地下建筑结构设计计算理论设计

2.1 静止土压力如何确定。

当挡土结构在土压力作用下，结构不发生变形和任何位移时，背后填土处于弹性平衡状态，则作用于结构上的侧向土压力称为静止土压力。

其值可根据弹性变形体无侧限变形理论或近似方法求得。

2.2 库伦理论的基本假定：1挡土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挡土墙后产生主动、被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面通过墙踵的平面；4墙顶处的土体表面可以是水平面也可以是倾斜面；5在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件2.3 朗肯土压力的基本假定：1挡土墙背竖直，墙面光滑，不计墙面与土层之间的摩擦力；2挡土墙后填土的表面水平，为半无限空间；3挡土墙后填土处于极限平衡状态2.4 围岩压力概念：位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。

影响因素：岩体结构、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸及形状、支护的类型及刚度、支护结构上的压力2.5 围岩压力计算的两种理论方法：按松散体理论计算围岩压力，按弹塑性体理论计算围岩压力。

前者考虑到了岩体裂隙和节理的存在，岩体被切割为互不联系的独立块体，将真正的岩体代之以某种具有一定特性的特殊松散体。

2.6 弹性抗力的概念：在靠近拱脚和边墙部位，结构产生压向底层的变形，由于结构与岩土体紧密接触，则岩土体将制止结构变形从而产生对结构的反作用力。

影响因素：结构的变形、地层的物理力学性质。

2.7 弹性抗力的确定：目前采取两种理论。

一为局部变形理论，认为弹性地基某点上施加的外力只会引起改点的沉陷；另一种为共同变性理论，认为弹性地基上的一点外力，不仅引起该点发生沉陷，而且还会引起附近一定范围的地基沉陷。

2.8 温克尔假定：把地基模拟为刚性支座上一系列的弹簧，当地基表面上某一点受压力P时，由于弹簧是彼此独立的，故只在局部产生沉陷y，而在其他地方不产生任何沉陷。

3.1 弹性地基梁两种计算模型的区别：局部弹性地基模型没有考虑地基的连续性，不能全面的反映地基梁的实际情况。

第一节 经典土压力理论浅埋地下结构的竖向土压力计算：土柱理论，即竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。

侧向土压力计算的经典理论的主要依据：库伦(Coulomb)理论和朗肯〔Rankine)理论。

计算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。

1.1 静止土压力z K p γ00= （1-1）z c γσ= （1-2）μμ-=10K （1-3）02021K h E γ= （1-4）式中 γ-土的重度；z -由地表面算起至M 点的深度；0K -静止土压力系数；μ-土的泊松比，其值通常由试验来确定；0E 合力作用点位于距墙踵h /3处。

1.2 库伦土压力理论aa K h E 221γ= （1-5） p p K h E 221γ=（1-6）2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα-++-+-+=a K (1-7) 2222])sin()sin()sin()sin(1)[(sin sin )(sin δαβαδϕβϕδααϕα++++-+-=p K (1-8) 粘性土中等效内摩擦角换算有多种, （1）根据土的抗剪强度相等的原则进行换算为：)(hctg arctg D γϕϕ+= (1-9) 还有其他换算方式：（2） 借助朗肯土压力理论进行换算，按朗肯理论同时考虑c 、ϕ值得到的土压力值要图1.1 静止土压力计算图式图1.2 库伦土压力计算图式和已换算成等效内摩擦角D ϕ后得到的土压力值相等，推算得到等效内摩擦角D ϕ。

（3）采用《建筑地基基础设计规范》计算。

1.3 朗肯土压力理论z z γσ= （1-10）z K x γσ0= （1-11）a a a K c zK p 2-=γ （1-12） P P P K c zK p 2+=γ （1-13）式中：)245(2ϕ-=tg K a ，)245(2ϕ+=tg K pγγ222221c K ch K h E a a a +-= （1-14） 图1.3 朗肯极限平衡状态第二节 地下结构的土层压力中南大学资源与安全学院 赵建平2.1 浅埋地下结构的竖向土层压力在软土地层中当地下结构物采用明挖法施工，埋置深度较浅(顶盖离地表面距离较近时)，称为浅埋地下结构。

