地下建筑結(jié)構課件 慶文-地下工程09年試卷參考答案

PAGEPAGE1地下工程09年試卷參考答案分析城市地下空間開發(fā)利用的必要性和可行性。（10分）必要性：開發(fā)利用地下空間必要性、重要性：地價高漲，建地面工程成本高：鐵路、交通地下化、建地下城市等；地面不能提供建工程連續(xù)的土地；保護地面空間，高架道路地下化；利用地下空間的優(yōu)勢和特點：抗震性：能源儲藏、生命線工程；恒溫、恒濕，冬暖夏涼；地下住宅；隔斷宇宙線、電磁波、核放射、爆炸等；開拓未來備用的地下空間?？尚行裕?、居民對地下空間的適應性和認可性：

自人類產(chǎn)生和發(fā)展，一直開發(fā)利用并興建地下建筑工程，早已熟悉和習慣地下空間和地下工程，其開發(fā)利用的價值和可行性已得到認可。近代和現(xiàn)代，炸藥的發(fā)明和應用，進一步推動地下空間開發(fā)。2、地面與地下的整體協(xié)調(diào)性：地下工程可以滿足現(xiàn)代人口規(guī)模、擴大城市容量的需求；地下空間的開發(fā)利用比建造海洋城市、宇宙城市等技術難度小，且人類已解決了在土層、巖體和水體中建造地下工程的關鍵技術，各種工藝技術、先進裝備比較成熟，跨越各種障礙，具有技術可行性和安全性。3、部分大城市具備開發(fā)利用地下空間經(jīng)濟條件；4、在大城市開發(fā)地下空間比較成本優(yōu)勢突出：經(jīng)濟成本方面，由于地下環(huán)境特殊性，維持通風照明、濕度等條件和使用維護費用較高，是地面建筑的士3~5倍，但考慮地面征地拆遷、環(huán)境保護、城市景觀等社會綜合效益，使用成本并不高。城市地下空間開發(fā)利用形式的多樣性和適用性；國外地下空間開發(fā)利用取得巨大成效；國內(nèi)地下空間開發(fā)利用初具規(guī)模；地下空間開發(fā)利用是21世紀城市發(fā)展的必然趨勢：世界共商發(fā)展大計；我國城市發(fā)展迫切要求；拓展城市空間和容量的必然選擇。簡述地下建筑結(jié)構的設計特點。（10分）1）地下空間內(nèi)建筑結(jié)構替代了原來的地層，承受原來有地層承受的荷載。設計和施工過程中，要最大限度發(fā)揮地層圍巖自身承載能力，以便控制地下建筑結(jié)構的變形，降低工程造價。

2）在受荷狀態(tài)下構建地下建筑結(jié)構，地層荷載隨施工進程發(fā)生變化，設計要考慮最不利的荷載工況。

3)地下空間結(jié)構上的地層荷載由工程的地質(zhì)情況確定，對于土體一般可按松散連續(xù)體來計算；如是巖石，不僅要考慮巖石的種類，而且要查清巖石的構造、節(jié)理、裂隙等，才能使結(jié)構上的地層荷載準確可靠。

4）地下水的狀態(tài)對地下建筑結(jié)構設計和施工影響較大，如靜水壓力、動水壓力、浮力效應、腐蝕性等。設計前查清地下水位的分布和變化。

5）設計階段的地質(zhì)資料可能與施工揭露的實際地質(zhì)情況不同，應根據(jù)施工的實時工況隨時修改設計。

6）地下建筑結(jié)構中設置變形縫最難處理的是防水問題，一般盡量避免設變形縫，通過局部加強地基、用整片較大的基礎、調(diào)整施工順序等得到整體平衡。

7）地下建筑結(jié)構設計還應考慮與防水、防腐、防火、防霉、通風等有關的特殊要求。

可見：地下建筑結(jié)構的設計計算影響因素多，設計難度比地面結(jié)構大。簡述地下建筑結(jié)構設計主要內(nèi)容。（10分）結(jié)構設計主要是解決結(jié)構的選型、強度、剛度和穩(wěn)定性、抗裂性等問題，并提供施工時結(jié)構各部件的具體細節(jié)尺寸及連接大樣。內(nèi)容包括：

（1）確定工程防護等級、三防要求（核武器、化學武器、生物武器）動、靜荷載標準；確定埋置深度與施工方法；選定結(jié)構形式和結(jié)構平面布置；然后開始結(jié)構設計，

