1、2020/2/22,1/70,地下建筑规划与设计,主讲人：陈海明 博士,安徽理工大学土木与建筑学院 2009年10月14日,2020/2/22,2/70,第8章 地下空间结构设计 理论与方法,2020/2/22,3/70,提 纲,8.1 地下结构分类 8.2 地下结构荷载 8.3 地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计,2020/2/22,4/70,第8章 地下空间结构设计 理论与方法,8.1 地下结构分类 8.2 地下结构荷载 8.3 地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计,2020/2/22,5/70,8.1 地下结构分类,8.1.1 按结构形状划分 地下空间结构可
2、按结构形状划分为矩形框架结构、圆形结构、拱与直墙拱结构、薄壳结构、敞开式结构等。,2020/2/22,6/70,8.1.2 按土质状况划分,地下空间的结构按土质状况可分为土层与岩层地下空间结构。 土层结构即指在土壤中挖掘的结构，岩层结构指在岩石中挖掘的结构。这里不含水中结构，水中结构与岩土中结构又有较大差别，水中结构包括江河湖海内的水下结构，但包含水底岩土中的结构。岩石结构中又分为喷锚结构、半衬砌结构和厚拱薄墙结构等。,2020/2/22,7/70,8.1.3 按施工方法划分,地下空间的结构按施工方法可划分为以下几种类型： 敞开式是指直接在地面开挖所建造的地下空间建筑基坑，在其坑内建造完工程后
3、将土回填的一种方法，基坑边坡可采用放坡、直立或支撑的形式而防止土的塌落。 暗挖式常用于在土中埋深较大的情况下，通过竖井在土中进行挖掘空间而建造的结构，此种方式又称为矿山法。 盾构式是在地下采用隧道掘进机进行施工的一种方法，常用圆形，顶管工具头也属盾构范畴。其特点是可穿越海底、水底等地下修建隧道，隐蔽、自动化与机械化程度高，劳动强度低。,2020/2/22,8/70,8.1.3 按施工方法划分,沉井式是在地面预先建造好结构，然后通过在井内不断挖土使结构借助自重克服土摩阻力不断下沉至设计标高的一种方法，常用于桥梁墩台、大型设备基础、地下仓（油）库、地下车站及国防工事等地下工程的建筑施工。 连续墙式
4、是指在施工时先分段建造两条连续墙，然后在中间挖土并由底至上建造底板、楼板、顶板及内部结构的一种施工方法。 沉箱（管）式是指将预制好的结构运至预定位置，并使之下沉到设计标高的施工方法。,2020/2/22,9/70,8.1.3 按施工方法划分,逆作式是在地下工程施工时不设支护体系，以结构构件作挡墙及支撑，由柱墙、顶板、楼板、基础自上而下依次开挖和施工的一种方法，其特点是施工作业面小，可尽快恢复地面交通，对周围环境影响小，常为矩形结构。 顶管（箱）式是在起点和终点设置工作井（常采用沉井），在工作井壁设有孔作为预制管节的进口与出口，通过千斤顶将预制管节按设计轴线逐节顶入土中，对于较长距离的情况，顶管
5、常分段进行，该方法在城市中不影响交通及附近地面设施。 由于施工方法对结构的影响较大，常需要进行施工阶段与使用阶段的结构分析与设计。,2020/2/22,10/70,8.1.4 按与地面建筑的关系划分,城市建设中大部分地面建筑带有地下建筑，这种地面地下相连的地下建筑称为附建式（地下室）结构，反之称为单建式结构。 目前，我国建设的多层建筑大多建有地下室，高层建筑则必须建有地下建筑。,2020/2/22,11/70,8.1.5 按埋深划分,根据地下空间结构在土中的埋深分为浅埋与深埋地下结构。 深浅的定义较为模糊，较为不严格的概念认为，地下空间开发深度分为浅层（10m）、次浅层（1030m）、次深层（
