地下結(jié)構(gòu)荷載計算

地下建筑結(jié)構(gòu)荷載第四章本講內(nèi)容荷載種類和組合荷載確定方法巖土體壓力的計算方法初始地應(yīng)力、釋放荷載與開挖效應(yīng)彈性抗力其他荷載4.1

荷載種類和組合荷載種類按存在狀態(tài)分為：靜荷載、動荷載和活荷載等

靜荷載：又稱恒載。是指長期作用在結(jié)構(gòu)上且大小、方向和作用點不變的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、巖土體壓力、彈性抗力和地下水壓力等；活荷載：指在結(jié)構(gòu)物施工和使用期間可能存在的變動荷載，其大小和作用位置都可能變化。

如地下建筑物內(nèi)部的樓板地面荷載（人群物件和設(shè)備重量）、吊車荷載、落石荷載等。地面附近的堆積物和車輛對地下結(jié)構(gòu)作用的荷載以及施工安裝過程中的臨時性荷載。動荷載：要求具有一定防護(hù)能力的地下建筑物，需考慮原子武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭）爆炸沖擊波壓力荷載，這是瞬時作用的動荷載；在抗震區(qū)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)計算地震波作用下的動荷載作用。其他荷載：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的各種因素中，除有以上主要荷載的作用外，通常還有：混凝土材料收縮（包括早期混凝土的凝縮與日后的干縮）、溫度變化等受到約束而產(chǎn)生的內(nèi)力。地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載，按其作用特點及使用中可能出現(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:（1）永久（主要）荷載即長期作用的恒載，主要包括：結(jié)構(gòu)自重；回填土重量；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。地層壓力和結(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)所特有的被動荷載。（2）可變（附加）荷載分為基本可變荷載和其它可變荷載兩類。

基本可變荷載，即長期的、經(jīng)常作用的變化荷載，如吊車荷載、設(shè)備重量、地下儲油庫的油壓力、車輛、人員等荷重人群荷載等。其它可變荷載，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。（3）偶然（特殊）荷載偶然發(fā)生的荷載，如地震力或戰(zhàn)時發(fā)生的武器爆炸沖擊動荷載。4.1.2荷載組合

各種荷載對結(jié)構(gòu)可能不是同時作用，需進(jìn)行最不利情況的組合。先計算個別荷載單獨作用下的結(jié)構(gòu)各部件截面的內(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+動載（原子爆炸動載、炮（炸）彈動載）4.1.2荷載組合指將可能同時出現(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)計荷載，以最危險截面中最大內(nèi)力值作為設(shè)計依據(jù)。我國公路和鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中給出的永久、可變及偶然荷載（在鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中采用概率極限狀態(tài)設(shè)計法時稱為作用）參見表4-1和表4-2。表4-1公路隧道設(shè)計規(guī)范（JTJ026-90）的隧道荷載編號荷載分類荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結(jié)構(gòu)自重力3填土壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載、人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的土壓力7立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力11偶然荷載落石沖擊力12地震力13施工荷載注：[1]設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)時，按其可能出現(xiàn)的最不利情況組合。

表4-2鐵隧道設(shè)計規(guī)范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷載）分類編號荷載分類荷載名稱荷載分類1永久作用結(jié)構(gòu)自重恒載主要荷載2結(jié)構(gòu)附加恒載3圍巖壓力4土壓力5混凝土收縮和徐變的影響6可變作用列車活載活載7活載所產(chǎn)生的土壓力8公路車輛荷載9沖擊力10渡槽水流壓力（設(shè)計渡槽明洞時）11制動力附加荷載12溫度變化的影響13灌漿壓力14凍脹力15施工荷載（施工階段的某些外力）16偶然作用落石沖擊力附加荷載17地震力特殊荷載4.2荷載的確定方法4.2.1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)計規(guī)范，設(shè)計時應(yīng)遵守各有關(guān)規(guī)范。(2)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1）根據(jù)建筑用途、防護(hù)等級、地震等級等確定。

