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1、,地 下 结 构 工 程,第01章,1. 绪论,地下结构的定义：保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物，统称为地下结构。 地下工程分类 ：交通隧道，水工隧洞、矿山巷道、地下仓库、地下工厂、地下民用与公共建筑、地下市政工程、人防工程、国防地下工程。玄武湖隧道.ppt,1.1 地下结构型式,地下结构：水平，倾斜（斜井）竖直（竖井）； 水平坑道埋置深度的不同，又分成浅埋和深埋两种。 结构型式首先由受力条件来控制，即在一定地质条件的土水压力下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。图 结构型式也受使用要求的制约； 施工方案是决定地下结构型式的重
2、要因素之一。,返回,图1-1 地下结构型式,北京地铁王府井车站,广州地铁东（山口）杨（箕）区间隧道,综合地质、使用、施工三因素，地下结构常见的型式有以下几种：go,地下结构常见的型式有以下几种 （1） 附建式结构 图 （2） 浅埋式结构图 （3） 地道式结构图 （4） 沉井法结构 （5） 盾构法结构图 （6） 连续墙结构 图 （7） 顶管结构图 （8） 沉管法结构图,图1-2 附建结构 exit,图1-3 浅埋式结构exit,图1-4 地道式结构 图1-5 沉井 exit,图1-6 盾构exit,图1-7 地下连续墙结构exit,图1-8 顶管exit,图1-9 沉管exit,1.2 设计内容
3、,设计分工艺设计、规划设计、建筑设计、防护设计、结构设计、设备设计等。 结构设计工作一般分初步设计和施工图设计两个阶段。,初步设计的内容,（1） 工程防护等级，三防要求与动载标准的确定； （2） 确定埋置深度与施工方法； （3） 草算荷载值； （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主要尺寸； （7） 绘制初步设计结构图； （8） 估算工程材料数量及财务概算。,技术设计,主要是解决结构的强度、刚度和稳定、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。 （1） 计算荷载： （2） 计算简图： （3） 内力分析： （4）
4、内力组合： （5） 配筋设计： (6） 绘制结构施工详图： （7） 材料、工程数量和工程财务预算。,1.3 计算原则,1） 使用规范 2） 设计标准：确定地下建筑物的荷载、建筑材料的选用、允许考虑由塑性变形引起的内力重分布、截面计算原则、材料强度指标 3） 计算理论 （1）计算原理：较多地应用以文克尔假定的基础局部变形理论以及以弹性理论为基础的共同变形理论。说明 （ 2）计算方法：一般结构力学法，弹性地基梁法，矩阵分析法。,弹性抗力限制了结构的变形，故改善了结构的受力情况， 如图1-10所示。exit,1.4 本课程的内容和任务,本课程是土木工程的一门专业课。 获得地下结构工程的基础知识，掌握
5、地下结构工程的技术性能，应用方法及其施工工艺；,本书将对各种常见的地下结构工程进行授课： 大开挖基坑、深基坑工程、 浅埋式结构、沉井结构、 新奥法隧道、盾构衬砌结构、沉管结构、顶管结构 数值计算方法、环境保护,学习方法和考试,先前的基础学科需良好掌握； 以理解为主，勤于观察，理论联系实际； 考试成绩组成：平时成绩15，卷面成绩85。,本节要点,常见地下结构型式及使用范围;计算原则和计算方法；,2.大开挖基坑工程,定义:大开挖基坑工程是指不采用支撑而 采用直立或放坡施工进行开挖的基坑工程；由于其费用低，工期短，是首先要考虑的开挖方式。,前提,21 竖直开挖,适用于开挖深度不大、无地下水、基坑土质
6、条件较好的场地。 竖直开挖时坑壁自然稳定的最大临界深度可按下式估算：,Ka主动土压力系数； 当基坑侧壁的顶部地表面与水平面夹角=0时， Ka=tg2（45- ）； 当 0时，采用朗肯主动土压力系数， 为坑壁土的内摩擦角标准值。 宜采用1.21.5的安全系数； 当基坑附近有超载时，应重新验算；当坑壁因吸水或失水等原因，一旦形成裂缝时，公式不成立；对黄土及具有裂隙的胀缩性土，该式不适用。,无地下水时直立开槽的允许高度 表2-1,22 放坡开挖 221 散坡开挖分类,（1） 无地下水的一般放坡开挖 适用于地下水在开挖深度以下 。 （2） 明沟排水放坡开挖 适用于地下水为潜水型、涌水量较小、坑壁土及坑