6、3050m）、深层（50m）。深埋与浅埋的界限是十分必要的，但我国目前还没有统一的划分方法。,2020/2/22,12/70,第8章 地下空间结构设计 理论与方法,8.1 地下结构分类 8.2 地下结构荷载 8.3 地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计,2020/2/22,13/70,8.2 地下结构荷载,8.2.1 地下结构荷载的分类及其组合 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。 永久（主要）荷载 也称为长期作用恒载，主要包括结构自重、回填土层重量、围岩压力、弹性抗力、静水压力（含浮力）、
7、混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。围岩压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性抗力是地下结构所特有的一种被动荷载。,2020/2/22,14/70,8.2.1 地下结构荷载的分类及其组合,可变（附加）荷载 又分为基本可变荷载和其他可变荷载两类。基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，如吊车荷载，设备重量，地下储油库的油压力，车辆、人群荷载等。其他可变荷载，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。 偶然（特殊）荷载指偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载。,2020/2/22,15/70,8.2.1 地下结构荷载的分
8、类及其组合,对于一个特定的地下结构，上述几种荷载不一定同时存在，设计中应根据荷载实际可能出现的情况进行组合。 所谓荷载组合，是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、可变及偶然荷载参见表8.1和表8.2。,2020/2/22,16/70,8.2.2 围岩压力分类,8.2.2.1 围岩压力及其影响因素,2020/2/22,17/70,8.2.2.1 围岩压力及其影响因素,围岩压力的概念 围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的作用力，它包括由地应力（即原岩应力）引起的围岩
9、应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的总作用力。围岩压力也称为地压。由围岩压力引起的围岩与支护的变形、流动和破坏等现象称为围岩压力显现或地压显现。 从广义上理解，围岩压力既包括围岩有支护情况，也包括无支护情况；既包括在普通的传统支护上所显示的性态，也包括在锚喷和压力注浆等现代支护方法中所显示的性态。从狭义上理解，围岩压力是指围岩作用在衬砌上的压力。,2020/2/22,18/70,8.2.2.1 围岩压力及其影响因素,围岩压力的概念 由于围岩压力是围岩的变形或破坏造成的，其大小和分布与导致围岩变形或破坏的诸多因素有关。事实上，围岩压力和支护结构本来是一对相互作用和动态协调变化的“作用体”，完
10、全用结构工程中的压力或荷载概念来理解，是不尽合理的。但是，为了采用结构力学方法进行地下结构设计，仍要明确“压力”或“荷载”的概念，否则将无法进行计算。,2020/2/22,19/70,8.2.2.1 围岩压力及其影响因素,影响围岩压力的因素 影响围岩压力的因素基本上与围岩分类因素大致相同，如岩体结构、岩石强度、地下水、洞室跨度、形状、支护类型与刚度、施工方法、洞室埋置深度和支护时机等因素。,2020/2/22,20/70,8.2.2.2 围岩压力分类,概述 围岩压力是地下衬砌结构设计中的主要荷载之一。围岩压力的研究最早开始于14世纪，当时用来研究地下采矿工程中出现的一系列问题，如地层移动、地表
