地下建筑结构个人总结(一二章)

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1、第一章第一章 地下建筑结构的概念、作用和形式地下建筑结构的概念、作用和形式1.地下建筑结构的概念 地下建筑是修建在地层中的建筑物。它可以分为两大类：修建在土层中和修建在岩层中的。广义上讲，任何结构物都是修建在相应的介质中的，如上部结构是修建在空气介质中，地 下建筑结构一般修建在土层中、岩层中或水中。 本学科所要研究的所有问题都可归为“结构与介质的相互作用问题” 。 2.地下建筑结构的作用 地下建筑结构，即埋置于地层内部的结构。 按照使用要求在地层中挖掘洞室 沿洞室周边修建永久性支护结构即衬砌结构。 内部结构与地面建筑的设计基本相同 作用：衬砌结构主要是起承重和围护作用。 承重，即承受岩土体压力

2、、结构自重以及其它荷载作用； 围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。 注：地下建筑与地面建筑结构的区别 （1）计算理论、设计和施工方法 （2）地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂。 （3）地下建筑结构埋置于地下，其周围的岩土体不仅作为荷载作用于地下建筑结构上，而 且约束着结构的移动和变形。 计算理论上最主要差别：在地下建筑结构设计中除了要计算因素多变的岩土体压力之外， 还要考虑地下结构与周围岩土体的共同作用。 3.地下建筑结构的型式 （1）首先由受力条件控制，即在一定地质的围岩压力、水土压力和一定的爆炸与地震等动 载下求出最合理和经济的结构型式 ；其次由地下建筑的功能要求和施工技术要求

3、等确定。 （2）主要有： 土层地下建筑结构型式土层地下建筑结构型式 浅埋式结构：平面成方形或长方形，当顶板做成平顶时，常用梁板式结构。地下指挥 所可以采用平面呈条形的单跨或多跨结构。为节省材料，顶部可做成拱形。 附建式结构：是房屋下面的地下室，一般有承重的外墙、内墙（地下室作为大厅用时 则为内柱）和板式或梁板式顶底板结构。 沉井结构：沉井施工时需要在沉井底部挖土，顶部出土，故施工时沉井为一开口的井 筒结构，水平断面一般做成方形，也有圆形，可以单孔也可以多孔，沉毕后再做底顶 板。 地下连续墙结构：先建造两条连续墙，然后在中间挖土，修建底板、顶板和中间楼层。盾构结构：盾构推进时，以圆形为最宜，故常

4、采用装配式圆形衬砌，也有做成方形和 半圆形的。 沉管结构：一般做成箱形结构，两端加以临时封墙，托运至预定水面处，沉放至设计 位置。 桥梁基础结构：桥梁基础结构可分为浅基础、深基础及深水基础三大类，目前常用的 基础形式是桩基础和沉井基础。 其它结构：还包括顶管结构和箱涵结构等。在城市管道埋深较大、交通干线附近和周围环境对位移、地下水有严格限制的地段常采用 顶管结构施工更为安全和经济。 而在铁路和公路交叉口，为了不影响交通，需建立交桥和立交地道，一般采用箱涵结构。 岩石地下建筑结构形式岩石地下建筑结构形式型式主要包括直墙拱形、圆形、曲墙拱形等。此外，还有一些其它类型的结构，如喷 锚结构、穹顶结构、

5、复合结构等。最常用的是拱形结构，这是因为它具有以下优点： 1 地下结构的荷载比地面结构大，且主要承受垂直荷载。因此，拱形结构就受力性能 而言比平顶结构好（例如在垂直荷载作用下弯矩小） 。 2 拱形结构的内轮廓比较平滑，只要适当调整拱曲率，一般都能满足地下建筑的使用 要求，并且建筑布置比圆形结构方便，净空浪费也比圆形结构少。 3 拱主要是承压结构。适用于采用抗拉性能较差，抗压性能较好的砖、石、混凝土等 材料构筑。材料造价低，耐久性良好，易维护。 常用的几种拱形结构、喷锚结构以及穹顶结构等。 拱形结构 （1）贴壁式拱形结构 半衬砌结构 厚拱薄墙衬砌结构 直墙拱形衬砌 曲墙拱形衬砌结构 （2）离壁式

