地下建筑結(jié)構(gòu)課件 慶文-地下工程09年試卷參考答案

PAGEPAGE1地下工程09年試卷參考答案分析城市地下空間開發(fā)利用的必要性和可行性。（10分）必要性：開發(fā)利用地下空間必要性、重要性：地價(jià)高漲，建地面工程成本高：鐵路、交通地下化、建地下城市等；地面不能提供建工程連續(xù)的土地；保護(hù)地面空間，高架道路地下化；利用地下空間的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：抗震性：能源儲(chǔ)藏、生命線工程；恒溫、恒濕，冬暖夏涼；地下住宅；隔斷宇宙線、電磁波、核放射、爆炸等；開拓未來備用的地下空間?？尚行裕?、居民對(duì)地下空間的適應(yīng)性和認(rèn)可性：

自人類產(chǎn)生和發(fā)展，一直開發(fā)利用并興建地下建筑工程，早已熟悉和習(xí)慣地下空間和地下工程，其開發(fā)利用的價(jià)值和可行性已得到認(rèn)可。近代和現(xiàn)代，炸藥的發(fā)明和應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)地下空間開發(fā)。2、地面與地下的整體協(xié)調(diào)性：地下工程可以滿足現(xiàn)代人口規(guī)模、擴(kuò)大城市容量的需求；地下空間的開發(fā)利用比建造海洋城市、宇宙城市等技術(shù)難度小，且人類已解決了在土層、巖體和水體中建造地下工程的關(guān)鍵技術(shù)，各種工藝技術(shù)、先進(jìn)裝備比較成熟，跨越各種障礙，具有技術(shù)可行性和安全性。3、部分大城市具備開發(fā)利用地下空間經(jīng)濟(jì)條件；4、在大城市開發(fā)地下空間比較成本優(yōu)勢(shì)突出：經(jīng)濟(jì)成本方面，由于地下環(huán)境特殊性，維持通風(fēng)照明、濕度等條件和使用維護(hù)費(fèi)用較高，是地面建筑的士3~5倍，但考慮地面征地拆遷、環(huán)境保護(hù)、城市景觀等社會(huì)綜合效益，使用成本并不高。城市地下空間開發(fā)利用形式的多樣性和適用性；國外地下空間開發(fā)利用取得巨大成效；國內(nèi)地下空間開發(fā)利用初具規(guī)模；地下空間開發(fā)利用是21世紀(jì)城市發(fā)展的必然趨勢(shì)：世界共商發(fā)展大計(jì)；我國城市發(fā)展迫切要求；拓展城市空間和容量的必然選擇。簡(jiǎn)述地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。（10分）1）地下空間內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)替代了原來的地層，承受原來有地層承受的荷載。設(shè)計(jì)和施工過程中，要最大限度發(fā)揮地層圍巖自身承載能力，以便控制地下建筑結(jié)構(gòu)的變形，降低工程造價(jià)。

2）在受荷狀態(tài)下構(gòu)建地下建筑結(jié)構(gòu)，地層荷載隨施工進(jìn)程發(fā)生變化，設(shè)計(jì)要考慮最不利的荷載工況。

3)地下空間結(jié)構(gòu)上的地層荷載由工程的地質(zhì)情況確定，對(duì)于土體一般可按松散連續(xù)體來計(jì)算；如是巖石，不僅要考慮巖石的種類，而且要查清巖石的構(gòu)造、節(jié)理、裂隙等，才能使結(jié)構(gòu)上的地層荷載準(zhǔn)確可靠。

4）地下水的狀態(tài)對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工影響較大，如靜水壓力、動(dòng)水壓力、浮力效應(yīng)、腐蝕性等。設(shè)計(jì)前查清地下水位的分布和變化。

5）設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)資料可能與施工揭露的實(shí)際地質(zhì)情況不同，應(yīng)根據(jù)施工的實(shí)時(shí)工況隨時(shí)修改設(shè)計(jì)。

6）地下建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置變形縫最難處理的是防水問題，一般盡量避免設(shè)變形縫，通過局部加強(qiáng)地基、用整片較大的基礎(chǔ)、調(diào)整施工順序等得到整體平衡。