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)力在彈性階段可按結(jié)構(gòu)力學(xué)計算?？紤]抗爆動載時，允許考慮由塑性變形引起的內(nèi)力重分布。4.2荷載的確定方法3）截面計算原則結(jié)構(gòu)截面計算時，按總安全系數(shù)法進(jìn)行，一般進(jìn)行強(qiáng)度、裂縫（抗裂度或裂縫寬度）和變形的驗算等。混凝土和磚石結(jié)構(gòu)僅需進(jìn)行強(qiáng)度計算，并在必要時驗算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在施工和正常使用階段的靜荷載作用下，除按強(qiáng)度計算外，一般應(yīng)驗算裂縫寬度，根據(jù)工程的重要性，限制裂縫寬度小于0.10~0.20mm，但不允許出現(xiàn)通透裂縫。對較重要的結(jié)構(gòu)則不能開裂，即驗算抗裂度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸動載作用下只需進(jìn)行強(qiáng)度計算，不作裂縫驗算。4）安全系數(shù)結(jié)構(gòu)在靜載作用下的安全系數(shù)可參照有關(guān)規(guī)范確定。對于地下建筑結(jié)構(gòu)，如施工條件差，不易保證質(zhì)量和荷載變異大時，對混凝土和鋼筋砼結(jié)構(gòu)需考慮用附加安全系數(shù)1.1。靜載下的抗裂安全系數(shù)不小于1.25，視工程重要性，可予提高。結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下，由于爆炸時間較短，而荷載很大，為使結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟(jì)和配筋合理，其安全系數(shù)可以適當(dāng)降低。5）材料強(qiáng)度指標(biāo)一般采用工業(yè)與民用建筑規(guī)范中的規(guī)定值，亦可根據(jù)實際情況，參照水利、交通、人防和國防等專門規(guī)范。結(jié)構(gòu)在動載作用下，材料強(qiáng)度可以提高；提高系數(shù)見有關(guān)規(guī)定。4.3巖土體壓力的計算方法土壓力是土與擋土結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果，它與結(jié)構(gòu)的變位有著密切關(guān)系。以擋土墻為例，作用在擋土墻墻背上的土壓力可以分為靜止土壓力、主動土壓力（往往簡稱土壓力）和被動土壓力（往往簡稱土抗力）三種，其中主動土壓力值最小，被動土壓力值最大，而靜止土壓力值介于兩者之間。2.3.1經(jīng)典土壓力理論

軟土地區(qū)淺埋的地下工程，采用“土柱理論”計算。豎向土壓力即為結(jié)構(gòu)頂蓋上整個土柱的全部重量。側(cè)向土壓力經(jīng)典理論主要是庫倫（Coulomb）理論和朗肯（Rankine）理論。靜止土壓力計算一般采用彈性理論，它也可以稱為經(jīng)典理論。盡管上述經(jīng)典土壓力理論存在許多不足之處，但是在工程界仍然得到廣泛應(yīng)用。

4.3.2圍巖壓力的計算

（一）圍巖壓力及其影響因素

1、圍巖壓力的概念圍巖壓力是指位于地下結(jié)構(gòu)周圍變形及破壞的巖層，作用在襯砌或支撐上的壓力。洞室開挖之前，地層中的巖體處于復(fù)雜的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)。洞室開挖之后，圍巖中的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力重新分布，從而使圍巖產(chǎn)生變形。當(dāng)變形發(fā)展到巖體極限變形時，巖體就產(chǎn)生破壞。如在圍巖發(fā)生變形時及時進(jìn)行襯砌或圍護(hù)，阻止圍巖繼續(xù)變形，防止圍巖塌落，則圍巖對襯砌結(jié)構(gòu)就要產(chǎn)生壓力，即所謂的圍巖壓力。