6、拱形衬砌结构 喷锚结构 穹顶结构 连拱隧道结构 复合衬砌结构 4.补充：地下建筑工程分类 地下建筑工程（亦简称地下工程）有许多分类方法： 按使用功能分类 按周围围岩介质分类 按设计施工方法分类 按施工材料和断面构造型式分类 按重要程度、防护等级、抗震等级等分类 最常用的是按使用功能分类： （1）按使用功能分类 可分为：地下交通工程、地下市政管道工程、地下工业建筑、地下民用建筑、地下军事工 程、地下仓储工程、地下娱乐体育设施等。 1 地下交通工程：地下铁道、公路隧道、过街人行道、海（河、湖）底隧道 2 地下市政管道工程：输水隧道、地下给（排）水管道、通讯、电缆、供热与供气道、 共同沟。 3 地下

7、工业建筑：地下核电站、水电站厂房、地下车间、地下厂房地下垃圾焚烧 厂。 4 地下民用建筑：地下商业街、地下商场、地下商业（购物中心） 、地下医院、地下 旅馆、地下学校 5 地下军事工程：人防掩蔽部、地下军用品仓库、地下战斗工事、地下导弹发射井、 地下飞机（舰艇）库、防空指挥中心6 地下仓储工程：地下粮、油、水药品等物资仓库、地下车库、地下垃圾堆场、地下 核废料仓库、危险品仓库、金库 7 地下文娱文化设施：图书馆、博物馆、展览馆、影剧院、歌舞厅 8 地下体育设施：篮球、乒乓球、网球、羽毛球场，田径场，游泳池，滑冰场等 （2）按周围地层介质分类 软土地下工程 岩石（硬土）地下工程 海（河、湖）底或

8、悬浮工程 按照地下工程所处围岩介质的覆盖层厚度，又分为深埋、中埋、浅埋不同埋深工程。 （3）按照施工方法分类 1 明挖法（放坡、支护、降水） 2 盖挖法、逆作法 3 浅埋暗挖法 4 沉箱、沉井、沉管法 5 盾构法（SM, TBM） 6 顶管法(大口径与微型顶管) 7 新奥法（NATM） 、钻爆法 （4）按结构型式分类 1 地下建筑和地面建筑结合在一起的常称为附建式，独立修建的地下建筑称为单建式。2 地下结构型式可以隧道式，横断面尺寸远远小于纵向长度尺寸，即廊道式。 3 平面布局上也可以构成棋盘式或者如地面房间布置，可以为单跨、多跨，也可以单 层或多层，常用浅埋地下结构为多跨多层框架结构。 4

9、地下结构横断面可根据所处部位地质条件和使用要求，选用不同的形状，最常见的 有圆形，口形（人张开嘴） ，马蹄形，直墙拱形，曲墙拱形，落地拱，连拱（塔拱） ，穹顶 直墙等等。 （5）按衬砌材料和构造分类 衬砌又称被覆或支护，它是在地下工程周围构筑的永久性的支护结构。其主要作用： 1 承重：即承受围岩压力，地下水压力，结构自重以及其它荷载作用； 2 围护：除用来防止围岩风化与崩塌外，必须做到防水和防潮； 3 足够的刚度，耐腐蚀性，稳定性：衬砌结构材料主要有砖、石、砌块混凝土、钢筋 混凝土、钢轨（型钢、格栅拱） 、锚杆、喷射混凝土，铸铁、钢纤维混凝土，聚合物钢纤维 混凝土等。 （6）按现场浇筑施工方法

10、分类 衬砌构造型式分为： 1 模筑式衬砌 2 离壁式衬砌 3 装配式衬砌 4 喷锚支护衬砌 三峡、南水、新咏春部分、龙滩 5.地下建筑结构的设计程序和内容 初步设计的内容主要包括： 1 工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定； 2 确定埋置深度与施工方法；3 初步设计荷载值； 4 选择建筑材料； 5 选定结构型式和布置； 6 估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等尺寸； 7 绘制初步设计结构图； 8 估算工程材料数量及财务概算。 6.技术细节的主要内容是： 1 计算荷载：按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作 用在结构上的各种荷载值； 2 计算简图：根据实际结构和计算

11、工具情况，拟出恰当的计算图式； 3 内力分析：选择结构内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力； 4 内力组合：在各种荷载内力分别计算的基础上，对最不利的可能情况进行内力组合， 求出各控制界面的最大设计内力值； 5 配筋设计：通过截面强度和裂缝计算得出受力钢筋，并确定分布钢筋与架立钢筋； 6 绘制结构施工详图：如结构平面图、构件配筋图、节点详图，风、水、电和其他内 部设备的预埋件图； 7 材料、工程数量和工程财务预算。 7.地下建筑结构的特点 1 荷载的不确定性：水、土压力，岩体压力，地下结构与地层共同作用问题等 2 计算方法的不成熟：经验类比法、荷载结构法、数值分析法、动态反馈分析法 8.