（2）初步擬定結(jié)構截面尺寸，根據(jù)荷載和使用要求估算結(jié)構跨度、高度、頂?shù)装寮斑厜穸鹊戎饕叽纾?/p>

（3）分析并初算結(jié)構上作用的荷載值：按建筑用途、防護等級、地震級別、埋置深度和土層情況求出作用在結(jié)構上的各種荷載值；繪制初步結(jié)構圖與計算簡圖；

（4）結(jié)構內(nèi)力計算分析：選擇合適的結(jié)構內(nèi)力計算模型和計算方法，得出結(jié)構各控制設計截面的內(nèi)力；

（5）結(jié)構穩(wěn)定性驗算：抗浮、抗傾覆、抗滑動等驗算；

（6）內(nèi)力組合：在各種荷載作用下分別計算結(jié)構內(nèi)力，對最不利的情況進行內(nèi)力組合，求出各控制截面的最大設計內(nèi)力值，并驗算截面強度；

（7）配筋計算：核算截面強度和裂縫寬度，得出受力鋼筋，并確定必要的構造鋼筋；繪制結(jié)構施工詳圖：如結(jié)構平面圖、結(jié)構構件配筋圖、節(jié)點圖等；

（8）安全性評估：如不符合安全要求，重新（選定結(jié)構形式與布置）估算結(jié)構跨度、高度、頂板、底版、邊墻厚度等主要尺寸；

（9）重復上述步驟，直到滿足各種要求；

（10）繪制施工設計圖，

（11）材料、工程數(shù)量和工程財務預算：選擇建筑材料、估算工程材料、工程量及經(jīng)濟預算等。

簡述圍巖彈性抗力的形成過程，其值大小與哪些因素有關？如何計算圍巖彈性抗力？（10分）形成過程為：主動荷載作用于—地下支護結(jié)構—變形——作用于地層——地層反作用于地下結(jié)構—產(chǎn)生被動彈性抗力荷載。影響因素：層彈性抗力是地下建筑結(jié)構特有荷載，影響因素有支護結(jié)構的變形、地層的物理力學性質(zhì)。被動荷載—地層彈性抗力計算：（a）局部變形理論：

溫克爾模型（點彈性理論），彈性地基（圍巖）某點的外力只引起該點的沉陷和變形；彈性抗力=地層彈性抗力系數(shù)*圍巖壓縮變形；該方法容易理解，計算簡單，只要滿足工程要求，一般采用。計算關鍵問題是確定地層彈性抗力系數(shù)的大小。

（b）共同變形理論（面彈性變形理論）：

彈性地基（圍巖）某點的外力不僅引起該點的沉陷和變形，而且引起附近周圍一定范圍內(nèi)地基發(fā)生沉陷；但計算復雜，一般不用。畫圖分析說明收斂—約束法地下建筑結(jié)構設計原理。（10分）圍巖特性曲線(支護需求曲線)開挖隧道時，由于臨空面的形成，圍巖開始向洞內(nèi)產(chǎn)生位移，這種位移為收斂；在開挖后適時地沿隧道周邊設置支護結(jié)構，對巖體的移動產(chǎn)生阻力，形成約束。在圍巖強度和穩(wěn)定性允許的范圍內(nèi)，圍巖在支護前的收斂越大，支護所需要約束的圍巖剩余收斂就越小，即支護受到的圍巖剩余變形荷載越小。但如果圍巖出現(xiàn)塑性變形破壞，則塑性和塌落范圍增大，圍巖在設置支護前的收斂越大，支護所需要抵抗的圍巖塌落荷載也越大。這種關系見圍巖特征曲線

支護設置后，在彈性范圍內(nèi)，支護的變形越大，支護能提供的抗力越大，如果支護的剛度不足以完全制止圍巖的繼續(xù)變形，隨著變形的加劇，圍巖殘留形變荷載減小，支護提供的抗力增加，二者最終在某個圍巖變形值處達到平衡。這種利用圍巖與支護共同作用特性來選擇支護參數(shù)的方法為特征曲線法（收斂約束法）簡述地下建筑結(jié)構的概念，按結(jié)構斷面形式可分為哪些類型？分別適用于什么類型的地下工程？（10分）地下建筑結(jié)構基本定義：

保留上部地層（巖體或土層）的前提下，在開挖出的地下空間內(nèi)修建能夠提供某種用途的建筑結(jié)構物，統(tǒng)稱為地下建筑結(jié)構，一般是由人工建筑（構筑）結(jié)構、地下支護結(jié)構與天然周邊圍巖共同組成地下建筑結(jié)構體系。分類標準地下建筑結(jié)構分類備注說明

