1、第一讲第一讲地下建筑结构设计第一讲第一讲本课内容总论土层地下建筑岩石地下建筑地下建筑结构的概念、作用和形式地下建筑是修建在地层中的建筑物。它可以分为两大类：一类是修建在土层中的；一类是修建在岩层中的；广义上讲，任何结构物都是修建在相应的介质中的，本学科所要研究的所有问题其实都可以归为“结构与介质的相互作用问题”。地下建筑的优点地下建筑的优点有效的土地利用能源利用的节省和气候的控制安全噪声和震动的隔离便于维修管理地下建筑的缺点地下建筑的缺点获得眺望和自然采光的机会有限进人和往来的限制能源上的限制地下建筑与地面建筑结构的区别（1）计算理论、设计和施工方法（2）地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂
2、。（3）地下建筑结构埋置于地下，其周围的岩土体不仅作为荷载作用于地下建筑结构上，而且约束着结构的移动和变形。所以，在地下建筑结构设计中除了要计算因素多变的岩土体压力之外，还要考虑地下结构与周围岩土体的共同作用。这一点乃是地下建筑结构在计算理论上与地面建筑结构最主要的差别。第2章 地下建筑结构的荷载NoImage1.荷载种类和组合荷载种类和组合荷载组合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No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：（一）静载；Image（二）静载+活载；（
3、三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）2.2.荷载的确定方法荷载的确定方法.确定依据确定依据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No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Image。3.3.计算理论计算理论.计算原理计算原理地下结构的计算理论较多地应用尔假定为基础的局部变形理论以及以论为基础的共同变形理论。地层对结构的弹性抗力限制了结构的变形，故改善了结构的受力情况。ImageNo以文克弹性理荷载的计算荷载的计算地下建筑结构上所承受的荷载有结构自重、地层压力、弹性抗力、地下静水压力、车辆和设备重量及其他使用荷载等。其中地层压力（包括土压力和围
4、岩压力）是至关重要的荷载。第3章 弹性地基梁理论NoImage定义：定义：弹性地基梁，是指搁置在具有一定弹性地弹性地基梁，是指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基基上，各点与地基枕木、钢筋混凝土条形基础梁，等等。枕木、钢筋混凝土条形基础梁，等等。通过这种梁，将作用在它上面的荷载，分布到较大面积的地基上，既使承载能力较低的地基，能承受较大Image的荷载，又能使梁的变形减小，提高刚度降低内力。1.概述概述No紧密相贴紧密相贴的梁的梁。如铁路如铁路1.荷载种类和组合荷载种类和组合弹性地基梁与普通梁的区别：弹性地基梁与普通梁的区别：?1.超静定次数是无限还是有限，这是它们的一个主要区别。No?2.地
5、基的变形是考虑还是略去，这是它们的另一个主要区别。Image2.弹性地基梁的计算模型弹性地基梁的计算模型.计算模型分类：计算模型分类：No1.局部弹性地基模型2.半无限体弹性地基模型Image1.局部弹性地基模型1867年前后，温克尔（E.Winkler）对地基提出如下假设：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。即式中使地基产生单位沉陷所需的压强；这个假设实际上是把地基模拟为刚性支座上一系列独立的弹簧。当地基表面上某一点受压力局部产生沉陷型称作局部弹性地基模型。y?pk,y 为地基的沉陷，m No；k 为地基系数，kpa/m，其物理意义为：p为单位面积上的压力强度，Imagep
6、时，由于弹簧是彼此独立的，故只在该点y，而在其他地方不产生任何沉陷。因此，这种地基模弹性底座图3.1 局部弹性地基模型kpa。3.3.弹性地基梁的挠度曲线微弹性地基梁的挠度曲线微分方程式及其初参数解分方程式及其初参数解基本假设：基本假设：在弹性地基梁的计算理论中，除上述局部弹性地基模型假设外，还需作如下三个假设：（1）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；（2）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面相垂直；（3）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NoImage
