地下建筑结构复习题.doc

一、简述题
1围岩压力是什么？分为哪几类？举例说明与哪些因素有关？
在围岩发生变形时及时进行衬砌或围护，阻止围岩继续变形，防止围岩塌落，则围岩对衬砌结构就要产生压力，即所谓的围岩压力。
围岩压力分为围岩垂直压力、围岩水平压力和围岩底部压力
岩石的强度、岩体的结构（如结合岩体结构分析围岩压力，则可认为火成岩系整体状结构，未曾或只通过轻微的区域构造变动，在没有断层和不良软弱结构面的不利组合时，这种岩体的完整性好、强度高，设计计算时可不考虑围岩压力。而碎块状岩体结构，因其完整性差，围岩压力较大。）地下水（重要表现为削弱岩体的强度，加速围岩的风化，从而导致围岩压力增大。）洞室尺寸与形状（尺寸较小的圆形和椭圆洞室产生的围岩压力较小，而尺寸较大的矩形和梯形洞室产生的围岩压力则较大，由于后者易在顶部围岩中出现较大的拉应力，并在两边转角处出现明显的应力集中。）施工方法、支护时间、支护的类型和刚度及洞室建成后的使用年限有关
2对于深埋结构的垂直围岩压力计算，简述普氏理论和太沙基理论的原理。普氏理论（将真正的岩体代之以某种具有一定特性的特殊松散体，以便采用与抱负松散体完全相同的计算方法。）太沙基（也将岩体视为散粒体。他认为坑道开挖后，其上方的岩体将因坑道变形而下沉，产生如图所示的错动面OAB，假定作用在任何水平面上的竖向压力是均布的。）
3 按衬砌与地层互相作用考虑方式的不同，地下结构计算方法可大体区分为哪两类，简述其含义。
荷载结构法（认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载（涉及积极的地层压力和被动的地层抗力)，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法。弹性连续框架(含拱形)法、假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等可归于荷载结构法）
地层结构法（认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层内力的计算方法 常见的关于圆形衬砌的弹性解、粘弹性解和弹塑性解等都归属于地层结构法）

4 简述浅埋式矩形框架结构的计算原理。
结构计算通常涉及三方面的内容，即:荷载计算:顶板上荷载计算：作用于顶板上的荷载，涉及有顶板以上的覆士压力、水压力、顶板自重、路面荷载以及特载。 底板上荷载计算：地基反力为直线分布。作用于底板上的荷载可按下式计算 ， 侧墙上荷载计算 侧墙上所受的荷载有土层的侧向土压力、水压力及特载。
内力计算 ： 计算简图、截面选择、计算方法 （闭合框架一般可采用位移法计算，当不考虑线位移的影响时，则以力矩分派法为简便。在多层多跨的复杂情形可借助于计算机计算。）设计弯矩、剪力及轴力的计算
截面设计，地下矩形闭合框架结构的构件(顶板、侧墙、底板)均按偏心受压构件进行截面验算 抗浮验算

5 浅埋式结构节点设计弯矩和计算弯矩有何区别？如何计算节点的设计弯矩。用位移注或力矩分派法解超静定结构时，直接求得的是节点处的内力(即构件轴线相交处的内力) ，然后运用平衡条件可以求得各杆任意截面的内力。节点弯矩(计算弯矩)虽然比附近截面的弯矩为大，但其相应的截面高度是侧墙的高度，所以，实际不利的截面(弯矩大而截面高度又小)则是侧墙边沿处的截面，相应这个截面的弯矩称为设计弯矩。

M —— 设计弯矩
Mp—— 计算弯矩
Qp—— 计算剪力
b —— 支座宽度
q —— 支座作用于杆件上的均布荷载

6 盾构法隧道衬砌内力计算中，为了考虑管片接头的影响，国际隧协推荐哪两种估算方法，简述其原理。
1η—ξ法 一方面将衬砌环按均质圆环计算，但考虑纵缝接头的存在，导致整体抗弯刚度减少，取圆环抗弯刚度为ηEI（η为抗弯刚性的有效率，η≤1）。计及圆环水平直径处变位y，两侧抗力 pk= k y 后，考虑错缝拼装管片接头部弯矩的传递，错缝拼装弯矩传递及分派如图
接头内力管内内力
2 旋转弹簧（半铰） K-ξ（ 法） 用一个旋转弹簧（半铰）模拟接头，且假定弯矩与转角成正比，计算构件内力为
假如管片环没有接头，则 K=∞ ，ξ=0。若假定管片环的接头为铰接，则K= 0 ，ξ=1
8 盾构法隧道衬砌结构断面选择时应验算哪些内容，有何规定？
断面选择在不同工作阶段具有不同的内容和规定。需进行抗裂或裂缝限制，强度和变形等验算。
基本使用荷载阶段，需进行抗裂或裂缝限制，强度和变形等验算
组合基本荷载阶段和特殊荷载阶段，一般仅进行强度检查，变形和裂缝开展可不予以考虑

