2-地下結(jié)構(gòu)荷載

2地下結(jié)構(gòu)荷載本章提要1.地下結(jié)構(gòu)荷載類型及其組合；2.圍巖及其分級(jí)，圍巖初始應(yīng)力、釋放荷載與地層抗力；3.淺埋和深埋地下結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力；*4.地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的核武器和常規(guī)武器的爆炸荷載。2.1概述作用在地下結(jié)構(gòu)上的荷載，按其存在的狀態(tài)，可以分為下列四類：(1)靜荷載：又稱恒載，是指長期作用在結(jié)構(gòu)上且大小、方向和作用點(diǎn)不變的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力、地下水壓力、固定的設(shè)備或設(shè)施等。(2)動(dòng)荷載：主要指要求地下防護(hù)結(jié)構(gòu)，需考慮核武器和常規(guī)武器(炸彈、火箭)爆炸沖擊波壓力所產(chǎn)生的荷載，這是瞬時(shí)作用的動(dòng)荷載。動(dòng)荷載還可能有地震波作用下的荷載和長期震動(dòng)產(chǎn)生的荷載。(3)活荷載：指在結(jié)構(gòu)物施工和使用期間存在的變動(dòng)荷載，其大小和作用位置都可能變化，如作用在地下結(jié)構(gòu)樓板上的人、物品、設(shè)備等，施工安裝過程中的臨時(shí)性荷載、移動(dòng)荷載等。(4)其他荷載：指除以上主要荷載外，還有可能發(fā)生的荷載，如材料收縮、溫度變化、不均勻沉降等使地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力。這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響都比較復(fù)雜，往往難以進(jìn)行確切計(jì)算，一般以加大安全系數(shù)和在施工、構(gòu)造上采取措施來解決。2.2地下結(jié)構(gòu)的地質(zhì)環(huán)境2.2.1圍巖及其分級(jí)

圍巖是指地層中受開挖作用影響的那一部分巖體。圍巖的工程性質(zhì)主要是強(qiáng)度和變形兩個(gè)方面，由于影響圍巖性質(zhì)的因素復(fù)雜，當(dāng)前應(yīng)用的力學(xué)模型還不能完全反映出圍巖的真實(shí)性態(tài)，因此在地下工程中，經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)法仍然占據(jù)一定的地位，而圍巖分級(jí)是工程類比設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。圍巖分級(jí)方法：

(1)單因素巖石力學(xué)指標(biāo)分級(jí)法

(2)多因素綜合指標(biāo)分級(jí)法

(3)組合指標(biāo)函數(shù)法

(4)定性與定量多因素指標(biāo)相結(jié)合分級(jí)法：是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的一種分級(jí)方法，能夠綜合考慮上述多種因素，較適合目前的技術(shù)狀況?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2004)就是采用該方法，見表2.1。

2.2.2圍巖初始應(yīng)力、釋放荷載與地層抗力

由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在地下工程開挖前巖體中就已經(jīng)存在著一定的地應(yīng)力場(chǎng)，稱為圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。巖層中地下結(jié)構(gòu)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)包括自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)兩部分，而土層一般僅有自重地應(yīng)力。洞室開挖后，圍巖在開挖邊界處解除了約束，失去平衡，其結(jié)果是引起洞室圍巖變形。有地下結(jié)構(gòu)支護(hù)的洞室圍巖，圍巖變形和穩(wěn)定能得到控制和保證，與此同時(shí)，地下結(jié)構(gòu)將受到來自圍巖的擠壓力。這種擠壓力由圍巖變形引起，常稱作“形變壓力”。1.初始應(yīng)力場(chǎng)有限元分析中，形變壓力常在計(jì)算過程中同時(shí)確定，而作為開挖效應(yīng)的模擬，直接施加的荷載是在開挖邊界上施加的釋放荷載。開挖邊界釋放荷載

釋放荷載可由已知初始地應(yīng)力或與前一步開挖相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)確定。先求得預(yù)計(jì)開挖邊界上各節(jié)點(diǎn)的初始地應(yīng)力，并假定各節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力呈線性分布，然后反轉(zhuǎn)開挖邊界上各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的方向(即變號(hào))，據(jù)此求得釋放荷載，如圖所示。2.釋放荷載地層抗力

