地下建筑结构及设计_2

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1、第3章 地下建筑结构及设计(2),胡华,3、地下建筑结构设计 1）设计原则：在静载、动载等各种荷载作用下，满足服务年限内的耐久性、使用安全性、发挥功能的适用、修建和使用维护的经济性、建造技术先进性等； 2）地下建筑结构设计实质：协调优化结构可靠安全性与技术先进性、经济合理性，使用耐久性之间的矛盾,实现最优的建筑构思；确定结构形式（形态）、规模与尺寸、使用材料、施工技术方法（包括开挖与支护）等。,3）地下结构安全稳定性判据： （1）容许应力法：也称极限强度理论法，结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下，结构的控制内力不超过材料的允许应力。 （2）破损阶段法：结构的尺寸必须保证在最不利荷载组合下，结

2、构的控制内力不超过材料的极限承载力。 （3）极限状态法按结构可靠度设计：容许应力法和破损阶段法用安全系数给予结构一定的安全储备，安全系数的大小无充分的理论依据，靠经验取值。而结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性，综合考虑了各种影响因素后，用失效概率或可靠度来定量描述。 4）循环反复设计过程：初步设计利用各种理论、模型或其他技术方法计算各种指标验证是否满足要求则改变结构形式、规模与尺寸、使用材料、施工技术方法等直到满足安全条件为止。,5）地下建筑结构设计基本思想框图,图3-9 地下建筑结构设计思想框图,6）地下建筑结构设计内容 地下工程基本建设按勘察、设计、施工等程序进行； 设计包括：规划设计

3、、建筑设计、防护设计、结构设计、施工工艺设计、设备设计、经济概预算设计等； 而结构设计主要是解决结构的选型、强度、刚度和稳定性、抗裂性等问题，并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接大样。内容包括： （1）确定工程防护等级、三防要求（核武器、化学武器、生物武器）动、静荷载标准；确定埋置深度与施工方法；选定结构形式和结构平面布置；然后开始结构设计， （2）初步拟定结构截面尺寸，根据荷载和使用要求估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸； （3）分析并初算结构上作用的荷载值：按建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度和土层情况求出作用在结构上的各种荷载值；绘制初步结构图与计算简图； （4）结

4、构内力计算分析：选择合适的结构内力计算模型和计算方法，得出结构各控制设计截面的内力； （5）结构稳定性验算：抗浮、抗倾覆、抗滑动等验算；,（6）内力组合：在各种荷载作用下分别计算结构内力，对最不利的情况进行内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值，并验算截面强度； （7）配筋计算：核算截面强度和裂缝宽度，得出受力钢筋，并确定必要的构造钢筋；绘制结构施工详图：如结构平面图、结构构件配筋图、节点图等； （8）安全性评估：如不符合安全要求，重新（选定结构形式与布置）估算结构跨度、高度、顶板、底版、边墙厚度等主要尺寸； （9）重复上述步骤，直到满足各种要求； （10）绘制施工设计图， （11）材料、工

5、程数量和工程财务预算：选择建筑材料、估算工程材料、工程量及经济预算等。 地下建筑结构设计规范： 总体安全可靠、技术可行、经济合理原则； 混凝土结构设计规范、铁路隧道设计规范、公路隧道设计规范、地铁设计规范、锚杆喷射混凝土支护技术规范、水工隧洞设计规范、岩土工程勘察规范、建筑地基处理规范、建筑桩技术规范等。,4、地下建筑结构设计与计算理论发展重要标志 1）第一阶段：古典岩土压力理论阶段，以海姆、郎肯和金尼克等为代表。主要学术思想：作用在支护结构上的竖向压力为上覆岩层的产生的竖向压力rH（容重、埋深）；侧压力=侧压系数*rH。主要适用于埋深不大的破碎松散岩土中的地下建筑工程结构设计。 2）第二阶段

6、：散体压力理论阶段（松弛荷载理论） 20世纪20年代提出的“松弛荷载理论”，以泰沙基、普罗托季亚科诺夫等为代表。其核心内容是:稳定的岩体有自稳和承载能力，不产生荷载。作用在支护结构上的压力不是覆岩层的重量，而是围岩塌落拱范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。塌落拱的高度与地下工程的跨度、围岩的性质有关。随着地下工程开挖深度增加，不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。,“松弛荷载理论”将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，建立的是“荷载结构”力学体系。在这类模型中，隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。

7、显然，“松弛荷载理论”着重注意结果和对结果的处理。,3）第三阶段：共同作用理论阶段（岩承理论） 20世纪50年代提出的“岩承理论”，其核心内容是:隧道围岩稳定是由于岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是具有一个过程的，如在这个过程中提供必要的支护或限制，则围岩仍能保持稳定状态。“岩承理论”建立的是岩体力学模型。它是将支护结构和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为复合整体模型。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩变形。 复合整体模型是当前隧道结构体系设计中力求采用的并在发展的模型，与新奥法隧道施工思想一致。显然，“岩承理论”更加注意过程和对过程的控

8、制，即对围岩自承能力的充分利用。,3.2.2 地下建筑结构设计计算模型,由于地下建筑结构的设计受众多因素的影响，在设计过程中所采用的基本理论和指导思想的着眼点和侧重不同，因而产生和形成了不同的思维模式和设计模型。国际隧道协会(ITA)收集和汇总了各国目前采用的设计方法，总结归纳为四种设计计算模型。 1、工程类比法与经验设计法（模型） 将拟建地下工程的自然条件和工程条件（地质条件、几何尺寸、使用要求、施工工艺等）与已建成的类似工程相比较，将已建工程的稳定状况、影响因素、及工程设计等方面的有关经验，应用到类似的拟建地下工程中去，借鉴成功的工程设计经验进而确定有关设计参数，或参照各类设计规范和法规提

