1、地下建筑结构复习地下建筑结构复习第一章 绪论1.1简述地下建筑结构的概念及形式:地下建筑结构即埋置于地层内部的结构。包括衬砌结构和内部结构两部分。要考虑地下结构与周围岩土体的共同作用。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。根据地质情况差异可分为土层和岩层内的两种形式。土层地下建筑结构分为浅埋式结构附建式结构沉井(沉箱)结构地下连续墙结构盾构结构沉管结构其他如顶管和箱涵结构。岩石地下建筑结构形式主要包括直墙拱形、圆形、曲墙拱形，还有如喷锚结构、穹顶结构、复合结构。1.2简述地下建筑结构设计程序及内容:设计工作一般分为初步设计和技术设计两个阶段;初步设计主要内容:工程等级
2、和要求,以及静、动荷载标准的确定确定埋置深度和施工方法初步设计荷载值选择建筑材料选定结构形式和布置估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸绘制初步设计结构图估算工于地下，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。第二章 地下建筑结构的荷载2.1地下建筑荷载分哪几类:按其存在的状态,可以分为静荷载（结构自重，岩土体压力）、动荷载（地震波，爆炸产生冲击）和活荷载（人群物件和设备重量,吊车荷载）三大类2.2简述地下建筑荷载的计算原则:需进行最不利情况的组合,先进性个别荷载单独作用下的结构各部件截面内力,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。2.
3、3土压力可分为几种形式？其大小关系如何:土压力分为静止土压力E0、主动土压力力Ea、被动土压力Ep,则EpE0Ea2.4静止土压力是如何确定的:在挡土结构在土压力作用下，结构不发生变形和任何位移,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。静止土压力可根据半无限弹性体的应力状态求解。2.5库仑理论的基本假设是什么？并给出其一般土压力计算公式:基本假设:挡土墙墙后土体为均质各向同性的无黏性土挡土墙是刚性的且长度很长,属于平面应变问题挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时,土体形成滑动碶体,滑裂面为通过墙踵的平面墙顶处土体表面可以是水平的也可以是倾斜面,倾斜面与水平面的
4、夹角为角在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件。P=h2K/22.6应用库仑理论如何确定黏性土中的土压力大小:库仑土压力理论是根据无黏性土的情况导出,没有考虑黏性土的黏聚力,因此,当挡土结构处于黏性土层时,应该考虑黏聚力的有利影响。在工程实践中可采用换算的等效内摩擦角来进行计算或在库仑理论基础上,考虑土的黏聚力作用可适用填土表面为一倾斜平面,其上作用有均布超载的一般情况。2.7简述朗肯土压力理论的基本假设:基本假定:挡土墙背竖直,墙面光滑,不计墙面与土层之间的摩擦力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,即为半无限空间挡土墙后填土处于极限平衡状态2.8如何计算分
5、层土的土压力:采用凑合的方法,按转换成相应的当量土层,分两种情况按第i层土的物理力学指标计算第i层的土压力按第1i层土的加权平均指标进行计算2.9考虑地下水时的水平压力如何计算的:水压力分算和水压力合算,对砂性土和粉土,可按水土分算原则进行,对黏性土可根据现场情况和工程经验,按水土分算或合算进行。水土分算是采用浮重度计算土压力,按静水压力计算水压力,然后两者相加即为总的侧压力。水土合算是采用土的饱和重度计算总的水、土压力。稳态渗流时水压力的计算2.10简述围岩压力的概念及影响因素:围岩压力就是指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。分为围岩垂直压力、围岩水平压力、
6、围岩底部压力。影响围岩压力的因素很多,主要与岩体的结构、岩石的强度、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、洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。其中岩体稳定性的关键之一在于岩体结构面的类型和特征。2.11简述围岩压力计算的两种理论方法？二者有何区别:两种理论分别为按松散体理论计算围岩压力,当地下结构上覆岩层较薄时。通常认为覆盖层全部岩体重量作用于地下结构。这时地下结构所受的围岩压力就是覆盖层岩石柱的重量。深埋结构是指地下结构的埋深大到这样一种程度,以致两侧摩擦阻力远远超过了滑移柱的重量,深埋结构的围岩压力是研究地下洞室上方一个局部范围内的压力现象部分岩体的稳定性,这部分岩体