9 单圆的盾构结构计算时，拱底反力一般涉及哪几部分？写出计算公式。
见笔记
10沉管结构的浮力设计涉及哪些内容，如何选取河水比重和混凝土容重。
浮力设计就是设计好重量与浮力间的关系，浮力设计的内容涉及干舷选定和抗浮安全系数的验算，其目的是最终拟定沉管结构的高度和外廓尺寸。在进行浮力设计时，应按最大的混凝土重度，最大的混凝土体积和最小的河水密度来计算干舷。 进行浮力设计时，应按最小的混凝土容重和体积，最大的河水比重来计算各阶段抗浮安全系数
11 沉管的横、纵向结构计算各采用什么理论。
沉管的横截面结构形式多是多孔(单孔的很少)箱形框架，管段横断面内力-般按弹性支承箱形框架结构计算。（计算量已不成问题，运用一般平面杆系结构分析的通用程序，就可迅速得到解决。）
施工阶段的沉管纵向受力分析，重要是计算浮运、沉设时施工荷载（定位塔、端封墙等)所引起的内力。
使用阶段的纵向受力分析，一般按弹性地基梁理论进行计算。沉管隧道纵断面设计需要考虑温度荷载和地基不均匀沉阵以及其他各种荷载，根据隧道性能规定进行合理组合。
12 沉管隧道采用桩基后， 基桩桩顶标高在实际施工中不也许达成完全齐平，有哪些解决方法。
1水下混凝土传力法 （基桩打好后，先浇一、二层水下混凝土将桩顶裹住。而后再在水下铺上一层砂石垫层，使沉管荷载经砂石垫层和水下混凝土层传到桩基上去）
2砂浆囊袋传力法（在管段底部与桩顶之间，用大型化纤囊袋灌注水泥砂浆加以垫实，使所有基桩均能同时受力。）所用囊袋既要具有较高的强度，又要具有充足的透水性，以保证灌注砂桨时，囊内河水能顺利地排出囊外。砂浆的强度，不需要太高，略高于地基土
3活动桩顶法（在所有的基桩顶端设一小段预制混凝土活动桩顶。在管段沉设完毕后，向活动桩顶与桩身之间的空腔中灌注水泥砂浆或软垫层，将活动桩顶顶升到与管底密贴接触为止。）
13 沉管管段之间水下连接有哪些方法？
水下连接的方法有两种，一种是水下混凝土连接法，一种是水力压接法（对位 、拉合、 压接 、 拆除隔墙）
14 沉井和钢板桩支护条件下的顶管工作井，后靠土体的稳定条件各是什么？沉井承压壁后靠土体在顶管顶力超过其承受能力后会产生滑动.承压壁后靠土体水平方向的极限平衡条件为Pj = 2F1 + F2 + Pp - Pa
Pj —— 顶管最大计算顶力.
F1、 F2—— 沉井一侧的侧面、底面摩擦阻力
Pp、Pa—— 沉井承压井壁的总被动、积极土压力
若不考虑F1、F2，一般采用下式进行承压壁后靠土体的稳定性验算
Ks—沉井稳定系数，一般取Ks=l.O～1.2，土质越差，Ks的取值越大
板桩 A点在后靠土体被动土压力线上或在其左侧(即承压壁后靠土体反力等于或小于承压壁上的被动土压力)时 ，则后靠土体是稳定的，由此推导得后靠土体的稳定条件为：

15 顶管结构的设计内容有哪些？其关键是什么？
顶管工程设计重要应解决好工作井设立、顶管顶力估算、承压壁后靠结构及土体的稳定问题。其中最重要的是顶力值的计算。通过计算拟定顶进设备能力、验算管节所能承受的最大顶力、布置顶进设备、计算后背的承载能力和选择相应的后背形式等。
16顶管结构的施工荷载涉及哪些？施工阶段需要验算哪些内容？
千斤顶的顶力、顶进阻力（贯入阻力、摩擦阻力、管节自重产生的摩擦）
Rf—— 顶力
Pv——管顶上的竖向土压力
Ph——管侧土压力
G——所有顶管管道自重
f——管壁与土体间摩擦系数
PA——管端部贯入阻力
验算的有：管段允许顶力计算、顶管工作井普遍采用沉井或钢板桩支护结构。对这两种形式的工作井都应一方面验算支护结构强度。另一方面还必须验算顶管承压壁后靠土体的稳定性、中继环的设计计算
17 整体式隧道衬砌结构有哪几种形式，各合用于什么条件？
1半衬砌结构 （在坚硬岩层中，若侧壁无坍塌危险，仅顶部岩石也许有局部滑藩时，可仅施作顶部衬砌，不作边墙，喷一层不小于2cm厚的水泥砂浆护面，即为半衬砌结构）
2厚拱薄墙衬砌结构 （适宜用在水平压力较小，且稳定性较差的围岩中。对于稳定或基本稳定围岩中的大跨度、高边墙洞室，如采用喷锚结构施工装备条件存在困难，或喷锚结构防水达不到规定期，也可考虑使用。）
3直墙拱形衬砌结构 (在一般或较差岩层的隧道结构，通常是拱顶与边墙浇筑在一起，形成一个整体结构，即直墙拱形衬砌结构，这是一种被广泛应用的隧道结构形式，如铁路隧道等)
4曲墙结构 (在很差的岩层中，岩体松散破碎且易于坍塌，衬砌结构一般由拱圈、曲线形侧墙和仰拱形底板组成，形成所谓的曲墙衬砌结构)
5复合衬砌结构 (复合支护结构一般认为围岩具有自支承能力，支护的作用一方面是加固和稳定用围岩，使围岩的自支承能力可充足发挥，从而可允许围岩发生一定的变形和由此减薄支护结构的厚度)
6连拱隧道结构(对于长度不是特别长的公路隧道(100～500m），特别是处在地质、地形条件复杂及征地受严格限制地区的中小隧道，常采用连拱隧道的形式)
18 简述力法中弹性固定系数aik的物理意义。
ai k (i，k = 1，2) 的物理意义是，基本结构取为弹性固定悬臂梁时的单位变位；aio (i = 1，2) 为载变位；

