地下建筑结构 第3章 地下建筑结构荷载

(a) 图2.2 土体极限平衡状态
(b)
（a）主动土压力；（b) 被动土压力
滑 动 面 面 动 滑
(a) 图2.2 土体极限平衡状态
(b)
（a）主动土压力；（b) 被动土压力
2.3.1 经典土压力理论
软土地区浅埋的地下工程，采用 “土柱理论” 计算。竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部 重量。 侧向土压力经典理论主要是库伦（Coulomb）
理论和朗肯（Rankine）理论。
静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以 称为经典理论。 尽管上述经典土压力理论存在许多不足之处， 但是在工程界仍然得到广泛应用。
1、静止土压力的计算
σ
1 2 Po h k o 2
γ 图2.3 静止土压力计算图式
结构不发生变形和任何位移（移动或转动）时，背后填土处
2.2.1 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 。 (2) 设计标准 1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。 2）地下建筑结构材料的选用 3）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力在弹性阶段可 按结构力学计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引 起的内力重分布。
2
(2 10) (2 12)
2
Kp
sin sin 2 2 sin 2 10 ) 1 ( sin sin sin
2
β
β
ψ δ φ θ-φ ψ=α-δ α θ α θ δ φ ψ θ-φ ψ=α+δ
土重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力（含浮力）；
混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。
地层压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性
抗力是地下结构所特有的被动荷载。
（2）可变（附加）荷载
分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。 基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载， 如吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、 人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作 用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具，
sin Pp W 求导：最小滑楔面 sin
(2 10)
β
β
ψ δ φ θ-φ ψ=α-δ α θ α θ δ φ ψ θ-φ ψ=α+δ
( ) 图2.4
( )
δ α
β φ δ φ
库伦土压力计算图式
θ
α
θ
( )
( )
图2.5 具有地表分布荷载的情况
k a tg 45 45°- φ 2 2 ( )k ( ) tg 2 45 p 2
τ= an σt φ+ c
2


(2 39a) (2 39b)
(2 37) (2 38)
τ
Ⅰ
45 ° φ + 2
Ⅲ
φ
45
Ⅱ
° φ 2
0
0
γz
6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 偶然作用 可变作用
列车活载
活载所产生的土压力 公路车辆荷载 冲击力 渡槽水流压力（设计渡槽明洞时） 制动力 温度变化的影响 灌浆压力 冻胀力 施工荷载（施工阶段的某些外力） 落石冲击力 地震力
活载
附加荷载
附加荷载 特殊荷载
2.2 荷载的确定方法
2.3 岩土体压力的计算方法
土压力是土与挡土结构之间相 互作用的结果，它与结构的变位有 着密切关系。
动 面 动 面
滑 滑
以挡土墙为例，作用在挡土墙 墙背上的土压力可以分为静止土压 力、主动土压力（往往简称土压力） 和被动土压力（往往简称土抗力） 三种，其中主动土压力值最小，被 动土压力值最大，而静止土压力值 介于两者之间。
表2-1 公路隧道设计规范（JTJ026-90）的隧道荷载
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 可 变 荷 载 荷载分类 永 久 荷 载 （恒载） 基本 可变 荷载 其它 可变 荷载 荷载名称 围岩压力 结构自重力 填土压力 混凝土收缩和徐变影响力 公路车辆荷载、人群荷载 立交公路车辆荷载及其所产生的土压力 立交铁路列车活载及其所产生的土压力 立交渡槽流水压力 温度变化的影响力
合一般有以下几种情况：
（一）静载； （二）静载+活载； （三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹 动载）
2.1.2 荷载组合
指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组， 取其最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中 最大内力值作为设计依据。
我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可 变及偶然荷载（在铁路隧道设计规范中采用概率 极限状态设计法时称为作用）参见表2-1和表2-2。
10
11
冻胀力
落石冲击力
12
13
偶 然 荷 载
地震力
施工荷载
注：[1]设计隧道结构时，按其可能出现的最不利情况组合。
表2-2 铁隧道设计规范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷载）分类
编号 1 荷载分类 荷载名称 结构自重 荷载分类
2
3 4 5 永久作用
结构附加恒载
围岩压力 土压力 混凝土收缩和徐变的影响 主要荷载 恒载
2.2 荷载的确定方法
3）截面计算原则 结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、 裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结 构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。 钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下，
除按强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性，
z z
x k o z
σ z σ x σ z φ 45° + 2 ( ) ( ) φ 45° - 2 ( )
τ
τ= σ φ tan
+c
Ⅰ
Ⅲ
45 ° φ + 2
φ
45
Ⅱ
° φ 2
0
0
γz
γz
( )
σ
图2.8
朗肯极限平衡状态
f
1 3 sin 1 3 2c ctg
1 sin cos 3 1 2c 1 sin 1 cos
σ z σ x σ z
1 sin cos 1 3 2c 1 sin 1 cos
Pa zk a 2c ka
φ 45° + 2
Pp zk p 2c k p
( )
除有以上主要荷载的作用外，通常还有：混凝土材
料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）、
温度变化等受到约束而产生的内力。
地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中
可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、
可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载:
（1）永久（主要）荷载
即长期作用的恒载，主要包括：结构自重；回填
γz
σ
特殊情况下的土压力
1、成层土的土压力计算
2、地面超载作用下的土压力计算与图式
1
γ1、 1、φ1
1
2
1
2
2
γ、 、φ
γ2、 2、φ2
2
3
2.9 成层土的主动土压力计算
z z0
2c
tg 45 2
2.10
2
γ )
2
1 2 2c 2 Pa h k a 2ch k a 2
的动荷载作用 。
2.1.1荷载种类
活荷载：指在结构物施工和使用期间可能存在的 变动荷载，其大小和作用位置都可能变化。 如地下建筑物内部的楼板地面荷载（人群物 件和设备重量）、吊车荷载、落石荷载等。地面附
近的堆积物和车辆对地下结构作用的荷载以及施工
安装过程中的临时性荷载。
2.1.1荷载种类
其他荷载：使结构产生内力和变形的各种因素中，
于弹性平衡状态 。可根据半无限弹性体的应力状态求解。
c z
po k o c k o z ko

