地下建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法分析課件

地下建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)

主講人：陳海明博士安徽理工大學(xué)·土木與建筑學(xué)院2009年10月14日12/14/20221地下建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)主講人：陳海明博士安徽理工大學(xué)·土木第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法12/14/20222第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法12/11/20222提綱8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/20223提綱8.1地下結(jié)構(gòu)分類12/11/20223第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法8.1地下結(jié)構(gòu)分類

8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載

8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法

8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/20224第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.1.1按結(jié)構(gòu)形狀劃分地下空間結(jié)構(gòu)可按結(jié)構(gòu)形狀劃分為矩形框架結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)、拱與直墻拱結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、敞開式結(jié)構(gòu)等。12/14/202258.1地下結(jié)構(gòu)分類8.1.1按結(jié)構(gòu)形狀劃分12/11/28.1.2按土質(zhì)狀況劃分地下空間的結(jié)構(gòu)按土質(zhì)狀況可分為土層與巖層地下空間結(jié)構(gòu)。土層結(jié)構(gòu)即指在土壤中挖掘的結(jié)構(gòu)，巖層結(jié)構(gòu)指在巖石中挖掘的結(jié)構(gòu)。這里不含水中結(jié)構(gòu)，水中結(jié)構(gòu)與巖土中結(jié)構(gòu)又有較大差別，水中結(jié)構(gòu)包括江河湖海內(nèi)的水下結(jié)構(gòu)，但包含水底巖土中的結(jié)構(gòu)。巖石結(jié)構(gòu)中又分為噴錨結(jié)構(gòu)、半襯砌結(jié)構(gòu)和厚拱薄墻結(jié)構(gòu)等。12/14/202268.1.2按土質(zhì)狀況劃分地下空間的結(jié)構(gòu)按土質(zhì)狀況可分為土層8.1.3按施工方法劃分地下空間的結(jié)構(gòu)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(nèi)建造完工程后將土回填的一種方法，基坑邊坡可采用放坡、直立或支撐的形式而防止土的塌落。暗挖式常用于在土中埋深較大的情況下，通過豎井在土中進(jìn)行挖掘空間而建造的結(jié)構(gòu)，此種方式又稱為礦山法。盾構(gòu)式是在地下采用隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工的一種方法，常用圓形，頂管工具頭也屬盾構(gòu)范疇。其特點(diǎn)是可穿越海底、水底等地下修建隧道，隱蔽、自動(dòng)化與機(jī)械化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。12/14/202278.1.3按施工方法劃分地下空間的結(jié)構(gòu)按施工方法可劃分為以8.1.3按施工方法劃分沉井式是在地面預(yù)先建造好結(jié)構(gòu)，然后通過在井內(nèi)不斷挖土使結(jié)構(gòu)借助自重克服土摩阻力不斷下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高的一種方法，常用于橋梁墩臺(tái)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下倉(cāng)（油）庫(kù)、地下車站及國(guó)防工事等地下工程的建筑施工。連續(xù)墻式是指在施工時(shí)先分段建造兩條連續(xù)墻，然后在中間挖土并由底至上建造底板、樓板、頂板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種施工方法。沉箱（管）式是指將預(yù)制好的結(jié)構(gòu)運(yùn)至預(yù)定位置，并使之下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高的施工方法。12/14/202288.1.3按施工方法劃分沉井式是在地面預(yù)先建造好結(jié)構(gòu)，然后8.1.3按施工方法劃分逆作式是在地下工程施工時(shí)不設(shè)支護(hù)體系，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件作擋墻及支撐，由柱墻、頂板、樓板、基礎(chǔ)自上而下依次開挖和施工的一種方法，其特點(diǎn)是施工作業(yè)面小，可盡快恢復(fù)地面交通，對(duì)周圍環(huán)境影響小，常為矩形結(jié)構(gòu)。頂管（箱）式是在起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置工作井（常采用沉井），在工作井壁設(shè)有孔作為預(yù)制管節(jié)的進(jìn)口與出口，通過千斤頂將預(yù)制管節(jié)按設(shè)計(jì)軸線逐節(jié)頂入土中，對(duì)于較長(zhǎng)距離的情況，頂管常分段進(jìn)行，該方法在城市中不影響交通及附近地面設(shè)施。由于施工方法對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大，常需要進(jìn)行施工階段與使用階段的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。12/14/202298.1.3按施工方法劃分逆作式是在地下工程施工時(shí)不設(shè)支護(hù)體8.1.4按與地面建筑的關(guān)系劃分城市建設(shè)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）結(jié)構(gòu)，反之稱為單建式結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)建設(shè)的多層建筑大多建有地下室，高層建筑則必須建有地下建筑。12/14/2022108.1.4按與地面建筑的關(guān)系劃分城市建設(shè)中大部分地面建筑帶8.1.5按埋深劃分根據(jù)地下空間結(jié)構(gòu)在土中的埋深分為淺埋與深埋地下結(jié)構(gòu)。深淺的定義較為模糊，較為不嚴(yán)格的概念認(rèn)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十分必要的，但我國(guó)目前還沒有統(tǒng)一的劃分方法。12/14/2022118.1.5按埋深劃分根據(jù)地下空間結(jié)構(gòu)在土中的埋深分為淺埋與第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法