7、称为岩石拱,只有以下岩体重量对结构产生压力,称此为压力拱,为二次抛物曲线。水平围岩压力只对较松软的岩层才考虑。由于围岩隆起而对衬砌底板产生的作用力叫底部围岩压力按弹塑性体理论计算围岩压力2.12简述弹性抗力的基本概念？其值大小与哪些因素有关:地下建筑结构除承受主动荷载作用外（如围岩压力、结构自重等）,还承受一种被动荷载,即地层的弹性抗力。岩土体将制止结构的变形,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。弹性抗力大小和分布规律不仅决定于结构的变形,还与地层的物理力学性质有着密切的关系。2.13如何确定弹性抗力:目前有两种理论,一种是局部变形理论,认为弹性地基某点上施加的外力只会
8、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2.14简述温克尔假定:假设认为地层的弹性抗力与结构变位成正比。2.15如何考虑初始地应力、释放荷载和开挖效应:初始地应力的确定对岩石地层,可分为自重地应力和狗找地应力两部分,而土层一般仅有自重地应力。围岩与支护间形变压力的传递，是一个随时间的推进而逐渐发展的过程。这类现象称时间效应。有限元分析中,形变压力常在计算过程中同时确定,而作为开挖效应的模拟,直接施加的荷载是在开挖边界上施加的释放荷载。释放荷载可有已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。2.16分析新奥法和锚
9、喷支护的联系和区别:新奥法和锚喷支护两者都可以增加围岩的稳定性,在地下工程中应用广泛。新奥法是应用岩体力学理论,以维护和利用围岩的自承能力为基点,采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时的进行支护,控制围岩的变形和松弛,使围岩成为支护体系的组成部分,并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。喷锚支护是指借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用(根据地质情况也可分别单独采用)加固岩层,分为临时性支护结构和永久性支护结构。喷混凝土可以作为洞室围岩的初期支护,也可以作为永久性支护。喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同作用的体系,防止岩体松动、分离。
10、2.17何如区分深浅埋:深浅埋隧道分界深度为22.5倍的塌方平均高度值；以隧道顶部覆盖层能否形成自然拱为原则第三章 弹性地基梁理论3.1简述弹性地基梁两种计算模型的区别:第一种模型是局部弹性地基模型,是建立在温克尔假定前提下,把地基模拟为刚性支座上一系列独立的弹簧,没有反映地基的变形连续性,特别对于密实厚土层地基和整体岩石地基,将会引起较大误差,如果地基上部为较薄的土层,下部为坚硬岩石,结果比较满意。第二种模型是半无限体弹性地基模型,提出另一种假设:把地基看作一个均质、连续、弹性的半无限体，可把弹性力学结论做为计算基础。其中弹性假设没有反映土壤的非弹性性质,均质假设没有反映土壤的不均匀性,半无
11、限体假设没有反映地基的分层特点。3.2简述弹性地基梁与普通梁的区别: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,也就是说弹性地基梁具有无穷多个支点和无穷多个未知反力。无穷多次超静定普通梁的支座通常看作是刚性支座,即略去地基的变形,只考虑梁的变形,而弹性地基梁必须同时考虑地基的变形。实际上梁与地基是共同变形的。3.3简述弹性特征系数的含义及其确定公式: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，通常把称为特性系数,称为
12、换算长度。计算公式4KEI或4KbEIa=3.4何为弹性地基短梁、长梁及刚性梁？有什么区别:当弹性地基梁的换算长度12.75时,属于短梁,它是弹性地基梁的一般情况。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,若荷载作用点距梁两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,这类梁称为无限长梁,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,这类梁称为半无限长梁，无限长梁可化为两上半无限长梁。当换算长度1时,属于刚性梁,可认为梁是绝对刚性的。划分标准主要依据梁的实际长度与梁和地基的相对刚度之乘积。3.5弹性地基梁
