地下建筑结构课件第四章地道式结构.ppt

第一节概述第二节矩形闭合框架的计算第三节构造要求第四节按地基为弹性半无限平面的闭合框架计算着重讨论单建式矩形浅埋式结构的设计与计算原理.第三章浅埋式结构——单建式 第一节概述第二节土层压力第三节单层单跨拱形结构内力计算第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算第五节设计中应注意的几个问题第四章地道式结构 第一节概述地道式结构的概念地道式结构的分类按建造方法分按建筑材料分按结构形式分单层单跨拱形结构单跨双层和单层多跨的拱形结构地道式结构的施工方法：矿山法适用条件up 在土层中采用矿山法开挖出（人工或机械）所需空间后，为保持这一空间修筑的永久性衬砌。它主要承受周围地层的变形或坍塌而产生的垂直土层压力和较大的侧向土层压力。1—砖块；2—预制混凝土块；3—毛料石；4—混凝土块或砖块；5—预制钢筋混凝土拱；6—浆砌毛石；7—混凝土墙或砖墙；8—钢筋混凝土基础板；9—回填料；10—T型钢筋混凝土拱板；11—糟形钢筋混凝土拱板地道式结构的概念back 地道式结构的分类按建造方法分：整体式混合式装配式按建筑材料分：砖石混凝土钢筋混凝土：跨度较大或荷载较大时采用back （一）单层单跨拱形结构(P57)按衬砌断面形式常分为曲墙拱、直墙拱和落地拱。按拱轴线的形状：割圆、半圆、三心拱单跨拱形结构的跨度一般为1.5～6.0m，覆土层厚3.0～20m地道式结构的分类——按结构形式分 三心拱由三段圆弧组成的拱，中弧半径小,两侧圆弧半径大。顶弧的圆心在侧弧两个圆心连线的垂直平分线上,且顶弧半径R1小于侧弧半径R2,侧弧半径R2大于巷道净宽B的一半,且R1和R2都垂直顶弧与侧弧的搭接点。可使应力分布均匀,改善拱肩连接back （二）单跨双层和单层多跨连拱结构如结构的跨度要求很大，设计单跨拱形结构不经济，施工又有困难采用的矿山法，又可分阶梯全断面开挖、先墙后拱和先拱后墙等方法第一节概述back 地道式结构的施工方法矿山法——minetunnellingmethod用开挖地下坑道的作业方式修建隧道的施工方法。矿山法是一种传统的施工方法。它的基本原理是，隧道开挖后受爆破影响，造成岩体破裂形成松弛状态，随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据，其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖，并要求边挖边撑以求安全，所以支撑复杂，木料耗用多。随着喷锚支护的出现，使分部数目得以减少，并进而发展成新奥法。 矿山法的分类按衬砌施工顺序，可分为先拱后墙法及先墙后拱法两大类矿山法的常用方法有:台阶法、CD工法(跨度大)、CRD工法、双侧壁导坑法(眼镜)工法、联拱隧道中洞法。back 先拱后墙法及先墙后拱法back CD、CRD工法临时仰拱？back 双侧壁导坑法和联拱隧道中洞法back 适用条件第四纪中等强度地层，地下水影响不大的情况；有承压水或淤泥、流砂等软弱地层时，不宜采用。上海地层为第四纪沉积层，其中0~40m深度内均为软弱地层，主要为粘土、粉质粘土、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉砂土等，这类土颗粒微细、固结度低，具有高容水性、高压缩性、易塑流等特性。北京地层多处于人工回填及第四纪沉积的黏性土、砂类土之中，地下水埋藏深度大，覆土厚度0.6～1.0m。back第四纪多为中等强度地层 概念开挖土质地道前后，由于它周围地层的变形或坍塌而施加于支撑或衬砌结构上的压力地道开挖前后的应力状态及其变形土洞的局部稳定性评价土层压力计算浅埋和深埋的界限第二节土层压力 开挖前的土中的应力状态垂直土压力侧向土压力开挖后的土中的应力状态及其变形圆洞周围的应力状态直墙半圆拱周围的应力状态地道开挖后的变形及其控制一、地道开挖前后的应力状态及其变形up 垂直土压力侧向土压力侧向土压力系数地道开挖前的应力状态back 开挖后，改变了地层的原始应力状态。应用弹性理论分析土洞周边应力状态。圆形地道开挖后的应力状态 圆形地道周围σθ的变化back 地道式结构中常用直墙半圆拱的洞周切向应力近似计算公式开挖后直墙半圆拱的洞周切向应力研究点的应力系数，查表4-1back 土层的膨胀变形切向应力超过土体强度，在外侧径向应力共同作用下，地层向土洞内变形，使土洞几何形状产生向洞内缩小的现象。在变形剧烈时，弹性理论已不满足，地层膨胀变形将难以控制。地道开挖后的变形及其控制短开挖、及时支撑、快衬砌和工序紧跟随挖随衬随回填back （二）土洞的局部稳定性评价目前我国对黄土地下建筑工程局部稳定性的评价，一般以工程地质比较的方法为主，力学计算的方法为辅，必要时采用实测方法。