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1、地下建筑结构习题一、绪论1、地下建筑结构:埋置于地层内部的结构。2、地下建筑结构的作用：1）承重：承受岩土压力、结构自重以及其他荷载的作用。2）围护：防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。3、地下建筑结构的设计原则：安全适用、技术先进、经济合理。4、地下建筑结构的设计两阶段：初步设计、技术设计（包括施工图）。5、初步设计：在满足使用要求下，解决设计方案技术上的可行性与经济上的合理性，并提出投资、材料、施工等指标。6、技术设计：解决结构的承载力、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。7、地下建筑结构的形式主要由使用功能、地质条件和施工技术等因素确定。8、确定地下
2、建筑结构形式的因素：1）控制因素受力条件：在一定地质条件下的围岩压力、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形式。2）制约因素使用要求：地下建筑物必须考虑使用要求。3）重要因素施工方案：在地质条件和使用条件相同情况下，施工方法不同其采取的结构形式也不同。2、衬砌结构的荷载1、围岩压力：是指位于地下结构周围岩土体发生变形或破坏，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。是作用在地下结构的主要荷载。2、围岩压力的影响因素 围岩的结构；围岩的强度；地下水的作用；洞室的尺寸与形状； 支护的类型和刚度；施工方法；洞室的埋置深度；支护时间； 其他因素3、地下结构与地面结构区别：（1）地下结构存在
3、地层弹性抗力，其变形受到地层的约束；而地面结构的变形不受介质约束；（2）地下结构存在地层弹性抗力，结构的受力条件得以改善，其承载力有所增加。4、初始地应力由自重应力和构造应力两部分组成。5、局部变形理论：弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷，E.Winkler假设: =k式中：岩土体的弹性抗力强度，kPa； k岩土体的弹性抗力系数，kN/m3； 岩土体计算点的位移值，m。6、共同变形理论：弹性地基上的一点外力，不仅引起该点发生沉陷，而且还会引起附近一定范围的地基沉陷。7、当地下结构产生压向地层的变形，由于结构与岩土体紧密接触，则岩土体将制止结构的变形，从而产生了对结构的反作用力，即弹性抗
4、力。3、弹性地基中结构物的计算1、弹性地基梁：是指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁。2、弹性地基梁与普通梁的两大区别：（1）超静定次数是无限还是有限 普通梁只在有限个支座处与基础相连，梁所受的支座反力是有限个未知力，因此，普通梁是静定的或有限次超静定的结构。 弹性地基梁与地基连续接触，梁所受的反力是连续分布的，具有无穷多个支点和无穷多个未知反力，因此，弹性地基梁是无穷多次超静定结构。（2）地基的变形是考虑还是略去 普通梁的支座通常看作刚性支座，即略去地基的变形，只考虑梁的变形。 弹性地基梁则必须同时考虑地基的变形；梁与地基是共同变形的；一方面梁给地基以压力，使地基沉陷，反过来，
5、地基给梁以相反的压力，限制梁的位移。3、温克尔（E.Winkler)对地基提出了如下假设：地基表面任一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正比。4、半无限体弹性地基模型假设：地基为一均质、连续、弹性的半无限体。5、半无限体弹性地基模型 优点：反映了地基的连续整体性；从几何上、物理上对地基进行了简化，因而可以把弹性力学中有关半无限弹性体的经典问答已知结论作为计算的基础。缺点：弹性假设没有反映土体的非弹性性质；均质假设没有反映土体的不均匀性；半无限体假设有反映地基的分层特点；本模型在数学处理上比较复杂，因而在应用上也受到一定的限制。6、短梁（有限长梁）：当弹性地基梁的换算长度12.75时，属短梁。
6、长梁：可分为无限长梁、半无限长梁。当换算长度2.75时，属于长梁；若荷载作用点距梁端的换算长度均不小于2.75时，可忽略该荷载对梁端的影响，为无限长梁；若荷载作用点仅距梁一端的换算长度不小于2.75时，可忽略该荷载对这一端的影响，而对另一端的影响不能忽略，为半无限长梁，无限长梁可化为两个半无限长梁。刚性梁：当换算长度1时，属于刚性梁。 7、在弹性地基梁的计算理论中，除局部弹性地基模型假设外，还需作如下三个假设：地基梁在外荷载作用下产生变形的过程中，梁底面与地基表面始终紧密相贴，即地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等；由于梁与地基间的摩擦力对计算结果影响不大，可以略去不计，因而，地基反力处处与接触
7、面相垂直；地基梁的高跨比较小，符合平截面假设，因而可直接应用材料力学中有关梁的变形及内力计算结论。4、地层与地下结构的共同作用1、一个理想的地下建筑结构的数学力学模型应能反映下列的因素：（1）必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状。（2）对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括将来可能出现的状态。（3）应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数。（4）如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中。当