9、供的经验参数完成设计。 该法的基础在于积累和整理既有工程资料，充分掌握和占有已往类似工程的资料和成功经验，前提是建立合理的围岩分类体系，对地下工程围岩进行正确分级。成功建造的关键是作好施工过程的监控量测和信息反馈。 地下工程围岩地质环境复杂，要取得准确的地质、围岩参数和设计荷载等参数数据极其困难，而且一些施工技术机理复杂，研究尚不完整，计算理论不太成熟，因此在相当长的历史时期内，经验判断对地下工程设计将很大作用。,2、结构荷载共同作用设计法（收敛约束设计法） （1）地下工程施工中围岩应力及位移状态 地下工程开挖前岩体处于初始应力状态，为一次（原始）应力平衡状态；地下开挖后，引起了围岩应力的重调

10、整分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，形成了新的应力场，称之为围岩的二次应力平衡状态。这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。期间产生临空面的位移，大小取决于施工方法、岩体特性、开挖空间大小等。 地下洞室开挖后，围岩会向地下洞室内部变形收敛，洞室围岩中的径向应力随之减少。如果没有支护，围岩收敛不受限制，根据围岩强度和稳定性的不同，可能出现两种极端情况：一是围岩收敛到一定程度后达到自稳状态；二是应力集中过强，围岩收敛过度出现塑性变形甚至塌落。 对第一种情况，如果围岩收敛幅度不影响洞室的净空要求，就不需支护即使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射

11、混凝土。 ；对第二种情况是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，围岩发生塑性变形并迫使围岩向隧道内滑移，围岩因变得松弛，其物理力学性质也发生变化。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置承载型的支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其达到新的稳定状态。 坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响。这就是三次应力平衡状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这个复杂的力学变化过程才

12、告结束。 只有设置刚度足够大的支护才能抵抗围岩的塌落荷载。为避免使用大刚度的支护，选择围岩出现塑性变形和塌落前支护来控制围岩收敛，达到控制围岩有效控制变形、降低支护费用的目的。,（2）收敛和约束 开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种位移为收敛。若岩体强度高，整体性好、断面形状有利，岩体的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。 在这种情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并产生变形。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道

13、围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止。 围岩特性曲线与围岩地质体特性有关；支护结构特性曲线与围岩变形大小与过程、支护时间、支护结构刚度等有关。这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩的承载能力就得不到充分的发挥。,（3）围岩特性曲线(支护需求曲线)及分析,图3-11支护阻力与地下工程洞壁位移的关系曲线,在围岩强度和稳定性允许的范围内，围岩在支护前的收敛越大，支护所需要约束的围岩剩余收敛就越小，即

14、支护受到的围岩剩余变形荷载越小。但如果围岩出现塑性变形破坏，则塑性和塌落范围增大，围岩在设置支护前的收敛越大，支护所需要抵抗的围岩塌落荷载也越大。这种关系见围岩特征曲线 支护设置后，在弹性范围内，支护的变形越大，支护能提供的抗力越大，如果支护的刚度不足以完全制止围岩的继续变形，随着变形的加剧，围岩残留形变荷载减小，支护提供的抗力增加，二者最终在某个围岩变形值处达到平衡。这种利用围岩与支护共同作用特性来选择支护参数的方法为特征曲线法（收敛约束法） （4）技术要点 地下工程开挖后，围岩会向自由面收敛变形，围岩中的径向应力随之减小，环向应力随之增大。如果围岩收敛过度，应力集中过强，而出现塑性变形甚至

15、塌落，因此，必须在围岩塑性变形和塌落前设置支护来控制围岩的收敛。收敛限制模型以地层收敛线、支护特征线为基础，确定作用在支护结构上的最终地层压力、结构变形的最终位移。,在围岩强度和稳定性所允许的范围内，围岩在设置支护前的收敛越大，支护所需要约束的围岩剩余收敛就越小，即支护受到的围岩剩余变形荷载越小。但如果围岩出现塑性破坏，则因为塑性和塌落范围的增大，围岩在设置支护前的收敛越大，支护所需要抵抗的围岩塌落荷载也越大。可以把这种关系在围岩收敛于围岩荷载构成的直角坐标系中表示出来，称为围岩特征曲线。 在弹性范围内，支护的变形（等于围岩的变形）越大，支护所能提供的抗力就越大；在围岩收敛与支护抗力所构成的直

16、角坐标系中，这种关系称为支护特征曲线。支护受到的围岩变形（包括松动）荷载大小与支护的设置时间和刚度有关。支护设置后，如果支护的刚度不足以完全制止围岩的继续变形，随着围岩的继续变形，围岩残留形变荷载在变小，支护所能提供的抗力在增加，两者最终在某个围岩变形值处达到平衡。这种利用围岩与支护共同作用特征来选择设计支护参数的方法叫做特征曲线法（又称收敛约束法）。,在一般情况下，洞室周边各点处的特征曲线和支护特征曲线是不同的，设计应由最不利位置的特征曲线控制。不同类型的支护有不同的特征曲线。复合型支护的特征曲线由各支护构件的特征曲线按施作时间组合而成。围岩与支护特征曲线分别代表围岩与支护的力-位移关系，需要经过力学计算获得。另外对于强度较低、稳定性较差的围岩，需要采取超前围岩加固或超前支护措施。常用的有效超前锚杆、小导管注浆、管棚等支护措施。,3、荷载结构模型（结构力学模型）（力学模型理论设计法） 根据具体工程的特点，抽象和建立合理的力学结构模型，以地下结构的设计模型为基础进行地下建筑结构设计。根据地质条件确定围岩压力，求出地下结构内力核算截面参数，验算结构的强度、刚度和稳定性，并绘制施工