1
(2 2) k0 sin (2 3)
粘土ko=0.5~0.7；砂土ko=0.34~0.45。

砂土、粉土1.0；粘性土、淤泥质土0.95
2、库伦土压力理论 库伦理论的基本假定： 库伦理论由法国科学家库伦（Coulomb, C.A.）于 1773年发表，主要针对挡土墙计算，基本假定为： ①挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土；
第3章 地下建筑结构荷载
地下建筑结构的荷载 （作用在地下结构上的力）
• 荷载种类和组合
• 荷载确定方法
• 岩土体压力的计算方法
• 初始地应力、释放荷载与开挖效应
• 弹性抗力
• 其他荷载
2.1 荷载种类和组合
2.1.1 荷载种类
按存在状态分为：静荷载、动荷载和活荷载等 静荷载：又称恒载。是指长期作
盾构千斤顶推力，注浆压力）等。
（3）偶然（特殊）荷载
偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆
炸冲击动荷载。
2.1.2 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
( ) 图2.4
( )
δ α
β φ δ φ
库伦土压力计算图式
θ
α
θ
( )
( )
图2.5 具有地表分布荷载的情况
3、朗肯土压力理论 朗肯土压力理论是由英国科学家朗肯（Rankine） 于1857年提出。朗肯理论的基本假定为： （1）挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土 层之间的摩擦力； （2）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； （3）挡土墙后填土处于极限平衡状态。 朗肯理论是从弹性半空间的应力状态出发，由 土的极限平衡理论导出。
用在结构上且大小、方向和作用
点不变的荷载，如结构自重、岩
土体压力、弹性抗力和地下水压
力等 ；
2.1 荷载种类和组合
2.1.1 荷载种类
动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物， 需考虑原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸 冲击波压力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗
震区进行地下结构设计时，应计算地震波作用下
填土上有超载时主动土压力计算
特殊情况下的土压力
pa HKa 2c Ka w H PP HK P 2c K w H p
p a a 2c K a w H HK PP p 2c K p w H HK
限制裂缝宽度小于0.10~0.20mm，但不允许出现通透裂缝。对较 重要的结构则不能开裂，即验算抗裂度。 钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不 作裂缝验算。
4）安全系数 结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。 对于地下建筑结构，如施工条件差，不易保证质量和荷载 变异大时，对混凝土和钢筋砼结构需考虑用附加安全系数1.1。 静载下的抗裂安全系数不小于1.25，视工程重要性，可予 提高。 结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大， 为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。 5）材料强度指标 一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，亦可根据实际 情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。 结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关 规定。
ห้องสมุดไป่ตู้ Pa h 2 K a 2 1 2 Pp h K p 2
W 1 AB AC sin 2
____ _____
Ka
sin2
sin sin sin2 sin2 1 sin sin sin
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，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 斜面与水平面有夹角；
⑤在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件 T N tan T N tan
sin W sin sin a W Pp sin Pa
1 ____ _____ W AB AC sin 2
(2 8) sin P W (2求导：最大滑楔面 9) sin