8、然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。（5）要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系统的一致性。3、在地层结构模型中可以考虑各种几何形状、围岩和支护材料的非线性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等等。4、新奥法的基本原则可归纳为：“管超前、少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭“。5、承载能力极限状态：是指结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的较大变形的极限状态； 正常使用极限状态：是指结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。6、荷载结构法原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用
9、。7、地层结构模型把地下结构与地层作为一个受力变形的整体，按照连续介质力学原理来计算地下建筑结构以及周围地层的变形，不仅计算出衬砌结构的内力及变形，而且计算周围地层的应力，充分体现周围地层与地下建筑结构的相互作用。8、地层结构法主要包括包括如下内容：地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟以及施工过程与周围地层的相互作用的模拟、地层与结构相互作用的模拟。 8、特征曲线法的基本原理是：地下工程开挖后，如无支护，围岩必然产生向地下工程内的变形(收敛)。施加支护以后，支护结构约束了围岩的变形(约束)，此时围岩与支护结构一起共同承受围岩挤向地下结构的变形压力。9、荷载结构模型采用荷载结构法计算衬砌内力
10、，并据以进行构件截面设计。其中衬砌结构承受的荷载主要是开挖洞室后由松动岩土的自重产生的地层压力。这一方法与设计地面结构时习惯采用的方法基本一致，区别是计算衬砌内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作用。10、新奥法：是以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。12、在隧道拱顶，其变形背向围岩，不受围岩的约束而自由地变形，这个区域称为“脱离区”。13、在隧道的两侧及底部，结构产生朝向围岩的变形，受到围岩的约束作用，因而围岩对隧道衬砌结构产生了约束反力(弹性抗力)，这个区域称为“抗力区”。 5、隧道结构1、半衬砌结构：在坚硬岩层中，若侧壁无
11、坍塌危险，仅顶部岩石可能有局部滑落时，可仅施作顶部衬砌，不作边墙，只喷一层不小于20mm厚的水泥砂浆护面，即半衬砌结构。 厚拱薄墙衬砌结构：在中硬岩层中，拱顶所受的力可通过拱脚大部分传给岩体，充分利用岩石的强度，使边墙所受的力大为减少，从而减少边墙的厚度，形成厚拱薄墙结构。 直墙拱形衬砌结构：在一般或较差岩层中的隧道结构，通常是拱顶与边墙浇在一起，形成一个整体结构，即直墙拱形衬砌结构，广泛应用的隧道结构形式。 曲墙衬砌结构：在很差的岩层中，岩体松散破碎且易于坍塌，衬砌结构一般由拱圈、曲线形侧墙和仰拱底板组成，形成曲墙衬砌结构。复合衬砌结构：复合支护结构一般认为围岩具有自支承能力，支护的作用首先
12、是加固和稳定围岩，使围岩的自承能力可充分发挥，从而可允许围岩发生一定的变形和由此减薄支护结构的厚度。2、根据半衬砌结构的特点和受力特征，其内力计算的基本假定如下：（1）半衬砌结构的墙与拱脚基本上互不联系，故拱圈对薄墙影响很小；（2）拱脚处的约束既非铰结，亦非完全刚性固定，而是介于两者之间的“弹性固定”，即只能产生转动和沿拱轴切线方向的位移，且岩层将随拱脚一起变形，并服从E.Winkler假设；（3）半衬砌结构在各种垂直荷载作用下，拱圈的绝大部分位于脱离区，因此，可不计弹性抗力的影响；（4）半衬砌结构，实际上是一个空间结构，但由于其纵向较之其跨度方向大的多，受力特征符合平截面假设，计算时按平面应
13、变问题处理。3、直墙拱结构计算时基本假定：（1）直墙拱结构是一个空间结构，但其纵向长度远大于其跨度，可按平面应变问题处理。（2）拱圈与边墙整体连接，地层压力、结构自重等以梯形分布，拱圈抗力区假定为二次抛物线规律或不考虑（回填不密实时）；（3）边墙视为弹性地基梁，弹性抗力按局部变形理论确定；（4）墙底与基岩间的摩擦力足够大，克服剪力作用，不产生水平位移，因此，边墙可视为绝对刚性的地基梁；（5）实际工程中边墙与底板通常分别浇筑，计算中不予考虑。4、连拱隧道：是洞体衬砌结构相连的一种特殊双洞结构形式，即连拱隧道的侧墙相连。5、衬砌结构类型和尺寸，应根据使用要求、围岩级别、围岩地质条件和水文地质条件、
14、隧道埋置位置、结构受力特点，并结合工程施工条件、环境条件，通过工程类比和结构计算综合分析确定。6、洞周承载环形成的两种方法：1）通过锚杆支护所及的范围内形成了承载力较强的承载环；2）施作衬砌结构，或施作由喷层（必要时同时设置锚杆和网筋）和衬砌结构共同组成的复合结构，使衬砌结构或复合结构成为洞周承载环。7、连拱隧道优点和缺点：1）优点：双洞轴线间距很小，减小占地，便于洞外接线。2）缺点：设计、施工复杂，工程造价高、工期长。8、隧道内轮廓线是决定衬砌断面大小最基本的要素，要考虑如下因素：结构受力和行车界限；从经济上、美学上加以比较，以求得合理的断面形式；行车道宽、两侧路缘带宽、中隔墙宽、建筑界限高
15、度因素；洞内排水、通风、照明、消防、营运管理等附属设施所需空间；围岩压力影响、施工方法等必要的富余量。6、浅埋结构1、埋设在土层中的建筑物，按其埋置深浅可分为深埋式结构和浅埋式结构两大类。2、浅埋式结构：是指其覆盖土层较薄，不能满足压力拱成拱条件H土（22.5）h1，h1为压力拱高或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。3、浅埋式结构形式可分为以下三种：（1）直墙拱形结构；（2）矩形框架结构；（3）梁板式结构。4、变形缝分为两种：一种是防止由于温度变化或混凝土收缩而引起结构破坏所设置的缝，称为伸缩缝；另一种是防止由于不同的结构类型（或结构相邻部分具有不同荷载）或不同地基承载力而引起结构不均匀沉陷所设置的缝，称为沉降缝。7、附建式地