8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載

8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法

8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/202212第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法8.1地下8.2地下結(jié)構(gòu)荷載8.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合地下結(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。永久（主要）荷載也稱為長(zhǎng)期作用恒載，主要包括結(jié)構(gòu)自重、回填土層重量、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。圍巖壓力和結(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)所特有的一種被動(dòng)荷載。12/14/2022138.2地下結(jié)構(gòu)荷載8.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合18.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合可變（附加）荷載又分為基本可變荷載和其他可變荷載兩類?；究勺兒奢d，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、人群荷載等。其他可變荷載，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。偶然（特殊）荷載——指偶然發(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。12/14/2022148.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合可變（附加）荷載12/8.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合對(duì)于一個(gè)特定的地下結(jié)構(gòu)，上述幾種荷載不一定同時(shí)存在，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)荷載實(shí)際可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行組合。所謂荷載組合，是指將可能同時(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、可變及偶然荷載參見表8.1和表8.2。12/14/2022158.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合對(duì)于一個(gè)特定的地下結(jié)構(gòu)8.2.2圍巖壓力分類8.2.2.1圍巖壓力及其影響因素12/14/2022168.2.2圍巖壓力分類8.2.2.1圍巖壓力及其影響因素8.2.2.1圍巖壓力及其影響因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(hù)變形、破壞的作用力，它包括由地應(yīng)力（即原巖應(yīng)力）引起的圍巖應(yīng)力以及圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)的變形、流動(dòng)和破壞等現(xiàn)象稱為圍巖壓力顯現(xiàn)或地壓顯現(xiàn)。從廣義上理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護(hù)情況，也包括無支護(hù)情況；既包括在普通的傳統(tǒng)支護(hù)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(hù)方法中所顯示的性態(tài)。從狹義上理解，圍巖壓力是指圍巖作用在襯砌上的壓力。12/14/2022178.2.2.1圍巖壓力及其影響因素圍巖壓力的概念12/118.2.2.1圍巖壓力及其影響因素圍巖壓力的概念由于圍巖壓力是圍巖的變形或破壞造成的，其大小和分布與導(dǎo)致圍巖變形或破壞的諸多因素有關(guān)。事實(shí)上，圍巖壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)本來是一對(duì)相互作用和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)變化的“作用體”，完全用結(jié)構(gòu)工程中的壓力或荷載概念來理解，是不盡合理的。但是，為了采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仍要明確“壓力”或“荷載”的概念，否則將無法進(jìn)行計(jì)算。12/14/2022188.2.2.1圍巖壓力及其影響因素圍巖壓力的概念12/118.2.2.1圍巖壓力及其影響因素影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素基本上與圍巖分類因素大致相同，如巖體結(jié)構(gòu)、巖石強(qiáng)度、地下水、洞室跨度、形狀、支護(hù)類型與剛度、施工方法、洞室埋置深度和支護(hù)時(shí)機(jī)等因素。12/14/2022198.2.2.1圍巖壓力及其影響因素影響圍巖壓力的因素12/8.2.2.2圍巖壓力分類概述圍巖壓力是地下襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要荷載之一。圍巖壓力的研究最早開始于14世紀(jì)，當(dāng)時(shí)用來研究地下采礦工程中出現(xiàn)的一系列問題，如地層移動(dòng)、地表沉陷及坑道支撐等。以后，隨著采礦事業(yè)和其他地下工程的發(fā)展，圍巖壓力的研究也相應(yīng)得到發(fā)展。目前，它已成為巖體力學(xué)研究極為重要的內(nèi)容。目前應(yīng)用較廣的分類是把圍巖壓力分成松動(dòng)壓力、變形壓力、沖擊壓力和膨脹壓力四大類。12/14/2022208.2.2.2圍巖壓力分類概述12/11/2022208.2.2.2圍巖壓力分類松動(dòng)壓力由于開挖導(dǎo)致圍巖松動(dòng)或塌落的巖體以重力的形式直接作用在支護(hù)上的壓力稱為松動(dòng)壓力。這種壓力表現(xiàn)為荷載的特有形式：頂壓大，側(cè)壓小。松動(dòng)壓力通常由下述三種情況形成：（1）在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石對(duì)支護(hù)造成的落石壓力；（2）在松散軟弱的巖體中，隧道頂部和兩側(cè)片幫冒落對(duì)支護(hù)造成的散體壓力；（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，形成了局部塌落松動(dòng)壓力。造成松動(dòng)壓力的因素很多，如圍巖地質(zhì)條件、巖體破碎程度、開挖施工方法、爆破作用、支護(hù)不及時(shí)、回填密實(shí)程度、洞形和支護(hù)形式等。而巖體破碎與臨空面不利組合所構(gòu)成的不穩(wěn)定巖體也容易造成松動(dòng)壓力。12/14/2022218.2.2.2圍巖壓力分類松動(dòng)壓力12/11/2022218.2.2.2圍巖壓力分類變形壓力松動(dòng)壓力是以重力形式直接作用在支護(hù)上的，而變形壓力則是由于圍巖變形受到支護(hù)的抑制產(chǎn)生的。所以變形壓力除與圍巖應(yīng)力有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)剛度密切相關(guān)。按其成因可進(jìn)一步分為下述幾種情況：（1）彈性變形壓力——當(dāng)采用緊跟開挖面進(jìn)行支護(hù)的施工法時(shí)，由于存在著開挖面的“空間效應(yīng)”而使支護(hù)受到一部分圍巖的彈性變形作用，由此而形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(shí)還包括一部分彈性變形）而使支護(hù)受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(chǎn)生顯著的隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加的變形或蠕變。壓力是由巖體的蠕變變形引起的，有顯著的時(shí)間效應(yīng)，它能使圍巖鼓出、閉合，甚至完全封閉。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，既決定于原巖應(yīng)力的大小和巖體的力學(xué)性質(zhì)，也決定于支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和支護(hù)的時(shí)間。12/14/2022228.2.2.2圍巖壓力分類變形壓力12/11/2022228.2.2.2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(zhì)，也有化學(xué)性質(zhì)。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，主要決定于其蒙脫石、伊利石和高嶺土的含量。同時(shí)，還依賴于外界水的滲入和地下水的活動(dòng)特征。巖層中蒙脫石含量越高，有水源供給，膨脹性也就越顯著。12/14/2022238.2.2.2圍巖壓力分類膨脹壓力12/11/2022238.2.2.2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(dòng)下突然釋放所產(chǎn)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緊密相關(guān)。彈性模量較大的巖體在高地應(yīng)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(huì)突然猛烈地大量釋放。12/14/2022248.2.2.2圍巖壓力分類沖擊壓力12/11/2022248.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷因圍巖壓力的計(jì)算有不同的模式，要確定圍巖壓力，首先要區(qū)分深埋和淺埋隧道（地下結(jié)構(gòu)）。對(duì)于公路隧道而言，可以按照經(jīng)典圍巖壓力理論、地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定埋深的界限：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?jí)毫Γ╧N/m2）；

γ———圍巖重度（kN/m3）。12/14/2022258.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷因圍巖壓力的計(jì)算有不同的8.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷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(duì)于鐵路隧道而言，隧道覆蓋厚度小于表8.3所列數(shù)值時(shí)為淺埋隧道。12/14/2022268.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷在礦山法施工的條件下，Ⅰ8.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.1《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》所推薦的方法《鐵路隧道設(shè)計(jì)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(jì)所反映的圍巖松動(dòng)范圍的大小，通過對(duì)坍方資料的統(tǒng)計(jì)分析獲得圍巖松動(dòng)壓力的經(jīng)驗(yàn)估算公式。當(dāng)然，塌方資料的背景不同或統(tǒng)計(jì)分析的前提假定不同，所得經(jīng)驗(yàn)公式也不同。例如，對(duì)于在不產(chǎn)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(jīng)過對(duì)417個(gè)塌方數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)與回歸，可以得到鐵路雙線隧道圍巖豎向均布松動(dòng)壓力的計(jì)算表達(dá)式為12/14/2022278.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.1《鐵路8.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2普氏理論普氏理論假定圍巖為松散體（巖體不同程度地被節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面所切割），是一種基于天然拱概念的圍巖壓力理論，即圍巖的垂直均布?jí)毫檫m用范圍：普氏理論一般對(duì)松散、破碎圍巖較適用。在松軟地層（如淤泥、軟黏土等）中或結(jié)構(gòu)埋深太淺，不能使用普氏理論。12/14/2022288.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2普氏理8.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2太沙基理論太沙基理論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態(tài)的基礎(chǔ)上按平衡條件推導(dǎo)出圍巖壓力的計(jì)算表達(dá)式。假定：①洞室上方巖體因洞室變形而下沉，產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)面OAB和O′A′B′；②豎向壓應(yīng)力σv是均布的，且側(cè)向壓應(yīng)力（k為側(cè)壓力系數(shù)）。12/14/2022298.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2太沙基8.2.5淺埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算一般來說，對(duì)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(huì)引起整個(gè)上覆地層的變位，如果不及時(shí)支撐，地層就會(huì)大量變形和塌落，波及地表而形成一個(gè)沉陷區(qū)。參照?qǐng)D8.5，按平衡條件可得松動(dòng)圍巖壓力=支護(hù)結(jié)構(gòu)反力=滑動(dòng)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具體的埋深情況有關(guān)。12/14/2022308.2.5淺埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算一般來說，對(duì)于埋深較淺8.2.6圍巖彈性抗力前面所講的松動(dòng)圍巖壓力，如結(jié)構(gòu)自重等均屬主動(dòng)荷載。地下結(jié)構(gòu)除承受主動(dòng)荷載作用外，還承受一種被動(dòng)荷載，即圍巖的彈性抗力。結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下要產(chǎn)生變形，如圖8.6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。在拱頂，其變形背向地層，在此區(qū)域內(nèi)圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生約束作用，所以稱為“脫離區(qū)”，而在靠近拱腳和邊墻的部位，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓向地層的變形。由于結(jié)構(gòu)與圍巖緊密接觸，圍巖將制止結(jié)構(gòu)的變形，從而產(chǎn)生了對(duì)結(jié)構(gòu)的反作用力，對(duì)這個(gè)反作用力習(xí)慣上稱“彈性抗力”。因此，圍巖的彈性抗力是在主動(dòng)荷載作用下，襯砌向圍巖方向的變形而引起的圍巖被動(dòng)力。彈性抗力作用的范圍稱為“抗力區(qū)”。12/14/2022318.2.6圍巖彈性抗力前面所講的松動(dòng)圍巖壓力，如結(jié)構(gòu)自重等8.2.6圍巖彈性抗力圍巖彈性抗力的存在是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)之一。因?yàn)椋孛娼Y(jié)構(gòu)在外力作用下，可以自由變形不受外界的約束，而地下結(jié)構(gòu)在外力作用下，其變形要受圍巖的約束。所以，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用，這使得地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算變得復(fù)雜，但這只是問題的一個(gè)方面；另一方面，由于圍巖彈性抗力的存在，限制了結(jié)構(gòu)的變形，以致結(jié)構(gòu)的受力條件得以改善，使其變形小而承載能力有所增加。12/14/2022328.2.6圍巖彈性抗力圍巖彈性抗力的存在是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地8.2.6圍巖彈性抗力因?yàn)閺椥钥沽κ怯山Y(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用產(chǎn)生的，所以彈性抗力的大小和分布規(guī)律不僅決定結(jié)構(gòu)的變形，還與圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。如何確定彈性抗力的大小和其作用范圍（抗力區(qū)），目前有兩種理論：一種是局部變形理論，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；另一種是共同變形理論，即認(rèn)為彈性地基上的一點(diǎn)的外力，不僅引起該點(diǎn)發(fā)生沉陷，而且還會(huì)引起附近一定范圍的地基發(fā)生沉陷。后一種理論較為合理，但由于局部變形理論計(jì)算較為簡(jiǎn)單，且一般能夠滿足工程精度要求，所以目前多采用局部變形理論計(jì)算彈性抗力。12/14/2022338.2.6圍巖彈性抗力因?yàn)閺椥钥沽κ怯山Y(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法