地下室结构的抗震设计分析一、几种主要的地下结构抗震设计方法1、静力法。

把地震作用当作等效的静力荷载进行抗震计算。

它通常应用于地下管线、洞道的横截面抗震设计，它把地震时的土压力和结构物以及结构物以上覆土层作为外力考虑。

这种方法的缺陷在于没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互间的关系。

2、反应位移法。

70年代，日本学者从地震观测入手，提出了地下线状结构抗震设计的反应位移法。

其基本原理就是用弹性地基上的梁来模拟地下现状结构，把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上，以求解在梁上产生的应力和变形，从而计算地下结构（隧洞、管道、竖井等）地震反应，公式可以简化为拟静力计算公式，K{U}=Ks{Ug}。

式中的矩阵K包括地下结构的刚度Kt和地基抗力Ks。

本方法的关键是确定地基变位{Ug}和抗力系数Ks，通常将Ks取为对角阵，则Ks相当于文科尔弹簧常数或地基土介质的弹簧常数。

这种方法的理论基础是基于地震时支配地下结构地震反应的地基变形而不是结构物的惯性力。

近年来，大多数地下结构，尤其是地下管线都把这种方法作为其抗震设计方法。

但是，这种方法把不规则地震波的传播看作为同一周期和同一方向的地震波，从而与实际相去甚远；另外该法只适用于线形地下结构的抗震研究，用于大断面地下结构的抗震分析时需要进一步探讨、完善和修改。

3、动力反应分析法。

主要适用于结构物形状和地质条件比较复杂时的地下结构抗震反应分析。

它是采用有限元理论，将地震记录直接输入结构模型求得结构的动力反应。

这种方法不仅可以求得结构受地震作用时反应的最大值，而且也可以观察到结构反应的全过程，同时也使结构的弹塑性反应分析成为可能。

动力反应分析法又可细分为两种：一种是考虑土和结构的相互作用；另一种是不考虑土和结构的相互作用。

前者将土与结构当作由一定的边界条件联系起来的整体系统来考虑，后者即不考虑结构的存在，把自由场的地震位移反应当作相应的结构地震位移反应。

这种方法适用于任意的地下结构类型，同时考虑地基土的具体性质和结构的非线性，缺点是应用不便，难以得到规律性的结论，且其结果需要得到实验或理论解析的验证。

地下建筑结构的计算⽅法4.1 计算⽅法现状和计算⽅法国际隧协认为可将其归纳为以下四种模型：⼀以参照已往隧道⼯程的实践经验进⾏⼯程类⽐为主的经验设计法；⼆以现场量测和实验室试验为主的实⽤设计⽅法，例如以洞周位移量测值为根据的收敛—限制法；三作⽤—反作⽤模型，例如对弹性地基圆环和弹性地基框架建⽴的计算法等；四连续介质模型，包括解析法和数值法，解析法中有封闭解，也有近似解，数值计算法⽬前主要是有限单元法。

按照多年来地下建筑结构设计的实践，我国采⽤的设计⽅法似分属以下四种设计模型：(⼀)荷载结构模型荷载结构模型采⽤荷载结构法计算衬砌内⼒，并据以进⾏构件截⾯设计。

其中衬砌结构承受的荷载主要是开挖洞室后由松动岩⼟的⾃重产⽣的地层压⼒。

这⼀⽅法与设计地⾯结构时习惯采⽤的⽅法基本⼀致，区别是计算衬砌内⼒时需考虑周围地层介质对结构变形的约束作⽤。

(⼆)地层结构模型地层结构模型的计算理论即为地层结构法。

其原理，是将衬砌和地层视为整体，在满⾜变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内⼒，并据以验算地层的稳定性和进⾏构件截⾯设计。

(三)经验类⽐模型由于地下结构的设计受到多种复杂因素的影响，使内⼒分析即使采⽤了⽐较严密的理论，计算结果的合理性也常仍需借助经验类⽐予以判断和完善，因此，经验设计法往往占据⼀定的位置。

经验类⽐模型则是完全依靠经验设计地下结构的设计模型。

(四)收敛限制模型收敛限制模型的计算理论也是地层结构法，其设计⽅法则常称为收敛限制法，或称特征线法。

4.1 计算⽅法现状和计算⽅法下图为收敛限制法原理的⽰意图。

图中纵坐标表⽰结构承受的地层压⼒，横坐标表⽰洞周的径向位移。

其值⼀般都以拱顶为准测读计算，曲线①为地层收敛线，曲线②为⽀护特征线。

两条曲线的交点的纵坐标（P e ）即为作⽤在⽀护结构上的最终地层压⼒，横坐标（u e ）则为衬砌变形的最终位移。

因洞室开挖后⼀般需隔开⼀段时间后才施筑衬砌，图4-3中以u 0值表⽰洞周地层在衬砌修筑前已经发⽣的初始⾃由变形值。

一、名词解释1.围岩压力：是指位于地下结构周围岩土体发生变形或破坏，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。

