《地下建筑结构》第二版(朱合华)中文课件(4)
2、荷载结构法
设计原理
荷载结构法的设计原理，是认为隧道开 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。计算时先按地层 分类法或由实用公式确定地层压力，然 后按弹性地基上结构物的计算方法计算 衬砌的内力，并进行结构截面设计。
2、荷载结构法
－－计算原理
地下建筑结构
地下建筑结构的计算方法
本讲内容
1 计算方法的发展现状和计算方法 2 荷载结构法 3 4
地层结构法 算例
1.计算方法现状和计算方法
19世纪初才逐渐形成计算理论 ，最先出现的计算理 论是将地下结构视为刚性结构的计算理论，如压力 线理论等。直到19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土 材料陆续出现，并被用于建造地下工程，使地下建 筑结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开 始按弹性连续拱形框架计算内力，并据以进行截面 设计。 地下建筑结构在主动荷载作用下发生弹性变形的同时， 将受到地层对其变形产生的约束作用。将这类约束作 用假设为弹性抗力，地下建筑结构的计算理论便有了 与地面结构不同的特点。由此建立了典型的假定抗力 方法、弹性地基梁的力法（1956）、角变位移法及不 均衡力矩与侧力传播法等
Thank you for your attention
70年代起，随着隧道施工力学研究的发展，人们开始致力于对采用 新奥法施作的隧道建立仿真计算技术的研究，并据以对复合支护提 出计算方法和设计方法，后者同时包括对地下工程施工的安全性监 测建立和完善量测技术，以及对其建立分析理论和对地下建筑结构 的设计引入反馈设计方法，以优化工程设计和确保工程施工的安全 性。 值得指出的是，在地下建筑结构计算理论研究的发展过程中，后期 提出的计算方法一般并不否定前期的研究成果。鉴于岩土介质性质 的复杂多变性，这些计算方法一般都有各自的适用场合，但都带有 一定的局限性。
算
概述
例
地层结构法主要包括如下几部分内容：地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模 拟以及施工过程中结构与周围地层的相互作用、地层与结构相互作用的模拟。针对 不同的地下建筑结构类型，可进行相应的合理简化、采用相对适合的本构模型进行 数值模拟。 地层的模拟 经过多年的发展，地层材料发展了多种模型，有各向同性线弹性、非线性弹性及弹 塑性体或横观各向异性、正交各向异性线弹性体；考虑周围地层时间效应的粘弹性、 粘弹塑性模型；由于地下水在围岩及土体中的渗流，先后发展了渗流耦合模型，考 虑到土体中孔隙水压力的变化，发展了固结模型等。 针对岩体所表现出的非线性、时间效应，应用较多是弹塑性模型和粘弹性模型。弹 塑性模型有多种屈服准则，例如Drucker—Prager屈服准则、Mohr-Coulomb准则、剑 桥模型，以及多种硬化准则等。粘弹性模型有Maxwell、开尔文模型以及三元件模型 等多种模型，以上模型反映岩体不可逆、剪胀、应变软化、各向异性等种种不同情 况。土体介质，非线性弹性、剑桥模型、固结模型以及粘弹塑性模型应用较多。 对岩体内部存在的节理、裂隙等常见的地质现象，一般为接触面材料，采用节理单 元模拟。
1.计算方法现状和计算方法
图4-1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（Pe）即为作用在 支护结构上的最终地层压力，横坐标（ue）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u0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。
设计原理 • 计算初始地应力
设计原理
本构模型
本构模型
本构模型
本构模型
本构模型
本构模型
（二） 梁单元 与上节荷载结构法中“单元刚度矩阵的计算”相 同。 （三）杆单元 （四）接触面单元
本构模型
单元模式
本构模型
施工过程的模拟
开挖过程的模拟一般通过在开挖边界上施加释放荷 载实现。将一个相对完整的施工阶段称为施工步， 并设每个施工步包含若干增量步，则与该施工步相 应的开挖释放荷载可在所包含的增量步中逐步释放， 以便较真实地模拟施工过程。具体计算中，每个增 量步的荷载释放量可由释放系数控制。
1.计算方法现状和计算方法
地下结构与地层是一个受力整体，20世纪以来，按连续介质力学理 论建立地下建筑结构内力计算方法的研究也逐渐取得成果。已经建 立的方法既有解析解，又有各类数值计算法。随着计算机技术的推 广应用和岩土介质本构关系研究的进展，地下结构的数值计算方法 有了很大的发展，并已编制了多种功能齐全的程序软件。
