同济大学地下建筑结构复习要点
同济大学地下建筑结构复习
1 绪论
1.1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。要考虑地下结构与周围岩土体的共同作用。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。
1.2简述地下建筑结构设计程序及内容
设计工作一般分为初步设计和技术设计两个阶段
初步设计主要内容：1.工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定2.确定埋置深度和施工方法3.初步设计荷载值4.选择建筑材料5.选定结构形式和布置6.估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸7.绘制初步设计结构图8.估算工程材料数量及财务概算
技术细节主要内容：1.计算荷载2.计算简图3.内力分析4.内力组合5.配筋设计6.绘制结构施工详图7材料、工程数量和工程财务预算
2 地下建筑结构的荷载
2.1地下建筑荷载分哪几类？
按其存在的状态，可以分为静荷载、动荷载和活荷载等三大类
2.2简述地下建筑荷载的计算原则
需进行最不利情况的组合，先进性个别荷载单独作用下的结构各部件截面内力，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。
2.3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>Ea 2.4静止土压力是如何确定的？
在挡土结构在土压力作用下，结构不发生变形和任何位移，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。静止土压力可根据半无限弹性体的应力状态求解。
2.5库仑理论的基本假设是什么？并给出其一般土压力计算公式。
基本假设：1)挡土墙墙后土体为均质各向同性的无黏性土2）挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题3）挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动碶体，滑裂面为通过墙踵的平面4）墙顶处土体表面可以是水平的也可以是倾斜面，倾斜面与水平面的夹角为β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。
计算公式见书P.13. P=γh^2K/2
2.6应用库仑理论如何确定黏性土中的土压力大小？
库仑土压力理论是根据无黏性土的情况导出，没有考虑黏性土的黏聚力，因此，当挡土结构处于黏性土层时，应该考虑黏聚力的有利影响。在工程实践中可采用换算的等效内摩擦角来进行计算或在库仑理论基础上，考虑土的黏聚力作用可适用填土表面为一倾斜平面，其上作用有均布超载的一般情况。
2.7简述朗肯土压力理论的基本假设。
基本假定:1)d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
2.8如何计算分层土的土压力？
通常采用凑合的方法，按转换成相应的当量土层，分两种情况1）按第i层土的物理力学指标计算第i层的土压力2)按第1—i层土的加权平均指标进行计算2.9不同地面超载作用下的土压力是如何计算的？
P．23．
2.10考虑地下水时的水平压力如何计算的？
分为水压力分算和水压力合算，对砂性土和粉土，可按水土分算原则进行，对黏性土可根据现场情况和工程经验，按水土分算或合算进行。水土分算是采用浮重度计算土压力，按静水压力计算水压力，然后两者相加即为总的侧压力。水土合算是采用土的饱和重度计算总的水、土压力。
稳态渗流时水压力的计算
2.11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。分为围岩垂直压力、围岩水平压力、围岩底部压力。
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。
2.12简述围岩压力计算的两种理论方法？二者有何区别？
两种理论分别为1）按松散体理论计算围岩压力，当地下结构上覆岩层较薄时。通常认为覆盖层全部岩体重量作用于地下结构。这时地下结构所受的围岩压力就是覆盖层岩石柱的重量。深埋结构是指地下结构的埋深大到这样一种程度，以致两侧摩擦阻力远远超过了滑移柱的重量，深埋结构的围岩压力是研究地下洞室上方一个局部范围内的压力现象部分岩体的稳定性，这部分岩体称为岩石拱，只有以下岩体重量对结构产生压力，称此为压力拱，为二次抛物曲线。水平围岩压力只对较松软的岩层才考虑。由于围岩隆起而对衬砌底板产生的作用力叫底部围岩压力2）按弹塑性体理论计算围岩压力
