地下建筑結構1課件

1、 地下建筑結構主講人：尤春安1. 緒論地下結構的定義： 保留上部地層（山體或土層）的前提下，在開挖出能提供某種用途的地下空間內修建的結構物，統(tǒng)稱為地下結構。 1、交通隧道：鐵路隧道、公路隧道、行 人隧道等；2、水工隧洞：引水隧道、地下電廠廠房等、閘門硐室等；3、礦山巷道：立井、平巷、斜井、馬頭門、硐室等；4、地下倉庫：地下油庫、地下炸藥庫、民用地下倉庫等；地下工程應用 5、地下民用與公共建筑：地下工廠、地下停車場、地下商業(yè)街等；6、地下市政工程：城市地鐵、城市隧道、城市共同溝等；7、人防工程和國防地下工程：地下防空工程、地下飛機庫、地下彈藥庫、地下指揮部等；地下工程應用 1.1 地下結構型式地

2、下結構：水平，傾斜（斜井）豎直（豎井）；水平地下結構埋置深度的不同，又分成淺埋和深埋兩種。結構型式首先由受力條件來控制，即在一定地質條件的土水壓力下和一定的爆炸與地震等動載下求出最合理和經濟的結構型式。結構型式也受使用要求的制約；施工方案是決定地下結構型式的重要因素之一。 地下結構型式斷面形式矩形 梯形 直墻拱形馬蹄形 仰拱形 圓形地下結構型式支護形式(1) 防護型支護 以封閉巖面，防止周圍巖體質量的進一步惡化或失穩(wěn)為目的。 特點：既不能阻止圍巖變形，又不能承受巖體壓力，而是僅用它通常是采用噴漿、噴混凝土或局部錨桿來完成的。地下結構型式支護形式 (2) 構造型支護 支護結構滿足施工及構造要求，

3、防止局部掉塊或崩塌而逐步引起整體失穩(wěn)。 構造型支護通常采用噴射混凝土、錨桿和金屬網、模筑混凝土支護等。地下結構型式支護形式 (3) 承載型支護 承載型支護應滿足圍巖壓力，使用荷載、結構荷載及其它荷載的要求，保證圍巖與支護結構的穩(wěn)定性北京地鐵王府井車站南京玄武湖隧道廣州地鐵東（山口）楊（箕）區(qū)間隧道上海人民廣場地下游泳館地下劇場大連奧林匹克廣場 地鐵車站（上海）引水隧道（預應力鋼筋混凝土結構深圳梧桐山隧道（魯班獎）珠海板樟山隧道福州象山隧道（四連拱）隧道內景隧道內景隧道內景小浪底電站進水口（施工）地下廠房地下廠房地下廠房綜合地質、使用、施工三因素，地下結構常見的型式有以下幾種：地下結構常見的型式

4、有以下幾種（1） 附建式結構 （2） 淺埋式結構（3） 地道式結構 （4） 沉井法結構 （5） 盾構法結構（6） 連續(xù)墻結構 （7） 頂管結構（8） 沉管法結構附建結構淺埋式結構坑道式結構 沉井盾 構地下連續(xù)墻結構頂 管 沉 管1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 地下工程所處的環(huán)境條件與地面工程是全然不同的，早期的地下工程建設都是沿用適用于地面工程的理論和方法來指導地下工程的設計與施工因而常常不能正確地描述地下工程中出現(xiàn)的力學現(xiàn)象。經過長期的工程實踐和理論研究，人們才逐步認識到地下結構受力、變形的特點，并形成以考慮地層對結構變形約束為特點的地下結構計算理論和方法。1.2 地下結構計算理論的發(fā)

5、展與現(xiàn)狀 地下工程支護結構理論的發(fā)展至今已有百余年的歷史，它與巖土力學的發(fā)展有著密切關系。土力學的發(fā)展促使著松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的發(fā)展而巖石力學的發(fā)展促使圍巖壓力和地下工程支護結構理論的進一步飛躍。隨著新奧法施工技術的出現(xiàn)以及巖土力學、測試儀器、計算機技術和數(shù)使分析方法的發(fā)展地下工程支護結構理論正在逐新成為一門完善的學科。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（1）剛性結構階段 這種計算理論認為作用在支護結構上的壓力是其上覆巖層的重力。如：海姆(AHaim)理論、朗肯理論和金尼克理論和著名的普氏理論等。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（1）剛性結構階段 這種計算理論認為作用在支護結

6、構上的壓力是其上覆巖層的重力。如：海姆(AHaim)理論、朗肯理論和金尼克理論和著名的普氏理論等。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（2）彈性結構階段 19世紀后期，混凝上和鋼筋混凝土材料陸續(xù)出現(xiàn)并用于建造地下工程，使地下結構具有較好的整體性。從這時起，地下結構開始核彈性連續(xù)拱形框架用超靜定結構力學方法計算結構內力。作用在結構上的荷載是主動的地層壓力，并考慮了地層對結構產生的彈性反力的約束作用。由于有了比較可靠的力學原理為依據(jù)、故至今在設計地下結構時仍采用。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（2）彈性結構階段a. 假定彈性反力階段 將結構的變形曲線和地層彈性反力的分布按某種形式分布進行了假