8.1地下結(jié)構(gòu)分類

8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法

8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/202234第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法8.1地下結(jié)8.3地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，目前有兩種不同的設(shè)計(jì)理念，一種認(rèn)為圍巖的作用只是向結(jié)構(gòu)施加荷載，而結(jié)構(gòu)的作用只是承受荷載；另一種則認(rèn)為圍巖既是荷載又有承載能力，而結(jié)構(gòu)的作用是調(diào)整圍巖從而與之共同維持洞室的穩(wěn)定性。相應(yīng)地，地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算模型可以劃分為如下兩種類型：荷載-結(jié)構(gòu)模型——認(rèn)為圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動(dòng)的圍巖壓力和被動(dòng)的彈性抗力），以計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法稱為荷載-結(jié)構(gòu)法。12/14/2022358.3地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型只適用于淺埋情況及圍巖塌落而出現(xiàn)松動(dòng)壓力的情況。12/14/2022368.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型12/118.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型還可按荷載不同細(xì)分成如下幾種模式：（1）主動(dòng)荷載模型。（2）主動(dòng)荷載+被動(dòng)荷載模型。（3）量測(cè)壓力模型。12/14/2022378.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型12/118.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，這是反映當(dāng)前現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理的一種計(jì)算方法，需采用巖石力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。12/14/2022388.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)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(hù)一起采用有限元或邊界元數(shù)值法求解。數(shù)值解法可以直接算出圍巖與支護(hù)的應(yīng)力和變形狀態(tài)，以判斷圍巖是否失穩(wěn)和支護(hù)是否破壞。數(shù)值解法往往有多種功能，能考慮巖體中的節(jié)理裂隙、層面、地下水滲流及巖體膨脹性等影響，是目前理論計(jì)算法中的主要方法。12/14/2022398.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)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(jiǎn)單情況下，以及某些簡(jiǎn)化情況下的近似計(jì)算。目前，國(guó)內(nèi)外這類方法已經(jīng)很多，一般可概括成如下幾種：

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的解析解法。利用圍巖與支護(hù)襯砌之間的位移協(xié)調(diào)條件，得簡(jiǎn)單洞形（如圓形）條件下圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性及黏彈性解。12/14/2022408.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)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-黏性理論等推導(dǎo)公式后，再以洞周位移為橫坐標(biāo)、支護(hù)反力為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示圍巖受力變形特征的洞周收斂線，并按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理在同一坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征的支護(hù)限制線，得出以上兩條曲線的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)處表示的支護(hù)抗力值進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。12/14/2022418.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型解析解法