2.13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。岩土体将制止结构的变形，从而产生了对结构的反作用力，对这个反作用力习惯上称弹性抗力。弹性抗力大小和分布规律不仅决定于结构的变形，还与地层的物理力学性质有着密切的关系。
2.14 如何确定弹性抗力？
目前有两种理论，一种是局部变形理论，认为弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷。另一种是共同变形理论，即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
2.15简述温克尔假定。
假设认为地层的弹性抗力与结构变位成正比。
2.16如何考虑初始地应力、释放荷载和开挖效应？
初始地应力的确定对岩石地层，可分为自重地应力和狗找地应力两部分，而土层一般仅有自重地应力。围岩与支护间形变压力的传递，是一个随时间的推进而逐渐发展的过程。这类现象习称时间效应。有限元分析中，形变压力常在计算过程中同时确定，而作为开挖效应的模拟，直接施加的荷载是在开挖边界上施加的释放荷载。释放荷载可有已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。
3弹性地基梁理论
3.1简述弹性地基梁两种计算模型的区别
第一种模型是局部弹性地基模型，是建立在温克尔假定前提下，把地基模拟为刚性支座上一系列独立的弹簧，没有反映地基的变形连续性，特别对于密实厚土层地基和整体岩石地基，将会引起较大误差，如果地基上部为较薄的土层，下部为坚硬岩石，结果比较满意。第二种模型是半无限体弹性地基模型，提出另一种假设：把地基看作一个均质、连续、弹性的半无限体，可把弹性力学结论做为计算基础。其中弹性假设没有反映土壤的非弹性性质，均质假设没有反映土壤的不均匀性，半无限体假设没有反映地基的分层特点。
3.2简述弹性地基梁与普通梁的区别
两个区别：1)普通梁只在有限个支座处与基础相连，梁所受的支座反力是有限个未知力，因此，普通梁是静定的或有限次超静定的结构。弹性地基梁与地基连续接触，梁所受的反力是连续分布的，也就是说弹性地基梁具有无穷多个支点和无穷多个未知反力。无穷多次超静定。2）普通梁的支座通常看作是刚性支座，即略去地基的变形，只考虑梁的变形，而弹性地基梁必须同时考虑地基的变形。实际上梁与地基是共同变形的。
3.3简述弹性特征系数α的含义及其确定公式
α是与梁和地基的弹性性质相关的一个综合参数，反映了地基梁与地基的相对刚度，对地基梁的受力特性和变形有重要影响，通常把α称为特性系数，αλ
称为换算长度。计算公式α
=
=α
3.4何为弹性地基短梁、长梁及刚性梁？有什么区别？
当弹性地基梁的换算长度1<λ=αL<2.75时，属于短梁，它是弹性地基梁的一般情况。长梁可分为无限长梁、半无限长梁。当换算长度λ>=2.75时，属于长梁，若荷载作用点距梁两端的换算长度均不小于2.75时，可忽略该荷载对梁端的影响，这类梁称为无限长梁，若荷载作用点仅距梁一端的换算长度不小于2.75时可忽略该荷载对这一端的影响，而对另一端的影响不能忽略，这类梁称为半无限长梁，无限长梁可化为两上半无限长梁。当换算长度λ<=1时，属于刚性梁，可认为梁是绝对刚性的。划分标准主要依据梁的实际长度与梁和地基的相对刚度之乘积。
4地下建筑结构的计算方法
4.1简述地下建筑结构计算理论的发展过程
地下建筑计算理论建立了典型的假定抗力方法、弹性地基梁的力法、角变位移法及不平衡力矩与侧力传播法等
4.2简述地下建筑结构计算方法的类型及含义。
1）以参照以往隧道工程的实践经验进行工程类比为主的经验设计法
2）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
3)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
4）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元法
我国采用的计算方法主要有荷载—结构模型，地层—结构模型，经验类比法，收敛限制模型（或称特征线法，计算理论也是地层结构法）
4.3试述荷载结构法、地层结构法的基本含义和主要区别
荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗力）衬砌在荷载作用下产生内力和变形，与其相应的计算方法称为荷载结构发，设计原理是认为隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载作用。
地层结构模型把地下结构与地层作为一个受力变形的整体，按照连续介质力学原理来计算地下建筑结构以及周围地层的变形；不仅计算出衬砌结构的内力及变形，而且计算周围地层的应力，充分体现周围地层与地下建筑结构的相互作用。相对于荷载结构发，充分考虑了地下结构与周围地层的相互作用，结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及
周围地层的变形更能符合工程实际。设计原理是将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系，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，据以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。
4.4简述荷载结构法和地层结构法的计算过程
荷载结构法计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计。 地层结构法，计算包括初始地应力，本构模型，单元模式，施工模拟几部分
5地下建筑结构可靠度理论
5.1简述地下建筑结构不确定性因素及其特点。
地下建筑结构的不确定因素及其特点一般来说，地下建筑结构中不确定性因素主要体现在其周围的地层介质特性、结构力学计算模型的假设、施工因素以及环境因素等1）地层介质特性参数的不确定性2）岩土体分类的不确定性3）分析模型的不确定性4）荷载与抗力的不确定性5）地下结构施工中的不确定性因素6）自然条件的不确定性
5.2简述地下建筑结构可靠性分析的特点
在进行地下建筑结构工程可靠性分析时，应考虑以下几个方面：1）周围岩土体介质特性的变异性2）地下建筑结构规模和尺寸的影响3）极限状态及失效模式的含义不同4）极限状态方程呈非线性特征5）土性指标的相关性6）概率与数理统计的理论与方法的应用
5.3地下建筑结构的可靠度指标如何确定的？
地下建筑的可靠度就是在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率大小。具体可靠度尺度有三种：可靠概率s p 、失效概率f p 、可靠度指标β。由于直接应用数值积分方法计算地下结构的失效概率比较困难，因此实际中多采用近似方法，为
此引入结构可靠指标概念。z z R βμσμμ==-,当结构失效概率小于等于310-时，结构的失效概率对功能函数Z 的概率分布不再敏感。
5.4结构可靠度分析方法有哪几种？各有什么特点和不同？
1）半经验半概率法2）近似概率设计法3）全概率法4）广义可靠性分析
近似方法有中心点法，演算点法，JC法，随机变量相关时的可靠度的分析方法以及蒙特卡罗模拟
5.5试述结构可靠度分析方法在地下建筑结构中的应用前景。
6 浅埋式结构
6.1 试列举几种工程中常见的浅埋式结构形式并简述其特点
大体可归纳为三种：直墙拱形结构（在小型的地下通道以及早期的人防工程中比较普遍，拱形结构主要承受压力，弯矩和剪力都较小，主要使用砖石和混凝土等抗压性能较好抗拉性能较差的材料,有半圆拱、割圆拱、抛物线拱等多种形式）、矩形框架（具有空间利用率高，挖掘断面经济，易于施工的优点,顶底板为水平构建承受弯矩较拱形结构大，故一般做成钢筋混凝土结构，可以是单跨双跨或多跨的）和梁板结构（如地下医院、教室、指挥所等），或是上述形式的组合。
6.2简述浅埋式矩形框架结构的计算原理，如何确定其计算简图？
结构计算包括三方面：荷载计算、内力计算、截面设计。在静荷载作用下地层中的闭合框架一般按弹性地基上的框架进行计算，弹性地基可按温克尔地基考虑，也可将地基视作弹性半无限平面。在特殊荷载与其他荷载共同下，按弯矩及轴力对构件进行强度验算时，要考虑材料在动载作用下的强度提高，而按剪力和扭力对构件进行强度验算时，则材料的强度不提高。
6.3浅埋式结构的适用场合
6.4浅埋式结构的地层荷载如何考虑
因为是浅埋式结构，所以计算覆土压力时，只要将结构范围内顶板以上各层土壤包括路面材料的重量之和求出来，然后除以顶板的承压面积即可，如果土壤位于地下水中，则它的容重要采用浮容重。
6.5浅埋式结构考虑与不考虑弹性地基影响有何区别