按結(jié)構設計斷面形式不同拱形地下建筑結(jié)構噴錨襯砌、半襯砌、厚拱薄墻襯砌、直墻與曲墻拱形襯砌等。在地下工程中廣泛應用，如隧道、地下廠房、倉庫等。圓形、矩形或管狀地下結(jié)構軟土中的地下鐵道、穿越江河湖海底部的越江、跨海隧道。一般作成裝配式的管片或管節(jié)，施工時利用盾構、頂管或沉管法形成。框架地下建筑結(jié)構軟土淺埋明挖施工的地鐵車站、廠房、地下醫(yī)院等采用框架地下建筑結(jié)構。薄殼地下建筑結(jié)構地下油庫、頂蓋采用穹頂薄殼結(jié)構。異形地下建筑結(jié)構非圓形、非矩形。如雙圓形襯砌結(jié)構、三圓形襯砌結(jié)構、橢圓形襯砌結(jié)構等。7.簡述地下建筑結(jié)構設計計算四種模型的優(yōu)缺點及基本適用條件。（10分）序號設計模型優(yōu)點缺點不足基本適用條件1工程經(jīng)驗類比法1）以圍巖分類為基礎，設計借鑒已有的工程經(jīng)驗；2）圍巖分類綜合考慮影響圍巖定性和定量因素；3）分析方法簡便，分類參數(shù)便于獲??；4）無需定量計算，易于實現(xiàn)和掌握；5）為圍巖質(zhì)量預測提供了一條途徑；6）多數(shù)情況下能滿足工程實用精度要求；7）能綜合考慮多種非確定性影響因素，快速地對擬建地下建筑結(jié)構的設計參數(shù)作出估算和評價。1）用于給定的跨度、洞形和埋深，不能具體反映不同因素變化對結(jié)構條件的影響；2）不能反映支護類型與支護參數(shù)增減對安全性和經(jīng)濟性變化影響，不能進行優(yōu)化設計；3）不能利用已有的監(jiān)控資料定量地改進設計；4）用于堅硬巖石偏保守，用于軟弱圍巖偏危險；5）以人的經(jīng)驗為主，解決地下結(jié)構設計問題的范圍較窄，帶有的主觀性。該法的基礎在于積累和整理既有工程資料，充分掌握和占有已往類似工程的資料和成功經(jīng)驗，前提是建立合理的圍巖分類體系，對地下工程圍巖進行正確分級。成功建造的關鍵是作好施工過程的監(jiān)控量測和信息反饋。

2荷載—結(jié)構模型（結(jié)構力學模型）1）結(jié)構計算模型概念明確，采用成熟的結(jié)構力學方法，計算結(jié)果可靠；

2）可以直接獲得結(jié)構安全系數(shù)，滿足傳統(tǒng)設計要求；3）對明挖回填及淺埋剛性支護地下建筑結(jié)構，計算精度較高，其結(jié)果滿足設計精度。1）計算中的荷載基于一定的假設前提，對于深埋地下工程，假設條件難以滿足；2）對于承受變形地壓的結(jié)構，其計算難以考慮，計算精度不高；3）不能考慮結(jié)構與圍巖的相互作用，對于錨噴支護以及深埋變形巖層不能采用。該法適用于淺埋地下建筑結(jié)構（上部為填土），圍巖塌落而出現(xiàn)松動壓力的情況。3地層—結(jié)構模型（連續(xù)介質(zhì)力學模型）1）能借助計算模型和數(shù)值計算技術，對不同條件、不同受力環(huán)境以及不同開挖方法進行模擬，從而進行支護參數(shù)和斷面形狀優(yōu)化；2）能研究地下工程的圍巖力學性質(zhì)變化（彈塑性區(qū)位置與大?。┮约皯Ψ植?；3）能在工程施工前進行分析、研究和方案比較；4）能研究地下工程的變形破壞機理、失穩(wěn)條件以及影響因素。

1）由于巖土體參數(shù)準確地獲取存在相當困難，使得計算結(jié)果難以滿足設計要求；2）數(shù)值分析方法僅限于給出地下工程圍巖的應力場、位移場以及彈塑性區(qū)的位置和大小，不能直接給出安全系數(shù)指標；3）需要扎實的理論基礎，也需要一定工程實踐經(jīng)驗，對設計者要求較高。適用于初始應力、地質(zhì)條件復雜，構筑在軟巖或較穩(wěn)定的地層內(nèi)，并采用新奧法設計、施工的復合襯砌或噴錨襯砌的隧道的設計。