（3）剪切滑移楔體法。基于Robcewicz提出的“剪切破壞理論”。該理論認(rèn)為，圍巖穩(wěn)定性的喪失，主要發(fā)生在洞室與主應(yīng)力方向垂直的兩側(cè)，并形成剪切滑移楔體。由于地下洞室開挖在側(cè)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(cè)壁的楔形巖塊由于剪切而分離，并向洞內(nèi)移動(dòng)（圖8.11a），而后，上部和下部巖體由于楔形巖塊滑移造成跨度加大，上下巖體向洞內(nèi)撓曲（圖8.11b），甚至移動(dòng)（圖8.11c）。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)按照由錨桿、噴射混凝土及鋼拱架提供的支護(hù)抗力與塑性滑移楔體的滑移力達(dá)成平衡這一條件進(jìn)行。12/14/2022428.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)曲墻拱襯砌屬超靜定結(jié)構(gòu)，計(jì)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）考慮土層彈性抗力及其分布曲墻拱型結(jié)構(gòu)在豎向荷載及側(cè)向水平荷載（土層壓力）的作用下，結(jié)構(gòu)拱頂部向內(nèi)產(chǎn)生變形，曲墻向外側(cè)變形，曲墻的變形使土體產(chǎn)生變形，土體變形達(dá)到一定程度即出現(xiàn)土體抵抗側(cè)墻的繼續(xù)變形，對(duì)側(cè)墻變形的抵抗作用即稱為土體對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力。12/14/2022438.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)12/18.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)（2）計(jì)算簡(jiǎn)圖有垂直土層壓力q，側(cè)向水平壓力e+?e，拱腳彈性固定兩側(cè)受地層約束的無鉸拱，荷載與結(jié)構(gòu)對(duì)稱。12/14/2022448.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)12/18.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)（3）計(jì)算步驟求主動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力求σb=1時(shí)的求最大抗力計(jì)算各截面最終內(nèi)力值計(jì)算的校核12/14/2022458.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)12/18.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)該方法是將襯砌結(jié)構(gòu)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(jì)算方法。當(dāng)曲墻的曲率是常數(shù)或直墻時(shí)，可采用初參數(shù)法求解。一般直墻式襯砌的直邊墻采用此法求解。計(jì)算圖式將拱圈和梁分開計(jì)算，將拱圈處理為彈性固定在邊墻頂上的無鉸平拱，邊墻處理為擱置在彈性地基上的直梁。在拱腳和墻頂連接處應(yīng)滿足力的平衡條件和變形連續(xù)條件。拱腳d處除有轉(zhuǎn)角和垂直位移外，還有水平位移。在結(jié)構(gòu)和荷載對(duì)稱的條件下，垂直位移對(duì)拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力無影響，可以不計(jì)。12/14/2022468.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)12/11/2022468.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)（1）自由變形圓環(huán)法當(dāng)整體式圓管結(jié)構(gòu)修建在松軟地層中，地層對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力很小，故假定結(jié)構(gòu)可以自由變形，地基反力沿環(huán)的水平投影為均勻分布，計(jì)算圖式如圖8.17所示。12/14/2022478.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)12/11/202248.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)（2）假定抗力圖法襯砌機(jī)構(gòu)在豎向荷載作用下，產(chǎn)生向地層方向的變形，從而引起彈性抗力。對(duì)于圓管結(jié)構(gòu)，彈性抗力的分布規(guī)律，可根據(jù)已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)假定給出。計(jì)算圖式如圖8.18所示。12/14/2022488.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)12/11/202248.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓管結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)管片或砌塊間連接構(gòu)造以及所采用的施工方法，確定相應(yīng)的計(jì)算方法。當(dāng)組成圓管結(jié)構(gòu)的管片或砌塊在環(huán)向采用如圖8.19所示的連接構(gòu)造，而接頭能傳遞全部?jī)?nèi)力時(shí)（實(shí)際上是不可能傳遞全部?jī)?nèi)力的，而只能傳遞部分內(nèi)力，故應(yīng)把接頭當(dāng)作傳遞一定內(nèi)力的彈性鉸，按彈性鉸接圓環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算），可按整體均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算；而當(dāng)管片或砌塊采用如圖8.20（砌塊端為圓柱形接頭）或圖8.21所示的連接構(gòu)造時(shí)，應(yīng)按多鉸圓環(huán)計(jì)算，其計(jì)算圖式如圖8.22所示。12/14/2022498.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓形結(jié)構(gòu)12/11/202248.3.2.3框架結(jié)構(gòu)地下鐵道的通道、車站或地下廠房，承受地層的豎向壓力和水平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(jì)算其結(jié)構(gòu)內(nèi)力。由于底板與地基之間有摩擦力，故可認(rèn)為底板不能沿水平方向運(yùn)動(dòng)。地下鐵道通道的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8.27所示。12/14/2022508.3.2.3框架結(jié)構(gòu)地下鐵道的通道、車站或地下廠房，承受8.3.3地層結(jié)構(gòu)計(jì)算方法8.3.3.1地層的初始應(yīng)力狀態(tài)地層結(jié)構(gòu)法認(rèn)為，地下空間的結(jié)構(gòu)體系是由圍巖和支護(hù)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(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，地層結(jié)構(gòu)法采用固體力學(xué)方法計(jì)算開挖和支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力和位移場(chǎng)的作用，而支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形只是整個(gè)圍巖-結(jié)構(gòu)體系計(jì)算結(jié)果中的一部分。地層的初始應(yīng)力場(chǎng)與地層的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史等因素有關(guān)，可以劃分成自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)兩個(gè)部分。前者是地層自重產(chǎn)生的應(yīng)力，后者代表過去和當(dāng)前地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（包括褶曲、斷裂、層間錯(cuò)動(dòng)、地殼升降、板塊運(yùn)動(dòng)等）所引發(fā)的應(yīng)力（分別稱為殘余構(gòu)造應(yīng)力和新構(gòu)造應(yīng)力）。12/14/2022518.3.3地層結(jié)構(gòu)計(jì)算方法8.3.3.1地層的初始應(yīng)力狀8.3.3.1地層的初始應(yīng)力狀態(tài)在以自重應(yīng)力為主的地層中，當(dāng)?shù)乇頌樗矫?、地層為均質(zhì)各向同性時(shí)，深度為h處自重應(yīng)力的垂直和水平分量可以分別表示為如果地層是水平成層分布的，自重應(yīng)力的大小可以分層總和而得。12/14/2022528.3.3.1地層的初始應(yīng)力狀態(tài)在以自重應(yīng)力為主的地層中，8.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)分析是地層結(jié)構(gòu)法的關(guān)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(yīng)力的釋放，破壞了地層的初始應(yīng)力平衡，引起地層應(yīng)力的重新分布。在這個(gè)時(shí)間過程中，地層應(yīng)力是連續(xù)變化的，特別地，洞室開挖后在未加支護(hù)的情況下，地層應(yīng)力所達(dá)到的新的相對(duì)平衡稱為圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)。二次應(yīng)力的發(fā)展與穩(wěn)定受到自然因素和工程因素的影響：①圍巖組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、初始應(yīng)力狀態(tài)等；②開挖手段和方法，洞室的位置、大小和形狀及其與圍巖結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系等。12/14/2022538.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)分8.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)一般來說，二次應(yīng)力場(chǎng)是三維場(chǎng)。12/14/2022548.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)一般來說，二次應(yīng)力8.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)用初始應(yīng)力釋放的辦法通過固體力學(xué)計(jì)算確定。在圍巖材料本構(gòu)關(guān)系為線彈性的條件下。12/14/2022558.3.3.2開挖的模擬與圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)用初始應(yīng)力釋放的辦8.3.3.3支護(hù)抗力對(duì)圍巖位移的控制洞室的穩(wěn)定與否，取決于圍巖的二次應(yīng)力和變形是否超過了圍巖的強(qiáng)度和變形能力。如果二次應(yīng)力的發(fā)展沒有伴隨圍巖的塌落或過度變形，則單從圍巖穩(wěn)定的角度來看是沒有必要設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)的。但如果情況相反，圍巖自身不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就必須施作支護(hù)控制圍巖的變形、改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)（支護(hù)使洞室周邊圍巖處在三維壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于發(fā)揮圍巖的抗壓能力）。支護(hù)與圍巖共同變形而達(dá)到某種平衡，稱為圍巖-結(jié)構(gòu)體系的三次應(yīng)力狀態(tài)。地層結(jié)構(gòu)法就是在確定初始應(yīng)力以后，以二次應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的共同作用，從而確定隧道結(jié)構(gòu)體系的三次應(yīng)力狀態(tài)。12/14/2022568.3.3.3支護(hù)抗力對(duì)圍巖位移的控制洞室的穩(wěn)定與否，取決8.3.3.4地層結(jié)構(gòu)模型的有限單元法實(shí)際地下結(jié)構(gòu)的地層結(jié)構(gòu)模型分析往往需要考慮比較復(fù)雜的材料模型、幾何形狀、邊界條件，一般是沒有辦法求出解析解的；因而就必須使用數(shù)值方法。原理：通過單元分析建立單元?jiǎng)偠确匠蹋鶕?jù)位移協(xié)調(diào)條件組建總體剛度方程，引入邊界條件并求解，得到各節(jié)點(diǎn)的位移，然后再利用節(jié)點(diǎn)位移通過單元?jiǎng)偠确匠太@得單元節(jié)點(diǎn)力，通過單元應(yīng)力方程獲得單元應(yīng)力，通過單元應(yīng)變方程獲得單元應(yīng)變。12/14/2022578.3.3.4地層結(jié)構(gòu)模型的有限單元法實(shí)際地下結(jié)構(gòu)的地層結(jié)8.3.3.4地層結(jié)構(gòu)模型的有限單元法計(jì)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，而地下結(jié)構(gòu)周圍的地層相對(duì)而言是無限大或半無限大（深埋或淺埋）的；因此必須選擇某個(gè)有限的計(jì)算范圍建立有限單元模型。這個(gè)計(jì)算范圍的邊界應(yīng)該離地下結(jié)構(gòu)足夠遠(yuǎn)，設(shè)在幾乎不受地下工程影響的地方。經(jīng)驗(yàn)表明，一般來說，在離洞室中心3～5倍于洞室特征尺寸（最大內(nèi)徑）以外的地方，地下工程的影響足夠小。12/14/2022588.3.3.4地層結(jié)構(gòu)模型的有限單元法計(jì)算范圍的選取12/8.3.3.4地層結(jié)構(gòu)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(yīng)變或平面應(yīng)力問題）或三維實(shí)體單元（三維問題）來對(duì)計(jì)算范圍內(nèi)的地層進(jìn)行離散化分析。開挖效應(yīng)的模擬洞室的開挖釋放了洞室邊界上的初始應(yīng)力，在計(jì)算中可以通過在開挖邊界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(yīng)力釋放。如果考慮開挖與支護(hù)的時(shí)間效應(yīng)，則釋放荷載的取值應(yīng)視支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)立時(shí)間而定。如果支護(hù)是在開挖后瞬時(shí)設(shè)置的，則支護(hù)結(jié)構(gòu)單元將承受全部的釋放荷載；如果支護(hù)是在開挖之后某個(gè)時(shí)刻設(shè)立的，則支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的釋放荷載應(yīng)該只是全部釋放荷載中尚未釋放掉的那個(gè)部分。12/14/2022598.3.3.4地層結(jié)構(gòu)模型的有限單元法單元類型的選擇12/第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法