7）地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮與防水、防腐、防火、防霉、通風(fēng)等有關(guān)的特殊要求。

可見：地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算影響因素多，設(shè)計(jì)難度比地面結(jié)構(gòu)大。簡(jiǎn)述地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容。（10分）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是解決結(jié)構(gòu)的選型、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性、抗裂性等問題，并提供施工時(shí)結(jié)構(gòu)各部件的具體細(xì)節(jié)尺寸及連接大樣。內(nèi)容包括：

（1）確定工程防護(hù)等級(jí)、三防要求（核武器、化學(xué)武器、生物武器）動(dòng)、靜荷載標(biāo)準(zhǔn)；確定埋置深度與施工方法；選定結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)平面布置；然后開始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，

（2）初步擬定結(jié)構(gòu)截面尺寸，根據(jù)荷載和使用要求估算結(jié)構(gòu)跨度、高度、頂?shù)装寮斑厜穸鹊戎饕叽纾?/p>

（3）分析并初算結(jié)構(gòu)上作用的荷載值：按建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地震級(jí)別、埋置深度和土層情況求出作用在結(jié)構(gòu)上的各種荷載值；繪制初步結(jié)構(gòu)圖與計(jì)算簡(jiǎn)圖；

（4）結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析：選擇合適的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算模型和計(jì)算方法，得出結(jié)構(gòu)各控制設(shè)計(jì)截面的內(nèi)力；

（5）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算：抗浮、抗傾覆、抗滑動(dòng)等驗(yàn)算；

（6）內(nèi)力組合：在各種荷載作用下分別計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對(duì)最不利的情況進(jìn)行內(nèi)力組合，求出各控制截面的最大設(shè)計(jì)內(nèi)力值，并驗(yàn)算截面強(qiáng)度；

（7）配筋計(jì)算：核算截面強(qiáng)度和裂縫寬度，得出受力鋼筋，并確定必要的構(gòu)造鋼筋；繪制結(jié)構(gòu)施工詳圖：如結(jié)構(gòu)平面圖、結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋圖、節(jié)點(diǎn)圖等；

（8）安全性評(píng)估：如不符合安全要求，重新（選定結(jié)構(gòu)形式與布置）估算結(jié)構(gòu)跨度、高度、頂板、底版、邊墻厚度等主要尺寸；

（9）重復(fù)上述步驟，直到滿足各種要求；

（10）繪制施工設(shè)計(jì)圖，

（11）材料、工程數(shù)量和工程財(cái)務(wù)預(yù)算：選擇建筑材料、估算工程材料、工程量及經(jīng)濟(jì)預(yù)算等。

簡(jiǎn)述圍巖彈性抗力的形成過程，其值大小與哪些因素有關(guān)？如何計(jì)算圍巖彈性抗力？（10分）形成過程為：主動(dòng)荷載作用于—地下支護(hù)結(jié)構(gòu)—變形——作用于地層——地層反作用于地下結(jié)構(gòu)—產(chǎn)生被動(dòng)彈性抗力荷載。影響因素：層彈性抗力是地下建筑結(jié)構(gòu)特有荷載，影響因素有支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、地層的物理力學(xué)性質(zhì)。被動(dòng)荷載—地層彈性抗力計(jì)算：（a）局部變形理論：

溫克爾模型（點(diǎn)彈性理論），彈性地基（圍巖）某點(diǎn)的外力只引起該點(diǎn)的沉陷和變形；彈性抗力=地層彈性抗力系數(shù)*圍巖壓縮變形；該方法容易理解，計(jì)算簡(jiǎn)單，只要滿足工程要求，一般采用。計(jì)算關(guān)鍵問題是確定地層彈性抗力系數(shù)的大小。

