(地下建筑结构)第四章(地下结构荷载计算)共35页
地下室楼板承重荷载复核计算说明
楼板结构荷载计算说明
1、设计荷载：
Q=37.2 kN/m2(恒荷载)+6 kN/m2（活荷载）=43.2 kN/m2
2、镐头机施工荷载：
永久荷载标准值: ｑgk = 6.250kN/m2（楼板自重）
可变荷载标准值: ｑqk = 37.800kN/m2（镐土机接地比压33KN/㎡+每
平米支撑砼的自重4.8 KN/㎡）
注：镐头机接地比压=镐土机自重/履带面积+震动荷载=56kN/（3.6*0.5）㎡+2 KN/㎡=33KN/㎡
3、计算结果：
镐头机施工荷载略大于设计荷载，对楼板需要进行复核计算，计算结
果说明在施工荷载作用下，原人防区及非人防区设计配筋基础上的结构板挠
度变形、裂缝宽度验算、支座处裂缝验算等均在规范允许范围内，故方案可行。
计算书附后。
第四章地下连续墙
1、挖
槽方法
先钻导孔
再用抓斗挖掘成槽
先钻导孔
再重复钻圆孔成槽
一次钻挖成槽
2、挖 槽机械
液压 抓斗
液压 铣槽机
多头 螺旋钻
冲击钻
液压抓斗
3、可以贴近原有建筑物施工。
4、可用于逆筑法施工。将地下连续墙与逆筑法
结合，形成一种深基础和多层地下室施工的有效
方法。
5、可用作刚性基础，取代桩受力。
6、在一些特殊的地质条件下（如很软的淤泥质
土，漂石层和超硬岩石等），施工难度大。
7、如果仅作为临时的挡土结构，比其它方法所
用的费用要高些。
8、在城市施工时，废泥浆的处理比较麻烦。
比重测试
粘度
粘度大，悬浮土碴、钻屑的能力强，但易糊钻
头，钻挖的阻力大，生成的泥皮也厚；粘度小，悬
浮土碴、钻屑的能力弱。 泥浆粘度的测定方法，有漏斗粘度计法和粘度 -比重计（V·G计）法。
粘度测试
含砂量
含砂量大，则比重增大，粘度降低，悬浮土
碴、钻屑的能力减弱，土碴等易沉落槽底，增加
机械的磨损。 泥浆的含砂量愈小愈好，一般不宜超过5％。 含砂量一般用ZNH型泥浆含砂量测定仪测定。
“逆筑法”简介
传统施工法 高层建筑多层地下室 传统的施工方法，是放坡 开挖或支护后垂直开挖， 挖至设计标高后浇筑砼底 板，再由下而上逐层施工 各层地下室结构，待地下
结构完成后再进行地上结
构施工。
逆筑法施工
先沿建筑物周围施
工地下连续墙，在建筑 物内部施工少量中间支 柱，然后进行地下首层 楼面结构施工。完成后
半自成泥浆
当自成泥浆的某些
性能指标不符合规定的
要求时，在自成泥浆中，
地下结构设计
2.1 静止土压力如何确定。
当挡土结构在土压力作用下，结构不发生变形和任何位移时，背后填土处于弹性平衡状态，则作用于结构上的侧向土压力称为静止土压力。
其值可根据弹性变形体无侧限变形理论或近似方法求得。
2.2 库伦理论的基本假定：1挡土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挡土墙后产生主动、被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面通过墙踵的平面；4墙顶处的土体表面可以是水平面也可以是倾斜面；5在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件2.3 朗肯土压力的基本假定：1挡土墙背竖直，墙面光滑，不计墙面与土层之间的摩擦力；2挡土墙后填土的表面水平，为半无限空间；3挡土墙后填土处于极限平衡状态2.4 围岩压力概念：位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。
影响因素：岩体结构、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸及形状、支护的类型及刚度、支护结构上的压力2.5 围岩压力计算的两种理论方法：按松散体理论计算围岩压力，按弹塑性体理论计算围岩压力。
前者考虑到了岩体裂隙和节理的存在，岩体被切割为互不联系的独立块体，将真正的岩体代之以某种具有一定特性的特殊松散体。
2.6 弹性抗力的概念：在靠近拱脚和边墙部位，结构产生压向底层的变形，由于结构与岩土体紧密接触，则岩土体将制止结构变形从而产生对结构的反作用力。
影响因素：结构的变形、地层的物理力学性质。
2.7 弹性抗力的确定：目前采取两种理论。
一为局部变形理论，认为弹性地基某点上施加的外力只会引起改点的沉陷；另一种为共同变性理论，认为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。
2.8 温克尔假定：把地基模拟为刚性支座上一系列的弹簧，当地基表面上某一点受压力P时，由于弹簧是彼此独立的，故只在局部产生沉陷y，而在其他地方不产生任何沉陷。
3.1 弹性地基梁两种计算模型的区别：局部弹性地基模型没有考虑地基的连续性，不能全面的反映地基梁的实际情况。
第四章 地下建筑结构的计算方法
Q系统分级与分级系数的关系
RQD J r J w Q= ⋅ ⋅ J n J a SRF
岩体质量分级
岩体 质量 特别 好
极好
良好
好
中等
不良
坏
极坏
特别坏
Q值
1000 ～400
400～ 100
100～ 40
40～ 10
10～ 4
4～1
1～ 0.1
0.1～ 0.01
0.01～ 0.001
Q系统分级的应用
3
§2工程类比法
隧道各级围岩自稳能力判断
自稳能力 围岩级别 Ⅰ Ⅱ 跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方 跨度10m ～20m，，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方； 跨度10m，可长期稳定，偶有掉块； 跨度10 ～20m，可稳定数日至1个月，可发生小～中塌方； 跨度5 ～10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小～中塌方 跨度5m,可基本稳定