7、1.弹性地基梁的挠度曲线微分方程式如果梁的挠度已知，则梁任意截面的转角，弯矩M，剪力Q可按材料力学中的公式来计算，即:dy?dx?2d y?d?EI2?M?EIdx?dx?d3ydM?EI3Q?dxdx?d4yd2M?EI4,由式?3.5?有,2dxdxd4yEI4?ky?q?x?dxNoImage?3.5?代入式?3.4?得?3.6?此即为弹性地基梁的挠曲微分方程式2.对应齐次微分方程的通解上面推导得弹性地基梁的挠曲微分方程式是一个四阶常系数线性非齐次微分方程，令式中q?o，即得对应齐次微分方程：?x?EId y4?ky?0（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
8、成。为寻找四个线性无关的特解，令dx4y?erx并代入上式有：4?KEI或No?4?KEI?cos?i?sin?r?4K?EI?COS?2kk?4?isi?n?2k?4?k?0,1,2,3?（3.8令4KKb（3.9EI?Image，若地基梁宽度为b，则有?4EI是与梁和地基的弹性性质相关的一个综合参数，反映了地基梁与地基?称为特征系数，?称为换算长度。）?由复数开方根公式得：的相对刚度，对地基梁的受力特性和变形有重要影响，通常把?弹性地基梁挠曲微分方程的通解y?y?o?1?o22?Q2?obk?2p4ibk?4?x?xp?2?2miq?bk?3?x?xm?bk?1?Noq?1?bkl?x?1
9、2?2?3?y2?Mo?4?o?1?obk?2?2Q2?obk?2?2?3?bkpi?3?x?xp?（?2?3mibk?2q?q?2?x?xm?bk?4?bkl?1?1?M?bky?o2?2?3?bk?o4?3?Q4?Mo?1?o2?p2?i2?2?x?xp?mi?q?q?i?x?x?m?2?2?3?4?3l?4?Q?bkyo2?2?2?bk?o2?2?Image3?Mo?4?Qo?1?pi?1?x?x?p?2mi?q?q?4?x?xm?2?2?4?3l?3?式（3.31）中，当x?xb，x?xm时，pi 、mi两项取值为零。3.31）第4章 地下建筑结构的计算方法NoImage1.概述概述经
10、验经验刚性理论刚性理论弹性理论弹性理论连续介质理论连续介质理论1.概述概述我国采用的设计方法似可分属以下四种设计模型：1.荷载结构模型1.概述概述将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体因岩作为荷载；结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。1.概述概述2.地层结构模型1.概述概述将支护结构与围岩视力一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩一结构模型或复合整体模型，在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点正好和上述模型相反。第5章 地下建筑结构的可靠度理论No
11、Image1.概述概述地下建筑结构由于其特殊性，在很大程度上存在着随机性、离散性和不确定性。因此需要一些特定的方法来对其进行可靠度分析。2.可靠度分析的基本原理可靠度分析的基本原理（二）结构的功能函数与极限状态函数一般倩况下：总可以将影响结构可靠性的因素归纳为两个综合量，即结构构件的荷载效应S和抗力R，定义的功能函数为：Z=g(R,S)=R-S2.可靠度分析的基本原理可靠度分析的基本原理实际工程结构的荷载效应和抗力均为随机变量，因此Z也是一个随机变量，总可能出现下列三种情况：zo 结构可靠zo 结构失效zo 结构处于极限状态2.可靠度分析的基本原理可靠度分析的基本原理由于影响荷载效应S和结构抗
12、力R都有很多更基本的随机变量(如截面几何特性、结构尺寸、材料性能等)，设这些随机变量为X1、X2、Xn，则结构功能函数的一般形式为Z=g(X1、X2、Xn)(5-2)2.可靠度分析的基本原理可靠度分析的基本原理5.2.2 地下建筑结构的可靠度地下建筑结构的可靠度是按照概率度量结构的可靠性。建筑结构可靠度设计统一标准将建筑结构可靠度定义为建筑结构在规定时间内、规定条件下，完成预定功能的能力。地下建筑结构的可靠度就可以定义为在规定时间内、规定条件下，完成预定功能的概率大小。建立功能方程：建立功能方程：Z=R-S可靠度可靠度指标指标已知分已知分布函数布函数?Z?ZLL未知分未知分布函数布函数中心点法
13、中心点法数理统数理统计法计法蒙特卡罗法蒙特卡罗法?R?S?22?R?RPf=PZz-z验算点法验算点法JC法第6章NoImage浅埋式结构1.概述概述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。定义：指其覆盖土层较薄，不满足压力拱成拱条件（H22.5h1）或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。结构受到的垂直土压力和水平土压力均随着深度增加而增加。1.概述概述一般浅埋式建筑工程，常采用明挖法施工，特殊环境下也可采用管幕法、管涵顶进法等暗挖法施工。浅埋式的结构形式可归纳为以下三种：直墙拱形结构、矩形框架和梁板式结构。2.矩形闭合框架的计算矩形闭合框架的计算6.2.