（b）共同變形理論（面彈性變形理論）：

彈性地基（圍巖）某點(diǎn)的外力不僅引起該點(diǎn)的沉陷和變形，而且引起附近周圍一定范圍內(nèi)地基發(fā)生沉陷；但計(jì)算復(fù)雜，一般不用。畫圖分析說明收斂—約束法地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。（10分）圍巖特性曲線(支護(hù)需求曲線)開挖隧道時(shí)，由于臨空面的形成，圍巖開始向洞內(nèi)產(chǎn)生位移，這種位移為收斂；在開挖后適時(shí)地沿隧道周邊設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)巖體的移動(dòng)產(chǎn)生阻力，形成約束。在圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性允許的范圍內(nèi)，圍巖在支護(hù)前的收斂越大，支護(hù)所需要約束的圍巖剩余收斂就越小，即支護(hù)受到的圍巖剩余變形荷載越小。但如果圍巖出現(xiàn)塑性變形破壞，則塑性和塌落范圍增大，圍巖在設(shè)置支護(hù)前的收斂越大，支護(hù)所需要抵抗的圍巖塌落荷載也越大。這種關(guān)系見圍巖特征曲線

支護(hù)設(shè)置后，在彈性范圍內(nèi)，支護(hù)的變形越大，支護(hù)能提供的抗力越大，如果支護(hù)的剛度不足以完全制止圍巖的繼續(xù)變形，隨著變形的加劇，圍巖殘留形變荷載減小，支護(hù)提供的抗力增加，二者最終在某個(gè)圍巖變形值處達(dá)到平衡。這種利用圍巖與支護(hù)共同作用特性來選擇支護(hù)參數(shù)的方法為特征曲線法（收斂約束法）簡(jiǎn)述地下建筑結(jié)構(gòu)的概念，按結(jié)構(gòu)斷面形式可分為哪些類型？分別適用于什么類型的地下工程？（10分）地下建筑結(jié)構(gòu)基本定義：

保留上部地層（巖體或土層）的前提下，在開挖出的地下空間內(nèi)修建能夠提供某種用途的建筑結(jié)構(gòu)物，統(tǒng)稱為地下建筑結(jié)構(gòu)，一般是由人工建筑（構(gòu)筑）結(jié)構(gòu)、地下支護(hù)結(jié)構(gòu)與天然周邊圍巖共同組成地下建筑結(jié)構(gòu)體系。分類標(biāo)準(zhǔn)地下建筑結(jié)構(gòu)分類備注說明

按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面形式不同拱形地下建筑結(jié)構(gòu)噴錨襯砌、半襯砌、厚拱薄墻襯砌、直墻與曲墻拱形襯砌等。在地下工程中廣泛應(yīng)用，如隧道、地下廠房、倉庫等。圓形、矩形或管狀地下結(jié)構(gòu)軟土中的地下鐵道、穿越江河湖海底部的越江、跨海隧道。一般作成裝配式的管片或管節(jié)，施工時(shí)利用盾構(gòu)、頂管或沉管法形成?？蚣艿叵陆ㄖY(jié)構(gòu)軟土淺埋明挖施工的地鐵車站、廠房、地下醫(yī)院等采用框架地下建筑結(jié)構(gòu)。薄殼地下建筑結(jié)構(gòu)地下油庫、頂蓋采用穹頂薄殼結(jié)構(gòu)。異形地下建筑結(jié)構(gòu)非圓形、非矩形。如雙圓形襯砌結(jié)構(gòu)、三圓形襯砌結(jié)構(gòu)、橢圓形襯砌結(jié)構(gòu)等。7.簡(jiǎn)述地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算四種模型的優(yōu)缺點(diǎn)及基本適用條件。（10分）序號(hào)設(shè)計(jì)模型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)不足基本適用條件1工程經(jīng)驗(yàn)類比法1）以圍巖分類為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)借鑒已有的工程經(jīng)驗(yàn)；2）圍巖分類綜合考慮影響圍巖定性和定量因素；3）分析方法簡(jiǎn)便，分類參數(shù)便于獲??；4）無需定量計(jì)算，易于實(shí)現(xiàn)和掌握；5）為圍巖質(zhì)量預(yù)測(cè)提供了一條途徑；6）多數(shù)情況下能滿足工程實(shí)用精度要求；7）能綜合考慮多種非確定性影響因素，快速地對(duì)擬建地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)作出估算和評(píng)價(jià)。1）用于給定的跨度、洞形和埋深，不能具體反映不同因素變化對(duì)結(jié)構(gòu)條件的影響；2）不能反映支護(hù)類型與支護(hù)參數(shù)增減對(duì)安全性和經(jīng)濟(jì)性變化影響，不能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；3）不能利用已有的監(jiān)控資料定量地改進(jìn)設(shè)計(jì)；4）用于堅(jiān)硬巖石偏保守，用于軟弱圍巖偏危險(xiǎn)；5）以人的經(jīng)驗(yàn)為主，解決地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的范圍較窄，帶有的主觀性。該法的基礎(chǔ)在于積累和整理既有工程資料，充分掌握和占有已往類似工程的資料和成功經(jīng)驗(yàn)，前提是建立合理的圍巖分類體系，對(duì)地下工程圍巖進(jìn)行正確分級(jí)。成功建造的關(guān)鍵是作好施工過程的監(jiān)控量測(cè)和信息反饋。