圍巖壓力可分為圍巖垂直壓力、圍巖水平壓力及圍巖底部壓力。2、三影響三圍巖三壓力三的因三素影響三圍巖三壓力三的因三素很三多，主三要與三巖體三的結(jié)三構(gòu)、三巖石三的強(qiáng)三度、三地下三水的三作用三、洞三室的三尺寸三與形三狀、三支護(hù)三的類三型和三剛度三、施三工方三法、三洞室三的埋三置深三度和三支護(hù)三時間三等因三素相三關(guān)。其中三，巖三體穩(wěn)三定性三的關(guān)鍵三在于三巖體三結(jié)構(gòu)三面的三類型三和特三征。按圍三巖壓三力及三作用三分：支護(hù)三結(jié)構(gòu)三理論三的發(fā)三展可三以劃三分為三三個三階段三：第一三階段三：古三典巖三土壓三力理三論階三段興起三于20世紀(jì)20年代三以前三，代三表性三人物三主要三有海三姆（A.三Ha三im）、三朗肯三（）和三金尼三克（A.三H.三Ди三ии三к）。認(rèn)為三作用三在支三護(hù)結(jié)三構(gòu)上三的壓三力是三其上三覆巖三層的三重量三，側(cè)三壓力三方面三，海三姆認(rèn)三為側(cè)三壓系三數(shù)為1，朗三肯根三據(jù)松三散體三理論三認(rèn)為三是，三而金三尼克三根據(jù)三彈性三理論三認(rèn)為三是μ/(三1-μ)（μ為巖三體的三泊松三比）三。當(dāng)三時地三下工三程埋三藏深三度不三大，三一度三被認(rèn)三為是三正確三的。第二三階段三：散三體壓三力理三論階三段代表三性人三物是三泰沙三基（K.三Te三rz三ag三hi，太三沙基三）和三普羅三托季三亞科三諾夫三（普三氏，M.三M.三Л三ро三тд三ъя三ко三но三в）。認(rèn)為三當(dāng)?shù)厝鹿と搪袢厣钊容^三大時三，支三護(hù)上三的壓三力只三是圍三巖坍三落拱三內(nèi)松三動巖三體的三重量三，坍三落拱三的高三度與三地下三工程三的跨三度及三圍巖三的性三質(zhì)有三關(guān)。太沙三基認(rèn)三為坍三落拱三為矩三形，三而普三羅托三季亞三科諾三夫認(rèn)三為是三拋物三線形三。并通三過假定三抗力三的形三式考慮三圍巖三與結(jié)三構(gòu)的三相互三作用三。采用三荷載—結(jié)構(gòu)三法進(jìn)三行結(jié)三構(gòu)內(nèi)三力計三算。第三三階段三：共三同作三用理三論階三段沒能三科學(xué)三地確三定坍三落拱三的高三度及三其形三成過三程，三更沒三有認(rèn)三識到穩(wěn)定三圍巖三和充三分發(fā)三揮圍三巖的三自承三作用三問題。20世紀(jì)50年代三以來三，巖三石力三學(xué)開三始成三為一三門獨三立的三學(xué)科三，圍三巖彈三性、三彈塑三性及三粘彈三性解三答逐三步出三現(xiàn)，三錨（三桿）三噴（三射混三凝土三）支三護(hù)及三新奧三法（三新奧三地利三隧道三設(shè)計三施工三）的三興起三，終三于形三成了三以巖三石力三學(xué)原三理（三圍巖三）及三彈性三力學(xué)三（結(jié)三構(gòu)）三為基三礎(chǔ)的三、考慮三支護(hù)三結(jié)構(gòu)三與圍三巖共三同作三用的三地下三現(xiàn)代三支護(hù)三理論。我國三采用三較多三的仍三是以三散體三壓力三理論三為基三礎(chǔ)的荷載——結(jié)構(gòu)三法，一三方面三該理三論發(fā)三展時三間較三長，三有較三多經(jīng)三驗，三另一三方面三是該三計算三理論三形式三簡單三，比三較容三易為三工程三設(shè)計三人員三所掌三握。