14、2 内力计算1.可将地基视作弹性半无限平面，作为弹性地基上的框架进行分析。2.简化，将弹性地基上的反力作为荷载作用在闭合框架底部，按照一般平面框架计算。2.可靠度分析的基本原理可靠度分析的基本原理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.第8章NoImage沉井与沉箱结构1.概述概述定义：这种利用结构自重作用而下沉入士的井筒状结构物就称“沉井”。所谓沉井，实质上就是将一个在地面筑成的“半成品”沉入土中，然后在地下完成整个结构物的施工。1.概述概述先在地表制作成一个井筒状的结构物（沉井），然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐
15、渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构与基坑法修建地下结构物的区别沉井在施工过程中，井壁成了阻挡水、士压力，防止土体坍塌的围护结构，从而省去大量的支撑和板柱工程，减少了土方开挖量。1.概述概述7.1.3沉井（沉箱）的结构特点：1.躯体结构刚性大，断面大，承载力高，抗渗能力强，耐久性好，内部空间可有效利用；2.施工场地占地面积小，可靠性良好；3.适用土质范围广；4.施工深度大；5.施工时周围土体变形较小，对邻近建筑物的影响小；6.具有良好的抗震性能。2.沉井结构沉井结构8.2.3 沉井的结构计算沉井的结构计算沉井结构在施工阶段必须具有足够的强度和刚度，以保证沉井能稳定、可靠地下沉到
16、拟定的设计标高。待沉到设计标高，全部结构浇筑完毕并正式交付使用后，结构的传力体系、荷载和受力状态均与沉井在施工下沉阶段很不相同。因此，应保证沉井结构在这两阶段中应保证沉井结构在这两阶段中均有足够的安全度均有足够的安全度。第9章NoImage地下连续墙结构1.概述概述定义：集承重、挡土和防渗于一身的所谓“三合一”地下连续墙。地下连续墙施工方法（又称槽壁法），是近30年来在基础工程和地下工程中正在发展和广泛应用的一项新技术。1.概述概述地下连续墙的施工方法：在地面上用挖槽设备，沿着深开挖工程的周边，依靠泥浆护壁的支护，开挖一定槽段长度的沟槽；再将钢筋笼放入沟槽内。采用导管在充满稳定液的沟槽中进行混
17、凝士现场浇筑。相互邻接的槽段，由特别接头（施工接头）进行连接。这样就成为长的地下墙。逆作法施工?深地下室的常规施工是通过临时支护基坑坑壁，开挖至预定深度后，浇底板并由下而上施工各层地下室结构，待地下室完工后，再逐层进行地上结构的施工。?逆作法施工工艺是先沿建筑物外围施工地下连续墙，作为地下室的边墙或基坑的围护结构。2.地下连续墙挡土墙设计地下连续墙挡土墙设计地下连续墙的设计计算主要包括以下几个方面：确定荷载，包括土、水压力等确定入土深度槽壁稳定验算；地下连续墙静力计算；配筋计算，构件强度验算，裂缝开展验算，垂直接头计算。第10章盾构法隧道结构盾构法隧道结构NoImage盾构隧道简介盾构隧道简介
18、?盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。?头部可以安全地开挖地层,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。?盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。适用条件?在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，2.衬砌圆环内力计算衬砌圆环内力计算结构计算方法的选择目前装配式圆形隧道衬砌结构的计算方法大都把衬砌环看作一按自由变形的匀质（等刚度）圆环计算，而接缝上的刚度不足往往采用衬砌