8.1地下結(jié)構(gòu)分類

8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載

8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/202260第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法8.1地下結(jié)8.4明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)8.4.1支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算理論8.4.1.1基坑圍護(hù)樁的作用深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)多種多樣，用材和施工方法也千變?nèi)f化，但主要可以分為兩大類：第一類為支擋型的，如排樁式支擋結(jié)構(gòu)和地下連續(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(hù)和土釘墻等。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要作用是減小土方開挖，少占場(chǎng)地空間，保護(hù)相鄰的已有建（構(gòu)）筑物和地下設(shè)施，減少或防止坑底隆起，另外還兼有支護(hù)和防水的雙重功效。12/14/2022618.4明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)8.4.1支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算理論8.4.1.2土壓力計(jì)算作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載主要指土壓力和水壓力。其中土壓力的計(jì)算是設(shè)計(jì)者最為關(guān)注的問題，目前大致有兩類計(jì)算方法，一是建立于極限平衡理論上的經(jīng)典土壓力理論；包括朗肯土壓力理論和庫(kù)侖土壓力理論；二是根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果而提出的Terzaghi-Peck土壓力模式。按經(jīng)典土壓力理論計(jì)算(1)地下水位以上土壓力計(jì)算——地下水位以上土層及地面超載作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Paik可采用土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)按朗肯理論分層。(2)地下水位以下水、土壓力計(jì)算——水土分算和水土合算。12/14/2022628.4.1.2土壓力計(jì)算作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載主要指土壓力8.4.1.2土壓力計(jì)算按Terzaghi-Peck模式計(jì)算Terzaghi-Peck經(jīng)驗(yàn)土壓力模式在國(guó)外的應(yīng)用比較普遍，國(guó)內(nèi)一般用于黏性土基底標(biāo)高以上帶支撐（或錨固）的主動(dòng)土壓力計(jì)算，分布模式如圖8.38所示。12/14/2022638.4.1.2土壓力計(jì)算按Terzaghi-Peck模式計(jì)8.4.2排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8.4.2.1一般規(guī)定對(duì)于施工場(chǎng)地狹窄、地質(zhì)條件較差、基坑較深、或需嚴(yán)格控制基坑開挖引起的地面變形時(shí)，應(yīng)采用排樁式擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。排樁式擋土結(jié)構(gòu)由圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐系統(tǒng)組成，其選型應(yīng)綜合考慮基坑周邊環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、圍護(hù)樁墻的使用目的、基坑規(guī)模和基坑安全等級(jí)等因素，結(jié)合土方開挖方法及降水、土體加固等輔助措施，通過方案比較確定。12/14/2022648.4.2排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8.4.2.1一般規(guī)定12/18.4.2.1一般規(guī)定排樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下內(nèi)容：入土深度的確定與校核；根據(jù)支撐系統(tǒng)的布置及架、拆支撐順序，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形計(jì)算；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；當(dāng)必須嚴(yán)格控制施工引起的地面變形時(shí)，分析和預(yù)估基坑開挖產(chǎn)生的墻體水平位移、墻腳下沉、坑底土體隆起及降水等對(duì)墻背土層位移的影響，必要時(shí)應(yīng)提出相應(yīng)的技術(shù)措施；當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)的一部分時(shí)，尚應(yīng)計(jì)算在使用荷載作用下的內(nèi)力及變形。12/14/2022658.4.2.1一般規(guī)定排樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下內(nèi)容：8.4.2.2懸臂式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)樁的受力范圍——設(shè)樁的間距為S，每根樁的受力范圍就應(yīng)也是S。所以，所有單位長(zhǎng)度上的荷載或土壓力都應(yīng)該乘以S，才可求得每根樁所應(yīng)擔(dān)負(fù)的荷載和壓力。樁的最小入土深度——可根據(jù)土壓力分布模式和靜力平衡條件公式來確定。樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度——考慮到一定的安全度。懸臂樁的內(nèi)力計(jì)算——靜力平衡法、彈性抗力法（如桿件有限元法）等。樁配筋的計(jì)算——按圓形截面配筋和按矩形截面配筋。12/14/2022668.4.2.2懸臂式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)樁的受力范圍——設(shè)樁的8.4.2.3排樁內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容內(nèi)支撐體系適用于由鋼或鋼筋混凝土材料組成的墻式圍護(hù)結(jié)構(gòu)和樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下內(nèi)容：材料選擇和結(jié)構(gòu)體系的布置；結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計(jì)算；構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定驗(yàn)算；構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)的安裝和拆除設(shè)計(jì)。12/14/2022678.4.2.3排樁內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容12/18.4.2.3排樁內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)支撐方式——內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的常用形式有單層或多層平面支撐體系和豎向斜撐體系。支撐材料——支撐結(jié)構(gòu)材料通常是鋼和鋼筋混凝土。鋼支撐自重輕、安裝和拆卸方便、施工速度快，可以重復(fù)使用，可施加預(yù)應(yīng)力，安裝后就能立即發(fā)揮作用，對(duì)減少由于時(shí)間效應(yīng)而引起的基坑位移是十分有效的，而且破壞前有明顯變形。但是對(duì)鋼支撐的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和安裝要求相對(duì)較高，處理不當(dāng)會(huì)引起基坑的過大位移。鋼筋混凝土支撐剛度大、整體性好，可以采取靈活的布置方式來適應(yīng)不同形狀的基坑，而且可避免因節(jié)點(diǎn)松動(dòng)而引起的基坑位移，對(duì)施工方面的要求容易得到滿足。但是混凝土支撐在現(xiàn)場(chǎng)需要制作和養(yǎng)護(hù)的時(shí)間較長(zhǎng)，不能立即發(fā)揮支撐作用；無法施加預(yù)應(yīng)力，拆除困難。12/14/2022688.4.2.3排樁內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)支撐方式——內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的8.4.2.3排樁內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)支撐構(gòu)件截面承載力計(jì)算及變形規(guī)定（1）支撐構(gòu)件的截面承載力計(jì)算根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工階段荷載作用效應(yīng)的包絡(luò)線圖進(jìn)行計(jì)算，其承載力表達(dá)式為：

12/14/2022698.4.2.3排樁內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)支撐構(gòu)件截面承載力計(jì)算及變地下建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)

主講人：陳海明博士安徽理工大學(xué)·土木與建筑學(xué)院2009年10月14日12/14/202270地下建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)主講人：陳海明博士安徽理工大學(xué)·土木第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法12/14/202271第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法12/11/20222提綱8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/202272提綱8.1地下結(jié)構(gòu)分類12/11/20223第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法8.1地下結(jié)構(gòu)分類

