第2章地下建筑結構荷載荷載的種類與組合荷載的確定方法土體壓力計算圍巖壓力計算2.1荷載種類和組合荷載的種類按作用時間的長短分類：恒載與活載按載荷的性質分類：靜載荷與動載荷按作用范圍分類：分布載荷與集中載荷最不利荷載組合靜載靜載+活載靜載+動載2.2荷載的確定方法依據規范當前在地下建筑結構設計中試行的規范、技術措施、條例等有多種。有的仍沿用地面建筑的設計規范，設計時應遵守各有關規范根據建筑用途、防護等級、地震等級等確定。地下建筑結構材料的選用地下襯砌結構一般為超靜定結構，其內力在彈性階段可按結構力學計算。考慮抗爆動載時，允許考慮由塑性變形引起的內力重分布截面計算原則安全系數 材料強度指標設計標準2.3土壓力的計算土壓力的類型垂直土壓力側向土壓力：靜止土壓力、主動土壓力與被動土壓力=H土壓力EEpE0Ea-H1~5%1~5%o垂直土壓力svshshzsv外土柱內土柱靜止土壓力E填土對于側限應力狀態經驗公式朗肯(Rankine)土壓力理論朗肯土壓力理論基本條件和假定條件墻背光滑墻背垂直填土表面水平假設墻后各點均處于極限平衡狀態PaK0vv45o+/290o－svshz半無限土體主動極限平衡狀態半無限土體內各點的應力從彈性平衡狀態發展為極限平衡狀態的條件主動土壓力填土為砂土的朗肯主動土壓力主動土壓力分布45＋/2Ea=1/2KagH2HH/3HKapa=tg2(45-f/2)gz

(kN/m2)主動土壓力系數

Ka=tg2(45-f/2)墻后破裂面形狀pa=Kagz填土為粘土的朗肯主動土壓力PaK0vv被動土壓力s1s345-f/21fv=zK0vPp半無限土體內各點的應力從彈性平衡狀態發展為極限平衡狀態的條件填土為砂土的朗肯被動土壓力pp=sh=tg2(45+

/2)gz

(kN/m2)Kp=tg2(45+

/2)直線分布總被動土壓力

Ep=1/2Kp

gH2

(kN/m)作用點：底部以上1/3H處滑裂面方向：與水平夾角45-

/2

被動土壓力分布HKpEp2c

KpH總土壓力vPp填土為粘土的朗肯被動土壓力平面滑裂面假設：滑裂面為平面剛體滑動假設：破壞土楔為剛體滑動楔體在兩個平面上處于極限平衡狀態主動極限平衡狀態被動極限平衡狀態庫侖(Coulomb)土壓力理論變化,取若干滑裂面,使E最大dE/d=0,求得，得：ABC11R1EW取一滑裂面，假設滑面上滿足極限平衡條件，通過力平衡求EW1E1R1C2C3C4C5砂土庫侖主動土壓力－庫侖主動土壓力系數EEaEa特例:===0，即墻背垂直光滑，填土面水平，與朗肯理論等價土壓力分布：三角形分布WABCREE庫侖RW求解方法類似主動土壓力,變化,

使E最小，dE/d=0,求得：砂土庫侖被動土壓力土壓力分布HEp－EpHKpH/3填土為砂土的庫侖被動土壓力分層土土壓力計算分層計算加權平均地面超載作用下土壓力計算均布荷載郎肯土壓力理論1=gz+qpa=3=qKa+gzKaHZ13qKaHKazKa按照庫侖土壓力理論lHWABCqREaWGREaEa’qKaHKa三角形相似局部荷載--朗肯土壓力理論q45o＋/245o＋/2qKaHKa集中荷載考慮地下水時水土壓力計算水土分算CBg