19、环的错缝拼装予以弥补。这种加强接缝刚度的处理和匀质（等刚度）圆环计算方法在饱和含水地层中的隧道衬砌计算用得较为普遍。2.衬砌圆环内力计算衬砌圆环内力计算（一）基本使用阶段（衬砌环宽按lm考虑）荷载简图见图10-9第11章NoImage沉管结构沉管结构1.概述概述定义：在水底预先挖好沟槽，把在路上其它地方预制的适当长度的管体，浮运到沉放现场，顺序地沉放到沟槽中，并回填覆盖而形成的结构。二十世纪50年代解决了两项关键技术水力压接法和基础处理，沉管法已经成为水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷兰。我国现有6条沉管法隧道：上海金山供水隧道，另外5条在宁波（宁波甬江水底隧道）、广州（广州珠江水底隧道）、香
20、港（香港西区沉管隧道、香港东区沉管隧道）和台湾。1.概述概述沉管施工法沉管施工法2.沉管结构的设计沉管结构的设计沉管的浮力设计：包括：干舷的选定和抗浮安全系数的验算。?1）干舷）干舷?管段在浮运时，为了保持稳定，必须使管顶面露出水面，其露出高度称为干舷。具有一定干舷的管段，与风浪后产生反向力矩，保持平衡。?干舷的高度应适中，过小则稳定性差，过大时?浮力设计时，按照最大混凝土容重、沉设困难。?最大混凝土体积和最小河水的比重第12章NoImage基坑围护结构基坑围护结构1.概述概述1、基坑支护的目的（1）确保基坑开挖和基础结构施工安全、顺利；（2）确保基坑临近建筑物或地下管道正常使用；（3）防止地
21、面出现塌陷、坑底管涌发生。2、基坑支护的作用挡土、挡水、控制边坡变形。3、基坑工程的基本技术要求（1）安全可靠性；（2）经济合理性；（3）施工便利性和工期保证性。1.概述概述?基坑围护结构通常分两类：桩墙式围护体系将支护墙（排桩）作为主要受力构件；?桩墙式围护体系包括板桩墙、排桩、地下连续墙等。重力式围护体系充分利用围护结构的重力。如重力式水泥土挡墙。1.概述概述?12.1.2 基坑围护结构设计的特点1.外力的不确定性；2.变形的不确定性；3.土性的不确定性；4.一些偶然变化所引起的不确定因素。2.基坑工程的设计内容基坑工程的设计内容?基坑工程的设计内容基坑工程的设计内容?包括包括：环境调查及
22、基坑安全等级的确定，围护结构选型，围护结构设计计算，节点设计，井点降水、土方开挖方案以及监测要求等。2.基坑工程的设计内容基坑工程的设计内容围护结构设计计算围护结构设计计算?通过设计计算确定围护结构构件的内力通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形，据以验算截面承载力和基坑位和变形，据以验算截面承载力和基坑位移。移。?设计计算必须按不同施工阶段的特征分设计计算必须按不同施工阶段的特征分别进行验算，同时应考虑前一种工况对别进行验算，同时应考虑前一种工况对后面各种工况内力和变形的影响。后面各种工况内力和变形的影响。2.基坑工程的设计内容基坑工程的设计内容?围护结构稳定性验算围护结构稳定性验算?基坑
23、边坡总体稳定演算；基坑边坡总体稳定演算；?围护墙体抗倾覆稳定验算；围护墙体抗倾覆稳定验算；?围护墙底面抗滑移验算；围护墙底面抗滑移验算；?基坑围护墙前抗隆起稳定验算；基坑围护墙前抗隆起稳定验算；?抗竖向渗流验算；抗竖向渗流验算；?基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。均与围护墙的插入土深度有关。均与围护墙的插入土深度有关。3 基坑围护结构的内力计算基坑围护结构的内力计算4 基坑稳定性验算基坑稳定性验算锚 拉 系 统 破 坏底 部 内 移板 桩 弯曲整 体 滑 动管 涌、隆 起第13章NoImage顶管、管幕及箱涵结构顶管、管幕及箱涵结构1.1.顶管结构顶管结构