8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載

8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法

8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/202273第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.1.1按結(jié)構(gòu)形狀劃分地下空間結(jié)構(gòu)可按結(jié)構(gòu)形狀劃分為矩形框架結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)、拱與直墻拱結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、敞開式結(jié)構(gòu)等。12/14/2022748.1地下結(jié)構(gòu)分類8.1.1按結(jié)構(gòu)形狀劃分12/11/28.1.2按土質(zhì)狀況劃分地下空間的結(jié)構(gòu)按土質(zhì)狀況可分為土層與巖層地下空間結(jié)構(gòu)。土層結(jié)構(gòu)即指在土壤中挖掘的結(jié)構(gòu)，巖層結(jié)構(gòu)指在巖石中挖掘的結(jié)構(gòu)。這里不含水中結(jié)構(gòu)，水中結(jié)構(gòu)與巖土中結(jié)構(gòu)又有較大差別，水中結(jié)構(gòu)包括江河湖海內(nèi)的水下結(jié)構(gòu)，但包含水底巖土中的結(jié)構(gòu)。巖石結(jié)構(gòu)中又分為噴錨結(jié)構(gòu)、半襯砌結(jié)構(gòu)和厚拱薄墻結(jié)構(gòu)等。12/14/2022758.1.2按土質(zhì)狀況劃分地下空間的結(jié)構(gòu)按土質(zhì)狀況可分為土層8.1.3按施工方法劃分地下空間的結(jié)構(gòu)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(nèi)建造完工程后將土回填的一種方法，基坑邊坡可采用放坡、直立或支撐的形式而防止土的塌落。暗挖式常用于在土中埋深較大的情況下，通過豎井在土中進(jìn)行挖掘空間而建造的結(jié)構(gòu)，此種方式又稱為礦山法。盾構(gòu)式是在地下采用隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工的一種方法，常用圓形，頂管工具頭也屬盾構(gòu)范疇。其特點(diǎn)是可穿越海底、水底等地下修建隧道，隱蔽、自動(dòng)化與機(jī)械化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。12/14/2022768.1.3按施工方法劃分地下空間的結(jié)構(gòu)按施工方法可劃分為以8.1.3按施工方法劃分沉井式是在地面預(yù)先建造好結(jié)構(gòu)，然后通過在井內(nèi)不斷挖土使結(jié)構(gòu)借助自重克服土摩阻力不斷下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高的一種方法，常用于橋梁墩臺(tái)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、地下倉(cāng)（油）庫(kù)、地下車站及國(guó)防工事等地下工程的建筑施工。連續(xù)墻式是指在施工時(shí)先分段建造兩條連續(xù)墻，然后在中間挖土并由底至上建造底板、樓板、頂板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種施工方法。沉箱（管）式是指將預(yù)制好的結(jié)構(gòu)運(yùn)至預(yù)定位置，并使之下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高的施工方法。12/14/2022778.1.3按施工方法劃分沉井式是在地面預(yù)先建造好結(jié)構(gòu)，然后8.1.3按施工方法劃分逆作式是在地下工程施工時(shí)不設(shè)支護(hù)體系，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件作擋墻及支撐，由柱墻、頂板、樓板、基礎(chǔ)自上而下依次開挖和施工的一種方法，其特點(diǎn)是施工作業(yè)面小，可盡快恢復(fù)地面交通，對(duì)周圍環(huán)境影響小，常為矩形結(jié)構(gòu)。頂管（箱）式是在起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置工作井（常采用沉井），在工作井壁設(shè)有孔作為預(yù)制管節(jié)的進(jìn)口與出口，通過千斤頂將預(yù)制管節(jié)按設(shè)計(jì)軸線逐節(jié)頂入土中，對(duì)于較長(zhǎng)距離的情況，頂管常分段進(jìn)行，該方法在城市中不影響交通及附近地面設(shè)施。由于施工方法對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大，常需要進(jìn)行施工階段與使用階段的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。12/14/2022788.1.3按施工方法劃分逆作式是在地下工程施工時(shí)不設(shè)支護(hù)體8.1.4按與地面建筑的關(guān)系劃分城市建設(shè)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）結(jié)構(gòu)，反之稱為單建式結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)建設(shè)的多層建筑大多建有地下室，高層建筑則必須建有地下建筑。12/14/2022798.1.4按與地面建筑的關(guān)系劃分城市建設(shè)中大部分地面建筑帶8.1.5按埋深劃分根據(jù)地下空間結(jié)構(gòu)在土中的埋深分為淺埋與深埋地下結(jié)構(gòu)。深淺的定義較為模糊，較為不嚴(yán)格的概念認(rèn)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十分必要的，但我國(guó)目前還沒有統(tǒng)一的劃分方法。12/14/2022808.1.5按埋深劃分根據(jù)地下空間結(jié)構(gòu)在土中的埋深分為淺埋與第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法

8.1地下結(jié)構(gòu)分類8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載

8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法

8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/202281第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理論與方法8.1地下8.2地下結(jié)構(gòu)荷載8.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合地下結(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。永久（主要）荷載也稱為長(zhǎng)期作用恒載，主要包括結(jié)構(gòu)自重、回填土層重量、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。圍巖壓力和結(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)所特有的一種被動(dòng)荷載。12/14/2022828.2地下結(jié)構(gòu)荷載8.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合18.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合可變（附加）荷載又分為基本可變荷載和其他可變荷載兩類。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、人群荷載等。其他可變荷載，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。偶然（特殊）荷載——指偶然發(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。12/14/2022838.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合可變（附加）荷載12/8.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合對(duì)于一個(gè)特定的地下結(jié)構(gòu)，上述幾種荷載不一定同時(shí)存在，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)荷載實(shí)際可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行組合。所謂荷載組合，是指將可能同時(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、可變及偶然荷載參見表8.1和表8.2。12/14/2022848.2.1地下結(jié)構(gòu)荷載的分類及其組合對(duì)于一個(gè)特定的地下結(jié)構(gòu)8.2.2圍巖壓力分類8.2.2.1圍巖壓力及其影響因素12/14/2022858.2.2圍巖壓力分類8.2.2.1圍巖壓力及其影響因素8.2.2.1圍巖壓力及其影響因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(hù)變形、破壞的作用力，它包括由地應(yīng)力（即原巖應(yīng)力）引起的圍巖應(yīng)力以及圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)的變形、流動(dòng)和破壞等現(xiàn)象稱為圍巖壓力顯現(xiàn)或地壓顯現(xiàn)。從廣義上理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護(hù)情況，也包括無支護(hù)情況；既包括在普通的傳統(tǒng)支護(hù)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(hù)方法中所顯示的性態(tài)。從狹義上理解，圍巖壓力是指圍巖作用在襯砌上的壓力。12/14/2022868.2.2.1圍巖壓力及其影響因素圍巖壓力的概念12/118.2.2.1圍巖壓力及其影響因素圍巖壓力的概念由于圍巖壓力是圍巖的變形或破壞造成的，其大小和分布與導(dǎo)致圍巖變形或破壞的諸多因素有關(guān)。事實(shí)上，圍巖壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)本來是一對(duì)相互作用和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)變化的“作用體”，完全用結(jié)構(gòu)工程中的壓力或荷載概念來理解，是不盡合理的。但是，為了采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仍要明確“壓力”或“荷載”的概念，否則將無法進(jìn)行計(jì)算。12/14/2022878.2.2.1圍巖壓力及其影響因素圍巖壓力的概念12/118.2.2.1圍巖壓力及其影響因素影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素基本上與圍巖分類因素大致相同，如巖體結(jié)構(gòu)、巖石強(qiáng)度、地下水、洞室跨度、形狀、支護(hù)類型與剛度、施工方法、洞室埋置深度和支護(hù)時(shí)機(jī)等因素。12/14/2022888.2.2.1圍巖壓力及其影響因素影響圍巖壓力的因素12/8.2.2.2圍巖壓力分類概述圍巖壓力是地下襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要荷載之一。圍巖壓力的研究最早開始于14世紀(jì)，當(dāng)時(shí)用來研究地下采礦工程中出現(xiàn)的一系列問題，如地層移動(dòng)、地表沉陷及坑道支撐等。以后，隨著采礦事業(yè)和其他地下工程的發(fā)展，圍巖壓力的研究也相應(yīng)得到發(fā)展。目前，它已成為巖體力學(xué)研究極為重要的內(nèi)容。目前應(yīng)用較廣的分類是把圍巖壓力分成松動(dòng)壓力、變形壓力、沖擊壓力和膨脹壓力四大類。12/14/2022898.2.2.2圍巖壓力分類概述12/11/2022208.2.2.2圍巖壓力分類松動(dòng)壓力由于開挖導(dǎo)致圍巖松動(dòng)或塌落的巖體以重力的形式直接作用在支護(hù)上的壓力稱為松動(dòng)壓力。這種壓力表現(xiàn)為荷載的特有形式：頂壓大，側(cè)壓小。松動(dòng)壓力通常由下述三種情況形成：（1）在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石對(duì)支護(hù)造成的落石壓力；（2）在松散軟弱的巖體中，隧道頂部和兩側(cè)片幫冒落對(duì)支護(hù)造成的散體壓力；（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，形成了局部塌落松動(dòng)壓力。造成松動(dòng)壓力的因素很多，如圍巖地質(zhì)條件、巖體破碎程度、開挖施工方法、爆破作用、支護(hù)不及時(shí)、回填密實(shí)程度、洞形和支護(hù)形式等。而巖體破碎與臨空面不利組合所構(gòu)成的不穩(wěn)定巖體也容易造成松動(dòng)壓力。12/14/2022908.2.2.2圍巖壓力分類松動(dòng)壓力12/11/2022218.2.2.2圍巖壓力分類變形壓力松動(dòng)壓力是以重力形式直接作用在支護(hù)上的，而變形壓力則是由于圍巖變形受到支護(hù)的抑制產(chǎn)生的。所以變形壓力除與圍巖應(yīng)力有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)剛度密切相關(guān)。按其成因可進(jìn)一步分為下述幾種情況：（1）彈性變形壓力——當(dāng)采用緊跟開挖面進(jìn)行支護(hù)的施工法時(shí)，由于存在著開挖面的“空間效應(yīng)”而使支護(hù)受到一部分圍巖的彈性變形作用，由此而形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(shí)還包括一部分彈性變形）而使支護(hù)受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(chǎn)生顯著的隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加的變形或蠕變。壓力是由巖體的蠕變變形引起的，有顯著的時(shí)間效應(yīng)，它能使圍巖鼓出、閉合，甚至完全封閉。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，既決定于原巖應(yīng)力的大小和巖體的力學(xué)性質(zhì)，也決定于支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和支護(hù)的時(shí)間。12/14/2022918.2.2.2圍巖壓力分類變形壓力12/11/2022228.2.2.2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(zhì)，也有化學(xué)性質(zhì)。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，主要決定于其蒙脫石、伊利石和高嶺土的含量。同時(shí)，還依賴于外界水的滲入和地下水的活動(dòng)特征。巖層中蒙脫石含量越高，有水源供給，膨脹性也就越顯著。12/14/2022928.2.2.2圍巖壓力分類膨脹壓力12/11/2022238.2.2.2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(dòng)下突然釋放所產(chǎn)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緊密相關(guān)。彈性模量較大的巖體在高地應(yīng)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(huì)突然猛烈地大量釋放。12/14/2022938.2.2.2圍巖壓力分類沖擊壓力12/11/2022248.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷因圍巖壓力的計(jì)算有不同的模式，要確定圍巖壓力，首先要區(qū)分深埋和淺埋隧道（地下結(jié)構(gòu)）。對(duì)于公路隧道而言，可以按照經(jīng)典圍巖壓力理論、地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定埋深的界限：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?jí)毫Γ╧N/m2）；