对于粘性土可得出二个极限平衡条件：（1）当洞顶出现切向拉应力σθ时（2）当土洞周边切向压应力为σθ时P63例一：试比较先拱后墙和先墙后拱up （二）土洞的局部稳定性评价（1）当洞顶出现切向拉应力σθ时back （2）当土洞周边切向压应力为σθ时（二）土洞的局部稳定性评价土洞稳定性的控制条件back （一）概述（二）垂直土层压力1.松散体理论：（1）浅埋洞室：土柱理论及其修正（2）深埋洞室：土拱理论2.弹塑性理论估算：适用于黄土和深埋粘性土地层（三）侧向土层压力1.松散体理论：2.有关黄土的经验公式三、土层压力计算up 土层压力研究方法实测法模拟试验法理论分析法土层压力的计算理论松散体理论：均质连续的松散介质弹性理论：连续均质和各向同性直线变形体弹塑性理论：弹塑粘体。back（一）概述 ①松散体理论浅埋洞室的情况土柱理论，即作用在结构上土层压力等于土柱的全部重量浅埋洞室松散体理论——不考虑土柱两侧摩擦力和内聚力的土柱计算理论back 浅埋洞室松散体理论——考虑土柱两侧摩擦力和内聚力的土柱计算理论 不考虑内聚力的影响时浅埋洞室松散体理论——考虑土柱两侧摩擦力和内聚力的土柱计算理论总夹制力垂直压力均布压力back 普氏压力拱理论——当深埋时，视土层为松散体，并认为洞室上方形成一个抛物线压力拱，拱内土体的重量就是作用在支撑或衬砌上的地层压力垂直土层压力松散体理论——深埋洞室的情况 压力拱的高度垂直土层压力垂直土层压力松散体理论——深埋洞室的情况back 垂直均布荷载的估算公式垂直土层压力弹塑性理论估算公式——黄土和深埋粘性土地层适用back 当浅埋时，采用土柱理论当深埋时，形成了压力拱侧向土层压力的松散体理论back 适用条件0.7＜高跨比＜1.2暗挖法施工，埋深＜50m跨度＜9m在黄土中不产生显著偏压的情况侧向土层压力——有关黄土的经验公式back （四）浅埋和深埋的界限1按压力拱理论划分2经验判断法3理论估算公式up 深埋结构上覆地层的厚度H≥(2.0~2.5)h0浅埋结构上覆地层的厚度H＜(2.0~2.5)h0压力拱的形成不仅与埋深、土质有关，而且与地道开挖跨度高度、施工方法以及施工顺序有关，必要时，还要验算压力拱的强度和稳定性，作为划分深埋的补充条件。1按压力拱理论划分back课堂习题：设：fk分别为0.8和2.0，试计算例1中压力拱的高度。 分界深度H分界=(1.0~2.0)B同时H分界＞(2.0~2.5)h02经验判断法back 对粘性土对砂土当H≤H分界为浅埋；H＞H分界为深埋。3理论估算公式back （一）概述洞室周围地层变形或坍塌而施加于衬砌上的力为主动土层压力。因地层限制衬砌变形，衬砌则受到地层产生的反作用力，这是被动性质的土层压力又称弹性抗力。弹性抗力阻止衬砌变形，从而提高其承载力，这是区别于地面建筑物最显著的特点。第三节单层单跨拱形结构内力计算 （一）概述整体地道式结构分类：自由变形结构不考虑衬砌结构与地层间的相互作用。在拱脚或墙底受弹性地基的约束而产生反力。考虑衬砌结构与地层相互作用的结构局部变形理论衬砌为符合温克尔假定的弹性介质中弹性结构。共同变形理论衬砌为直线变形介质中的弹性结构第三节单层单跨拱形结构内力计算 （二）主要截面厚度的选定和几何尺寸的计算结构设计程序第三节单层单跨拱形结构内力计算选择结构方案选择结构尺寸确定内轮廓线定出主要截面厚度绘出外轮廓线和拱轴线确定主要截面厚度内力计算和强度校核验证结构几何尺寸 （二）主要截面厚度的选定和几何尺寸的计算结构主要截面厚度的选定包括拱圈、直墙、底板（或仰板）以及基础的尺寸第三节单层单跨拱形结构内力计算 边墙基底埋置深度边墙基底埋置深度，一般墙底要低于垫层底部10～50（㎝），地层较软或基础反力较大时，边墙埋置深度应适当加大，在粘性土地层中，靠近洞口的边墙基底应设置在冰冻线以下。 仰拱的设置当构造设置仰拱时，一般仰拱的矢高不大于跨度的1/8，其底部一般不超过边墙的基底 （三）整体式曲墙拱衬砌的内力计算①抗力的图形作如下假定弹性抗力区的上零点a’在拱顶两侧45°，下零点在墙脚，最大抗力发生在h点，a’h的垂直距离相当于的a’b’/3垂直距离a’b’段上弹性抗力的分布如图所示，各个截面上的抗力强度是最大抗力的二次函数：第三节单层单跨拱形结构内力计算在段在段 （三）整体式曲墙拱衬砌的内力计算（P73）②计算简图：拱脚弹性固定两侧受地层约束的无铰拱（P43的力法求解）第三节单层单跨拱形结构内力计算 （三）整体式曲墙拱衬砌的内力计算②计算简图求解内力的方法，是先将在主动荷载（垂直和侧向的）作用下，最大抗力点h处的位移δhp求出来。然后，单独以σh=1时的弹性抗力图形作为外荷载，也可求出相应的h点的位移δhσ第三节单层单跨拱形结构内力计算 （三）整体式曲墙拱衬砌的内力计算求解内力第三节单层单跨拱形结构内力计算h点的最终位移弹性抗力δk 首先按自由变形结构计算求出主动荷载作用下的衬砌内力；然后，以最大弹性抗力σh=1分布图形作为荷载（被动荷载），求出结构的内力。