7、底土不会产生流砂、管涌、基坑突涌的场地条件。 （3） 井点降水放坡开挖 地下水埋深较浅、基坑开挖较深可能产生流砂、管涌、基坑突涌等不良现象时，可采用井点降水放坡开挖。 特别注意降水对附近建筑设施产生的不良影响。,222 放坡开挖坡度确定con,（1）查表法表 （2） Taylor法图 （3）条分法图,（1）查表法exit,(2). Taylor法exit,边坡的临界高度由下式确定：例题.doc,采用陈惠发（美，肯塔基州大学，1980 (3)条分法exit,2.3 基坑边坡失稳的防止措施,（1）边坡修坡图2-3 （2）设置边坡护面图24 （3）边坡坡脚抗滑加固图25 (设置抗滑桩，旋喷桩，分层注
8、浆法，深层搅拌桩)。con,图2-3 边坡修坡,（a）坡顶卸土； （b）坡度减小； (c) 台阶放坡exit,图2-4 设置边坡护面exit,图2-5 基坑边坡坡脚抗滑加固 exit,24 地下水的处理,241 地下水流的基本性质 水力坡度:以I表示，I=（H1-H2）/L， I=1时的渗透速度称为土的渗透系数K，常用m/d、m/s等表示. 动水压力: （kN/m3） 动水压力F等于或大于土的有效重度时，土颗粒处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒将随着渗流的水一起流动，即所谓“流砂”。,242 地下水处理方法,归结成两种： 一种是降水； 第二种是止水防水帷幕。 降水的方法有集水井降水和井点
9、降水两类 。 井点降水法有轻型井点、喷射井点和电渗井点 、管井井点和深井泵等。,当土的渗透系数K5m/d时，宜用轻型井点和喷射井点； 当K520m/d时,除上述方法外,还可选用管井井点； 当K0.1m/d时，因土的渗透性很差，可在轻型井点管的内圈增设由钢管或钢筋做成的电极，通以直流电，促使地下水加速向井点渗透（这种方法称为电渗井点法）。,井点降水方法优先用参考表 表2-3,电渗井点布置示意图 喷射井点工作示意图,管井井点就是沿开挖的基坑，每隔2050m设 置一个管井，每个管井单独用一台水泵抽水， 适用于K=20200m/d，即地下水量大的土层中， 此法可降低地下水位510m。,在城市中由于深基
10、坑降水，总会引起地面沉陷，影响邻近建筑物和管线。回灌井点方法 可以使地表沉陷减少2/3； 因此，采用特定的支护结构，既挡土，又止水，形成防水帷幕为较好选择，但造价较高。 防水帷幕常用钻孔压浆成桩法、地下连续墙、板桩、深层搅拌桩墙。,本讲要点,重点掌握竖直开挖、放坡开挖的计算方法； 了解边坡失稳的防止措施；,地 下 结 构 工 程,第03章,3深基坑工程,概述：大量的深基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现。 国外，圆形基坑的深度已达74m(日本)，直径最大的达98m(日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下层（法国）。 国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m150m，基坑开挖深度达1
11、9.5m。上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m。,两个功能：一是挡土；二是止水。 基坑支护分两类： 支护型将支护墙（排桩）作为主要受力构件； 支护型基坑支护包括板桩墙、排桩、地下连续墙等。 在基坑较浅时可不设支撑，成悬臂式结构； 当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚定系统；形成空间力系是发展方向。,加固型充分利用加固土体的强度。 加固型包括水泥搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和树根桩等。,基坑侧壁安全等级及重要性系数,3.1 结构方案及选择3.1.1 结构类型,支护结构类型及其适用范围 表3-1,图31板桩,图3-2 组
