地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論

由于地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)受到多種復(fù)雜因素的影響，如：巖土性態(tài)及其非均勻性和各向異性、結(jié)構(gòu)面（見(jiàn)巖體結(jié)構(gòu)）、地下水、圍巖初應(yīng)力（見(jiàn)巖體中應(yīng)力）、結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、材料性態(tài)、施工工藝和步驟以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境等，現(xiàn)有的計(jì)算理論還難以全面地考慮上述所有因素?？梢哉J(rèn)為，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論尚未臻完善。

國(guó)際隧道協(xié)會(huì)于1978年成立了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型研究組(Working Group on Structure Design Models),其任務(wù)在于收集各會(huì)員國(guó)采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的資料。據(jù)該研究組統(tǒng)計(jì)、歸納為以下四種設(shè)計(jì)方法。

經(jīng)驗(yàn)法

以工程類比法為主，根據(jù)以往類似工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定隧道與地下結(jié)構(gòu)的形狀、主體尺寸和襯砌厚度。

收斂－約束法

也稱特性曲線法。是一種采用測(cè)試數(shù)據(jù)反饋于設(shè)計(jì)的實(shí)用方法，通常以施工中隧道斷面的變形量測(cè)值為依據(jù)。其要點(diǎn)為測(cè)繪洞室壁面徑向壓應(yīng)力與徑向位移的關(guān)系曲線與洞壁位移-時(shí)間曲線,它反映四個(gè)階段：①圍巖無(wú)約束自由變形;②從初期支護(hù)開(kāi)始,變形由于受支護(hù)約束抗力的反作用而減緩；③從仰拱完成開(kāi)始，由于形成了封閉結(jié)構(gòu)使變形速度大為降低；④最后變形穩(wěn)定。若所采用的支護(hù)剛度較大，則地壓急劇增長(zhǎng)，若支護(hù)時(shí)間過(guò)晚，則出現(xiàn)松動(dòng)地壓。由此可見(jiàn)，支護(hù)時(shí)間和支護(hù)自身剛度及其與圍巖接觸好壞均影響到圍巖的穩(wěn)定和支護(hù)所受地層壓力的大小。收斂變形曲線可供判斷支護(hù)是否適當(dāng)和變形是否趨于穩(wěn)定。此外，尚可配合現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室的巖土力學(xué)試驗(yàn)和應(yīng)力與應(yīng)變測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)等，作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)(見(jiàn)新奧法)。

作用－反作用模型

也可歸之為隧道計(jì)算的一種結(jié)構(gòu)力學(xué)法。其特點(diǎn)是考慮地下結(jié)構(gòu)朝向圍巖變形的區(qū)段上將受到圍巖的被動(dòng)壓力（彈性抗力）的作用。其中局部變形理論（溫克勒假定）認(rèn)為地基的沉陷僅與該點(diǎn)的應(yīng)力成正比。屬于這類模型的計(jì)算方法有：①圓形隧道襯砌按彈性地基圓環(huán)的計(jì)算方法。②按假定抗力圖形計(jì)算圓形襯砌和馬蹄形襯砌的方法。③伴隨電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而出現(xiàn)的矩陣力法。

連續(xù)介質(zhì)模型

也可歸之為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法。包括解析法和數(shù)值法。解析法中有封閉解和近似解。如圓形洞室的彈性力學(xué)解──基爾施解和圓形洞室的彈塑性解──芬納－塔洛布公式。數(shù)值法以有限元法為主，尚有差分法、邊界積分法等。有限元法將結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)單元，各相鄰單元在共同的節(jié)點(diǎn)上為鉸結(jié)，建立結(jié)構(gòu)體系的總體剛度矩陣和平衡方程，按各節(jié)點(diǎn)位移推求各單元的應(yīng)力。

中文名：地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論

英文名：theory and design of underground structure

定義：普遍把地下結(jié)構(gòu)理解為支護(hù)和地層（圍巖）的結(jié)合體。支護(hù)是臨時(shí)和永久支護(hù)的通稱，而永久支護(hù)又通常理解為襯砌。地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論在許多情況下可以稱為襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算理論。

地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論經(jīng)歷了幾個(gè)主要的發(fā)展階段。最初階段以磚石為材料的隧道襯砌，模仿石拱橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求拱軸線盡量與推力曲線相重合。這種方法始于19世紀(jì)末期，其特點(diǎn)是只考慮襯砌承受其周?chē)鷰r土所施加的主動(dòng)荷載，而不計(jì)圍巖對(duì)襯砌變形的約束和由此產(chǎn)生的圍巖被動(dòng)抗力。在一般情況下設(shè)計(jì)的襯砌厚度偏大。