γ———圍巖重度（kN/m3）。12/14/2022948.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷因圍巖壓力的計(jì)算有不同的8.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷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(duì)于鐵路隧道而言，隧道覆蓋厚度小于表8.3所列數(shù)值時(shí)為淺埋隧道。12/14/2022958.2.3深埋和淺埋地下結(jié)構(gòu)的判斷在礦山法施工的條件下，Ⅰ8.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.1《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》所推薦的方法《鐵路隧道設(shè)計(jì)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(jì)所反映的圍巖松動(dòng)范圍的大小，通過對(duì)坍方資料的統(tǒng)計(jì)分析獲得圍巖松動(dòng)壓力的經(jīng)驗(yàn)估算公式。當(dāng)然，塌方資料的背景不同或統(tǒng)計(jì)分析的前提假定不同，所得經(jīng)驗(yàn)公式也不同。例如，對(duì)于在不產(chǎn)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(jīng)過對(duì)417個(gè)塌方數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)與回歸，可以得到鐵路雙線隧道圍巖豎向均布松動(dòng)壓力的計(jì)算表達(dá)式為12/14/2022968.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.1《鐵路8.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2普氏理論普氏理論假定圍巖為松散體（巖體不同程度地被節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面所切割），是一種基于天然拱概念的圍巖壓力理論，即圍巖的垂直均布?jí)毫檫m用范圍：普氏理論一般對(duì)松散、破碎圍巖較適用。在松軟地層（如淤泥、軟黏土等）中或結(jié)構(gòu)埋深太淺，不能使用普氏理論。12/14/2022978.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2普氏理8.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2太沙基理論太沙基理論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態(tài)的基礎(chǔ)上按平衡條件推導(dǎo)出圍巖壓力的計(jì)算表達(dá)式。假定：①洞室上方巖體因洞室變形而下沉，產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)面OAB和O′A′B′；②豎向壓應(yīng)力σv是均布的，且側(cè)向壓應(yīng)力（k為側(cè)壓力系數(shù)）。12/14/2022988.2.4深埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算8.2.4.2太沙基8.2.5淺埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算一般來說，對(duì)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(huì)引起整個(gè)上覆地層的變位，如果不及時(shí)支撐，地層就會(huì)大量變形和塌落，波及地表而形成一個(gè)沉陷區(qū)。參照?qǐng)D8.5，按平衡條件可得松動(dòng)圍巖壓力=支護(hù)結(jié)構(gòu)反力=滑動(dòng)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具體的埋深情況有關(guān)。12/14/2022998.2.5淺埋結(jié)構(gòu)圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算一般來說，對(duì)于埋深較淺8.2.6圍巖彈性抗力前面所講的松動(dòng)圍巖壓力，如結(jié)構(gòu)自重等均屬主動(dòng)荷載。地下結(jié)構(gòu)除承受主動(dòng)荷載作用外，還承受一種被動(dòng)荷載，即圍巖的彈性抗力。結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下要產(chǎn)生變形，如圖8.6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。在拱頂，其變形背向地層，在此區(qū)域內(nèi)圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生約束作用，所以稱為“脫離區(qū)”，而在靠近拱腳和邊墻的部位，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓向地層的變形。由于結(jié)構(gòu)與圍巖緊密接觸，圍巖將制止結(jié)構(gòu)的變形，從而產(chǎn)生了對(duì)結(jié)構(gòu)的反作用力，對(duì)這個(gè)反作用力習(xí)慣上稱“彈性抗力”。因此，圍巖的彈性抗力是在主動(dòng)荷載作用下，襯砌向圍巖方向的變形而引起的圍巖被動(dòng)力。彈性抗力作用的范圍稱為“抗力區(qū)”。12/14/20221008.2.6圍巖彈性抗力前面所講的松動(dòng)圍巖壓力，如結(jié)構(gòu)自重等8.2.6圍巖彈性抗力圍巖彈性抗力的存在是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)之一。因?yàn)椋孛娼Y(jié)構(gòu)在外力作用下，可以自由變形不受外界的約束，而地下結(jié)構(gòu)在外力作用下，其變形要受圍巖的約束。所以，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用，這使得地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算變得復(fù)雜，但這只是問題的一個(gè)方面；另一方面，由于圍巖彈性抗力的存在，限制了結(jié)構(gòu)的變形，以致結(jié)構(gòu)的受力條件得以改善，使其變形小而承載能力有所增加。12/14/20221018.2.6圍巖彈性抗力圍巖彈性抗力的存在是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地8.2.6圍巖彈性抗力因?yàn)閺椥钥沽κ怯山Y(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用產(chǎn)生的，所以彈性抗力的大小和分布規(guī)律不僅決定結(jié)構(gòu)的變形，還與圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。如何確定彈性抗力的大小和其作用范圍（抗力區(qū)），目前有兩種理論：一種是局部變形理論，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；另一種是共同變形理論，即認(rèn)為彈性地基上的一點(diǎn)的外力，不僅引起該點(diǎn)發(fā)生沉陷，而且還會(huì)引起附近一定范圍的地基發(fā)生沉陷。后一種理論較為合理，但由于局部變形理論計(jì)算較為簡(jiǎn)單，且一般能夠滿足工程精度要求，所以目前多采用局部變形理論計(jì)算彈性抗力。12/14/20221028.2.6圍巖彈性抗力因?yàn)閺椥钥沽κ怯山Y(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法