11、沉陷及坑道支撑等。以后，随着采矿事业和其他地下工程的发展，围岩压力的研究也相应得到发展。目前，它已成为岩体力学研究极为重要的内容。目前应用较广的分类是把围岩压力分成松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力四大类。,2020/2/22,21/70,8.2.2.2 围岩压力分类,松动压力 由于开挖导致围岩松动或塌落的岩体以重力的形式直接作用在支护上的压力称为松动压力。这种压力表现为荷载的特有形式：顶压大，侧压小。 松动压力通常由下述三种情况形成： （1）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石对支护造成的落石压力； （2）在松散软弱的岩体中，隧道顶部和两侧片帮冒落对支护造成的散体压力； （3）
12、在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位的岩体沿弱面发生剪切破坏或拉坏，形成了局部塌落松动压力。 造成松动压力的因素很多，如围岩地质条件、岩体破碎程度、开挖施工方法、爆破作用、支护不及时、回填密实程度、洞形和支护形式等。而岩体破碎与临空面不利组合所构成的不稳定岩体也容易造成松动压力。,2020/2/22,22/70,8.2.2.2 围岩压力分类,变形压力 松动压力是以重力形式直接作用在支护上的，而变形压力则是由于围岩变形受到支护的抑制产生的。所以变形压力除与围岩应力有关外，还与支护时机和支护刚度密切相关。按其成因可进一步分为下述几种情况： （1）弹性变形压力当采用紧跟开挖面进行支护的施工法时，由于
13、存在着开挖面的“空间效应”而使支护受到一部分围岩的弹性变形作用，由此而形成的变形压力称为弹性变形压力。 （2）塑性变形压力由于围岩塑性变形（有时还包括一部分弹性变形）而使支护受到的压力称为塑性变形压力，这是最常见的一种围岩变形压力。 （3）流变压力围岩产生显著的随时间增长而增加的变形或蠕变。压力是由岩体的蠕变变形引起的，有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。 变形压力主要是围岩变形的根本所在，所以变形压力的大小，既决定于原岩应力的大小和岩体的力学性质，也决定于支护结构刚度和支护的时间。,2020/2/22,23/70,8.2.2.2 围岩压力分类,膨胀压力 含有某些膨胀矿物的岩
14、体具有吸水膨胀崩解的特性，这种由于围岩膨胀变形引起的压力称为膨胀压力。围岩吸水膨胀、体积增大，既有物理性质，也有化学性质。膨胀压力与变形压力的根本区别在于围岩变形是由吸水膨胀引起的。岩体膨胀性，主要决定于其蒙脱石、伊利石和高岭土的含量。同时，还依赖于外界水的渗入和地下水的活动特征。岩层中蒙脱石含量越高，有水源供给，膨胀性也就越显著。,2020/2/22,24/70,8.2.2.2 围岩压力分类,冲击压力 冲击压力又称岩爆，它是在工程开挖过程中，围岩积累了大量的弹性变形能。在外界扰动下突然释放所产生的压力。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放，所以它与岩体弹性特性紧密相关。弹性模量较大的岩体在高地
15、应力的作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈地大量释放。,2020/2/22,25/70,8.2.3 深埋和浅埋地下结构的判断,因围岩压力的计算有不同的模式，要确定围岩压力，首先要区分深埋和浅埋隧道（地下结构）。对于公路隧道而言，可以按照经典围岩压力理论、地质条件、施工方法等因素综合判定埋深的界限： 式中 Hp深埋与浅埋隧道分界深度； hp荷载等效高度， hp =q/； q深埋隧道垂直均布压力（kN/m2）； 围岩重度（kN/m3）。,2020/2/22,26/70,8.2.3 深埋和浅埋地下结构的判断,在矿山法施工的条件下，类围岩取Hp=2.5hp；类围岩取Hp=2
16、.0hp。 对于铁路隧道而言，隧道覆盖厚度小于表8.3所列数值时为浅埋隧道。,2020/2/22,27/70,8.2.4 深埋结构围岩松动压力的计算,8.2.4.1 铁路隧道设计规范所推荐的方法 铁路隧道设计规范（TB 100032005）的方法 根据以往铁路隧道的坍方资料统计所反映的围岩松动范围的大小，通过对坍方资料的统计分析获得围岩松动压力的经验估算公式。当然，塌方资料的背景不同或统计分析的前提假定不同，所得经验公式也不同。例如，对于在不产生显著偏压力及膨胀性压力的围岩中用钻爆法开挖的、高跨比小于1.7的隧道，经过对417个塌方数据库的统计与回归，可以得到铁路双线隧道围岩竖向均布松动压力的