6.6浅埋式结构节点设计弯矩与计算弯矩有何区别？如何计算节点的设计弯矩？根据计算简图求解超静定结构时，直接求得是节点处的内力，然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。节点弯矩（计算弯矩）虽然比附近截面的弯矩打，但其对应的截面高度是侧墙的高度，所以实际不利的截面则是侧墙边缘处的截面，对应的截面弯矩称为设计弯矩。
7 附建式地下结构
7.1何谓附建式结构？附建式结构的形式、用途及特点有哪些？
附建式地下结构是指根据一定的防护要求修建的附属于较坚固的建筑物的地下室，又称防空地下室或附建式人防工事。附建式结构的形式有1梁板结构2板柱结构3箱形结构4其他结构
7.2附建式人防工事在设计时，需要注意哪些事项？
附建式地下结构设计不仅要根据强度和稳定性的要求确定其断面尺寸与配筋方案，对结构进行防光辐射和早期核辐射的验算，对其延性比加以限制不使结构变形过大，同时要保证整体工事具有足够的密闭性和整体性。由于处于土层介质中其构造要求如下，1建筑材料的最低强度等级不应低于相关规范所规定的数值。2结构的最小厚度不低于表7-1的数值3保护层最小厚度应比地面结构增加一些保护层最小厚度可按表7-2规定取值4变形缝的设置受地面建筑物的制约较大。原则上应服从地面建筑的要求5圈梁的设置6构件相接处的锚固7其他构造要求
7.3附建式结构的荷载有哪几类?如何确定附建式结构的荷载？
顶板1核爆炸冲击波超压所产生的动载设计中常将冲击波动载变为相应的等效静载2顶板以上的静荷载包括设备夹层、房屋底层地坪和覆土层重以及战时不迁动的固定设备等。3顶板自重
侧墙的战时荷载组合1压缩波形成的水平方向动载，可通过计算将动荷载转变为等效静载2顶板传来的动荷载与静荷载，根据顶板荷载计算结果求出反力来确定3上部地面建筑自重4侧墙自重5土壤侧压力及水压力
承重内墙（柱）1上部地面建筑的部分自重（目前建议取其一半）不应计入2顶板传来的动荷载一般化为等效静载3顶板传来的静荷载4地下室内墙（柱）的自重
7.4附建式结构设计需要符合哪些规范要求，如何做到平战结合？
7.5附建式结构顶板、临空墙、洞口的防护要求有何特点？构造上如何处理？
位于防护门以外通道内的防空地下室外墙称为临空墙，临空墙外侧没有土层，厚
度应满足早期核辐射的要求，同时它是直接受冲击波作用，动荷载要比一般外墙大，应尽量减少临空墙。当室外出入口没有条件设在地面建筑物倒塌范围以外，而又不能和其他地下室联通时可考虑在室外出入口口部设置坚固棚架的方案。当竖井式室外出入口不能设在地面建筑物倒塌范围以外时，也可考虑设在建筑物外墙一侧，其高度可在建筑物底层顶板水平上。
7.6简述附建式结构的口部设计的重要性及其特点。
防空地下室的口部是整个建筑物的一个重要部位，在战时它比较容易被摧毁造成口部的堵塞，影响整个工事的使用和人员的安全，为使地下室与地面建筑连系，特别是为平战结合创造条件，每个独立的防空地下室至少要有一个室内出入口。室内出入口有阶梯式与竖井式两种
8 沉井与沉箱结构
8.1 简述沉井结构与沉箱结构的特点及其应用范围
8.2 简述沉井结构设计计算上的特点及其需要进行的若干步骤。
8.3压气沉箱结构在施工上有何特点？它与沉井结构的施工有何不同？
8.4简述压气沉箱主体结构的构成情况以及在设计上的注意事项
9 地下连续墙结构
9.1试述地下连续墙结构的优点及适用条件。
9.2地下连续墙结构包括哪些设计内容？
9.3导墙作用是什么？如何确定导墙深度与宽带？
9.4地下连续墙结构作为围护结构和主体结构一部分的设计计算有何不同之处？
9.5地下连续墙槽段划分的依据是什么？槽段长度对槽壁稳定性有何影响？
9.6地下连续墙结构槽段间接头形式有哪几种？其适用条件如何？
9.7作为主体结构的一部分的地下连续墙结构与主体结构的连接有哪些方式？其各自特点及适用条件如何？
10 盾构法隧道结构
10.1盾构法隧道的适用条件和特点？
10.2盾构法隧道衬砌管片有哪几种？举出三种常见型号并简述其各自特点和使用条件？
10.3盾构法隧道结构计算模型有哪几种？各有何优劣？如何考虑接头的影响？
10.4盾构法隧道结构的水土荷载如何计算？试分析地层抗力对隧道结构内力的影响？
10.5简述几种新型管片形式的特点
10.6盾构法圆形衬砌管片拼装方式有哪几种，各自有何优缺点和适应性？
10.7盾构法隧道衬砌内力分布与管片结构的关系？
10.8盾构法隧道衬砌结构断面选择时都应验算哪些内容，验算时都应注意什么？
10.9盾构法隧道衬砌结构的防水、抗渗都可以采用哪些措施？