與土壓力類型E15%15%0E0EaHHEp土壓力 E_ HH+靜止土壓力靜止土壓力 E0主動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力 Ea被動(dòng)土壓力被動(dòng)土壓力 EpNoImage1.1.靜止土壓力

5、的計(jì)算靜止土壓力的計(jì)算圖2.3 靜止土壓力計(jì)算圖式 巖土體壓力的計(jì)算巖土體壓力的計(jì)算NoImagesin0K a-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，砂土，粉土取1.0； 黏性土、淤泥質(zhì)土取0.95。通過CU試驗(yàn)測(cè)定。巖土體壓力的計(jì)算巖土體壓力的計(jì)算2.2.庫倫土壓力理論庫倫土壓力理論 庫倫理論的基本假定 庫倫理論是由法國(guó)科學(xué)家?guī)靷悾–oulomb, C.A.）于1773年發(fā)表的，主要是針對(duì)擋土墻的計(jì)算，其計(jì)算的基本假定為（圖2.4） 擋土墻墻后土體為均質(zhì)各向同性的無粘性土無粘性土； 擋土墻是剛性的且長(zhǎng)度很長(zhǎng)，屬于平面應(yīng)變問題； 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； 墻頂

6、處土體表面可以是水平面，也可以為傾斜面，傾斜面與水平面的夾角為角； 在滑裂面和墻背面上的切向力分別滿足極限平衡條件 ACH B無粘性土的主動(dòng)土壓力無粘性土的主動(dòng)土壓力W ER WRE - =90 - - )()(180sin)sin(fWE0ddf 、E2.2.庫倫土壓力理論庫倫土壓力理論 aaKHE221 EEa222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosaK庫侖主動(dòng)土壓力系數(shù)庫侖主動(dòng)土壓力系數(shù)aHKH31Ea土壓力分布：土壓力分布：三角形分布三角形分布2.2.庫倫土壓力理論庫倫土壓力理論 ABC H無粘性土的被動(dòng)土壓力無粘性土的被動(dòng)土壓力WRE + =90 +

7、 - W ER 庫侖被動(dòng)土壓力系數(shù)庫侖被動(dòng)土壓力系數(shù)222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cospK2.2.庫倫土壓力理論庫倫土壓力理論 NoImageNoImage說明：1、根據(jù)庫侖土壓力理論，計(jì)算土壓力的關(guān)鍵是如何確定主動(dòng)土壓力系數(shù) 和被動(dòng)土壓力系數(shù)。 2、3.3.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 1 朗肯極限平衡應(yīng)力狀態(tài)朗肯極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 自重應(yīng)力作用下，半無限土體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力從自重應(yīng)力作用下，半無限土體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力從彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的情況。彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的情況。 3f v= z K0 v主動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)主動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)

8、1 345 + /22.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 1f v= z K0 v被動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài)被動(dòng)極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 1 3 3 145 - /22.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 主動(dòng)土壓力系數(shù)主動(dòng)土壓力系數(shù))2/45(2tgKp)2/45(2tgKa被動(dòng)土壓力系數(shù)被動(dòng)土壓力系數(shù)靜止土壓力系數(shù)靜止土壓力系數(shù)sin10Ksin1sin1sin1sin1paKKK1015%15%0E0EaHHEp土壓力 E_ HH+2.2.朗肯土壓力理論朗肯土壓力理論 在庫侖理論中：在庫侖理論中： = = =0，即墻背垂直，即墻背垂直光滑，填土表面水平時(shí)，與朗肯理論等價(jià)光滑，填土表面水平時(shí)，與朗肯理論等

9、價(jià) NoImage1、分層土的土壓力計(jì)算 2、不同地面超載作用下的土壓力計(jì)算與圖式 3、考慮地下水時(shí)水土壓力計(jì)算 水土壓力合算（砂土，粉土）、水土壓力分算（黏性土） 特殊情況下的土壓力 2 1分層土的土壓力計(jì)算分層土的土壓力計(jì)算aaakczKp2 2 2 H1H2 1 1 111aKH211aKH 22211)(aKHH 1 = 2 時(shí)時(shí)2 12 固結(jié)不排水剪(CU)強(qiáng)度不固結(jié)不排水剪(UU)強(qiáng)度 剪切破壞強(qiáng)度是發(fā)生剪切變形破壞時(shí)的強(qiáng)度。NoImage 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 即所謂由于洞室圍巖的變形和破壞而作用在支護(hù)或襯砌上的壓力的圍巖壓力的圍巖壓力

