地下防空洞的荷載分析

地下防空洞的荷載分析

近年來，隨著城市的擴張、改造和建筑基礎(chǔ)層的建設(shè)，頻繁發(fā)現(xiàn)地下防空洞。防空洞的處理和新建筑的影響是非常困難的。應(yīng)考慮陰影銷是否對新建筑產(chǎn)生影響，以及影響如何處理。同時，還應(yīng)研究建筑物是否對防空孔產(chǎn)生影響。在已知防空孔覆蓋結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、防空孔現(xiàn)狀和建筑物基質(zhì)壓力的基礎(chǔ)上，從設(shè)計的角度來看，上述問題簡單地是防空孔負荷分析和計算的問題。當(dāng)計算預(yù)防洞的負荷大于預(yù)防洞的設(shè)計阻力時，應(yīng)處理和調(diào)整建筑物的基本形狀的抗導(dǎo)反應(yīng)。對于地基中防空洞的處理,首先要認真準確分析其被覆結(jié)構(gòu)的承載能力,針對新建建筑物基礎(chǔ)荷載的特點,采用恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧?才有可能避免浪費,使地基中的防空洞結(jié)構(gòu)得到充分的利用.1普氏系數(shù)k洞室開挖前,地層處于靜止平衡狀態(tài),洞室開挖后,破壞了這種平衡,周圍各點的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化,各點的位移重新調(diào)整,最終達到新的平衡,普氏認為洞室開挖后在上覆巖土體中可以形成自然平衡拱,或稱卸荷拱,如圖1所示.卸荷拱高h1取決于防空洞的跨度和巖土體的性狀,由下式確定:h1=b1f=b+htan(45°-φ/2)f,(1)h1=b1f=b+htan(45°?φ/2)f,(1)式中,b為半個底邊寬度;h為防空洞高度;φ為土的摩擦角;f為巖土堅固性系數(shù),又稱普氏系數(shù),對于一般土層,普氏根據(jù)不同的巖性給出了相應(yīng)的普氏系數(shù),碎石土一般可取1.5,密實粘土取1,粉質(zhì)粘土、粉土及松散類土取0.6,普氏系數(shù)是一個經(jīng)驗系數(shù).通常認為:洞室埋置較淺時,上覆土體整體塌落,不能形成卸荷拱;埋置較深時,土體局部塌落,會形成卸荷拱.一般認為當(dāng)埋深H≥(2～2.5)h1時,防空洞可作深埋處理,否則,按淺埋處理.所以,求得卸荷拱高h1是確定防空洞深埋還是淺埋的前提.當(dāng)防空洞深埋時,按普氏理論,上覆土層將形成一個卸荷拱,卸荷拱除承擔(dān)上覆土層的自重壓力外,還可承擔(dān)一部分外部荷載,其承載力Px可由下式求得:Ρx=1kRutan(45°-φ/2)(Η-h1)-2Qxlx?(2)Px=1kRutan(45°?φ/2)(H?h1)?2Qxlx?(2)式中,k為安全系數(shù),巖石取1.5～2.0,土取1.0;Ru為巖土的極限抗壓強度,巖石:Ru=10000fi,土:Ru=3000fi,fi=tanφ,kN/m2;lx為卸荷拱的平均跨度,lx=2[b+(h+H/2)tan(45°-φ/2)],m;H為基底至防空洞洞頂?shù)拇咕?m;Qx為半個卸荷拱的自重,Qx=12γlxΗ-23h1[b+htan(45°-φ/2)]γ(γ為土的容重,kN/m3),kN/m.當(dāng)基底壓力q≤Px時,q全部由卸荷拱承擔(dān),不影響防空洞的被覆結(jié)構(gòu),作用于襯砌上的荷載qv等于卸荷拱內(nèi)土體的自重壓力:qv=γh1.(3)當(dāng)q>Px時,作用在防空洞襯砌上的靜荷載為:qv=γh1+(q-Px).(4)側(cè)向水平荷載qh按梯形分布,由下式計算:qh=k0(q-Px)+γ(h1+hx)tan2(45°-φ/2),(5)式中,k0為側(cè)壓力系數(shù),砂土為0.35～0.5,粘土為0.5～0.7;hx為計算點至防空洞拱頂?shù)拇咕?m;h1為卸荷拱高,m.2為避免空白坍塌，計算淺埋預(yù)防洞的負荷當(dāng)埋深H<(2～2.5)h1時,防空洞為淺埋洞室,上覆土體不能形成卸荷拱.2.1巖柱及防空洞的荷載計算對于埋置深度極淺或由粉細砂、淤泥及新回填土構(gòu)成的上覆松散土層,可采用巖柱理論來計算防空洞的荷載.