8.1地下結(jié)構(gòu)分類

8.2

地下結(jié)構(gòu)荷載8.3

地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法

8.4

明挖基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)12/14/2022103第8章地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法8.1地下結(jié)8.3地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，目前有兩種不同的設(shè)計(jì)理念，一種認(rèn)為圍巖的作用只是向結(jié)構(gòu)施加荷載，而結(jié)構(gòu)的作用只是承受荷載；另一種則認(rèn)為圍巖既是荷載又有承載能力，而結(jié)構(gòu)的作用是調(diào)整圍巖從而與之共同維持洞室的穩(wěn)定性。相應(yīng)地，地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算模型可以劃分為如下兩種類型：荷載-結(jié)構(gòu)模型——認(rèn)為圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動(dòng)的圍巖壓力和被動(dòng)的彈性抗力），以計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法稱為荷載-結(jié)構(gòu)法。12/14/20221048.3地下結(jié)構(gòu)計(jì)算的力學(xué)方法8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型只適用于淺埋情況及圍巖塌落而出現(xiàn)松動(dòng)壓力的情況。12/14/20221058.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型12/118.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型還可按荷載不同細(xì)分成如下幾種模式：（1）主動(dòng)荷載模型。（2）主動(dòng)荷載+被動(dòng)荷載模型。（3）量測(cè)壓力模型。12/14/20221068.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型荷載-結(jié)構(gòu)模型12/118.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，這是反映當(dāng)前現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)原理的一種計(jì)算方法，需采用巖石力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。12/14/20221078.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)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(hù)一起采用有限元或邊界元數(shù)值法求解。數(shù)值解法可以直接算出圍巖與支護(hù)的應(yīng)力和變形狀態(tài)，以判斷圍巖是否失穩(wěn)和支護(hù)是否破壞。數(shù)值解法往往有多種功能，能考慮巖體中的節(jié)理裂隙、層面、地下水滲流及巖體膨脹性等影響，是目前理論計(jì)算法中的主要方法。12/14/20221088.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)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(jiǎn)單情況下，以及某些簡(jiǎn)化情況下的近似計(jì)算。目前，國(guó)內(nèi)外這類方法已經(jīng)很多，一般可概括成如下幾種：

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的解析解法。利用圍巖與支護(hù)襯砌之間的位移協(xié)調(diào)條件，得簡(jiǎn)單洞形（如圓形）條件下圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性及黏彈性解。12/14/20221098.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)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-黏性理論等推導(dǎo)公式后，再以洞周位移為橫坐標(biāo)、支護(hù)反力為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示圍巖受力變形特征的洞周收斂線，并按結(jié)構(gòu)力學(xué)原理在同一坐標(biāo)平面內(nèi)繪出表示支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征的支護(hù)限制線，得出以上兩條曲線的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)處表示的支護(hù)抗力值進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。12/14/20221108.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型解析解法

（3）剪切滑移楔體法?；赗obcewicz提出的“剪切破壞理論”。該理論認(rèn)為，圍巖穩(wěn)定性的喪失，主要發(fā)生在洞室與主應(yīng)力方向垂直的兩側(cè)，并形成剪切滑移楔體。由于地下洞室開挖在側(cè)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(cè)壁的楔形巖塊由于剪切而分離，并向洞內(nèi)移動(dòng)（圖8.11a），而后，上部和下部巖體由于楔形巖塊滑移造成跨度加大，上下巖體向洞內(nèi)撓曲（圖8.11b），甚至移動(dòng)（圖8.11c）。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)按照由錨桿、噴射混凝土及鋼拱架提供的支護(hù)抗力與塑性滑移楔體的滑移力達(dá)成平衡這一條件進(jìn)行。12/14/20221118.3.1地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算力學(xué)模型地層結(jié)構(gòu)模型12/11/8.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)曲墻拱襯砌屬超靜定結(jié)構(gòu)，計(jì)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）考慮土層彈性抗力及其分布曲墻拱型結(jié)構(gòu)在豎向荷載及側(cè)向水平荷載（土層壓力）的作用下，結(jié)構(gòu)拱頂部向內(nèi)產(chǎn)生變形，曲墻向外側(cè)變形，曲墻的變形使土體產(chǎn)生變形，土體變形達(dá)到一定程度即出現(xiàn)土體抵抗側(cè)墻的繼續(xù)變形，對(duì)側(cè)墻變形的抵抗作用即稱為土體對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力。12/14/20221128.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)12/18.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)（2）計(jì)算簡(jiǎn)圖有垂直土層壓力q，側(cè)向水平壓力e+?e，拱腳彈性固定兩側(cè)受地層約束的無鉸拱，荷載與結(jié)構(gòu)對(duì)稱。12/14/20221138.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)12/18.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)（3）計(jì)算步驟求主動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力求σb=1時(shí)的求最大抗力計(jì)算各截面最終內(nèi)力值計(jì)算的校核12/14/20221148.3.2荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方式8.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)12/18.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)該方法是將襯砌結(jié)構(gòu)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(jì)算方法。當(dāng)曲墻的曲率是常數(shù)或直墻時(shí)，可采用初參數(shù)法求解。一般直墻式襯砌的直邊墻采用此法求解。計(jì)算圖式將拱圈和梁分開計(jì)算，將拱圈處理為彈性固定在邊墻頂上的無鉸平拱，邊墻處理為擱置在彈性地基上的直梁。在拱腳和墻頂連接處應(yīng)滿足力的平衡條件和變形連續(xù)條件。拱腳d處除有轉(zhuǎn)角和垂直位移外，還有水平位移。在結(jié)構(gòu)和荷載對(duì)稱的條件下，垂直位移對(duì)拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力無影響，可以不計(jì)。12/14/20221158.3.2.1拱形結(jié)構(gòu)曲墻拱結(jié)構(gòu)12/11/2022468.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)（1）自由變形圓環(huán)法當(dāng)整體式圓管結(jié)構(gòu)修建在松軟地層中，地層對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力很小，故假定結(jié)構(gòu)可以自由變形，地基反力沿環(huán)的水平投影為均勻分布，計(jì)算圖式如圖8.17所示。12/14/20221168.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)12/11/202248.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)（2）假定抗力圖法襯砌機(jī)構(gòu)在豎向荷載作用下，產(chǎn)生向地層方向的變形，從而引起彈性抗力。對(duì)于圓管結(jié)構(gòu)，彈性抗力的分布規(guī)律，可根據(jù)已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)假定給出。計(jì)算圖式如圖8.18所示。12/14/20221178.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)整體式圓形結(jié)構(gòu)12/11/202248.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓管結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)管片或砌塊間連接構(gòu)造以及所采用的施工方法，確定相應(yīng)的計(jì)算方法。當(dāng)組成圓管結(jié)構(gòu)的管片或砌塊在環(huán)向采用如圖8.19所示的連接構(gòu)造，而接頭能傳遞全部?jī)?nèi)力時(shí)（實(shí)際上是不可能傳遞全部?jī)?nèi)力的，而只能傳遞部分內(nèi)力，故應(yīng)把接頭當(dāng)作傳遞一定內(nèi)力的彈性鉸，按彈性鉸接圓環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算），可按整體均質(zhì)圓環(huán)計(jì)算；而當(dāng)管片或砌塊采用如圖8.20（砌塊端為圓柱形接頭）或圖8.21所示的連接構(gòu)造時(shí)，應(yīng)按多鉸圓環(huán)計(jì)算，其計(jì)算圖式如圖8.22所示。12/14/20221188.3.2.2圓形結(jié)構(gòu)裝配式圓形結(jié)構(gòu)12/11/202248.3.2.3框架結(jié)構(gòu)地下鐵道的通道、車站或地下廠房，承受地層的豎向壓力和水平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(jì)算其結(jié)構(gòu)內(nèi)力。由于底板與地基之間有摩擦力，故可認(rèn)為底板不能沿水平方向運(yùn)動(dòng)。地下鐵道通道的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖8.27所示。12/14/20221198.3.2.3框架結(jié)構(gòu)地下鐵道的通道、車站或地下廠房，承受8.3.3地層結(jié)構(gòu)計(jì)算方法8.3.3.1地層的初始應(yīng)力狀態(tài)地層結(jié)構(gòu)法認(rèn)為，地下空間的結(jié)構(gòu)體系是由圍巖和支護(hù)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(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，地層結(jié)構(gòu)法采用固體力學(xué)方法計(jì)算開挖和支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力和位移場(chǎng)的作用，而支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形只是整個(gè)圍巖-結(jié)構(gòu)體系計(jì)算結(jié)果中的一部分。地層的初始應(yīng)力場(chǎng)與地層的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史等因素有關(guān)，可以劃分成自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)兩個(gè)部分。前者是地層自重產(chǎn)生的應(yīng)力，后者代表過去和當(dāng)前地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（包括褶曲、斷裂、層間錯(cuò)動(dòng)、地殼升降、板塊運(yùn)動(dòng)等）所引發(fā)的應(yīng)力（分別稱為殘余構(gòu)造應(yīng)力和新構(gòu)造應(yīng)力）。12/14/