地层与结构的相互作用
（一）地层与结构相互作用的模拟
支护结构和地层间相互作用，采用接触面单元模 拟。并利用塑性理论接触面单元建立非线性本构关 系。当法向应力为压应力时，采用莫尔—库仑屈服 条件，不难导出其剪切滑移的塑性矩阵。
(二) 双层衬砌之间的相互作用 双层衬砌之间的相互作用有两种模拟方式，分别用 接触面单元和弹簧元模拟。应用弹簧元模拟时，分 别用径向、环向弹簧模拟两层之间的法向作用、剪 切作用，弹簧参数根据实验和经验选取。
1.计算方法现状和计算方法
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。
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。
2、荷载结构法
－－计算原理
2、荷载结构法
－－计算原理
2、荷载结构法
－－计算原理
3 地层结构法
定义： 地层结构法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 作用由于地层结构法相对荷载结构法，充分考虑了地下结 构与周围地层的相互作用。 结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层 在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形更能符 合工程实际。因此，在今后的研究和发展中地层结构法将 得到广泛应用和发展。 地层结构法主要包括如下几部分内容：地层的合理化模拟、 结构模拟、施工过程模拟以及施工过程中结构与周围地层 的相互作用、地层与结构相互作用的模拟。
2、荷载结构法
荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用 在地下建筑结构上的荷载（包括主动地层压力和 被动地层抗力），衬砌在荷载的作用下产生内力 和变形，由此建立的计算方法称为荷载结构法。 早年常用的弹性连续框架（含拱形构件）法、假 定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等都可归属 于荷载结构法。其中假定抗力法和弹性地基梁法 都形成了一些经典计算法，而类属弹性地基梁法 的计算法又可按采用的地层变形理论的不同分为 局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。其 中局部变形理论因计算过程较为简单而常用 。
施工过程的模拟
（一）时空效应
（二）初始地应力的计算
（三）施工过程的有限元模拟 (四) 注浆模拟
结构的模拟
地下建筑结构的合理化模拟对结构内力有很大影响。 锚喷支护一般采用杆单元模拟，也可对锚杆加固区的 围岩取用提高的、加以考虑；支撑、钢支架及衬砌一 般采用梁单元模拟。衬砌结构也可采用四边形等参单 元模拟，地下连续墙、桩一般也采用梁单元模拟。杆 单元或梁单元都可以采用弹塑性模型、粘弹性模型以 及和温度有关的本构关系。 对盾构隧道的结构设计，可以采用均质圆环模型、梁 弹簧模型等。梁弹簧模型充分反映了ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构的连接和受 力特性；对梁弹簧模型，管片采用直(曲)梁单元模拟， 管片之间以及环间接头用弹簧单元模拟。
1.计算方法现状和计算方法
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可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
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国内学者也进行了一些探讨,但主要针对软土地铁盾构隧道 ,对大型水下盾 构隧道纵向结构变形与稳定性的研究很少,且罕有试验研究
未来研究发展方向
纵观国内外水下盾构隧道结构问题的研究现状 ,可以预见,未来几年的研究 重点将集中在以下几方面 : 水环境作用下管片衬砌结构的长期耐久性及结 构性能评价;灾害、事故对水下盾构隧道结构的影响与评估 ;双层衬砌工作 机理;衬砌结构渐进性破坏及失稳机制 ;大型水下盾构隧道的结构分析方法 等.另外,多学科交叉、多种理论的应用将发挥更大作用。
故，大于6m易发生导管拨不出。
c).浇灌混凝土速度过快而使钢筋笼上浮。这种情况下要放缓混凝 土挠灌速度，甚至停顿挠灌10-15min，待钢筋笼稳定后再继续浇灌
（3）混凝土反浆不顺的处理