2荷載—結(jié)構(gòu)模型（結(jié)構(gòu)力學(xué)模型）1）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型概念明確，采用成熟的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，計(jì)算結(jié)果可靠；

2）可以直接獲得結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，滿足傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；3）對(duì)明挖回填及淺埋剛性支護(hù)地下建筑結(jié)構(gòu)，計(jì)算精度較高，其結(jié)果滿足設(shè)計(jì)精度。1）計(jì)算中的荷載基于一定的假設(shè)前提，對(duì)于深埋地下工程，假設(shè)條件難以滿足；2）對(duì)于承受變形地壓的結(jié)構(gòu)，其計(jì)算難以考慮，計(jì)算精度不高；3）不能考慮結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，對(duì)于錨噴支護(hù)以及深埋變形巖層不能采用。該法適用于淺埋地下建筑結(jié)構(gòu)（上部為填土），圍巖塌落而出現(xiàn)松動(dòng)壓力的情況。3地層—結(jié)構(gòu)模型（連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型）1）能借助計(jì)算模型和數(shù)值計(jì)算技術(shù)，對(duì)不同條件、不同受力環(huán)境以及不同開挖方法進(jìn)行模擬，從而進(jìn)行支護(hù)參數(shù)和斷面形狀優(yōu)化；2）能研究地下工程的圍巖力學(xué)性質(zhì)變化（彈塑性區(qū)位置與大?。┮约皯?yīng)力分布；3）能在工程施工前進(jìn)行分析、研究和方案比較；4）能研究地下工程的變形破壞機(jī)理、失穩(wěn)條件以及影響因素。

1）由于巖土體參數(shù)準(zhǔn)確地獲取存在相當(dāng)困難，使得計(jì)算結(jié)果難以滿足設(shè)計(jì)要求；2）數(shù)值分析方法僅限于給出地下工程圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及彈塑性區(qū)的位置和大小，不能直接給出安全系數(shù)指標(biāo)；3）需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，也需要一定工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)者要求較高。適用于初始應(yīng)力、地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)筑在軟巖或較穩(wěn)定的地層內(nèi)，并采用新奧法設(shè)計(jì)、施工的復(fù)合襯砌或噴錨襯砌的隧道的設(shè)計(jì)。

4收斂—限制模型1）洞周圍巖變形是隧道圍巖整體穩(wěn)定性最直接、最能反映本質(zhì)和總體的宏觀表現(xiàn)。用這種方法設(shè)計(jì)最接近實(shí)際；2）給出圍巖支護(hù)系統(tǒng)在錨噴支護(hù)末期洞周收斂的概略值；3）圍巖變形是支護(hù)效果直觀體現(xiàn)。1）只能用于工程開挖施工階段，不能進(jìn)行開挖前的設(shè)計(jì)與分析；2）只能用于特定監(jiān)測(cè)工程，不能推廣應(yīng)用到尚未實(shí)施監(jiān)測(cè)的多數(shù)地下工程；3）對(duì)于隧道開挖后支護(hù)初期圍巖穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，尚無定量判據(jù)。適用用于工程開挖施工階段,用于特定監(jiān)測(cè)工程8.簡(jiǎn)述地下工程開挖與支護(hù)過程中圍巖應(yīng)力的變化過程，并分析地下工程一次支護(hù)和二次支護(hù)各有什么特點(diǎn)。（10分）地下工程開挖前巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)，為一次（原始）應(yīng)力平衡狀態(tài)；地下開挖后，引起了圍巖應(yīng)力的重調(diào)整分布，同時(shí)圍巖將產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移，形成了新的應(yīng)力場(chǎng)，稱之為圍巖的二次應(yīng)力平衡狀態(tài)；坑道支護(hù)后，相當(dāng)于在坑道周邊施加了一個(gè)阻止隧道圍巖變形的支護(hù)阻力(抗力)，從而也改變了圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)。支護(hù)阻力的大小和方向?qū)鷰r的應(yīng)力狀態(tài)有著很大的影響。這就是三次應(yīng)力平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)類型、方法以及施設(shè)時(shí)間等有關(guān)。三次應(yīng)力狀態(tài)滿足穩(wěn)定要求后就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)，這個(gè)復(fù)雜的力學(xué)變化過程才告結(jié)束。