13、:指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁。第四章 地下建筑结构的计算方法4.1简述地下建筑结构计算理论的发展过程:地下建筑计算理论建立了典型的假定抗力方法、弹性地基梁的力法、角变位移法及不平衡力矩与侧力传播法等4.2简述地下建筑结构计算方法的类型及含义:以参照以往隧道工程的实践经验进行工程类比为主的经验设计法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元法。我国采用的计算方法主要有荷载结构模型,地层
14、结构模型,经验类比法,收敛限制模型（或称特征线法,计算理论也是地层结构法）4.3试述荷载结构法、地层结构法的基本含义和主要区别:荷载结构模型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)衬砌在荷载作用下产生内力和变形,与其相应的计算方法称为荷载结构,(弹性连续框架(含拱形)法、假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等可归于荷载结构法）.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作用。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
15、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。相对于荷载结构,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,(见的关于圆形衬砌的弹性解、粘弹性解和弹塑性解等都归属于地层结构法）.设计原理是将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系,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,据以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。4.4简述荷载结构法和地层结构法的计算过程:荷载结构法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
16、计算方法计算衬砌的内力,并进行结构截面设计。地层结构法,计算包括初始地应力,本构模型,单元模式,施工模拟几部分第五章 地下建筑结构可靠度理论5.1简述地下建筑结构不确定性因素及其特点:地下建筑结构的不确定因素及其特点一般来说,地下建筑结构中不确定性因素主要体现在其周围的地层介质特性、结构力学计算模型的假设、施工因素以及环境因素等地层介质特性参数的不确定性岩土体分类的不确定性分析模型的不确定性荷载与抗力的不确定性地下结构施工中的不确定性因素自然条件的不确定性5.2简述地下建筑结构可靠性分析的特点:在进行地下建筑结构工程可靠性分析时,应考虑以下几个方面:周围岩土体介质特性的变异性地下建筑结构规模和
17、尺寸的影响极限状态及失效模式的含义不同极限状态方程呈非线性特征土性指标的相关性概率与数理统计的理论与方法的应用5.3地下建筑结构的可靠度指标如何确定的:地下建筑的可靠度就是在规定的时间内,规定的条件下,完成预定功能的概率大小，叫可靠度指标。具体可靠度尺度有三种:可靠概率sp、失效概率fp、可靠度指标。由于直接应用数值积分方法计算地下结构的失效概率比较困难,因此实际中多采用近似方法,为此引入结构可靠指标概念。22zzRSRS,当结构失效概率小于等于310时，结构的失效概率对功能函数Z的概率分布不再敏感。5.4结构可靠度分析方法有哪几种？各有什么特点和不同:半经验半概率法近似概率设计法全概率法广义
18、可靠性分析近似方法有中心点法,演算点法,JC法,随机变量相关时的可靠度的分析方法以及蒙特卡罗模拟；中心点法将非线性功能函数在随机变量的平均值（也称为中心点）处作泰勒级数展开并保留至一次项，然后近似计算功能函数的平均值和标准差，再根据可靠指标的概念直接用功能函数的平均值（一阶矩）和标准差（二阶矩）进行计算；验算点法是在利用Taylor级数对功能函数进行展开时，把设计运算点取为线性化点JC法是适用于随机变量在任意分布下结构可靠度指标的计算第六章 浅埋式结构6.1试列举几种工程中常见的浅埋式结构形式并简述其特点:大体可归纳为三种直墙拱形结构(在小型的地下通道以及早期的人防工程中比较普遍,拱形结构主要
