第2章地下建筑结构的荷载

第2章地下建筑结构的荷载本讲内容荷载种类和组合荷载确定方法岩土体压力的计算方法初始地应力、释放荷载与开挖效应弹性抗力其他荷载1234561.荷载种类和组合荷载种类按存在状态可分为：静荷载、动荷载和活荷载等静荷载：又称恒载；动荷载：这是瞬时作用的动荷载活荷载：是指在结构物施工和使用期间可能存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化。其它荷载：混凝土材料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）受到约束而产生的内力；1.荷载种类和组合荷载组合各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合，得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组合一般有以下几种情况：（一）静载；（二）静载+活载；（三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载）2.荷载的确定方法确定依据.1、依据规范：当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵守各有关规范。2.荷载的确定方法.2、设计标准（1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。（2）地下建筑结构材料的选用（3）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可按结构力学计算。（4）截面计算原则（5）安全系数（6）材料强度指标3.计算理论计算原理.地下结构的计算理论较多地应用以文克尔假定为基础的局部变形理论以及以弹性理论为基础的共同变形理论。地层对结构的弹性抗力限制了结构的变形，故改善了结构的受力情况。3.计算理论地下结构在主动荷载作用下会发生变形，而地层阻止这种变形发展，给结构一定的弹性抗力，如下图所示：拱形、圆形等有跨变结构的弹性抗力作用显著。而矩形结构的抗力作用较小，在软土中常忽略不计。3.计算理论计算方法土层地下建筑结构的计算方法有：一般结构力学法，弹性地基梁法（见本书第3章），矩阵分析法，荷载――结构法，地层――结构法（见本书第4章）。近来发展用连续介质力学的有限单元法来计算结构与地层的内力，并进而考虑弹塑性、非线性、粘弹性的计算方法。荷载的计算地下建筑结构上所承受的荷载有结构自重、地层压力、弹性抗力、地下静水压力、车辆和设备重量及其他使用荷载等。其中地层压力（包括土压力和围岩压力）是至关重要的荷载。墙体位移与土压力类型E1~5%1~5%0E0EaHHEp土压力E_HH+静止土压力E0主动土压力Ea被动土压力Ep1.静止土压力的计算γ图2.3静止土压力计算图式σ岩土体压力的计算sin0Ka---经验系数，砂土，粉土取1.0；黏性土、淤泥质土取0.95。￠‘－－－通过CU试验测定。岩土体压力的计算2.库伦土压力理论库伦理论的基本假定库伦理论是由法国科学家库伦（Coulomb,C.A.）于1773年发表的，主要是针对挡土墙的计算，其计算的基本假定为（图2.4）①挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土；②挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题；③挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面为通过墙踵的平面；④墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面的夹角为β角；⑤在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件ACHB无粘性土的主动土压力WER－WRE-=90--)()](180sin[)sin(fWE0ddf、E2.库伦土压力理论aaKHE221EEa222])cos()cos()sin()sin(1)[cos(cos)(cosaK－库仑主动土压力系数aHKH31Ea土压力分布：三角形分布2.库伦土压力理论ABCH无粘性土的被动土压力WRE+=90+-WER－库仑被动土压力系数222])cos()cos()sin()sin(1)[cos(cos)(cospK2.库伦土压力理论说明：1、根据库仑土压力理论，计算土压力的关键是如何确定主动土压力系数和被动土压力系数。2、3.朗肯土压力理论1朗肯极限平衡应力状态自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的情况。3fv=zK0v主动极限平衡应力状态1345+/22.朗肯土压力理论1fv=zK0v被动极限平衡应力状态133145-/22.朗肯土压力理论主动土压力系数)2/45(2tgKp)2/45(2tgKa被动土压力系数静止土压力系数sin10Ksin1sin1sin1sin1paKKK101~5%1~5%0E0EaHHEp土压力E_HH+2.