發(fā)展到第二階段，是考慮地層對(duì)襯砌變形的約束，但仍按各種地壓理論確定作用在襯砌上的主動(dòng)荷載。如O.科默雷爾分析整體式隧道襯砌時(shí)，考慮剛性邊墻上呈直線分布的地層被動(dòng)抗力。其后，很多學(xué)者相繼提出了假定抗力圖形的計(jì)算方法，并采用了局部變形的溫克勒假定。蘇聯(lián)地下鐵道設(shè)計(jì)局(1936，1939年)和有些學(xué)者，均曾提出過(guò)局部變形彈性地基圓環(huán)理論，以計(jì)算圓形隧道襯砌。C.C.達(dá)維多夫等曾企圖用彈性介質(zhì)共同變形理論來(lái)分析地下結(jié)構(gòu)。該理論以共同變形的彈性地基梁為基礎(chǔ)，認(rèn)為一點(diǎn)的作用力，不僅引起該點(diǎn)地基沉陷，而且引起鄰近范圍內(nèi)其他點(diǎn)地基沉陷。此外，蘇聯(lián)地下鐵道設(shè)計(jì)局還曾研究過(guò)按極限狀態(tài)計(jì)算襯砌的方法。

第三階段將襯砌和地層結(jié)合體按連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行分析。不少研究者從彈性力學(xué)理論出發(fā)曾得出圓形襯砌的彈性解。其后有人提出和發(fā)展了圓形襯砌的簡(jiǎn)化彈性解，假定襯砌變形后的形狀和與之相適應(yīng)的徑向應(yīng)力分布規(guī)律。J.塔洛布于1957年和H.卡斯特納于1960年曾得到圓形洞室的彈塑性解。國(guó)際上有些研究者近年來(lái)還采用巖土的各種流變模型進(jìn)行了圓形隧道襯砌與圍巖的粘彈性分析。

50年代以來(lái)，噴射混凝土和錨桿被用作隧道支護(hù)。人們逐漸認(rèn)識(shí)到，噴錨支護(hù)能夠在保證圍巖穩(wěn)定的前提下，允許其變形得到一定程度的發(fā)展，使圍巖內(nèi)部應(yīng)力得以調(diào)整，充分發(fā)揮其自持作用，因而有可能將二次襯砌的厚度減至最小。

60年代，隨著電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的推廣和巖土本構(gòu)關(guān)系（應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系）研究的進(jìn)展,以有限元法為主的地下結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)值方法，使設(shè)計(jì)理論進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。早在1966年便有人應(yīng)用德魯克—普拉格屈服準(zhǔn)則進(jìn)行了圓形洞室的彈塑性有限元分析。O.C.津凱維奇按無(wú)拉力分析研究過(guò)隧道的應(yīng)力和變形，提出了模擬開(kāi)挖效應(yīng)的初應(yīng)力釋放法，還曾利用彈粘塑性模型計(jì)算隧道襯砌。E.L.威爾孫等進(jìn)行過(guò)地下結(jié)構(gòu)的有限元抗震和抗爆分析，還曾采用有限元分析探討了各種因素對(duì)地下洞室和圍巖受力的影響,節(jié)理圍巖洞室的穩(wěn)定問(wèn)題,施工順序?qū)Χ词曳€(wěn)定的影響，以及開(kāi)挖面附近三維應(yīng)力狀態(tài)等問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)際上許多學(xué)者都在隧道和地下結(jié)構(gòu)的有限元靜、動(dòng)力分析方面做過(guò)許多工作。

上述的幾個(gè)發(fā)展階段，從時(shí)間上講并不是截然分開(kāi)的。有些較早時(shí)期采用的設(shè)計(jì)方法,例如工程類比法,仍然被廣泛采用。

《地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法》作 者：李志業(yè) 曾艷華

出 版 社：西南交通大學(xué)出版社 出版日期：2003-09

ISBN：781057704 版 次：1

包 裝：平裝 開(kāi) 本：16開(kāi)

頁(yè) 數(shù)：314頁(yè) 印 張：1次

所屬分類：圖書(shū) >建筑> 建筑設(shè)計(jì) >地下建筑> (分類細(xì)分與勘誤) 內(nèi)容介紹

《地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法》系統(tǒng)地介紹了地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論與計(jì)算方法，突出了現(xiàn)代支護(hù)結(jié)構(gòu)理論，形成了以理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，并以施工量測(cè)信息反饋設(shè)計(jì)來(lái)指導(dǎo)施工的現(xiàn)代地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系。 《地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法》重點(diǎn)闡述了現(xiàn)代支護(hù)原理與方法、結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的計(jì)算方法和信息反饋設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，為說(shuō)明這些計(jì)算原理與方法，還撰寫(xiě)了有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，列舉了大量的工程實(shí)例，并輔以算例，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。每章后附有思考題和習(xí)題。 《地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法》可作為高等院校地下工程專業(yè)本科學(xué)生的教材，亦可供從事相關(guān)工程工作的科研、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員參考。 編輯2100433B

《地下結(jié)構(gòu)抗浮理論與技術(shù)應(yīng)用》重點(diǎn)闡述地下結(jié)構(gòu)抗浮理論、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。全書(shū)共四篇17章。其中，第1章為緒論，理論篇（第2～4章）論述地下水浮力初步探討試驗(yàn)和模型試驗(yàn)、抗浮的基本思路和計(jì)算方法，技術(shù)篇（一）（第5～9章）重點(diǎn)闡述微型樁抗浮技術(shù)、FRP混凝土抗拔樁抗浮技術(shù)、傘狀錨抗浮技術(shù)、自張式人字形抗拔樁抗浮技術(shù)和配重法抗浮技術(shù)，技術(shù)篇（二）（第10、11章）主要敘述排水減壓法抗浮技術(shù)和靜水壓力釋放抗浮技術(shù)，應(yīng)用篇（第12～17章）主要介紹各類工程案例。

