地下结构工程综述

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1、1绪论1.1地下建筑结构的概述地下建筑是修建在地层介质中的建筑物。分为：岩石（硬土）地下建筑，土层（软土）地下建筑水中地下建筑。1.2地下建筑结构的作用(1)承重：即承受岩土体压力、结构自重以及其它荷载的作用；(2)围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。1.3地下建筑与地面建筑结构的区别（1）地下结构与周围岩土体的共同作用；（2）地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂；（3）计算理论、设计和施工方法。1.4地下工程分类(1)浅埋式结构：平面成方形或长方形，当顶板做成平顶时，常用梁板式结构或矩形框架结构；顶部也可做成拱形；以改善受力(2

2、)附建式结构：是房屋下面的地下室结构布置受上部房屋限制，有承重的外墙、内墙、内柱和梁板式顶底板结构；(3)沉井结构：开口的井筒结构，水平一般做成方形，也有圆形，沉毕后再做底顶板；(4)地下连续墙结构：先建造两条连续墙，然后在中间挖土；(5)盾构结构：常采用装配式圆形衬砌，也有做成方形和半圆形的；(6)沉管结构：一般做成箱形结构，两端加以临时封墙；(7)桥梁基础结构：桩基础和沉井基础；(8)其它结构：除上述地下结构之外，还包括顶管结构和箱涵结构等。1.5地下工程结构设计的程序和内容1.5.1初步设计的内容（1）工程等级和要求，以及静、动荷载标

3、准的确定；（2）确定埋置深度与施工方法；（3）初定荷载值；（4）选择建筑材料；（5）选定结构型式和布置；（6）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸；（7）绘制初步设计结构图；（8）估算工程材料数量及财务概算。1.5.2详细（施工图）设计的主要内容（1）计算荷载:按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作用在结构上的各种荷载值；（2）计算简图：根据实际结构和计算工具情况，拟出恰当的计算图式；（3）内力分析：选择结构内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力；（4）内力组合：在各种荷载内力分别计算的基础上，对最不利

4、的可能情况进行荷载组合和内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值；（5）截面设计：配筋计算或截面；（6）绘制结构施工详图；（7）工程数量和工程预算。1.6隧道及地下工程面临的挑战（1）地下建筑结构的特点；（2）荷载的不确定性:水、土压力，岩体压力，地下结构与围岩的共同作用问题等；（3）计算方法的不成熟:经验类比法、荷载结构法、计算机数值分析法、动态施工反馈分析法；（4）正确的设计思想:理论计算导向、监测数据定量、经验总结判断。2衬砌结构荷载2.1荷载种类荷载可分为：永久荷载、可变荷载、偶然荷载。2.2荷载组合各种荷载对结构可能不是同时作用，

5、需进行最不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下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：（1）静载（2）静载+活载（3）静载+动载2.3土压力土压力通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力，可划分为：静止土压力、主动土压力、被动土压力。2.4静止土压力的计算2.5库伦土压力理论2.5.1库伦理论的基本假定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，土体形成滑动楔体

6、，滑裂面为通过墙踵的平面；④墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面的夹角为角；⑤在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件。2.5.2库伦土压力计算2.6郎肯土压力2.7围岩压力的计算方法2.7.1按弹塑性体理论计算围岩压力2.7.2按围岩分级和经验公式确定围岩压力2.8结构自重及其它荷载将衬砌结构自重简化为垂直均布荷载2.9其他荷载地下建筑结构除了岩土层压力、结构自重和弹性抗力等荷载外，还可能遇到其他形式的荷载，如灌浆压力、混凝土收缩应力、地下静水压力、温差应力及地震荷载等，这些荷载的计算可参阅有关文献。3弹性地基

7、中结构物的计算3.1弹性地基梁的概述弹性地基梁指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁。如铁路枕木、钢筋混凝土条形基础梁等。3.2弹性地基梁的计算原理地基梁上作用有荷载，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，反力的大小与地基沉降有密切关系，很显然，沉降越大，反力也越大，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，或如何选取弹性地基的计算模型问题。3.3局部变形理论在局部变形理论中，以熟知的温克尔（E.Winkler）假设为基础，认为地层的弹性抗力与结构变位成正比：——弹

8、性抗力强度（kPa）；——弹性抗力系数（kN/m3）；——岩土体计算点的位移（m）3.4弹性地基梁的挠度曲线微分方程式及其初参数解3.4.1基本假设（1）地基梁在外荷载作用下产生