求出主动荷载作用下的内力和被动荷载作用下的内力后，再按公式（4-30）求出σh。最后把σh=1作用下求出的内力乘以σh，再与主动荷载作用下的内力叠加起来，得到最终结构的内力。③曲墙式衬砌计算的基本原理 ①求主动荷载作用下的衬砌结构的内力⊿⊿ ⊿⊿②求单位弹性抗力作用下的衬砌结构的内力 ③求最大抗力σh ④计算各截面的最终内力利用叠加原理： ⑤计算的校核对称荷载作用下，内力应满足：洞顶截面处相对转角和相对水平位移为零。 （一）单跨双层拱形结构构造形式①框架式横向铺板第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （一）单跨双层拱形结构构造形式①框架式纵向铺板第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （一）单跨双层拱形结构构造形式②梁板式第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （二）计算简图和内力计算特点第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （三）单层双跨连拱结构的计算特点第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （四）三跨连拱结构的内力计算第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （四）三跨连拱结构的内力计算1把结点ABCD固定2在可动结点假想设置铰支座将接点弯矩分配第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （四）三跨连拱结构的内力计算3结点B水平位移至最后位移无角位移其它结点固定计算固端弯矩和推力弯矩重新分配同理移动接点B弯矩重新分配第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （四）三跨连拱结构的内力计算4作用在结点的水平推力平衡第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算得到结点AB的水平位移5根据弯矩分配结构，迭加求出最终弯矩和推力 （五）构造和配筋刹肩的设置第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （五）构造和配筋I型和II型钢筋的使用第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （五）构造和配筋第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （五）构造和配筋第四节单跨双层和单层多跨连拱结构的构造和计算 （一）结构选型直墙拱衬砌与曲墙拱衬砌的比较选择受力性能好的没有尖角的闭合光滑曲线外线，即能减少洞室周边应力的集中现象，又能利用土层的自承能力，发挥拱效应的作用，以增强洞室土层的自稳能力，减少土层对衬砌的压力当侧压力系数较大和结构跨度较大时宜采用曲墙或半圆以及接近半圆的割圆拱矮墙式衬砌。在选择结构几何形状时，跨度比高度的影响为大，第五节设计中应注意的几个问题 （二）结构的刚度与地层的弹性抗力提高土层与衬砌共同工作的能力，以最大限度地改善衬砌的受力条件。选择适合地层变形又受力良好的衬砌形状，确定衬砌断面各部位尺寸的合理比值来达到。衬砌的厚薄不仅取决于外部荷载，而且还要考虑衬砌的柔性，即考虑土层与衬砌的协调变形和共同工作。土层产生弹性抗力的前提是衬砌的变形挤向土层，而土层与衬砌全面的紧密接触也是产生抗力的必要条件。所以，施工时必须密实回填。第五节设计中应注意的几个问题 （三）等安全度问题工程的防护等级是根据整个工程中最薄弱的结构部位的等级而决定的。整个工程的配套，特别是工程的出入口头部、各种孔口的岔洞等结构部位，是薄弱环节。第五节设计中应注意的几个问题 （四）地基基础问题基础的宽度不宜过宽，过宽会招致较大的土层压力，过窄会产生较大的结构整体下沉，使拱圈上方产生空隙，不利于发挥地层与衬砌的共同工作。一般以设计不宽也不窄的基础为宜。深层地基的承载力，与物理力学指标、成因类型、年代、结构、成分和覆盖厚度关系密切，一般以比例界限除1.5的安全系数作为地基承载力。第五节设计中应注意的几个问题 （五）水的影响洞室开挖前，地层中的滞水或潜水处于与大气隔绝的封闭状态，“气不通水不渗流”开挖后，连通了大气，开挖面上的原始压强变成大气压强，破坏了水的静止状态而渗流。渗流量增加，不仅软化地层，改变地层的物理状态和物理力学性质，降低地层的强度和稳定性，而且会增加土层压力，甚至产生偏压，改变原设计的受荷状态，还会导致地层的不均匀下沉。地道式结构的质量事故还表明，地表水的浸入是一个重要原因。必须加强管理和维护，重视地面排水的设计。第五节设计中应注意的几个问题