18
§5 收敛限制法 5
收敛线概念： 收敛线概念： 据地层及洞室情况可有弹性、塑性、 据地层及洞室情况可有弹性、塑性、松动等三 段。 限制线概念： 限制线概念：
支护时间和结构刚度的 合理选择： 合理选择：（图 ）
19
§5 收敛限制法 5
收敛线的确定： 收敛线的确定： 解析法， 解析法，难，不同部位的收敛线不一样； 不同部位的收敛线不一样； 有限元方法； 有限元方法； 现场实测法 限制线的确定：与上类似 限制线的确定：
Ⅲ
Ⅳ
跨度5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展 为中～大塌方。 埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏 跨度小于5m，可稳定数日至1个月 无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日 无自稳能力
地下建筑结构课程设计讲义 PPT
•2.缺席5次直接不及格；
•3.方法正确无大的计算错误；
•4.成果要求：
• 有封面
• 有指导书
• 图纸
•5.时间：截止7月17日（星期五）的上午11点
大家好
30
Bye Bye
大家好
31
L :结构横断面的宽度；
q t :底板上所受的特载。
顶
大家好
10
矩形闭合框架的计算——荷载计算
(三)侧墙上的荷载
侧墙上所受的荷载有土层的侧向压力、水压力及特载。
1．土层侧向压力
e(
i
ihi)tan2452
2．侧向水压力 ew wh
：折减系数，其值依土体的透水性来确定：对于砂土 1
，对于粘土 0.7
E0=50MPa，泊桑比μ0=0.3，设为平面变形问题，绘制框架的弯
矩图。P132
a) 2t m
b)
x2
C
B
x1
0.6m 3m
D
A
4m
大家好
4m
24
大家好
25
大家好
26
大家好
27
大家好
28
1.592 1.118
2.40B 1.85
a)
1.592 C
D 1.118
大家好
29
课程设计要求
•1.独立完成；
q 顶
ih iw h w d q 顶 t q
i
大家好
9
矩形闭合框架的计算——荷载计算
(二)底板上的荷载
一般情况下，人防工程中的结构刚度都较大，而地基相对 来说较松软，所以假定地基反力为直线分布。作用于底板上 的荷载可按下式计算
q底q顶LPq顶 t
地下建筑结构的计算方法
地下建筑结构的计算⽅法4.1 计算⽅法现状和计算⽅法国际隧协认为可将其归纳为以下四种模型：⼀以参照已往隧道⼯程的实践经验进⾏⼯程类⽐为主的经验设计法；⼆以现场量测和实验室试验为主的实⽤设计⽅法，例如以洞周位移量测值为根据的收敛—限制法；三作⽤—反作⽤模型，例如对弹性地基圆环和弹性地基框架建⽴的计算法等；四连续介质模型，包括解析法和数值法，解析法中有封闭解，也有近似解，数值计算法⽬前主要是有限单元法。
按照多年来地下建筑结构设计的实践，我国采⽤的设计⽅法似分属以下四种设计模型：(⼀)荷载结构模型荷载结构模型采⽤荷载结构法计算衬砌内⼒，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。
(⼆)地层结构模型地层结构模型的计算理论即为地层结构法。
其原理，是将衬砌和地层视为整体，在满⾜变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内⼒，并据以验算地层的稳定性和进⾏构件截⾯设计。
(三)经验类⽐模型由于地下结构的设计受到多种复杂因素的影响，使内⼒分析即使采⽤了⽐较严密的理论，计算结果的合理性也常仍需借助经验类⽐予以判断和完善，因此，经验设计法往往占据⼀定的位置。
经验类⽐模型则是完全依靠经验设计地下结构的设计模型。
(四)收敛限制模型收敛限制模型的计算理论也是地层结构法，其设计⽅法则常称为收敛限制法，或称特征线法。
4.1 计算⽅法现状和计算⽅法下图为收敛限制法原理的⽰意图。
图中纵坐标表⽰结构承受的地层压⼒，横坐标表⽰洞周的径向位移。
其值⼀般都以拱顶为准测读计算，曲线①为地层收敛线，曲线②为⽀护特征线。
两条曲线的交点的纵坐标（P e ）即为作⽤在⽀护结构上的最终地层压⼒，横坐标（u e ）则为衬砌变形的最终位移。
因洞室开挖后⼀般需隔开⼀段时间后才施筑衬砌，图4-3中以u 0值表⽰洞周地层在衬砌修筑前已经发⽣的初始⾃由变形值。
地下建筑结构(4)
框架的顶底板厚度都比内隔墙大得多，中隔 墙的刚度相对较小，将中隔墙一般视为只承 受轴力的二力杆，
图4－8 纵梁和柱计算简图
浅埋地下建筑中的闭合框架，如地铁 通道、过江隧道、人防通道等，通常多平 面变形问题，计算时沿纵向取一单位宽作 为计算单元，对地基也截取相同的单位宽 并把它看作一个弹性半无限平面。 在静荷裁作用下的地下闭合框架， 可将地基梁作弹性半无限平面，按这个假 定计算框架结概通常称为弹性地基上的框 架。 框架的内力分析可采用如图所示的 计算简图，与一般平面框架的区别即在于 底板承受末勿的地基弹性反力而使内力分 析变为复杂。
S h h1 3
5.3.4抗浮计算
K Qg Qf 1.10
Qg 为结构自重、设备重量及上部覆土
重之和，但对箱体施工完毕后工况，仅 考虑结构自重； Q f 为浮力。
4.4 构造要求
4.4.1配筋形式
4.4.2混凝土保护层厚度
保护层最小厚度常比地面结构增加510mm。通常可按照“混凝土结构设计规 范”（GB50010-2002）规定采用，其环 境类别应属b类。