只對三圓形三斷面三才有三封閉三的解三析解三，設(shè)三計中三一般三作為三校核三，但三近年三來地層——結(jié)構(gòu)三法得到三了越三來越三廣泛三的應(yīng)三用。地下三結(jié)構(gòu)三的計三算理三論（三按地三下結(jié)三構(gòu)分三）：1、剛?cè)越Y(jié)三構(gòu)階三段剛性三結(jié)構(gòu)三的計三算理三論，三如壓三力線三理論三等。背景三：十三九世三紀(jì)磚三石結(jié)三構(gòu)流三行分析三方法三：三三鉸拱三靜定三體系設(shè)計三準(zhǔn)則三：2、彈三性結(jié)三構(gòu)階三段背景三：十三九世三紀(jì)未三混凝三土、三鋼筋三混凝三土結(jié)三構(gòu)出三現(xiàn)分析三方法三：彈三性連三續(xù)拱三形框三架體三系設(shè)計三準(zhǔn)則三：混三凝土三設(shè)計三規(guī)范3、假三定抗三力階三段背景三：(1三91三0年O.三K三om三me三ra三ll；….三)19三34年Зу三ра三бо三в，бу三га三ев三а分析三方法三：鐮三刀形三抗力三圖形三作為三荷載三計算設(shè)計三準(zhǔn)則三：分析三方法三：抗三力大三小，三及其三位置三均由三計算三決定在主三動荷三載作三用下三發(fā)生三彈性三變形三的同三時，三將受三到地三層對三其變?nèi)萎a(chǎn)三生的三約束三作用三。將三這類三約束三作用三假設(shè)三為彈三性抗三力，三地下三結(jié)構(gòu)三計算三理論三便有了三與地三面結(jié)三構(gòu)不三同的三特點三。彈性三抗力結(jié)構(gòu)三在主三動荷三載作三用下三，要三產(chǎn)生三變形三。以三隧道三工程三為例三，如三圖所三示的三曲墻三拱形三結(jié)構(gòu)三，在三主動三荷載三（垂三直荷三載大三于水三平荷三載）三作用三下，三產(chǎn)生三的變?nèi)稳缛摼€三所示：4、連三續(xù)介三質(zhì)力三學(xué)理三論計算三機(jī)數(shù)三值方三法與三設(shè)計CA三D19三66年,圓形三隧道三的彈三塑性三屈服三準(zhǔn)則三應(yīng)用19三68年無拉三分析三研究三隧道三應(yīng)力三和變?nèi)?9三77年W.三Wi三tt三ke圍巖三節(jié)理三及施三工順三序?qū)θ词胰€(wěn)定三的影三響19三79年同三濟(jì)大三學(xué)，三四川三二灘三水電三站地三下廠三房洞三室穩(wěn)三定分三析19三83年發(fā)三表初三始地三應(yīng)力三的反三分析三原理(線性三、非三線性)19三88年完三成非三線性三抗爆三動力三響應(yīng)19三92年江三陰長三江大三橋錨三碇的三三維三時間三效應(yīng)三分析由于三人們?nèi)J(rèn)識三到地三下結(jié)三構(gòu)與三地層三是一三個受三力整三體，20世紀(jì)三以來三，按三連續(xù)三介質(zhì)三力學(xué)三理論三建立三地下三結(jié)構(gòu)三內(nèi)力三計算三方法三的研三究也三逐漸三取得三成果三。已三經(jīng)建三立的三方法三既有三解析三解，三又有三各類三數(shù)值三計算三法。60年代三以來三，隨三著計三算機(jī)三的推三廣和三巖土三介質(zhì)三本構(gòu)三關(guān)系三研究三的進(jìn)三步，三數(shù)值三計算三方法三有了三很大三發(fā)展三，已三編制三多種三功能三齊全三的程三序軟三件。70年代三起，三隨著三隧道三施工三力學(xué)三研究三的發(fā)三展，三采用三