2.弹性抗力：在隧道的两侧及底部，结构向围岩方向产生变形，受到围岩的约束作用，而使围岩对隧道衬砌结构产生的约束反力。

3.弹性地基梁：是指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁。

4.盾构法：是在盾构保护下修筑软土隧道的一类施工方法。

5.建筑限界：为了保证隧道内各种交通的正常运行于=与安全而规定在一定宽度和高度范围内不得有障碍物的空间范围。

6.松散压力：围岩松动的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上的压力。

7.形变压力：围岩与支护结构共同变形中，围岩对支护结构施加的压力。

8.初始地应力：由自重应力和构造应力两部分组成。

9.地下建筑结构：在地下开挖出的空间中修建的建筑物。

10.附建式结构：根据一定的防护要求修筑于坚固的建筑物下的地下室，又称防空地下室。

11.地下连续墙：利用挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注混凝土而形成一道具有防渗(水)、挡土和承重功能的连续的地下墙体，称为地下连续墙。

12.干舷：管段浮运时，为保持稳定使管顶露出水面的高度。

13.沉井：是一个上无盖下无底的井筒状结构物，现常用钢筋混凝土制成。

14.桩墙围护体系：围护墙、支撑、防水帷幕组成，墙体厚度较小，通过墙体插入地下一定深度和在开挖面上设置支撑或锚杆系统平衡墙后的水土压力和维持边坡稳定。

15.重力式围护体系：不设置支撑或锚杆的自立式墙体结构，墙体厚度较大，通过墙体自重、墙体与地基的摩擦力、墙体在开挖面以下受到土体的被动抗力平衡水土压力，维持边坡稳定。

16.主动土压力：当挡土结构在土压力作用下，背后填土处于挤压平衡状态，则作用在结构上的侧向土压力称为静止土压力。

17.被动土压力：当挡土结构在土压力作用下，结构发生背离填土的变形和任何位移（移动和转动）时，则作用在结构上的侧向土压力称为静止土压力18.静止土压力：当挡土结构在土压力作用下，结构不发生变形和任何位移（移动和转动）时，背后填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的侧向土压力称为静止土压力。

第一章1.简述地下结构的概念和特点。

概念: 地下结构是指在保留上部地层（山体或土层）的前提下, 在开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构。

特点:（1）地下空间内建筑结构替代了原来的地层, 结构承受了原本由地层承受的荷载。

在设计和施工中, 要最大限度发挥地层自承能力, 以便控制地下结构的变形, 降低工程造价。

（2）在受载状态下构建地下空间结构物, 地层荷载随着施工进程发生变化, 因此, 设计时要考虑最不利的荷载工况。

（3）作用在地下结构上的地层荷载, 应视地层介质的地质情况合理概化确定。

（4）地下水状态对地下结构的设计和施工影响较大, 设计前必须弄清地下水的分布和变化情况。

（5）地下结构设计要考虑结构物从开始构建到正常使用以及长期运营过程的受力工况, 注意合理利用结构反力作用, 节省造价。

（6）在设计阶段获得的地质资料, 有可能与实际施工揭露的地质情况不一样。

因此, 地下结构施工中应根据施工的实时工况动态修改设计。

（7）地下结构的围岩既是荷载的来源, 在某些情况下又与地下结构共同构成承载体系。

（8）当地下结构的埋置深度足够大时, 由于地层的成拱效应, 结构所承受的围岩垂直压力总是小于其上覆地层的自重压力。

2.简述地下结构的分类与形式。

按断面形式分类: 1）矩形2）圆形3）拱形4）其他形式按使用功能分类: 可分为生活设施、城市设施、生产设施、储藏设施、输送设施和防灾设施等按结构形式及施工方法分类: （1）喷锚结构（2）复合衬砌结构（3）盾构结构（4）沉管结构（5）沉井结构（6）地下连续墙结构（7）其他结构按与地面结构联系情况分类（1）附建式结构（2）单建式结构按埋置深度分类1）浅埋地下结构2）深埋地下结构3.简述地下结构计算理论的发展阶段和代表理论1.刚性结构阶段: 压力线理论该理论认为地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构, 所受的主动荷载是地层压力, 当地下结构处于极限平衡状态时, 它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系, 铰的位置分别假设在墙底和拱顶, 其内力可按静力学原理进行计算。