17、计算表达式为,2020/2/22,28/70,8.2.4 深埋结构围岩松动压力的计算,8.2.4.2 普氏理论 普氏理论假定围岩为松散体（岩体不同程度地被节理、裂隙等软弱结构面所切割），是一种基于天然拱概念的围岩压力理论，即围岩的垂直均布压力为 适用范围：普氏理论一般对松散、破碎围岩较适用。在松软地层（如淤泥、软黏土等）中或结构埋深太浅，不能使用普氏理论。,2020/2/22,29/70,8.2.4 深埋结构围岩松动压力的计算,8.2.4.2 太沙基理论 太沙基理论也把洞室围岩看作松散体；但没有天然拱的概念，而是在假定洞室上方岩体变形形态的基础上按平衡条件推导出围岩压力的计算表达式。 假定：洞
18、室上方岩体因洞室变形而下沉，产生错动面OAB和OAB；竖向压应力v是均布的，且侧向压应力 （k为侧压力系数）。,2020/2/22,30/70,8.2.5 浅埋结构围岩松动压力的计算,一般来说，对于埋深较浅的洞室（如山岭铁路或公路隧道的洞口地段、明挖或暗挖的浅埋地铁车站和区间隧道等），开挖会引起整个上覆地层的变位，如果不及时支撑，地层就会大量变形和塌落，波及地表而形成一个沉陷区。参照图8.5，按平衡条件可得 松动围岩压力=支护结构反力=滑动岩体的重力-滑移面上的摩擦阻力 式中滑移面上的摩擦阻力与具体的埋深情况有关。,2020/2/22,31/70,8.2.6 围岩弹性抗力,前面所讲的松动围岩压
19、力，如结构自重等均属主动荷载。地下结构除承受主动荷载作用外，还承受一种被动荷载，即围岩的弹性抗力。 结构在主动荷载作用下要产生变形，如图8.6所示的曲墙拱形结构，在主动荷载（垂直荷载大于水平荷载）作用下，产生的变形如虚线所示。在拱顶，其变形背向地层，在此区域内围岩对结构不产生约束作用，所以称为“脱离区”，而在靠近拱脚和边墙的部位，结构产生压向地层的变形。由于结构与围岩紧密接触，围岩将制止结构的变形，从而产生了对结构的反作用力，对这个反作用力习惯上称“弹性抗力”。因此，围岩的弹性抗力是在主动荷载作用下，衬砌向围岩方向的变形而引起的围岩被动力。弹性抗力作用的范围称为“抗力区”。,2020/2/22
20、,32/70,8.2.6 围岩弹性抗力,围岩弹性抗力的存在是地下结构区别于地面结构的显著特点之一。因为，地面结构在外力作用下，可以自由变形不受外界的约束，而地下结构在外力作用下，其变形要受围岩的约束。所以，地下结构设计必须考虑结构与围岩之间的相互作用，这使得地下结构设计与计算变得复杂，但这只是问题的一个方面；另一方面，由于围岩弹性抗力的存在，限制了结构的变形，以致结构的受力条件得以改善，使其变形小而承载能力有所增加。,2020/2/22,33/70,8.2.6 围岩弹性抗力,因为弹性抗力是由结构与围岩的相互作用产生的，所以弹性抗力的大小和分布规律不仅决定结构的变形，还与围岩的物理力学性质有着密
21、切的关系。 如何确定弹性抗力的大小和其作用范围（抗力区），目前有两种理论：一种是局部变形理论，认为弹性地基（围岩）某点上施加的外力只会引起该点的沉陷；另一种是共同变形理论，即认为弹性地基上的一点的外力，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发生沉陷。后一种理论较为合理，但由于局部变形理论计算较为简单，且一般能够满足工程精度要求，所以目前多采用局部变形理论计算弹性抗力。,2020/2/22,34/70,第8章 地下空间结构设计理论与方法,8.1 地下结构分类 8.2 地下结构荷载 8.3 地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计,2020/2/22,35/70,8.3 地
