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；10T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1.56.0m，覆土层厚3.020m,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mine tunnelling method 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040m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0.61.0m。,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4-1,back,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时 （2）当土洞周边切向压应力为时 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时,back,（2）当土洞周边切向压应力为时,（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,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(2.02.5)h0 浅埋 结构上覆地层的厚度H(2.02.5)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=(1.02.0)B 同时 H分界 (2.02.5)h0,2 经验判断法,back,对粘性土 对砂土 当HH分界为浅埋；HH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1050（），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 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，ah的垂直距离相当于的ab/3垂直距离 ab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） 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 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hp求出来。然后，单独以h=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h,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k,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h=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h 。 最后把h=1作用下求出的内力乘以h，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。,曲墙式衬砌计算的基本原理,求主动荷载作用下的衬砌结构的内力,求单位弹性抗力作用下的衬砌结构的内力,求最大抗力h,计算各截面的最终内力,利用叠加原理：,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 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 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 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A B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