地下工程结构第一章绪论1简述地下建筑结构的概念及形式：地下建筑结构即埋置于地层内部的结构。

包括衬砌结构和内部结构两部分。

衬砌结构主要起承重和围护作用地下建筑结构的形式主要由使用功能、地质条件和施工技术等因素确定。

根据地质情况差异可分为土层和岩层内的两种形式。

土层地下建筑结构分为①浅埋式结构②附建式结构③沉井（沉箱）结构④地下连续墙结构⑤盾构结构⑥沉管结构⑦其他如顶管和箱涵结构。

岩石地下建筑结构形式主要包括直墙拱形、圆形、曲墙拱形，还有如喷锚结构、穹顶结构、复合结构。

2.地下建筑结构的工程特点：①建筑结构替代了原来的地层（承载作用）②地层荷载随施工过程是发生变化的③地质条件影响地层荷载④地下水准结构设计影响大④设计考虑施工、使用的整个阶段⑤地层与结构共同的承载体系⑥地层的成拱效应。

3.地下建筑地上建筑结构地上建筑区别：计算理论设计和施工方法不同，地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂，因为地下建筑结构埋置于地下，其周围的岩土体不仅作为荷载作用于地下建筑结构上，而且约束着结构的移动和变形。

第二章地下建筑结构的荷载1.地下建筑荷载分哪几类：按其存在的状态，可以分为静荷载（结构自重，岩土体压力）、动荷载（地震波，爆炸产生冲击）和活荷载（人群物件和设备重量，吊车荷载）、其他荷载。

2.土压力可分为几种形式？其大小关系如何？土压力分为静止土压力E0、主动土压力力Ea、被动土压力Ep，则Ep>E0>Ea3.简述围岩压力的概念及影响因素：围岩压力就是指位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。

分为松散、膨胀、变形、冲击围岩压力。

影响围岩压力的因素很多，主要与岩体的结构、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸与形状、支护的类型和刚度、施工方法、洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。

其中岩体稳定性的关键之一在于岩体结构面的类型和特征。

4.简述弹性抗力的基本概念？其值大小与哪些因素有关？地下建筑结构除承受主动荷载作用外（如围岩压力、结构自重等），还承受一种被动荷载，即地层的弹性抗力。

YJK地下室计算地下室的结构计算首先需要确定地下室的设计荷载。

设计荷载一般包括垂直荷载（如建筑自重、楼层荷载）、水平荷载（如风荷载、地震荷载）和温度荷载等。

根据设计荷载，可以计算出地下室的垂直和水平受力情况，包括地下室的抗拉、抗压、抗弯和抗剪承载力等。

在地下室的结构计算中，常用的方法包括弹性分析和塑性分析。

弹性分析是指假设地下室的结构在荷载作用下仍然处于弹性阶段，可以使用弹性力学原理和有限元分析方法来计算地下室的应力、应变和位移等。

塑性分析是指考虑结构破坏的可能性，即结构处于塑性阶段，可以根据材料的塑性特性和破坏准则来计算地下室的极限荷载和破坏模式。

地下室的计算还需要考虑土壤的力学性质和相互作用。

土壤的力学性质包括土壤的抗剪强度、压缩性和侧向支撑能力等。

在地下室的结构计算中，需要考虑土壤的水平和垂直支撑作用，以及地下室结构和土壤之间的相互作用。

常用的土壤-结构相互作用分析方法包括两者之间的界面模型和直接计算模型。

除了结构计算，地下室的计算还需要考虑地下室的防水和排水设计。

地下室的防水设计包括防水层材料的选择、施工方法和施工质量的控制，以及地下室内外的排水系统和雨水收集系统的设计。

地下室的排水设计需要考虑地下室的地下水位和地下水流动的影响，以确保地下室的排水系统能够有效地排除地下水和表面水。

在进行地下室计算时，还需要考虑地下室的施工方法和施工顺序。

地下室的施工方法包括明挖法、盖板法和顶板法等，每种施工方法都有其优点和适用的条件。

施工顺序可以有不同的选择，根据地下室的结构特点和施工条件，确定最合适的施工顺序，以确保地下室的施工进度和质量。

综上所述，YJK地下室计算是一个综合性的工程计算，它需要考虑地下室的结构稳定性、安全性和可靠性，以及土壤的力学性质和相互作用，防水和排水设计，施工方法和施工顺序等因素。

只有通过科学严谨的计算和评估，才能确保地下室的设计和施工质量，保证地下室的使用安全。