22、下结构计算的力学方法,8.3.1 地下结构内力计算力学模型 关于地下结构的内力计算，目前有两种不同的设计理念，一种认为围岩的作用只是向结构施加荷载，而结构的作用只是承受荷载；另一种则认为围岩既是荷载又有承载能力，而结构的作用是调整围岩从而与之共同维持洞室的稳定性。相应地，地下结构的内力计算模型可以划分为如下两种类型： 荷载-结构模型认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力），以计算支护结构在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载-结构法。,2020/2/22,36/70,8.3.1 地下结构内力计算力学模型,荷载-结构模型 荷载-结构模型只适用于
23、浅埋情况及围岩塌落而出现松动压力的情况。,2020/2/22,37/70,8.3.1 地下结构内力计算力学模型,荷载-结构模型 荷载-结构模型还可按荷载不同细分成如下几种模式： （1）主动荷载模型。 （2）主动荷载+被动荷载模型。 （3）量测压力模型。,2020/2/22,38/70,8.3.1 地下结构内力计算力学模型,地层结构模型 主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种计算方法，需采用岩石力学方法进行计算。,2020/2/22,39/70,8.3.1 地下结构内力计算力学模型,地层结构模型 计算方法通常有数值解法和解
24、析解法两类。 数值解法是把围岩视作弹塑性体或黏弹塑性体，并与支护一起采用有限元或边界元数值法求解。数值解法可以直接算出围岩与支护的应力和变形状态，以判断围岩是否失稳和支护是否破坏。数值解法往往有多种功能，能考虑岩体中的节理裂隙、层面、地下水渗流及岩体膨胀性等影响，是目前理论计算法中的主要方法。,2020/2/22,40/70,8.3.1 地下结构内力计算力学模型,地层结构模型 计算方法通常有数值解法和解析解法两类。 解析解法主要适用于一些简单情况下，以及某些简化情况下的近似计算。目前，国内外这类方法已经很多，一般可概括成如下几种： （1）支护结构体系与围岩共同作用的解析解法。利用围岩与支护衬砌
25、之间的位移协调条件，得简单洞形（如圆形）条件下围岩与衬砌结构的弹性、弹塑性及黏弹性解。,2020/2/22,41/70,8.3.1 地下结构内力计算力学模型,地层结构模型 计算方法通常有数值解法和解析解法两类。 解析解法 （2）收敛-约束法或特征曲线法。原理：按弹塑-黏性理论等推导公式后，再以洞周位移为横坐标、支护反力为纵坐标的坐标平面内绘出表示围岩受力变形特征的洞周收敛线，并按结构力学原理在同一坐标平面内绘出表示支护结构受力变形特征的支护限制线，得出以上两条曲线的交点，根据交点处表示的支护抗力值进行支护结构设计。,2020/2/22,42/70,8.3.1 地下结构内力计算力学模型,地层结构
26、模型 解析解法 （3）剪切滑移楔体法。基于Robcewicz提出的“剪切破坏理论”。该理论认为，围岩稳定性的丧失，主要发生在洞室与主应力方向垂直的两侧，并形成剪切滑移楔体。由于地下洞室开挖在侧压系数1的条件下，岩体的破坏过程如图8.11所示。首先两侧壁的楔形岩块由于剪切而分离，并向洞内移动（图8.11a），而后，上部和下部岩体由于楔形岩块滑移造成跨度加大，上下岩体向洞内挠曲（图8.11b），甚至移动（图8.11c）。支护结构的设计按照由锚杆、喷射混凝土及钢拱架提供的支护抗力与塑性滑移楔体的滑移力达成平衡这一条件进行。,2020/2/22,43/70,8.3.2 荷载结构计算方式,8.3.2.1