巖柱理論認為作用在襯砌上的壓力等于上覆土層的全部重量,防空洞的垂直及水平荷載可按下式計算:qv=q+γh,(6)qh=k0q+γZtan(45°-φ/2),(7)式中,Z為計算點至基底的垂距,m.2.2最大土體壓力埋置深度hx實踐表明,當(dāng)防空洞的埋置深度稍大或上覆土層性質(zhì)較好時,按巖柱理論算得的荷載往往大于實際壓力,必須考慮土柱的應(yīng)力傳遞.考慮到防空洞洞頂?shù)耐馏w還可能下沉,這時作用在防空洞襯砌上的土體壓力等于如圖2所示中土柱ABCD重量減去兩側(cè)滑動面上的摩擦力和粘聚力.作用在土柱側(cè)面距地面深度Z處的夾制力(摩擦力和粘聚力)為:τ=c+σZtanφ,(8)σZ為距地面深度Z處的主動土壓力,按朗金公式:σΖ=γΖtan2(45°-φ2)-2c(45°-φ2).(9)總夾制力T為:Τ=∫Η0(c+σΖtanφ)dΖ=12γΗ2k1+cΗ(1-2k2)?(10)其中?k1=tan(45°-φ2)tanφ?k2=tan(45°-φ2)tanφ.作用在防空洞頂部的土柱壓力為:p=G-2Τ2b1=γΗ[1-Η2b1k1-cb1γ(1-2k2)]=λγΗ,(11)λ=[1-Η2b1k1-cb1γ(1-2k2)],qv=q+p=q+λγΗ,(12)qh=k0q+γΖtan2(45°-φ2)-2tan2(45°-φ2),(13)將式(11)對H求導(dǎo)并令其為0,得到最大土體壓力的埋置深度Hmax為:Ηmax=b1k1[1-cb1γ(1-2k2)].(14)當(dāng)H=2Hmax時,p=0.實際上,當(dāng)H≥2Hmax時,洞室頂部仍有壓力存在.一般說來,式(12)只適用H≤Hmax的淺埋情況,否則與實際情況不符.2.3滑動體的接觸問題太沙基認為,洞室開挖后,如圖3所示土體將沿OAB曲面滑動,作用在防空洞頂部的壓力等于滑動體的重量減去滑移面上摩擦力的垂直分量.為推導(dǎo)簡單起見,可進一步假定土體沿垂直面AC滑動,而且假定滑動體中任意水平面上的垂直壓力σZ為均布,取地面下埋置深度Z處,位于滑動體的體寬為2b1,厚為dZ單元體,由垂直方向的平衡條件得:2γb1dZ=2b1dσZ+2cdZ+2k0σZtanφdZ,(15)由邊界條件:Z=0,σZ=q;Z=H,σZ=qv,解微分方程得:qv=qexp(-k0Ηtanφb1)+γb1-ck0tanφ[1-exp(-k0Ηtanφb1)]?(16)值得討論的是,當(dāng)H遠大于b1時,qv=γb1-ck0tanφ與埋深無關(guān),顯然與事實不符,此時應(yīng)該用深埋的普氏卸荷拱理論來計算.3工程實例3.1地層地質(zhì)特征內(nèi)蒙古包頭市東河區(qū)陽光汽車修理廠綜合樓為磚混結(jié)構(gòu),長寬為49.0m×12.0m,擬采用條形毛石基礎(chǔ),基礎(chǔ)底寬為2.0m,預(yù)埋深約1.6m.從鉆孔揭露的地層情況來看,在10.0m勘探深度范圍內(nèi),按巖性主要可分為以下3層:(1)雜填土層(Qml4):該層主要以建筑垃圾和工業(yè)垃圾為主,混較多粉土,成分比較復(fù)雜,土質(zhì)松散且不均勻.該層厚約0.8～1.3m.(2)粉砂層(Qal+pl4):黃褐色,稍濕,稍密狀態(tài),分選性差,土質(zhì)比較均勻,層間偶夾粉土夾薄層,水平分布連續(xù),垂直方向上厚度變化不大.該層厚約2.6～2.9m.(3)粗砂層(Qal+pl4):黃褐色,稍濕,中密狀態(tài),均粒結(jié)構(gòu),級配良好,含少量角礫,主要礦物成分為石英、長石,該層有粉土夾層或透鏡體.勘探深度內(nèi)未穿透該層.