《地下結(jié)構(gòu)抗浮理論與技術(shù)應(yīng)用》可供土木工程、巖土工程和水利工程等領(lǐng)域的科研人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容

1．內(nèi)力計(jì)算

加固前，在荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件按原結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用手算或電算分析方法，運(yùn)用力學(xué)知識(shí)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算；加固后將預(yù)應(yīng)力視為外荷載作用在原結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上，同時(shí)考慮其余的外荷載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍按原結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。預(yù)應(yīng)力筋的內(nèi)力包括有效預(yù)張力和荷載在預(yù)應(yīng)力筋中引起的內(nèi)力增量值。

2．有效預(yù)應(yīng)力的確定

因?yàn)樵陬A(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋的內(nèi)力增量必須考慮，所以張拉控制應(yīng)力宜定得低一些，具體計(jì)算時(shí)，可按加固前后的承載力差值和預(yù)應(yīng)力筋在預(yù)應(yīng)力階段的穩(wěn)定性進(jìn)行初步確定。將張拉控制應(yīng)力減去預(yù)應(yīng)力損失即為有效預(yù)應(yīng)力。

3．構(gòu)件計(jì)算的內(nèi)容

（1）強(qiáng)度計(jì)算，所有受力構(gòu)件均需滿足強(qiáng)度，包括局部承壓強(qiáng)度的要求。

（2）穩(wěn)定計(jì)算，受壓、受彎和壓彎構(gòu)件應(yīng)滿足穩(wěn)定要求。穩(wěn)定包括整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。

（3）剛度計(jì)算，即為撓度計(jì)算，屬正常使用極限狀態(tài)。對(duì)受彎構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行撓度計(jì)算。

（4）疲勞計(jì)算，對(duì)直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的構(gòu)件，當(dāng)其荷載產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) n≥10⁵時(shí)，如工業(yè)廠房?jī)?nèi)的重級(jí)工作制吊車(chē)梁、橋梁構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。

構(gòu)件的分類及需要進(jìn)行的計(jì)算

1． 軸心受拉構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

2．軸心受壓構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定計(jì)算。

3． 受彎構(gòu)件，包括簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和撓度計(jì)算。

4． 壓彎構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、整體穩(wěn)定（彎矩作用平面內(nèi)和平面外）和局部穩(wěn)定計(jì)算對(duì)于結(jié)構(gòu)體系，如桁架（屋架），除組成桿件應(yīng)分別按軸心拉壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的撓度計(jì)算。

分階段加固設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計(jì)可分為兩階段加固設(shè)計(jì)和三階段加固設(shè)計(jì)。當(dāng)完全卸載時(shí)，預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的兩階段設(shè)計(jì)計(jì)算基本相同。當(dāng)部分卸（負(fù)）載或完全負(fù)載（不卸載）時(shí)，則與預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的三階段設(shè)計(jì)計(jì)算類似。完全卸載時(shí)，預(yù)應(yīng)力的施加為預(yù)應(yīng)力階段，加固后應(yīng)承受的荷載作用為荷載作用階段。部分卸（負(fù)）載或完全負(fù)載（不卸載）時(shí)，未卸除的荷載作用為初始荷載作用階段，加固后應(yīng)承受的荷載與未卸除的荷載之差值荷載作用為續(xù)加荷載階段。但應(yīng)注意，在初始荷載作用階段，未卸除的荷載僅有恒載。

地鐵地下結(jié)構(gòu)是重要的生命線工程，其抗震問(wèn)題日益受到重視。本項(xiàng)目擬以地鐵車(chē)站為重點(diǎn)，采用理論分析、動(dòng)力離心試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題進(jìn)行深入研究。發(fā)展同時(shí)適用于靜力和動(dòng)力無(wú)限域問(wèn)題分析的靜-動(dòng)力統(tǒng)一人工邊界；建立可考慮結(jié)構(gòu)材料非線性、結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)態(tài)接觸非線性、近場(chǎng)地基非線性及遠(yuǎn)場(chǎng)地基非線性的地下結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)地震反應(yīng)分析模型；進(jìn)行三組不同埋深的地鐵車(chē)站及周?chē)鼗到y(tǒng)的動(dòng)力離心模型試驗(yàn)，研究地鐵車(chē)站在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)和破壞過(guò)程；開(kāi)展系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析，研究不同類型強(qiáng)地震場(chǎng)作用下地鐵地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)；基于理論分析與試驗(yàn)研究的成果，提出適用于地鐵地下結(jié)構(gòu)的Push-over分析方法；針對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施及地鐵區(qū)間隧道跨越地震活斷層的設(shè)計(jì)方案及工程措施進(jìn)行應(yīng)用研究。項(xiàng)目工作對(duì)發(fā)展合理而可靠的地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法，完善地下結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施均有重要意義。 2100433B