27、 拱形结构 曲墙拱结构 曲墙拱衬砌属超静定结构，计算方法采用“假定抗力法”。即朱拉波夫-布加也娃法，也称朱-布法。 （1）考虑土层弹性抗力及其分布 曲墙拱型结构在竖向荷载及侧向水平荷载（土层压力）的作用下，结构拱顶部向内产生变形，曲墙向外侧变形，曲墙的变形使土体产生变形，土体变形达到一定程度即出现土体抵抗侧墙的继续变形，对侧墙变形的抵抗作用即称为土体对结构的弹性抗力。,2020/2/22,44/70,8.3.2 荷载结构计算方式,8.3.2.1 拱形结构 曲墙拱结构 （2）计算简图 有垂直土层压力q，侧向水平压力e+e，拱脚弹性固定两侧受地层约束的无铰拱，荷载与结构对称。,2020/2/22,
28、45/70,8.3.2 荷载结构计算方式,8.3.2.1 拱形结构 曲墙拱结构 （3）计算步骤 求主动荷载作用下结构内力 求b=1时的 求最大抗力 计算各截面最终内力值 计算的校核,2020/2/22,46/70,8.3.2.1 拱形结构,曲墙拱结构 该方法是将衬砌结构的边墙看作搁置于弹性地基上的曲梁或直梁，弹性地基按文克尔计算方法。当曲墙的曲率是常数或直墙时，可采用初参数法求解。一般直墙式衬砌的直边墙采用此法求解。 计算图式 将拱圈和梁分开计算，将拱圈处理为弹性固定在边墙顶上的无铰平拱，边墙处理为搁置在弹性地基上的直梁。在拱脚和墙顶连接处应满足力的平衡条件和变形连续条件。拱脚d处除有转角和垂
29、直位移外，还有水平位移。在结构和荷载对称的条件下，垂直位移对拱圈结构内力无影响，可以不计。,2020/2/22,47/70,8.3.2.2 圆形结构,整体式圆形结构 （1）自由变形圆环法 当整体式圆管结构修建在松软地层中，地层对结构的弹性抗力很小，故假定结构可以自由变形，地基反力沿环的水平投影为均匀分布，计算图式如图8.17所示。,2020/2/22,48/70,8.3.2.2 圆形结构,整体式圆形结构 （2）假定抗力图法 衬砌机构在竖向荷载作用下，产生向地层方向的变形，从而引起弹性抗力。对于圆管结构，弹性抗力的分布规律，可根据已有的实践经验假定给出。计算图式如图8.18所示。,2020/2/
30、22,49/70,8.3.2.2 圆形结构,装配式圆形结构 装配式圆管结构，应根据管片或砌块间连接构造以及所采用的施工方法，确定相应的计算方法。当组成圆管结构的管片或砌块在环向采用如图8.19所示的连接构造，而接头能传递全部内力时（实际上是不可能传递全部内力的，而只能传递部分内力，故应把接头当作传递一定内力的弹性铰，按弹性铰接圆环进行结构计算），可按整体均质圆环计算；而当管片或砌块采用如图8.20（砌块端为圆柱形接头）或图8.21所示的连接构造时，应按多铰圆环计算，其计算图式如图8.22所示。,2020/2/22,50/70,8.3.2.3 框架结构,地下铁道的通道、车站或地下厂房，承受地层的
31、竖向压力和水平压力以及车辆等荷载，可视为平面变形问题，沿纵向取单位宽度，按闭合框架计算其结构内力。由于底板与地基之间有摩擦力，故可认为底板不能沿水平方向运动。地下铁道通道的计算简图如图8.27所示。,2020/2/22,51/70,8.3.3 地层结构计算方法,8.3.3.1 地层的初始应力状态 地层结构法认为，地下空间的结构体系是由围岩和支护共同组成的，围岩既是荷载的来源，又是承载体系的一部分。从地层的初始应力状态出发，地层结构法采用固体力学方法计算开挖和支护对围岩应力和位移场的作用，而支护结构的内力和变形只是整个围岩-结构体系计算结果中的一部分。 地层的初始应力场与地层的结构、性质、埋藏条
32、件及地质构造运动历史等因素有关，可以划分成自重应力场和构造应力场两个部分。前者是地层自重产生的应力，后者代表过去和当前地质构造运动（包括褶曲、断裂、层间错动、地壳升降、板块运动等）所引发的应力（分别称为残余构造应力和新构造应力）。,2020/2/22,52/70,8.3.3.1 地层的初始应力状态,在以自重应力为主的地层中，当地表为水平面、地层为均质各向同性时，深度为h处自重应力的垂直和水平分量可以分别表示为 如果地层是水平成层分布的，自重应力的大小可以分层总和而得。,2020/2/22,53/70,8.3.3.2 开挖的模拟与围岩二次应力场,围岩二次应力状态分析是地层结构法的关键步骤。 地下