整個場地未見地下水,依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料可知,該區(qū)域地下水埋深大于18.0m.在擬建場地有一條東西走向防空洞,長約32m,基本參數(shù)見表1.3.2巖柱理論荷載計算結(jié)果根據(jù)前文所推導(dǎo)的一系列公式,求得了各種不同條件下防空洞的垂直荷載,結(jié)果見表2.由表2比較防空洞淺埋時所得垂直荷載的3種計算結(jié)果,按巖柱理論求得的值為按太沙基理論的2.23倍,與考慮了應(yīng)力傳遞的巖柱理論(按修正后的巖柱理論)倒比較接近.之所以造成了防空洞淺埋情況下,荷載計算結(jié)果差別如此之大,主要原因是巖柱理論沒有考慮或僅部分考慮了滑動體兩側(cè)摩擦力及粘聚力的影響.土層的粘性成分越重,這種差別將會更大.3.3灌注樁加梁施工一般情況下,當(dāng)建筑場地下存在防空洞且不能承受基底傳來的壓力或存在質(zhì)量問題時,必須對防空洞采取處理或加固措施,常用方法有:(1)提頂填實.將防空洞頂部揭開,用砂石、素混凝土填實.優(yōu)點:直觀,效果明顯;缺點:土方量較大,回填材料較多,費用高,工期長.適用于未被覆和被覆材料強度較低且洞室埋深較淺者.(2)蓋板法.當(dāng)防空洞埋藏較淺(≤6m),洞室施工質(zhì)量好,但經(jīng)驗算強度又不足時,可采用較小的地基土承載力值,通過增大基底面積,減少地上建筑傳至防空洞的附加應(yīng)力,如采用整板基礎(chǔ)或筏片基礎(chǔ).(3)樁(墩)加梁跨越式處理.當(dāng)防空洞埋深大又具備灌注樁施工條件,可優(yōu)先采用灌注樁加梁,此法具有不挖土方、施工安全、工期短等優(yōu)點.當(dāng)埋深小(≤5m)、土質(zhì)好,可直接把梁支墩坑挖至洞底標高,墩上用梁跨越,支墩打灰土或毛石混凝土;若洞埋深較大時,為減少土方量和保證施工安全,可在半大開挖后在大坑內(nèi)挖淺墩坑,墩上用梁跨越.如防空洞位于基礎(chǔ)下方附近,可在樁(墩)上加加強的懸挑梁避開.(4)加固法.可分如下3種:①封倉加固.在洞內(nèi)均勻地加砌橫向剛性墻,使洞頂荷載部分或全部通過剛性墻傳到基底.如洞跨度較大或還需作通道時,則在橫墻中留出入口或按框架式做橫向支撐.②頂撐加固.當(dāng)防空洞洞頂作用有較大的集中荷載,可在集中荷載點加洞內(nèi)支柱(墩),把集中荷載傳至洞底基礎(chǔ)上.③貫穿式支撐.當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為框架時,可將柱穿過防空洞洞頂,基礎(chǔ)落至洞底,因洞底多為密實土層或巖層,承載力較高,貫穿柱(墩)的基礎(chǔ)尺寸和埋深不會太大,經(jīng)濟效用較好,較常用.對于本工程,根據(jù)前文對防空洞的垂直荷載計算,采用揭頂填實法處理.按規(guī)范要求,防空洞及其周邊回填土應(yīng)全部清除至原土層.清除回填土?xí)r,應(yīng)放坡,具體施工時,可按400mm(高)×400mm(寬)階梯形放坡.加深部分采用天然級配砂卵石分層回填至設(shè)計基底標高,每層不大于250mm,回填時酒適量清水,用平板振搗器分層夯實,夯實系數(shù)不小于0.97.所選用砂卵石石子粒徑不大于50mm,石子含量不小于50%,含泥量不大于5%,且不得含有草根、垃圾等雜質(zhì),如遇毛石基礎(chǔ)底既有原土層又有回填砂卵層時,應(yīng)將基底原土層向下至少清除500mm,用砂卵石同時回填.經(jīng)過處理后的地基在進行平板載荷試驗時,一共做了2板,地基極限承載力分別為178和192kPa,完全滿足地基承載力要求,并且在整個施工過程中沒有出現(xiàn)不均勻沉降的情況,說明這種處理方法是合理經(jīng)濟的.4防空洞施工前處理方案的確定在城市擴建、改造、建筑地基基礎(chǔ)施工中經(jīng)常會遇到在設(shè)計場地范圍內(nèi)存在有防空洞,此類問題,若處理不當(dāng),將會造成投資浪費或不能保證上部建筑及防空洞的使用安全,必須綜合考慮總體與單體、地