第2章 地下建筑結構的荷載

第2章地下建筑結構荷載荷載的種類與組合荷載的確定方法土體壓力計算圍巖壓力計算2.1荷載種類和組合荷載的種類按作用時間的長短分類：恒載與活載按載荷的性質(zhì)分類：靜載荷與動載荷按作用范圍分類：分布載荷與集中載荷最不利荷載組合靜載靜載+活載靜載+動載2.2荷載的確定方法依據(jù)規(guī)范當前在地下建筑結構設計中試行的規(guī)范、技術措施、條例等有多種。有的仍沿用地面建筑的設計規(guī)范，設計時應遵守各有關規(guī)范根據(jù)建筑用途、防護等級、地震等級等確定。地下建筑結構材料的選用地下襯砌結構一般為超靜定結構，其內(nèi)力在彈性階段可按結構力學計算?？紤]抗爆動載時，允許考慮由塑性變形引起的內(nèi)力重分布截面計算原則安全系數(shù) 材料強度指標設計標準2.3土壓力的計算土壓力的類型垂直土壓力側向土壓力：靜止土壓力、主動土壓力與被動土壓力

=H土壓力EEpE0Ea

-H1~5%1~5%o垂直土壓力svshshzsv外土柱內(nèi)土柱靜止土壓力E填土對于側限應力狀態(tài)經(jīng)驗公式朗肯(Rankine)土壓力理論朗肯土壓力理論基本條件和假定條件墻背光滑墻背垂直填土表面水平假設墻后各點均處于極限平衡狀態(tài)PaK0

v

v

45o+/290o－

svshz半無限土體主動極限平衡狀態(tài)半無限土體內(nèi)各點的應力從彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的條件主動土壓力填土為砂土的朗肯主動土壓力主動土壓力分布45＋/2Ea=1/2KagH2HH/3

HKapa=tg2(45

-f/2)gz

(kN/m2)主動土壓力系數(shù)

Ka=tg2(45-f/2)墻后破裂面形狀pa=Kagz填土為粘土的朗肯主動土壓力PaK0

v

v

被動土壓力s1s345

-f/2

1f

v=z

K0

vPp半無限土體內(nèi)各點的應力從彈性平衡狀態(tài)發(fā)展為極限平衡狀態(tài)的條件填土為砂土的朗肯被動土壓力pp=sh=tg2(45

+

/2)gz

(kN/m2)Kp=tg2(45

+

/2)直線分布總被動土壓力

Ep=1/2Kp

gH2

(kN/m)作用點：底部以上1/3H處滑裂面方向：與水平夾角45

-

/2

被動土壓力分布

HKpEp2c

KpH總土壓力

v

Pp填土為粘土的朗肯被動土壓力平面滑裂面假設：滑裂面為平面剛體滑動假設：破壞土楔為剛體滑動楔體在兩個平面上處于極限平衡狀態(tài)主動極限平衡狀態(tài)被動極限平衡狀態(tài)

庫侖(Coulomb)土壓力理論變化

,取若干滑裂面,使E最大dE/d

=0,求得

，得：ABC1

1R1

EW取一滑裂面，假設滑面上滿足極限平衡條件，通過力平衡求EW1E1R1C2C3C4C5

砂土庫侖主動土壓力－庫侖主動土壓力系數(shù)

EEaEa特例:===0，即墻背垂直光滑，填土面水平，與朗肯理論等價土壓力分布：三角形分布W

ABC

REE庫侖RW求解方法類似主動土壓力,變化

,

使E最小，dE/d

=0,求得

：砂土庫侖被動土壓力土壓力分布HEp－

Ep

HKpH/3

填土為砂土的庫侖被動土壓力分層土土壓力計算分層計算加權平均地面超載作用下土壓力計算均布荷載郎肯土壓力理論

1=gz+qpa=

3=qKa+gzKaHZ

1

3qKaHKazKa按照庫侖土壓力理論lHWABCqREa

WGREaEa’qKaHKa三角形相似局部荷載--朗肯土壓力理論q45o＋/245o＋/2qKaHKa集中荷載考慮地下水時水土壓力計算水土分算CBg

fg

fH2H1B不透水層墻基不透水gwH2水壓力(gH1+gH2)gH1土壓力KaKa水土合算u=0孔壓gsatH2gH1垂直有效應力=總應力Ka(gH1+gsatH2)KagH1土壓力H2H1透水地基2.4圍巖壓力的計算地下洞室開挖的力學作用與過程zγzp0γz未開挖狀態(tài)zσθ開挖后應力重分布圍巖發(fā)生變形襯砌結構承受圍巖壓力地下洞室圍巖的變形與分區(qū)ΔX松動圈塑性圈彈性圈原巖圍巖重分布應力計算彈性圍巖重分布應力柯西課題分析示意圖天然應力等于或小于其單軸抗壓強度的一半圍巖視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體圓形洞室圍巖應力分析圓形洞室圍巖應力分析模型洞壁為單向應力狀態(tài)洞壁上應力差最大塑性圍巖重分布應力塑性圈圍巖應力重分布隨洞壁距離增大，徑向應力σr增大，洞壁逐漸轉化為雙向應力狀態(tài)，圍巖由塑性狀態(tài)逐漸轉化為彈性狀態(tài)塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)應力因釋放而明顯降低，而最大應力移至塑、彈圈交界處，使彈性區(qū)的應力明顯提高圍巖壓力計算圍巖壓力：地下洞室圍巖在重分布應力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動破壞，進而引起施加于支護襯砌上的壓力。P-圍巖向臨空區(qū)運動的合力P1-以變形形式轉化的力，即塑性變形能釋放所消耗的力P2-圍巖的自撐力P3-工程支護力，即圍巖壓力不允許圍巖變形圍巖無自承能力P允許圍巖變形圍巖無自承能力P-P1允許圍巖變形圍巖有自承能力P-P1-P2變形越大變形能釋放越多，圍巖變形所消耗的力P1越大變形越大圍巖越破碎，自承能力P2越小在最佳支護時間進行支護，可以減小對支護結構的圍巖壓力圍巖壓力隨變形而產(chǎn)生的變化最佳支護時間PP1P2P1+P2T最佳支護時段形變圍巖壓力松動圍巖壓力沖擊圍巖壓力圍巖壓力按形成機理分類形變圍巖壓力計算Pi-R1(圍巖壓力與塑性區(qū)范圍)關系曲線在圍巖不至失穩(wěn)的情況下，適當擴大