12、合挡土壁,图3-3 单排与双排桩支护结构,图3-4 接头管接头的施工程序 a) 开挖槽段； b) 吊放接头管和钢筋笼； c) 浇筑砼； d) 拔出接头管； e) 形成接头,3.1.2 支撑体系,支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。 支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成。,3.2 支护结构上的作用 3.2.1 土压力,主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是支护结构存在位移； 当支护结构没有位移时，则土对支护结构的压力为静止土压力。 土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压
13、力，即计算结果偏大。,图3-5 悬臂支护桩土压力分布,图3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 图3-7 柏林地道工程土压力实测图,土的内聚力C、内摩擦角值可根据下列规定适当调整： 在井点降低地下水范围内，当地面有排水和防渗措施时，值可提高20%； 在井点降水土体固结的条件下，可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响，将土的内聚力c提高20%。,土压力计算公式exit,主动土压力： 被动土压力：,3.2.2 地面附加荷载传至n层土底面的竖向荷载qn,（1）地面满布均布荷载q0时，任何土层底面处： （2）离开挡土结构距离为a时,(3)作用在面积为 与挡土结构平行）的地面荷载，离开挡土结构距离时。,3.2.3
14、水压力,水压力，主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题 。 对于粘性土，土壤的透水性较差，此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法，即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数。 对于砂性土，采用水土分算，即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和。,对比,砂土简化计算，将水压力与土压力分别计算，并把水看作是： 主动压力=静止压力=被动压力= h,3.3 排桩、地下连续墙,计算主动土压力和被动土压力 并确定计算简图，确定嵌固深度、内力计算； 支护桩或墙的截面设计以及压顶梁的设计等。,3.3.1 悬臂式支护结构图,根据朗肯-库伦土压力理论分层计算主动土压力和
15、被动土压力； 在此基础上确定图3-10所示的计算简图。图 据此简图求出嵌固深度hd; 最大弯矩截面位置及最大弯矩值； 进行配筋设计或承载力计算； 计算支护结构顶端位移。,悬臂exit,计算简图,据此求出嵌固深度hd,配筋和挠度计算,地质条件或其它影响因素较为复杂时，也可按最大弯矩断面的配筋贯通全长。 配筋应满足下式条件： 支护结构顶端的水平位移值,y剪力为零处即D点至基坑底的距离； 悬臂梁上段结构柔性变形值,下段结构在弯矩Mmax作用下产生的转角,下段结构在弯矩Mmax作用下在D点产生的水平位移,上段结构柔性变形 下段结构在作用下,3.3.2 单层支撑支护结构 设计图,计算方法是“等值梁法”。
16、 等值梁法的关键是如何确定反弯点的位置。 对单锚或单撑支护结构，地面以下土压力为零的位置，即主动土压力等于被动土压力的位置，与反弯点位置较接近 。,图exit,用等值梁法计算 单锚、单支支护结构：,图3-15 单层支点支护结构 深度计算简图,（3）支点力TC1 可按下式计算： 等值梁法，对反弯点：,（1）计算土压力 （2）基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置,（4）,嵌固深度Hd 设计值可按 下式确定:,（5）计算内力和配筋,单层支撑支护结构的最大弯矩: 发生在剪力0处，应根据土压力平衡，求得处的位置y,可得Mmax。 弯矩图可按静力平衡条件求得 可以分段配筋，也可以按最大弯矩断面通长配筋 .,3.3.3 多层锚拉式支护结构 设计,1)应根据分层挖土深度与每层锚杆设置的实际