朗肯土压力理论在库仑理论中：===0，即墙背垂直光滑，填土表面水平时，与朗肯理论等价1、分层土的土压力计算2、不同地面超载作用下的土压力计算与图式3、考虑地下水时水土压力计算水土压力合算（砂土，粉土）、水土压力分算（黏性土）特殊情况下的土压力2121分层土的土压力计算aaakczKp222H1H211111aKH211aKH22211)(aKHH1=2时21211=2时aaKdzdp1填土上有荷载145+/2pa=3fv=z+qK0vzpa=3qaaaKcKqzp2)(3qz1aaaKcqKzK2aaKcqK2azK朗肯土压力理论地面上有超载时的土压力计算局部荷载——朗肯理论地面上有超载时的土压力计算名称指标应用不排水剪(快剪)cu、ucq、q软土地基快速施工固结不排水剪(固结快剪)ccu、cuccq、cq固结完成后受突然荷载固结排水剪(慢剪)cd、dcs、s地基透水性强施工较慢或正常运行期土的抗剪强度试验方法与指标问题三种三轴试验的结果对比•饱和粘土的固结排水剪（CD）的强度固结不排水剪(CU)强度不固结不排水剪(UU)强度•剪切破坏强度是发生剪切变形破坏时的强度。围岩压力的计算（一）围岩压力及其影响因素1、围岩压力的概念即所谓由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力的围岩压力。围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。2、影响围岩压力的因素影响山岩压力的因素(1)洞室的形状和大小(2)地质构造(3)支护的型式和刚度(4)洞室深度(5)时间(6)施工方法围岩压力及其影响因素（二）围岩压力的计算方法1、按松散体理论计算围岩压力1）垂直围岩压力①浅埋结构上的垂直围岩压力②深埋结构上的垂直围岩压力2）水平围岩压力3）底部围岩压力2、按弹塑性体理论计算围岩压力1、按松散体理论计算围岩压力由于岩体一般总是有一定的裂隙节理，又由于洞室开挖施工的影响，其围岩不可能是一个非常完整的整体，而松散体理论中假定岩石为散粒体，并具有一定的凝聚力，所以用这一理论计算松动围岩压力有时也可以得到较好的效果。①浅埋结构上的垂直围岩压力作用在地下结构上的围岩压力为岩石柱重量与两侧所提供摩擦力之差。从洞室底面的两端起可能形成伸延到地面的倾斜破裂面，见下图中的AB和CD。从上式可以看出随着深度的增加，围岩压力逐渐减小，这与实际不符。该式仅适用于浅埋结构。随着深度的增加，两侧摩阻力超过了滑移柱的重量。只有AEB以下岩体重量对结构产生压力，又称为压力拱压力拱能够自然稳定平衡，其上任何一点均无力矩。只要确定压力拱的形状及高度就可以确定出围岩压力q=γh1②深埋结构上的垂直围岩压力2）水平围岩压力3）底部围岩压力1、按松散体理论计算围岩压力只是对较松软的岩石才考虑计算时先求出垂直围岩压力的集度，而后乘以侧压力系数Ka(主动土压力)通常不计算2、按弹塑性体理论计算围岩压力从理论k讲，弹塑性理论比前面的理论要严密些，但是弹塑性理论的数学运算较复杂，公式也较繁。在r=R的可变范围内出现了塑性区。弹性变形区弹性变形区非图2.24弹塑性模型计算围岩压力图式σσθσctgcRactgcppbsin1sin2sin1这就是著名的修正了的芬诺公式。它表示当岩体性质、埋深等确定的情况下，非弹性变形区大小与支护对围岩提供的反力间的关系在弹性区和塑性区的交界处分别满足弹性解和塑性解，据此推导出围岩压力的计算公式2、按弹塑性体理论计算围岩压力3、按围岩分级和经验公式确定围岩压力初始地应力、释放荷载与开挖效应初始地应力一般包括自重应力场和构造应力场，但土层中仅有自重应力场存在，岩层中对于Ⅳ级以下围岩，喷射混凝土层将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护抗力，使围岩变形得到控制，从而使围岩保持稳定。与此同时，喷层将受到来自围岩的挤压力。这种挤压力由围岩变形引起，常称作“形变压力”。时间效应：Ⅳ级以下围岩一般呈现塑性和流变特性1、初始地应力的确定初始地应力{0}的确定常需专门研究。对岩石地层，初始地应力可分为自重地应力和构造地应力两部分,而土层一般仅有自重地应力。其中自重地应力可由有限元法求得，构造地应力可由位移反分析方法确定。2、释放荷载的计算释放荷载：可由已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。先求得预计开挖边界上各结点的应力，并假定各结点间应力呈线性分布，然后反转开挖边界上各结点应力的方向(改变其符号)，据以求得释放荷载地层弹性抗力结构在主动荷载作用下，要产生变形。以隧道工程为例，如图2.25所示的曲墙拱形结构，在主动荷载（垂直荷载大于水平荷载）作用下，产生的变形如虚线所示衬砌拉力区脱离区变形后外轮廓线图2.25衬砌结构在外力作用下的变形规律（被动荷载）弹性抗力大小和分布规律不仅决定于结构的变形，还与地层的物理力学性质有着密切的关系。计算理论：一种是局部变形理论，认为弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷；另一种是共同变形理论，地层弹性抗力结构自重及其它荷载直杆等最容易计算，拱圈计算烦一些，如下：（一）将衬砌结构自重简化为垂直均布荷载地下建筑结构除了岩土层压力、结构自重和弹性抗力等荷载外，还可能遇到其他形式的荷载，如灌浆压力、混凝土收缩应力、地下静水压力、温差应力及地震荷载等，这些荷载的计算可参阅有关文献。其他荷载谢谢