第三章 地下结构计算原理和设计方法-1课件.ppt

第三章 地下结构计算原理和设计方法(2) 同济大学地下系 谢雄耀 副教授 xiexiongyao@tongji.edu.cn 目 录 §3.1 概述 §3.2 地下结构的荷载 §3.3 结构内力的计算方法 §3.4 地下结构选型与构造 §3.5 设计模型与计算方法 §3.6 地下结构计算原理和设计方法中的新进展 §3.7 工程设计实例 §3.3结构内力的计算方法 按衬砌与地层相互作用方式的不同，地下结构计算方法大致可分为两类：1）荷载——结构法；2）地层——结构法。 4 3.3.1荷载——结构法 认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载（包括主动的地层压力和被动的地层抗力），以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载——结构法，该方法有时又称为结构力学法。 荷载——结构法又有以下三种模式： ⑴主动荷载模式 不考虑地层与支护结构的相互作用。该计算模式主要适用于采用浅埋暗挖或明挖法施工的城市地铁及明洞工程。 ⑵主动荷载加被动荷载模式 认为地层不仅对结构施加主动荷载，而且通过支护抗力来约束支护结构的变形。适用于任何形式的地层条件。 ⑶实际荷载模式 采用量测仪器实地量测作用在衬砌上的荷载大小，该数值综合反映了地层与衬砌支护结构的相互作用。某一种实地量测的荷载，只能适用于与其类似的情况（包括地层、衬砌及回填）。 实际工程中，主动荷载加被动荷载模式应用较多。 主动荷载又可分为主要荷载、附加荷载、偶然荷载以及特殊荷载等。 (a)主要荷载 即长期的、经常作用的荷载，如地层压力、支护结构的自重、地下水压力及活载等。 应当指出，在围岩分类及确定围岩压力的研究中，工程类比法起着不容忽视的作用。 静水压力可按低水位考虑。 对于没有仰拱的衬砌结构，车辆活载直接传给地层。对于设有仰拱的衬砌结构，车辆活载对拱、墙结构的受力影响根据具体情况而定，一般可略去不计。 (b)附加荷载 即偶然的、非经常作用的荷载，如温差应力，灌浆压力，冻胀力及地震力等。 其中主要的是地震力，其计算按照相关的抗震规范取值设计。民防地下工程则考虑武器的冲击、侵彻、爆炸作用引起的动力荷载。 计算荷载应根据以上两类荷载同时存在的情况进行组合。 一般主要考虑主要荷载，只有在某些特殊情况，如7级以上地震区，或严寒地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，按主要荷载加附加荷载来验算结构，但此时可采用较低的安全系数。民防工程则应依设防等级确定附加动载及等效静载。 隧道衬砌结构计算的主要内容有： 按工程类比法初步拟定衬砌断面的几何尺寸，确定作用在衬砌结构上的荷载； 进行力学计算，求出衬砌截面的内力（弯矩和轴力）； 对截面进行配筋设计，检验衬砌截面的承载安全系数K值。 早年有弹性连续框架（含拱形构件）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等 按采用的地层变形理论的不同分为局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。 由于采用荷载——结构法进行内力计算是一个非线性问题，可以采用简化假定或迭代求解。 3.3.2地层——结构法 认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的计算方法，称这种方法为地层——结构法。 地层结构法认为地下结构周围的地层不仅能对衬砌结构产生荷载，而且其自身也能承受荷载，地下结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。 地层——结构法进行内力计算的特点是，不仅计算衬砌结构的内力，而且计算洞室周围地层的应力。 只是对圆形洞室的解析解发展比较完善。 由于材料非线性、几何非线性、节理和其它不连续特征以及开挖效应等许多复杂的工程因素，一般只能借助有限单元法等数值方法进行计算。 §3.4地下结构选型与构造 3.4.1 拱形结构 岩石坚固性系数f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的1/100作为岩石的坚固性系数，f=R/100 (R单位 kg/cm2) f是个无量纲的值，它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少倍，因为致密粘土的抗压强度为10MPa Ⅰ　最坚固　最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他各种特别坚固的岩石。(f=20)　 Ⅱ　很坚固　很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质片岩，较坚固的石英岩，最坚固的砂岩和石灰岩.(f=15) Ⅲ　坚　固　致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石.(f=10) Ⅲa　坚　固　坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