19 用力法计算直墙拱衬砌结构，拱脚最终水平位移和弹性抗力公式？

β1、u1—— 墙顶在单位力矩作用下发生的墙顶的角变和水平位移;
β2、u2—— 墙顶在单位水平力作用下发生的墙顶的角变和水平位移;
β3、u3—— 墙顶在单位竖向力作用下发生的墙顶的角变和水平位移
βne、une——梯形分布的水平力e引起的墙顶的角变和水平位移;
——基本结构中左半拱上的荷载引起的墙顶弯矩、水平力和竖向力;
——基本结构中左半拱上的弹性抗力引起的墙顶弯矩、水平力和竖向力
Vc ——边墙自重，但不涉及下端加宽的一段。
式中 σn ——拱脚处的弹性抗力集度;
σ ——拱的 nb 段上任意点的弹性抗力集度， σn 和σ的作用线与拱轴线上相应点的切线垂直
φb—— 通常定为450
20 地下结构的计算理论中，所谓“脱离区”的含义是什么？
(在非均匀分布的积极荷载作用下，支护结构的一部分 将发生向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就必然会对支护结构产生反作用力来抵制它的变形，这种反作用力就称为弹性反力，属于被动性质。)而支护结构的另一部分则 背离围岩向着隧道内变形，当然，不会引起弹性反力，形成所谓“脱离区”
21 地下建筑的抗震性能一般比地面建筑好，重要因素是什么？
地下建筑物上部有较厚的自热岩土覆盖，并可以根据防护和使用规定拟定其所需要的自然覆盖层，还可以运用天然岩土层的围护，具有良好的防护性能。地下建筑碰到地震是整体产生位移
而地上建筑碰到地震重要是由于地基产生地震而导致地面上部分的位移 力的作用重要是在建筑下
从我国唐山地震的调查来看，地下结构物的震害要较地上结构物的震害大大减小。

22 按弹塑性理论计算围岩压力时，修正芬纳公式是什么，它有何意义？

著名的修正芬纳公式。表达当岩体性质、埋深等拟定情况下，非弹性变形区大小与支护对围岩提供的反力间的关系。

23 简述用力法计算直墙拱结构的环节？
1 顶拱的计算1） 用力法方程式求解多余力x1和x2，解出的x1和x2均具有弹性抗力σn。2）将x1和x2代入拱脚转角和水平位移表达式，求出u0，其中仍具有σn。将 u0 代入温克尔假定即σn=Ku0sinφn 求出σn
3） 求出x1、x2后，运用静力平衡条件计算顶拱各截面内力
2 边墙的计算1）由拱脚转角和水平位移表达式拟定初参数 y0和θ0，即y0=u0，θ0=β0，初参数 M0 和 Q0 可由下式拟定。2）当四个初参数 y0、θ0、 M0 和 Q0拟定后，再按短梁、长梁或刚性梁相应的公式，计算边墙的角变、位移和内力
24 在顶管工程中什么情况下需要采用中继接力顶进技术？在长距离顶管工程中，由于施工中的土层变化及其他因素，常会使顶力发生突变，为 了安全的需要，中继环的设计一般偏保守
出现以下情况时，则需考虑设立中继环：
① 总顶力超过了主千斤顶的最大顶力；
② 总顶力超过了管道的强度；
③ 总顶力超过了后背的强度。

二、 计算题
1 已知半衬砌拱圈的几何数据、拱脚弹性抗力系数。试推导单位弯矩、单位水平力、单位垂直力作用下拱脚弹性固定系数。公式（14-14）
2普氏理论和太沙基础理论围岩压力计算 公式(2-81)、（2-94）、(2-95)
3 盾构结构计算中除地面超载外，涉及哪六种荷载形式，试绘制计算简图，并写出具体计算表达式。

参考书目
[1] 地下建筑结构，朱合华，中国建筑工业出版社
[2] 地下结构设计原理与方法，西南交通大学出版社
[3] 岩石地下建筑结构，重庆建筑学院等，中国建筑工业出版社
[4] 地下建筑结构设计，清华大学出版社