12、指导思想：理论计算导向、监测数据定量、经验总结判断第 2 章 地下建筑结构荷载 2.0 主要内容： 荷载种类和组合 荷载确定方法 岩土体压力的计算方法 初始地应力、释放荷载与开挖效应 弹性抗力 其他荷载 2.1 荷载种类和组合 （1）荷载种类（按存在状态分为：静荷载、动荷载和活荷载等) 1 静荷载：又称恒载。是指长期作用在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如 结构自重、岩土体压力、弹性抗力和地下水压力等 ； 2 动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，需考虑原子武器和常规武器（炸弹、 火箭）爆炸冲击波压力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下结构设计时，应 计算地震波作用下的动荷载

13、作用 。 3 活荷载：指在结构物施工和使用期间可能存在的变动荷载，其大小和作用位置都可 能变化。如地下建筑物内部的楼板地面荷载（人群物件和设备重量） 、吊车荷载、落石荷载 等。地面附近的堆积物和车辆对地下结构作用的荷载以及施工安装过程中的临时性荷载。4 其他荷载：使结构产生内力和变形的各种因素中，除有以上主要荷载的作用外，通 常还有：混凝土材料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩） 、温度变化等受到约束而 产生的内力。 （2）荷载组合 2.2 荷载的确定方法 2.3 岩土体压力的计算方法 土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切关系。 以挡土墙为例，作用在挡土墙墙背上的

14、土压力可以分为静止土压力、主动土压力（往往简 称土压力）和被动土压力（往往简称土抗力）三种，其中主动土压力值最小，被动土压力 值最大，而静止土压力值介于两者之间。 2.3.1 经典土压力理论 1 软土地区浅埋的地下工程，采用 “土柱理论”计算。竖向土压力即为结构顶盖上 整个土柱的全部重量。 2 侧向土压力经典理论主要是库伦（Coulomb）理论和朗肯（Rankine）理论。 3 静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以称为经典理论。 （尽管上述经典土压力理论存在许多不足之处，但是在工程界仍然得到广泛应用。 ） （1）静止土压力的计算 （2）库伦土压力理论 库伦理论的基本假定：库伦理论由法国科学

15、家库伦（Coulomb, C.A.）于 1773 年发表，主要针对挡土墙计算，基 本假定为： 1 挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土； 2 挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题； 3 挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面为通过 墙踵的平面； 4 墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面有夹角； 5 在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件 （3）朗肯土压力理论朗肯土压力理论是由英国科学家朗肯（Rankine）于 1857 年提出。朗肯理论的基本假定 为： 1 挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土层之间的摩擦力； 2 挡土墙后填土

16、的表面为水平面，土体向下和沿水平方向都能伸展到无穷，即为半无 限空间； 3 挡土墙后填土处于极限平衡状态。 朗肯理论是从弹性半空间的应力状态出发，由土的极限平衡理论导出。 （4）朗肯土压力理论计算 特殊情况下的土压力 1 成层土的土压力计算 2 地面超载作用下的土压力计算与图式 3 考虑地下水时水土压力计算 水土压力分算：砂性土和粉土 水土压力合算：粘性土 2.3.2 围岩压力的计算 （1）围岩压力的概念1 围岩压力是指位于地下结构周围变形及破坏的岩层，作用在衬砌或支撑上的压力。 2 洞室开挖之前，地层中的岩体处于复杂的原始应力平衡状态。洞室开挖之后，围岩 中的原始应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布，从而使围岩产生变形。当变形发展到岩 体极限变形时，岩体就产生破坏。如在围岩发生变形时及时进行衬砌或围护，阻止围岩继 续变形，防止围岩塌落，则围岩对衬砌结构就要产生压力，即所谓的围岩压力 。 3 围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。 （2）影响围岩压力的因素 1 影