19、承受压力,弯矩和剪力都较小,主要使用砖石和混凝土等抗压性能较好抗拉性能较差的材料,有半圆拱、割圆拱、抛物线拱等多种形式)矩形框架(具有空间利用率高,挖掘断面经济,易于施工的优点,顶底板为水平构建承受弯矩较拱形结构大,故一般做成钢筋混凝土结构,可以是单跨双跨或多跨的)梁板结构(顶、底板做成现浇钢筋混凝土梁板式结构，而围墙和隔墙则为砖墙,如地下医院、教室、指挥所等),或是上述形式的组合。6.2简述浅埋式矩形框架结构的计算原理，如何确定其计算简图:结构计算包括三方面:荷载计算、内力计算、截面设计。在静荷载作用下地层中的闭合框架一般按弹性地基上的框架进行计算,弹性地基可按温克尔地基考虑,也可将地基视作
20、弹性半无限平面。在特殊荷载与其他荷载共同下,按弯矩及轴力对构件进行强度验算时,要考虑材料在动载作用下的强度提高，而按剪力和扭力对构件进行强度验算时,则材料的强度不提高。6.3浅埋式结构的地层荷载如何考虑:因为是浅埋式结构,所以计算覆土压力时,只要将结构范围内顶板以上各层土壤包括路面材料的重量之和求出来,然后除以顶板的承压面积即可,如果土壤位于地下水中,则它的容重要采用浮容重。6.4浅埋式结构节点设计弯矩与计算弯矩有何区别？如何计算节点的设计弯矩:根据计算简图求解超静定结构时,直接求得是节点处的内力,然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。节点弯矩(计算弯矩)虽然比附近截面的弯矩打,但其对
21、应的截面高度是侧墙的高度,所以实际不利的截面则是侧墙边缘处的截面,对应的截面弯矩称为设计弯矩。6.5浅埋式结构的适用场合:常用于覆盖土层较薄，不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区第七章 沉井和沉管结构7.1沉井和沉箱结构的特点：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施工场地占地面积较小,可靠性良好适用土质范围广(淤泥土、砂土、黏土、沙砾等土层均可施工)施工深度大施工时周围土体变形较小,因此对邻近建筑（构筑）物的影响小,适合近接施工,尤其是压气沉箱工法对周围地层沉降造成的影响极小具有良好的抗震性
22、能。7.2沉井结构:沉井是一个上无盖下无底的井筒状结构物,利用结构自重作用而下沉入土,即在地面筑成的“半成品”沉入土中,在地下完成结构物施工。7.3沉管隧道的特点:对地质水文条件适应性强,施工方法简单施工工期短,对航运干扰最小，施工质量容易保证工程造价较低有利于多车道和大断面布置接头少、密实度高、隧道防渗效果好具有很强的抵抗战争破坏和抗自然灾害的能力。7.4试述沉井的构造及各部位的作用:井壁:承受在下沉过程中各种最不利荷载组合(水土压力)所产生的内力。同时有足够的重量,使沉井能在自重作用下顺利下沉到设计标高刃脚:主要功用是减少下沉阻力内隔墙:增加沉井在下沉过程中的刚度并减小井壁跨径封底及顶盖:
23、防止地下水渗入井内有集水井内底梁和框架:在比较大型的沉井中,如由于使用要求,不能设置内隔墙,则可在沉井底部增设底梁,并构成框架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度。7.5说明沉管施工的步骤:先在隧址以外建造临时干坞,在干坞内制作钢筋混凝土的隧道管段（道路隧道用的管段每节长60140m,两端用临时封墙封闭。向临时干坞内灌水,使管段逐节浮出水面,并用拖轮拖运到指定位置。于设计隧位处预先挖好一个水底沟槽。待管段定位就绪后,向管段里灌水压载,使之下沉。沉设完毕的管段在水下联接起来。进行基础处理，经覆土回填后,便筑成了隧道。第八章 地下连续墙8.1地下连续墙：利用挖槽机械,借助于泥浆的护壁作用,
24、在地下挖出窄而深的沟槽,并在其内浇注混凝土而形成一道具有防渗(水)、挡土和承重功能的连续的地下墙体。8.2地下连续墙的优缺点:优点施工时对环境影响小.没有噪音,无振动,不必放坡,可紧邻相近的建筑和地下设施施工墙体刚度大,整体性好,结构和地基变形都较小,即可用于超深围护结构,也可用作主体结构连续墙为整体连续结构,耐久性和抗渗性好可实行逆作法施工,有利于施工安全,加快施工进度适用于多种地质条件。缺点弃土和废泥浆处理。除增加工程费用外,若处理不当,还会造成新的环境污染地质条件和施工的适应性问题槽壁坍塌问题现浇地下连续墙的墙面通常较粗糙,如果对墙面要求较高,虽可使用喷浆或喷砂等方法进行表面处理或另作衬