｛此問真沒有｝9.按使用功能不同，地下工程如何分類？如何區(qū)分深埋和淺埋地下工程？（10分）按開發(fā)利用階段層次分人類生存和確保安全的地下工程儲(chǔ)藏設(shè)施、地下住宅等；能源（石油、天油氣）儲(chǔ)藏，用水儲(chǔ)藏：放射性廢棄物處理等；伴隨城市發(fā)展而加以利用的地下工程地下街、停車場(chǎng)、交通系統(tǒng)、能源供給、通信、文化設(shè)施、地下鐵道、市政地下管道等；伴隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展而利用的地下工程地下生產(chǎn)工廠、地下水力發(fā)電站、廢棄物地下處理等；大規(guī)模國土有效利用的地下工程城市之間地下交通、物流系統(tǒng)、鐵路隧道、公路隧道、海峽隧道等；防御和減災(zāi)的地下工程人防工程、地下防洪大壩、地下河等；分類標(biāo)準(zhǔn)地下建筑結(jié)構(gòu)分類備注說明按使用條件、功能不同分類交通隧道鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道、水底隧道等。水工隧洞水力發(fā)電站的各種輸水隧洞、灌溉輸水隧洞、給水排水隧洞等。礦山隧道礦山各類運(yùn)輸隧道、開采井巷等。地下倉儲(chǔ)糧食、油料、水果、蔬菜等的儲(chǔ)藏庫、魚肉食品冷藏庫、車庫、核廢料封存庫等。按地下工程埋置深度區(qū)分淺層地下工程埋深10m范圍內(nèi)的地下工程；次淺層地下工程埋深10～30m范圍內(nèi)的地下工程；中層地下工程埋深30～50m范圍內(nèi)的地下工程；深層地下工程埋深50m以下的地下工程；全地下工程h/b＜a時(shí)，為淺埋地下建筑工程；h/b≥a時(shí)，為深埋地下建筑工程；h：洞頂襯砌外緣至地面的垂直距離；b：為洞頂襯砌外緣的跨度或圓形洞室的直徑；a：根據(jù)土壓力理論計(jì)算，a約為2.5；10.分析比較地面建筑結(jié)構(gòu)與地下建筑結(jié)構(gòu)的工程特點(diǎn)。（10分）比較內(nèi)容地下建筑結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)地面建筑結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)荷載類型和形成先后順序先有荷載，后有結(jié)構(gòu)。在地下建筑結(jié)構(gòu)形成前存在地應(yīng)力、地下水壓力等荷載；除存在主動(dòng)荷載外，存在被動(dòng)荷載—彈性抗力作用。先有結(jié)構(gòu)工程，后有荷載。經(jīng)過施工，形成地面結(jié)構(gòu)，承受靜載和動(dòng)載作用；一般只有主動(dòng)荷載。工程材料特性工程材料具有不確定性：除支護(hù)材料、建筑結(jié)構(gòu)材料可控制外，圍巖地質(zhì)體難以預(yù)測(cè)和控制。表現(xiàn)在：1）空間上不確定性：不同位置的圍巖地質(zhì)條件如巖性、斷層、節(jié)理、地下水、地應(yīng)力等存在差異。2）時(shí)間上不確定性：不同歷史演變時(shí)期，上述因素不同，且與開挖方式、支護(hù)形式、時(shí)間、工藝等密