10、。 圍巖壓力可分為圍巖垂直壓力、圍巖水圍巖垂直壓力、圍巖水平壓力及圍巖底部壓力平壓力及圍巖底部壓力 。2、影響圍巖壓力的因素 影響山巖壓力的因素 (1)洞室的形狀和大小 (2)地質(zhì)構(gòu)造 (3)支護(hù)的型式和剛度 (4)洞室深度 (5)時(shí)間 (6)施工方法 圍巖壓力及其影響因素NoImage（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）垂直圍巖壓力 淺埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力 深埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力 2）水平圍巖壓力）水平圍巖壓力 3）底部圍巖壓力）底部圍巖壓力 2、按彈塑性體理論計(jì)算圍巖壓力 1、按松散體理論計(jì)算圍巖壓力 由于巖體一般總是有一定的裂隙節(jié)理，又由于洞室開挖施

11、工的影響，其圍巖不可能是一個(gè)非常完整的整體，而松散體理論中假定巖石為散粒體，并具有一定的凝聚力，所以用這一理論計(jì)算松動(dòng)圍巖壓力有時(shí)也可以得到較好的效果。 淺埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力 作用在地下結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力為巖石柱重量與兩側(cè)所提供摩擦力之差。從洞室底面的兩端起可能形成伸延到地面的傾斜破裂面，見下圖中的AB和CD。從上式可以看出隨著深度的增加，圍巖壓力逐漸減小，這與實(shí)際不符。該式僅適用于淺埋結(jié)構(gòu)。 隨著深度的增加，兩側(cè)摩阻力超過了滑移柱的重量。只有AEB以下巖體重量對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，又稱為壓力拱壓力拱壓力拱能夠自然穩(wěn)定平衡，其上任何一點(diǎn)均無力矩。只要確定壓力拱的形狀及高度就可以確定出圍巖壓力 q=

12、h1 深埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力2）水平圍巖壓力）水平圍巖壓力 3）底部圍巖壓力）底部圍巖壓力 1、按松散體理論計(jì)算圍巖壓力只是對(duì)較松軟的巖石才考慮計(jì)算時(shí)先求出垂直圍巖壓力的集度，而后乘以側(cè)壓力系數(shù)Ka(主動(dòng)土壓力)通常不計(jì)算2、按彈塑性體理論計(jì)算圍巖壓力 從理論k講，彈塑性理論比前面的理論要嚴(yán)密些，但是彈塑性理論的數(shù)學(xué)運(yùn)算較復(fù)雜，公式也較繁。 在 r= R的可變范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑性區(qū)。彈性變形區(qū)彈性變形區(qū)非圖2.24 彈塑性模型計(jì)算圍巖壓力圖式NoImagectgcRactgcppbsin1sin2sin1 這就是著名的修正了的芬諾公式芬諾公式。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

13、小與支護(hù)對(duì)圍巖提供的反力間的關(guān)系 在彈性區(qū)和塑性區(qū)的交界處分別滿足彈性解和塑性解，據(jù)此推導(dǎo)出圍巖壓力的計(jì)算公式2、按彈塑性體理論計(jì)算圍巖壓力 NoImage3、按圍巖分級(jí)和經(jīng)驗(yàn)公式確定圍巖壓力 NoImage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)：級(jí)以下圍巖一般呈現(xiàn)塑性和流變特性 NoImage 1、初始地應(yīng)力的確定 初

14、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。 2、 釋放荷載的計(jì)算 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 NoImage 地層彈性抗力 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2.25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襯砌拉力區(qū)脫離區(qū)變形后外輪廓線圖2.25 襯砌結(jié)構(gòu)在外力作用下的變形規(guī)律（被動(dòng)荷載）NoImage彈性抗力大小和分布規(guī)律不僅決定于結(jié)構(gòu)的變形，還與地層的物理力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。 計(jì)算理論：一種是局部變形理論，認(rèn)為彈性地基某點(diǎn)上施加的外力只會(huì)