7、定并出變形協(xié)調條件計算彈性反力的量值、因此比前一種假定彈性反力法合理。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（2）彈性結構階段b.彈性地基梁階段 即所謂的局部變形理論： Winkler假定：地基反力（抗力）與該點的變形成這比。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（ 3 ）連續(xù)介質階段 把支護結構與巖體作為一個統(tǒng)一的力學體系來考慮。兩者之間的相互作用，共同變形。即所謂的共同變形理論1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護理論的特征： (1) 對圍巖和圍巖壓力的認識方面 傳統(tǒng)支護理論認為圍巖是荷載的來源，是支撐的對象。現(xiàn)代支護理論則認為圍巖具有自承能力。圍巖也是支護材料，可以通過加固圍巖而保證

8、結構的穩(wěn)定。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護理論的特征： (2) 在圍巖和支護間的相互關系上 傳統(tǒng)支護理論把圍巖和支護分開考圍巖當作荷裁、支護作為承載結構，現(xiàn)代支護理論則將圍巖和支護作為一個統(tǒng)一體，二者相互作用，共同變形。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護理論的特征： (3)在支護功能和作用原理上 傳統(tǒng)支護結構只是為了承受荷載，現(xiàn)代支護則是為了及時穩(wěn)定和加固圍巖。保證圍巖的穩(wěn)定性。1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護理論的特征： (4)在設計計算方法上 傳統(tǒng)支護主要是確定作用在支護上的荷載，而現(xiàn)代支護理論將圍巖與支護作為共同的承載結構。1.2 地下結構計算理

9、論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護理論的特征： (5)在支護形式和工藝上 以加固圍巖為主要支護手段：如錨桿、錨索、噴射混凝土、注漿等。 1.2 地下結構計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 地下工程支護結構理論正在不斷發(fā)展，各種設計方法都在不斷提高和完善過程中，尤其是能較好地反映地下工程特點的現(xiàn)場監(jiān)控設計方法，更迫切需要在近期內形成比較完善的量測體系與計算體系從發(fā)展趨勢看，新奧法開創(chuàng)的理論經驗量測相結合的”信息化設計體現(xiàn)了地下工程程支護結構設計理論的發(fā)展方向。1.3地下結構的計算特性和設計方法 1地下結構的計算特點（1）必須充分認識地質環(huán)境對地下結構設計的影響；（2）地下工程周圍的地質體是工程材料、承載結構，同時又是產

10、生荷載 的來源；（3） 地下結構施工因素和時間因素會極大地影響結構體系的安全性 1.3地下結構的計算特性和設計方法 1地下結構的計算特點 （4）與地面結構不同，地下工程支護結構安全與否，既要考慮到支護結構能否承載，又要考慮圍巖的穩(wěn)定性；（5）地下工程支護結構設計的關鍵問題在于充分發(fā)揮困巖自承力；（6）地下結構的開挖過程是卸載過程，而不是加載過程； 1.3地下結構的計算特性和設計方法 2地下結構的設計方法信息化設計方法的流程圖1.4 地下結構計算的力學模型 1地下結構的計算特點 （4）與地面結構不同，地下工程支護結構安全與否，既要考慮到支護結構能否承載，又要考慮圍巖的穩(wěn)定性；（5）地下工程支護結

11、構設計的關鍵問題在于充分發(fā)揮困巖自承力；（6）地下結構的開挖過程是卸載過程，而不是加載過程； 初步設計的內容（1） 工程防護等級，三防要求與動載標準的確定；（2） 確定埋置深度與施工方法；（3） 草算荷載值；（4） 選擇建筑材料；（5） 選定結構型式和布置；（6） 估算結構跨度、高度、頂?shù)装寮斑厜穸鹊戎饕叽?；?） 繪制初步設計結構圖；（8） 估算工程材料數(shù)量及財務概算。技術設計主要是解決結構的強度、剛度和穩(wěn)定、抗裂性等問題，并提供施工時結構各部件的具體細節(jié)尺寸及連接大樣。（1） 計算荷載：（2） 計算簡圖：（3） 內力分析：（4） 內力組合：（5） 配筋設計： (6） 繪制結構施工詳圖：（7） 材料、工程數(shù)量和工程財務預算。1.3 計算原則1） 使用規(guī)范2） 設計標準：確定地下建筑物的荷載、建筑材料的選用、允許考慮由塑性變形引起的內力重分布、截面計算原則、材料強度指標 3） 計算理論（1）計算原理：較多地應用以文克爾假定的基礎局部變形理論以及以彈性理論為基礎的共同變形理論。（ 2）計算方法：一般結構力學法，彈性地基梁法，矩陣分析法。 彈性抗力限制了結構的變形，故改善了結構的受力情況，如圖1-10所示。1.4 本課程的內容和任務本課程是土木工程的一門專業(yè)課。獲得地下結構工程的基礎知識，掌握