【例题3-1】 一单跨闭合的钢筋混凝土框架通道，置于弹性 地基上，几何尺寸如图3-29(a)所元 捞梁承受均布荷载2tm2， 材料的弹性模量E＝14×105t／m2，泊桑比μ＝0.167，地基的 形变模量E0＝5000t／m2，泊桑比μ0＝0.3， 设为平面变形问 题，绘制框架的弯矩图。
增加斜托，斜托的斜度控制在1：3左右比较 合适。转角部分的钢筋布置如图。
4.4.7变形缝的设置
伸缩缝和沉降缝 ， 变形缝的间距在 30m左右。 嵌缝式：结构内部 槽中填以沥青胶或 由环氧树脂和煤焦 油合成的环煤涂料 等，也可以在外部 贴防水层。
完整版地下建筑结构课程设计计算书
完整版地下建筑结构课程设计计算书一、设计题目（1 ）设计任务1、将某浅埋地下通道结构进行结构设计2、确定结构构件的截面尺寸。
3、确定结构的计算简图。
4、各构件的荷载、内力及配筋计算。
5、手绘和计算机绘制结构配筋图。
（2）基本资料某浅埋地下通道结构尺寸示意下所示。
1、埋置深度： 9.8m 。
2、地下水位：自然地面以下7m 。
3、土层①：粉质粘土，重度、内摩擦角、粘聚力分别为 r1=18kN/m，c =10kN/m，φ =15 °。
土层②：粘土，重度 =17kN/m，c =25kN/m，φ =15 °土层 3 ：粘土，天然重度 =17.5kN/m饱和重度 =19.5kN/m， c =27kN/m，，φ =17 °4、土层厚度以埋置深度为界。
5、水土压力分项系数： 1.2 。
6、地面超载荷载分项系数：地面活载荷载分项系数为 1.4 。
地面恒载荷载分项系数为 1.2.7、混凝土强度等级为C30 ；重度为 25kN/m；弹性模量为 1.4 10MPa ；泊松比为0.167 。
8、钢筋等级为 HPB335 。
9、地基变形模量为50MPa ；泊松比为 0.3 。
（3）计算假定1、结构刚度远大于地基土的刚度。
2、不考虑结构侧向位移。
3、计算时忽略加腋的影响。
4、考虑荷载最不利组合。
（4）参考规范1、《混凝土结构设计规范》——GB50010-20102 、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》——JTGD62-20043、《公路桥涵地基与基础设计规范》——JTGD63-20074、《公路桥涵设计通用规范》——JTG D60-20045、《建筑结构制图标准》——GBT50105 — 2001二、荷载计算 .（1）顶板荷载计算1、覆土压力：q土r i h i 18317 4 (19.510) 2.8 148.6KN / m22、水压力：q水r w h w10 2.828KN / m 23、顶板自重： q d 25 0.615KN / ㎡4、地面恒载及活载： q 1.4 p1 1.2 p2 1.4 8 1.24 16KN/m25、综上所述， q顶 1.2 （148.628 15） 16245.92KN/ ㎡（2）板底荷载计算q底q顶p（0.60.6 0.4） (4.73 1.2) 0.6 25 / 8.4256.00KN / ㎡245.92L（3）地基反力计算地下通道结构刚度远大于地基土的刚度，故假定地基反力为直线分布。
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（2）可变（附加）荷载 分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。 基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，
立交渡槽流水压力 温度变化的影响力
冻胀力
11
偶
然
12
荷
13
载
落石冲击力 地震力
施工荷载
注：[1]设计隧道结构时，按其可能出现的最不利情况组合。
表4-2 铁隧道设计规范（TB10003-2019,J117-2019）的隧道作用（荷载）分类
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。 5）材料强度指标
一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，亦可根据实际 情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。
结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关 规定。
4.3 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
4.2 荷载的确定方法
3）截面计算原则 结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、
裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结 构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。
钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下， 除按强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性， 限制裂缝宽度小于0.10~0.20mm，但不允许出现通透裂缝。对较 重要的结构则不能开裂，即验算抗裂度。
本讲内容
• 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