33、开挖使地层出现了新临空面和该临空面上地层应力的释放，破坏了地层的初始应力平衡，引起地层应力的重新分布。在这个时间过程中，地层应力是连续变化的，特别地，洞室开挖后在未加支护的情况下，地层应力所达到的新的相对平衡称为围岩的二次应力状态。二次应力的发展与稳定受到自然因素和工程因素的影响：围岩组成、结构、性质、初始应力状态等；开挖手段和方法，洞室的位置、大小和形状及其与围岩结构的相对关系等。,2020/2/22,54/70,8.3.3.2 开挖的模拟与围岩二次应力场,一般来说，二次应力场是三维场。,2020/2/22,55/70,8.3.3.2 开挖的模拟与围岩二次应力场,用初始应力释放的办法通过固体
34、力学计算确定。在围岩材料本构关系为线弹性的条件下。,2020/2/22,56/70,8.3.3.3 支护抗力对围岩位移的控制,洞室的稳定与否，取决于围岩的二次应力和变形是否超过了围岩的强度和变形能力。如果二次应力的发展没有伴随围岩的塌落或过度变形，则单从围岩稳定的角度来看是没有必要设置支护结构的。但如果情况相反，围岩自身不能保持长期稳定，就必须施作支护控制围岩的变形、改善围岩的应力状态（支护使洞室周边围岩处在三维压应力状态，有利于发挥围岩的抗压能力）。支护与围岩共同变形而达到某种平衡，称为围岩-结构体系的三次应力状态。地层结构法就是在确定初始应力以后，以二次应力分析为基础，计算支护结构与围岩的
35、共同作用，从而确定隧道结构体系的三次应力状态。,2020/2/22,57/70,8.3.3.4 地层结构模型的有限单元法,实际地下结构的地层结构模型分析往往需要考虑比较复杂的材料模型、几何形状、边界条件，一般是没有办法求出解析解的；因而就必须使用数值方法。 原理：通过单元分析建立单元刚度方程，根据位移协调条件组建总体刚度方程，引入边界条件并求解，得到各节点的位移，然后再利用节点位移通过单元刚度方程获得单元节点力，通过单元应力方程获得单元应力，通过单元应变方程获得单元应变。,2020/2/22,58/70,8.3.3.4 地层结构模型的有限单元法,计算范围的选取 有限单元法的模型只能是空间有限的
36、区域，而地下结构周围的地层相对而言是无限大或半无限大（深埋或浅埋）的；因此必须选择某个有限的计算范围建立有限单元模型。这个计算范围的边界应该离地下结构足够远，设在几乎不受地下工程影响的地方。经验表明，一般来说，在离洞室中心35倍于洞室特征尺寸（最大内径）以外的地方，地下工程的影响足够小。,2020/2/22,59/70,8.3.3.4 地层结构模型的有限单元法,单元类型的选择 可以用二维平面单元（平面应变或平面应力问题）或三维实体单元（三维问题）来对计算范围内的地层进行离散化分析。 开挖效应的模拟 洞室的开挖释放了洞室边界上的初始应力，在计算中可以通过在开挖边界上施加与初始作用力大小相等、方向
37、相反的释放荷载来模拟这种应力释放。 如果考虑开挖与支护的时间效应，则释放荷载的取值应视支护结构的设立时间而定。如果支护是在开挖后瞬时设置的，则支护结构单元将承受全部的释放荷载；如果支护是在开挖之后某个时刻设立的，则支护结构承受的释放荷载应该只是全部释放荷载中尚未释放掉的那个部分。,2020/2/22,60/70,第8章 地下空间结构设计理论与方法,8.1 地下结构分类 8.2 地下结构荷载 8.3 地下结构计算的力学方法 8.4 明挖基坑支护桩设计,2020/2/22,61/70,8.4 明挖基坑支护桩设计,8.4.1 支护结构设计的计算理论 8.4.1.1 基坑围护桩的作用 深基坑支护结构多
38、种多样，用材和施工方法也千变万化，但主要可以分为两大类：第一类为支挡型的，如排桩式支挡结构和地下连续墙；第二类为加固型的，如高压旋喷法加固、静压注浆加固、深层搅拌法加固、喷锚支护和土钉墙等。 深基坑支护结构的主要作用是减小土方开挖，少占场地空间，保护相邻的已有建（构）筑物和地下设施，减少或防止坑底隆起，另外还兼有支护和防水的双重功效。,2020/2/22,62/70,8.4.1.2 土压力计算,作用于支护结构上的荷载主要指土压力和水压力。其中土压力的计算是设计者最为关注的问题，目前大致有两类计算方法，一是建立于极限平衡理论上的经典土压力理论；包括朗肯土压力理论和库仑土压力理论；二是根据实测结果