4收斂—限制模型1）洞周圍巖變形是隧道圍巖整體穩(wěn)定性最直接、最能反映本質(zhì)和總體的宏觀表現(xiàn)。用這種方法設計最接近實際；2）給出圍巖支護系統(tǒng)在錨噴支護末期洞周收斂的概略值；3）圍巖變形是支護效果直觀體現(xiàn)。1）只能用于工程開挖施工階段，不能進行開挖前的設計與分析；2）只能用于特定監(jiān)測工程，不能推廣應用到尚未實施監(jiān)測的多數(shù)地下工程；3）對于隧道開挖后支護初期圍巖穩(wěn)定性判斷準則，尚無定量判據(jù)。適用用于工程開挖施工階段,用于特定監(jiān)測工程8.簡述地下工程開挖與支護過程中圍巖應力的變化過程，并分析地下工程一次支護和二次支護各有什么特點。（10分）地下工程開挖前巖體處于初始應力狀態(tài)，為一次（原始）應力平衡狀態(tài)；地下開挖后，引起了圍巖應力的重調(diào)整分布，同時圍巖將產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移，形成了新的應力場，稱之為圍巖的二次應力平衡狀態(tài)；坑道支護后，相當于在坑道周邊施加了一個阻止隧道圍巖變形的支護阻力(抗力)，從而也改變了圍巖的二次應力狀態(tài)。支護阻力的大小和方向?qū)鷰r的應力狀態(tài)有著很大的影響。這就是三次應力平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)與支護結(jié)構類型、方法以及施設時間等有關。三次應力狀態(tài)滿足穩(wěn)定要求后就會形成一個穩(wěn)定的洞室結(jié)構，這個復雜的力學變化過程才告結(jié)束。

｛此問真沒有｝9.按使用功能不同，地下工程如何分類？如何區(qū)分深埋和淺埋地下工程？（10分）按開發(fā)利用階段層次分人類生存和確保安全的地下工程儲藏設施、地下住宅等；能源（石油、天油氣）儲藏，用水儲藏：放射性廢棄物處理等；伴隨城市發(fā)展而加以利用的地下工程地下街、停車場、交通系統(tǒng)、能源供給、通信、文化設施、地下鐵道、市政地下管道等；伴隨科學技術發(fā)展而利用的地下工程地下生產(chǎn)工廠、地下水力發(fā)電站、廢棄物地下處理等；大規(guī)模國土有效利用的地下工程城市之間地下交通、物流系統(tǒng)、鐵路隧道、公路隧道、海峽隧道等；防御和減災的地下工程人防工程、地下防洪大壩、地下河等；分類標準地下建筑結(jié)構分類備注說明按使用條件、功能不同分類交通隧道鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道、水底隧道等。水工隧洞水力發(fā)電站的各種輸水隧洞、灌溉輸水隧洞、給水排水隧洞等。礦山隧道礦山各類運輸隧道、開采井巷等。地下倉儲糧食、油料、水果、蔬菜等的儲藏庫、魚肉食品冷藏庫、車庫、核廢料封存庫等。按地下工程埋置深度區(qū)分淺層地下工程埋深10m范圍內(nèi)的地下工程；次淺層地下工程埋深10～30m范圍內(nèi)的地下工程；中層地下工程埋深30～50m范圍內(nèi)的地下工程；深層地下工程埋深50m以下的地下工程；全地下工程h/b＜a時，為淺埋地下建筑工程；h/b≥a時，為深埋地下建筑工程；h：洞頂襯砌外緣至地面的垂直距離；b：為洞頂襯砌外緣的跨度或圓形洞室的直徑；a：根據(jù)土壓力理論計算，a約為2.5；10.分析比較地面建筑結(jié)構與地下建筑結(jié)構的工程特點。（10分）比較內(nèi)容地下建筑結(jié)構工程特點地面建筑結(jié)構工程特點荷載類型和形成先后順序先有荷載，后有結(jié)構。在地下建筑結(jié)構形成前存在地應力、地下水壓力等荷載；除存在主動荷載外，存在被動荷載—彈性抗力作用。先有結(jié)構工程，后有荷載。經(jīng)過施工，形成地面結(jié)構，承受靜載和動載作用；一般只有主動荷載。工程材料特性工程材料具有不確定性：除支護材料、建筑結(jié)構材料可控制外，圍巖地質(zhì)體難以預測和控制。表現(xiàn)在：1）空間上不確定性：不同位置的圍巖地質(zhì)條件如巖性、斷層、節(jié)理、地下水、地應力等存在差異。2）時間上不確定性：不同歷史演變時期，上述因素不同，且與開挖方式、支護形式、時間、工藝等密