Hale Waihona Puke 4.1 荷载种类和组合4.1.1 荷载种类
按存在状态分为：静荷载、动荷载和活荷载等 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 ；
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。
地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中 可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、 可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载: （1）永久（主要）荷载
如吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、 人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作 用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具， 盾构千斤顶推力，注浆压力）等。 （3）偶然（特殊）荷载
偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆 炸冲击动荷载。
4.1.2 荷载组合
各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最 不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结 构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合， 得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组 合一般有以下几种情况：
表4-1 公路隧道设计规范（JTJ026-90）的隧道荷载
编号
荷载分类
荷载名称
1
永
2
久
荷
3
载
4
（恒载）
围岩压力 结构自重力 填土压力 混凝土收缩和徐变影响力
5
基本
6 7
可变 可 荷载 变
8
荷 载 其它
9
可变
10
荷载
公路车辆荷载、人群荷载 立交公路车辆荷载及其所产生的土压力 立交铁路列车活载及其所产生的土压力
着密切关系。
滑
动
滑
面
动
以挡土墙为例，作用在挡土墙
面
墙背上的土压力可以分为静止土压
(a)
(b)
图2.2 土体极限平衡状态
（a）主动土压力；（b) 被动土压力
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。
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。 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作用 。
附加荷载
附加荷载 特殊荷载
4.2 荷载的确定方法
4.2.1 确定依据
(1) 依据规范：
当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条 例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵 守各有关规范 。 (2) 设计标准
1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。 2）地下建筑结构材料的选用 3）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可 按结构力学计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引 起的内力重分布。
（一）静载； （二）静载+活载； （三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹 动载）
4.1.2 荷载组合
✓ 指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组， 取其最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中 最大内力值作为设计依据。
✓ 我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可 变及偶然荷载（在铁路隧道设计规范中采用概率 极限状态设计法时称为作用）参见表4-1和表4-2。
荷载分类 永久作用
可变作用 偶然作用
荷载名称
结构自重 结构附加恒载
围岩压力 土压力
混凝土收缩和徐变的影响 列车活载
活载所产生的土压力 公路车辆荷载 冲击力
渡槽水流压力（设计渡槽明洞时） 制动力
温度变化的影响 灌浆压力 冻胀力
施工荷载（施工阶段的某些外力） 落石冲击力 地震力
荷载分类
恒载 活载
主要荷载
钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不 作裂缝验算。
4）安全系数 结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。 对于地下建筑结构，如施工条件差，不易保证质量和荷载
变异大时，对混凝土和钢筋砼结构需考虑用附加安全系数1.1。 静载下的抗裂安全系数不小于1.25，视工程重要性，可予
提高。 结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大，