25、壁来改善,但增加工作量地下连续墙如用作施工期间的临时挡土结构,不如采用钢板桩尚可拔出重复使用来得经济。8.3地下连续墙的适用条件:基坑深度大于10m软土地基或砂土地基在密集的建筑群或重要的地下管线条件下施工，对基坑工程周围地面沉降和位移值有严格限制的地下工程围护结构与主体结构相结合,对抗渗有严格要求时采用逆作法施工,内衬与护壁形成复合结构的工程。第九章 盾构法9.1盾构法：在盾构保护下修筑软土隧道的一类施工方法。这类方法的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等作业都在盾构保护下进行,并需随时排除地下水和控制地面沉降,因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。9.2
26、盾构法施工的优缺点及适用范围:优点具有良好的隐蔽性,噪声、震动等引起的公害小,施工费用不受埋置深度而影响机械化及自动化程度高,劳动强度低隧道穿越河底、海底及地面建筑群时下部时,可完全不影响航道通行和地面建筑的正常使用适宜在不同颗粒条件下的土层中施工多车道的隧道可做到分期施工,分期运营,可减少一次性投资。缺点不能完全防止盾构施工区域内的地表变形当工程对象规模较小时(小于400m),工程造价相对较高盾构一次掘进的长度有限当隧道覆土小于0.5Ds(Ds为盾构外径)时,盾构开挖面土体稳定较困难;适用于各类软土地层和软岩、硬岩地层的隧道掘进,尤其适用于城市地下隧道工程包括:水底公路隧道、地铁区间隧道、排
27、水污水隧道、引水隧道、公用管线隧道。9.3什么是盾构法施工:是一种较为先进的顶涵施工方法,是在保留传统顶涵施工,桥涵结构路侧预制工艺的基础上,对结构顶进支护方法进行了重大改革,将明挖开槽改为地下暗挖盾构支护,暗挖推进减低了施工对行车的影响。盾构由钢柱、钢梁、盾壳、子盾构、液压推进系统、辅助机构六大部分组成。装配在第一节框架桥前端的盾构,作为带土顶进时掘进面与路基的施工支护，同时也担负顶推导向。9.4整体式隧道衬砌结构有哪几种形式，各适用于什么条件:半衬砌结构(在坚硬岩层中，若侧壁无坍塌危险,仅顶部岩石可能有局部滑藩时,可仅施作顶部衬砌,不作边墙,喷一层不小于2cm厚的水泥砂浆护面,即为半衬砌结
28、构)厚拱薄墙衬砌结构(适宜用在水平压力较小,且稳定性较差的围岩中。对于稳定或基本稳定围岩中的大跨度、高边墙洞室,如采用喷锚结构施工装备条件存在困难,或喷锚结构防水达不到要求时,也可考虑使用。)直墙拱形衬砌结构(在一般或较差岩层的隧道结构,通常是拱顶与边墙浇筑在一起,形成一个整体结构,即直墙拱形衬砌结构,这是一种被广泛应用的隧道结构形式,如铁路隧道等)曲墙结构(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、曲线形侧墙和仰拱形底板组成，形成所谓的曲墙衬砌结构)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,支护的作用首先是加固和稳定用围岩,使围岩的自支承能力可充分发挥,从而可允
29、许围岩发生一定的变形和由此减薄支护结构的厚度)连拱隧道结构(对于长度不是特别长的公路隧道(100500m)尤其是处于地质、地形条件复杂及征地受严格限制地区的中小隧道,常采用连拱隧道的形式)2衬砌:沿洞室周边修建的永久性支护结构；3附建式地下结构:根据一定的防护要求修建的附属于较坚固的建筑物的地下室,又称“防空地下室”或“附建式人防工事”；4沉井和沉箱:不同断面形状(如圆形,矩形,多边形等)的井筒或箱体,按边排土边下沉的方式使其沉入地下,即沉井和沉箱；5喷锚支护:由喷混凝土、锚杆、钢筋网组成的喷锚联合支护或喷锚网联合支护。6浅埋式结构和深埋式结构最根本的区别:是否满足压力拱成拱条件；7浅埋式建筑工程常采用明挖法施工；8支托框架结构中支托的作用是防止应力集中；9变形缝的构造方式主要有：嵌缝式、贴附式、埋入式；10附建式地下结构的形式有：梁板结构、板柱结构、箱型结构和其他结构；11地下连续墙接头分为：施工接头、结构接头12封顶块拼装形式有：径向楔入、纵向插入；13圆环管片的拼装形式有：通缝、错缝；14管片接头的两种类别:纵向接头(沿接头面平行于纵轴)、环向接头（接头面垂直于纵轴）；15沉管基础处理的方法:先铺法,后填法16基坑围护结构可分为桩(墙)式和重力式两类；16管片类型分为标准块、邻接块和封顶块三类。