39、而提出的Terzaghi-Peck土压力模式。 按经典土压力理论计算 (1)地下水位以上土压力计算地下水位以上土层及地面超载作用于支护结构上的主动土压力标准值Paik可采用土层的抗剪强度指标按朗肯理论分层。 (2)地下水位以下水、土压力计算水土分算和水土合算。,2020/2/22,63/70,8.4.1.2 土压力计算,按Terzaghi-Peck模式计算 Terzaghi-Peck经验土压力模式在国外的应用比较普遍，国内一般用于黏性土基底标高以上带支撑（或锚固）的主动土压力计算，分布模式如图8.38所示。,2020/2/22,64/70,8.4.2 排桩支护结构设计,8.4.2.1 一般规定
40、 对于施工场地狭窄、地质条件较差、基坑较深、或需严格控制基坑开挖引起的地面变形时，应采用排桩式挡土结构进行支护。 排桩式挡土结构由围护结构及支撑系统组成，其选型应综合考虑基坑周边环境、现场地质条件、围护桩墙的使用目的、基坑规模和基坑安全等级等因素，结合土方开挖方法及降水、土体加固等辅助措施，通过方案比较确定。,2020/2/22,65/70,8.4.2.1 一般规定,排桩式围护结构的设计应包括以下内容： 入土深度的确定与校核； 根据支撑系统的布置及架、拆支撑顺序，进行围护结构的内力及变形计算； 围护结构的构件和节点设计； 当必须严格控制施工引起的地面变形时，分析和预估基坑开挖产生的墙体水平位移
41、、墙脚下沉、坑底土体隆起及降水等对墙背土层位移的影响，必要时应提出相应的技术措施； 当围护结构作为主体结构的一部分时，尚应计算在使用荷载作用下的内力及变形。,2020/2/22,66/70,8.4.2.2 悬臂式排桩支护结构设计,桩的受力范围设桩的间距为S，每根桩的受力范围就应也是S。所以，所有单位长度上的荷载或土压力都应该乘以S，才可求得每根桩所应担负的荷载和压力。 桩的最小入土深度可根据土压力分布模式和静力平衡条件公式来确定。 桩的设计长度考虑到一定的安全度。 悬臂桩的内力计算静力平衡法、弹性抗力法（如杆件有限元法）等。 桩配筋的计算按圆形截面配筋和按矩形截面配筋。,2020/2/22,6
42、7/70,8.4.2.3 排桩内支撑支护设计,内支撑结构设计内容 内支撑体系适用于由钢或钢筋混凝土材料组成的墙式围护结构和桩式围护结构。其设计应包括如下内容： 材料选择和结构体系的布置； 结构的内力和变形计算； 构件的强度和稳定验算； 构件的节点设计； 结构的安装和拆除设计。,2020/2/22,68/70,8.4.2.3 排桩内支撑支护设计,内支撑方式内支撑结构的常用形式有单层或多层平面支撑体系和竖向斜撑体系。 支撑材料支撑结构材料通常是钢和钢筋混凝土。 钢支撑自重轻、安装和拆卸方便、施工速度快，可以重复使用，可施加预应力，安装后就能立即发挥作用，对减少由于时间效应而引起的基坑位移是十分有效
43、的，而且破坏前有明显变形。但是对钢支撑的节点构造和安装要求相对较高，处理不当会引起基坑的过大位移。 钢筋混凝土支撑刚度大、整体性好，可以采取灵活的布置方式来适应不同形状的基坑，而且可避免因节点松动而引起的基坑位移，对施工方面的要求容易得到满足。但是混凝土支撑在现场需要制作和养护的时间较长，不能立即发挥支撑作用；无法施加预应力，拆除困难。,2020/2/22,69/70,8.4.2.3 排桩内支撑支护设计,支撑构件截面承载力计算及变形规定 （1）支撑构件的截面承载力计算 根据围护结构在各个施工阶段荷载作用效应的包络线图进行计算，其承载力表达式为：,2020/2/22,70/70,8.4.2.3 排桩内支撑支护设计,支撑构件截面承载力计算及变形规定 （2）支撑构件的变形应符合的规定 支撑构件的变形可根据构件刚度按结构力学的方法计算。 支撑在竖向平面内的挠度宜小于其计算跨度的1/6001/800。 腰梁、边桁架及主支撑构件的水平挠度宜小于其计算跨度的1/10001/1500。,