导管变形或异物阻塞，使得隔水栓未能冲出导管底口而造成反浆失败。在 安装导管时要仔细检查导管的质量，不使用变形或有损毁的导管。在每次 拆卸或安装导管时都用清水将导管冲洗干净，保证导管内壁平滑畅顺。 槽孔内沉渣过厚而造成剪塞反浆失败。在清孔及安放钢筋笼后，均要检测 槽孔内沉渣厚度，确定沉渣在允许范围内再进行浇灌混凝土工序。 当混凝土灌注到导墙顶部附近时，由于导管内压力减小，往往会发生导管 内混凝土不易流出的现象。此时应放慢浇灌速度，并将导管埋臵深度减小， 但不应小于 1m，同时辅以上下抽动导管，但抽动幅度不宜太大，以免将 导管抽离混凝土面。
⑤ 受温度应力、收缩应力、机械振动和爆破振动的影响，衬砌荷载发生变 化，局部应力集中，形成拉裂或压裂性裂缝，随着时间的推移，相互贯 通，形成不规则的贯穿性渗漏水通道；
⑥ 因温度或养护等原因，衬砌体产生较大的收缩变形，同时又因强度不能 充分发挥，承载及抵抗变形能力差，很容易造成混凝土衬砌垂直轴向的 收缩性裂缝；
地下建筑结构 课件
●第7章：浅埋式结构 ●第8章：沉井式结构 ●第9章：地下连续墙结构 ●第10章：盾构法隧道结构 ●第11章：沉管结构 ●第12章：基坑围护结构
上课之前
♣ 参考书目
●张庆贺.《地下工程》，同济大学出版社，2005 ●夏明耀.《地下工程设计施工手册》，中国建筑工业出版社， 2005 ●王树理.《地下建筑结构设计》，清华大学出版社，2007 ●徐芝纶.《弹性力学简明教程》，高等教育出版社，2006 ●刘轶军.《有限单元法导论》，清华大学出版社，2009 ●波茨.《岩土工程有限元分析》，科学出版社，2010
§1.4 地下建筑结构的设计程序与内容
♣ 施工图设计
●计算荷载：求出作用在结构上的各种荷载值； ●计算简图：拟定出恰当的计算图式； ●内力分析：得出控制截面的内力； ●内力组合：求出各控制截面的最大设计内力值； ●配筋设计：得出受力钢筋，确定分布钢筋与架立钢筋； ●绘制结构施工详图：结构平面图，结构构件配筋图，节点详 图，内部设备的预埋件图； ●财务预算：材料数量、工程数量。
第1章 概论
地下建筑结构的概念与分类 地下建筑结构的形式 地下建筑结构的设计程序及内容
主讲人：关振长 福州大学 土木工程学院
§1.1 地下建筑结构的概念与分类
♣ 地下建筑
●定义：在地下开挖出的空间中修建的建筑物 ●用途：公路铁路隧道、水电厂房、国防工程、矿山、城市地 铁、地下储气储油库、核废料处置库
●前景：21世纪是地下工程的世纪（钱七虎）
1
§1.1 地下建筑结构的概念与分类
♣ 地下建筑结构
●定义：埋置地层内部的结构（分两大部分）
●衬砌与基础：与土层接触的永久性支护结构，起承重（承受 岩土体压力、结构自重、其他荷载）与维护（防水、防潮、防 风化）作用
《地下建筑结构》第二版(朱合华)中文课件
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
（一）静载； （二）静载+活载； （三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹 动载）
2.1.2 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2-1和表2-2。
（2）挡土墙后填土的表面为水平面，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。
z z
x ko z
φ 45°+ 2 ()
τ
σz σx
σz
()
φ 45°- 2 ()
τ=σtanφ+c
Ⅰ
Ⅲ
k0 sin
(2 3)
粘土ko=0.5~0.7；砂土ko=0.34~0.45。 砂土、粉土1.0；粘性土、淤泥质土0.95
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
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地基的变形是考虑还是略去，这是它们的另一个主要区别。
2. 弹性地基梁的计算模型
由于地基梁搁置在地基上，梁上作用有荷载，地基梁在荷载作 用下与地基一起产生沉陷，因而梁底与地基表面存在相互作用反力 ， 的大小与地基沉降y 有密切关系，很显然，沉降越大，反力 也越 大，因此在弹性地基梁的计算理论中关键问题是如何确定地基反力 与地基沉降之间的关系，或者说如何选取弹性地基的计算模型问题。
齐次微分方程，令式中
d4y
qx o
，即得对应齐次微分方程：
EI ky 0
dx 4
（3.7）
由微分方程理论知，上述方程的通解由四个线性无关的特解组合而成。为
寻找四个线性无关的特解，令 y erx 并代入上式有：
4 K
EI
或 4 K cos i sin
EI
由复数开方根公式得：
rk
4