fg

fH2H1B不透水層墻基不透水gwH2水壓力(gH1+gH2)gH1土壓力KaKa水土合算u=0孔壓gsatH2gH1垂直有效應力=總應力Ka(gH1+gsatH2)KagH1土壓力H2H1透水地基2.4圍巖壓力的計算地下洞室開挖的力學作用與過程zγzp0γz未開挖狀態zσθ開挖后應力重分布圍巖發生變形襯砌結構承受圍巖壓力地下洞室圍巖的變形與分區ΔX松動圈塑性圈彈性圈原巖圍巖重分布應力計算彈性圍巖重分布應力柯西課題分析示意圖天然應力等于或小于其單軸抗壓強度的一半圍巖視為各向同性、連續、均質的線彈性體圓形洞室圍巖應力分析圓形洞室圍巖應力分析模型洞壁為單向應力狀態洞壁上應力差最大塑性圍巖重分布應力塑性圈圍巖應力重分布隨洞壁距離增大，徑向應力σr增大，洞壁逐漸轉化為雙向應力狀態，圍巖由塑性狀態逐漸轉化為彈性狀態塑性松動圈的出現，使圈內一定范圍內應力因釋放而明顯降低，而最大應力移至塑、彈圈交界處，使彈性區的應力明顯提高圍巖壓力計算圍巖壓力：地下洞室圍巖在重分布應力作用下產生過量的塑性變形或松動破壞，進而引起施加于支護襯砌上的壓力。P-圍巖向臨空區運動的合力P1-以變形形式轉化的力，即塑性變形能釋放所消耗的力P2-圍巖的自撐力P3-工程支護力，即圍巖壓力不允許圍巖變形圍巖無自承能力P允許圍巖變形圍巖無自承能力P-P1允許圍巖變形圍巖有自承能力P-P1-P2變形越大變形能釋放越多，圍巖變形所消耗的力P1越大變形越大圍巖越破碎，自承能力P2越小在最佳支護時間進行支護，可以減小對支護結構的圍巖壓力圍巖壓力隨變形而產生的變化最佳支護時間PP1P2P1+P2T最佳支護時段形變圍巖壓力松動圍巖壓力沖擊圍巖壓力圍巖壓力按形成機理分類形變圍巖壓力計算Pi-R1(圍巖壓力與塑性區范圍)關系曲線在圍巖不至失穩的情況下，適當擴大塑性區，有助于減小圍巖壓力塑性變形階段的圍巖也具有自承能力圍巖的塑性擠入、膨脹內鼓、彎折內鼓等形成對支護結構的擠壓力芬納-塔羅勃圍巖壓力公式圍巖壓力與洞壁變形關系曲線圍巖壓力隨洞壁位移增大而減小，說明適當的變形有利于降低圍巖壓力，減小襯砌厚度圍巖開始出現塑性變形時，圍巖壓力最大松動圍巖壓力計算-平衡拱理論平衡拱及受力分析圖平衡拱的曲線方程普氏系數洞室開挖后，如不及時支護，洞頂巖體將不斷跨落形成一個拱形,又稱塌落拱。如洞側壁穩定，拱高隨塌落不斷增高，若側壁不穩定，則拱跨和拱高同時增大。當洞的埋深較大（H>5b1），塌落拱不會無限發展，最終將在圍巖中形成一個自然平衡拱。圍巖壓力計算圖洞側壁不穩定時洞頂的松動圍巖壓力側壁圍巖壓力平衡拱理論適用散體結構巖體，洞室上覆巖體有一定厚度洞側壁穩定時洞頂的松動圍巖壓力側壁穩定時的圍巖壓力計算圖當z=H時，為作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力，用q表示為：分析薄層dz，由極限平衡條件可得：側壁穩定把受節理裂隙切割的巖體視為一種具有一定內聚力的散粒體。松動圍巖壓力計算-太沙基理論側壁不穩定側壁不穩定時圍巖壓力計算圖側壁圍巖沿α角的面滑移其中：太沙基理論適用于散體結構巖體中開挖的淺埋洞室塊體極限平衡理論楔形體平衡分析及圍巖壓力計算圖找出可能不穩定楔形體，進行穩定性校核。校核后，楔形體穩定，圍巖壓力為零，不穩定，再具體計算其圍巖壓力。洞頂圍巖壓力楔形體ABC的穩定條件若不穩定側壁圍巖壓力楔形體DEFH的穩定條件若不穩定按照設計規范確定支護荷載《鐵路隧道設計規范》TB10003-2001荷載組合為：結構自重+圍巖壓力計算單線深埋隧道襯砌時，圍巖壓力按松散壓力考慮松散體理論(1)淺埋與深埋隧道的界限荷載等效高度的確定圍巖級別寬度影響系數隧道最大開挖跨度(考慮超挖)表2-1公路隧道圍巖分級，摘自《公路隧道設計規范》深埋、淺埋與超淺埋界限判別礦山法施工IV-VI級圍巖分界深度礦山法施工I-III級圍巖分界深度超淺埋隧道的埋深淺埋隧道的埋深深埋隧道的埋深(2)超淺埋隧道（地道）圍巖壓力垂直均布荷載側向均布荷載隧道埋深隧道高度(3)淺埋隧道（地道）圍巖壓力EFHG的重力FDB、AEC的重力HG面垂直壓力由FDB的靜力平衡得：側壓力系數作用在支護結構上的均布荷載為：側壓力為：(4)深埋隧道（地道）圍巖壓力垂直均布壓力巖層水平側壓力粘（沙）土層水平側