24、定义：采用一定的顶进技术，将管子顶入土中的一种修建隧道和地下管道的施工方法。?顶管法是非开挖技术的一种典型方法。?顶管法与盾构法都是修建地下管道和隧道的重要方法。?采用液压千斤顶或具有顶进、牵引功能的设备，以顶管工作井作承压壁，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至达到目的地.1.1.顶管结构顶管结构顶管法施工示意图1.1.顶管结构顶管结构顶管顶力估算?克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻力：P?kN f?(N?N)f?2Ef?RA 111223?N1管顶以上的荷载；N2全部管道自重；E顶管两侧的土压力；R土对钢刃脚正面的单位面积阻力k系数，一般采用1.2。第14章NoImage整
25、体式隧道结构整体式隧道结构1.1.概述概述隧道的结构形式可根据地层的类别、使用功能和施工技术水平等进行选择。按照结构形式的不同，可分为半衬砌结构、厚拱薄壁衬砌结构、直墙拱形衬砌结构、曲墙结构和连拱隧道等形式。衬砌的基本受力图式2.2.半衬砌结构半衬砌结构计算简图该力学模型为弹性固定无铰拱三次超静定结构。3.3.直墙拱结构直墙拱结构计算简图计算简图3.3.直墙拱结构直墙拱结构直墙式衬砌计算计算原理1.拱顶的计算方法与半衬砌即结构相同（考虑拱顶受到的弹性抗力）；2.边墙按照弹性地基梁计算（按类型分为长梁、短梁和刚性梁分别计算）。第15章NoImage喷锚支护喷锚支护1.概述概述定义：锚喷支护(Sh
26、otcreat and Bolting)是采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。1.局部作用原理局部作用原理目前,锚喷支护的常用设计方法是按悬吊原理计算.Gsin?Q?sin?Gsin?N?sin?2.整体作用原理整体作用原理新奥法简介新奥法简介它的它的要点要点就是：尽可能不扰动周边围岩，开挖就是：尽可能不扰动周边围岩，开挖之后及时进行一次支护，防止围岩的进一步松之后及时进行一次支护，防止围岩的进一步松动，然后视需要进行二次支护。所有的支护都动，然后视需要进行二次支护。所有的支护都是相当柔性的，能适应围岩的变形，在施工过
27、是相当柔性的，能适应围岩的变形，在施工过程中密切监测围岩的变形、应力等情况，以便程中密切监测围岩的变形、应力等情况，以便及时调整支护措施，控制变形。及时调整支护措施，控制变形。新奥法目前在设计埋论上还不很成熟，一般是新奥法目前在设计埋论上还不很成熟，一般是先采用经验统计类比的方法（先采用经验统计类比的方法（工程类比法工程类比法）做）做预设计，再在施工过程中不新监测围岩的应力、预设计，再在施工过程中不新监测围岩的应力、应变状况，按其发展规律来修改设计、调整支应变状况，按其发展规律来修改设计、调整支护措施。护措施。NoImage?NoImage第16章NoImage特殊结构特殊结构1.概述概述定义：特殊结构是指穹顶直墙结构、洞门、岔洞、竖井和斜井。它们也是地下建筑结构的重要结构形式。目前对特殊结构的设计主要采用工程类比法。3.洞门洞门隧道洞口范围3.洞门洞门计算原理：采用挡墙式洞门时，洞门墙可视作挡土墙，按极限状态验算其强度，并应验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。验算时应符合（公路路基设计规范 、公路砖石及混凝土桥涵设计规范 、公路桥涵地基与基础设计规范 的有关规定。