式（3.12）中积分常数B1、B2、B3、B4的确定是一个重要环节，梁在任一
截面都有四个参数量，即挠度y、转角 、弯矩M、剪力Q、而初始截面
（x=o）的四个参数 yo 、o 、M o 、Qo 就叫做初参数。
3. 初参数解
用初参数法计算了弹性地基梁的基本思路是，把四个积分常数改 用四个初参数来表示，这样做的好处是: 使积分常数具有明确的物理意义; 根据初参数的物理意义来寻求简化计算的途径。
（二）用初参数表示积分常数
如图3.4所示，梁左端的四个边界 条件（初参数）为
图3.4 弹性地基梁作用的初参数
y x o yo
x o o
M x o Mo
Q x o Qo
（3.13）
将上式代入式（3.12），解出 积分常数得：
3. 初参数解
B1 yo
2. 弹性地基梁的计算模型
由于地基梁搁置在地基上，梁上作用有荷载，地基梁在荷载作 用下与地基一起产生沉陷，因而梁底与地基表面存在相互作用反力 ， 的大小与地基沉降y 有密切关系，很显然，沉降越大，反力 也越 大，因此在弹性地基梁的计算理论中关键问题是如何确定地基反力 与地基沉降之间的关系，或者说如何选取弹性地基的计算模型问题。
齐次微分方程，令式中
d4y
qx o
，即得对应齐次微分方程：
EI ky 0
dx 4
（3.7）
由微分方程理论知，上述方程的通解由四个线性无关的特解组合而成。为
寻找四个线性无关的特解，令 y erx 并代入上式有：
4 K
EI
或 4 K cos i sin
EI
由复数开方根公式得：
rk
4
式（3.12）中积分常数B1、B2、B3、B4的确定是一个重要环节，梁在任一
截面都有四个参数量，即挠度y、转角 、弯矩M、剪力Q、而初始截面
（x=o）的四个参数 yo 、o 、M o 、Qo 就叫做初参数。
3. 初参数解
用初参数法计算了弹性地基梁的基本思路是，把四个积分常数改 用四个初参数来表示，这样做的好处是: 使积分常数具有明确的物理意义; 根据初参数的物理意义来寻求简化计算的途径。
（二）用初参数表示积分常数
如图3.4所示，梁左端的四个边界 条件（初参数）为
图3.4 弹性地基梁作用的初参数
y x o yo
x o o
M x o Mo
Q x o Qo
（3.13）
将上式代入式（3.12），解出 积分常数得：
3. 初参数解
B1 yo
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7
地下结构型式－支护形式
(2) 构造型支护 支护结构满足施工及构造要求，防止局 部掉块或崩塌而逐步引起整体失稳。
构造型支护通常采用喷射混凝土、锚 杆和金属网、模筑混凝土支护等。
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8
地下结构型式－支护形式
(3) 承载型支护 承载型支护应满足围岩压力，使用荷 载、结构荷载及其它荷载的要求，保证 围岩与支护结构的稳定性
3、矿山巷道：立井、平巷、斜井、马 头门、硐室等；
4、地下仓库：地下油库、地下炸药库、 民用地下仓库等；
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3
地下工程应用
5、地下民用与公共建筑：地下工厂、 地下停车场、地下商业街等；
6、地下市政工程：城市地铁、城市 隧道、城市共同沟等；
7、人防工程和国防地下工程：地下 防空工程、地下飞机库、地下弹 药库、地下指挥部等；
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5
地下结构型式－断面形式
矩形
梯形
直墙拱形
马蹄形
仰拱形
圆形
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6
地下结构型式－支护形式
(1) 防护型支护 以封闭岩面，防止周围岩体质 量的进一步恶化或失稳为目的。 特点：既不能阻止围岩变形， 又不能承受岩体压力，而是仅用 它通常是采用喷浆、喷混凝土或 局部锚杆来完成的。
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约束作用。由于有了比较可靠的力学原理为依
据、故至今在设计地下结构时仍采用。
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40
1.2 地下结构计算理论的发展与现状
（2）弹性结构阶段 a. 假定弹性反力阶段
将结构的变形曲线和地层弹性反力的分 布按某种形式分布进行了假定．并出变 形协调条件计算弹性反力的量值、因此 比前一种假定弹性反力法合理。
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