3.地層抗力地層抗力的大小和分布規(guī)律不僅取決于結(jié)構(gòu)的變形，還與地層的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)密切的關(guān)系。確定地層抗力的理論主要有以溫克爾(E.Winkler)假設(shè)為基礎(chǔ)的局部變形理論和共同變形理論兩種。后者較合理，但因前者計(jì)算簡(jiǎn)便，且一般能滿足工程精度要求，所以目前多用前者。地下結(jié)構(gòu)除承受主動(dòng)荷載作用(如圍巖壓力、結(jié)構(gòu)自重等)外，還承受一種被動(dòng)荷載，即地層的彈性抗力(簡(jiǎn)稱地層抗力)。地層抗力也是地下結(jié)構(gòu)區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)之一。2.3圍巖壓力圍巖壓力就是指位于地下結(jié)構(gòu)周圍變形或破壞的巖層，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力。圍巖壓力可分為圍巖垂直壓力、圍巖水平壓力及圍巖底部壓力。影響圍巖壓力的因素很多，主要有巖體的結(jié)構(gòu)、巖體的強(qiáng)度、地下水的作用、洞室的尺寸與形狀、支護(hù)的類型和剛度、施工方法、洞室的埋置深度和支護(hù)時(shí)間等因素相關(guān)。2.3.1圍巖壓力及其影響因素2.3.2垂直圍巖壓力計(jì)算—松散體理論理想松散體顆粒間的抗剪強(qiáng)度有粘接力巖體的抗剪強(qiáng)度式中，分別為巖體的內(nèi)結(jié)力和內(nèi)摩擦角；為巖體剪切面上的法向應(yīng)力。

式(2.4)，(2.5)即著名的庫侖剪切強(qiáng)度定律。若將式(2.5)可以改寫為其中，稱為巖體的普氏系數(shù)。

可見，對(duì)于具有一定粘接力的巖體，只要用普氏系數(shù)代替完全松散體的摩擦系數(shù)就可以把它看成完全松散體來看待。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)上覆巖層較薄時(shí)，通常認(rèn)為覆蓋層全部巖體重量作用于地下結(jié)構(gòu)。這時(shí)地下結(jié)構(gòu)所受的圍巖壓力就是覆蓋層巖石柱的重量(圖2.4(a))：圖2.4淺埋結(jié)構(gòu)直圍巖壓力計(jì)算圖式式中，分別為垂直圍巖壓力的集度和巖體的容重。(1)淺埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力實(shí)際上，當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)上方覆蓋的巖層向下滑動(dòng)時(shí)，兩側(cè)不動(dòng)巖層不可避免地將向滑動(dòng)體提供摩擦力，阻止其下滑。因此作用在地下結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力只是巖石柱重量與兩側(cè)所提供摩擦力之差。如圖2.4(b)所示，作用在地下結(jié)構(gòu)上的總壓力為：式中：

—ABCD塊體總重量；

—AB或CD面的摩擦力。由土力學(xué)知，AB(或CD)面的水平壓力為三角形分布，其最大值在A點(diǎn)(或D點(diǎn))：由幾何關(guān)系所以AB(CD)面所受的總水平力：AB(CD)面所受的摩擦阻力：則圍巖壓力集度為：

此即考慮摩擦影響的圍巖壓力計(jì)算公式(討論略)

。2(2)深埋結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力圖2.5普氏壓力拱計(jì)算圖式

所謂深埋結(jié)構(gòu)是指當(dāng)埋深大到某一深度，兩側(cè)摩擦阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了滑移柱的重量。因此普氏(M.M.普羅托吉雅柯諾夫)理論認(rèn)為，洞室開挖后，洞室上方巖體會(huì)形成壓力拱(圖2.5)，將地面至壓力拱之間的圍巖壓力卸于兩側(cè)巖體(壓力拱又叫卸荷拱)，只有拱內(nèi)的巖體重量對(duì)地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力。

壓力拱能夠自然穩(wěn)定而平衡，其拱軸必是合理且其上任何一點(diǎn)是無力矩的。假定拱軸線受有均布荷載q，如圖2.6所示。根據(jù)壓力拱軸線上各點(diǎn)無力矩的條件，可建立如下方程：

圖2.6壓力拱軸線

可見，壓力拱軸線是二次拋物線則式中，

H—壓力拱拱頂所產(chǎn)生的水平推力①壓力拱的曲線形狀由圖2.6可知，平衡拱頂推力H的力是拱腳的水平反力T，當(dāng)T≥H時(shí)，壓力拱可以保持穩(wěn)定，而T是由q形成的摩擦力提供的。q在拱腳形成的全部垂直反力為：②壓力拱高度由A所形成的水平摩擦力為：取H=T/2，即拱腳只用存在的水平抗力之半平衡拱頂水平推力，由此可得到具有安全系數(shù)為2的壓力拱方程：—普氏公式當(dāng)x=a1時(shí)，上式即為壓力拱高度h1：在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常忽略壓力拱曲線所造成的荷載集度的差別，垂直圍巖壓力取均布形式，即作用在地下結(jié)構(gòu)上的垂直圍巖壓力集度為：

其中，fk是表征巖體屬性的一個(gè)重要的物理量，稱為巖層堅(jiān)硬系數(shù)或普氏系數(shù)，它決定巖體性質(zhì)對(duì)壓力拱高度的影響。凡fk＜0.3的的松軟土層，如淤泥和淤泥質(zhì)土不能形成壓力拱，不能應(yīng)用普氏公式。fk值大，則巖體抵抗各種破壞，如沖擊、爆破、開挖等的能力就強(qiáng)。對(duì)fk的取值，普氏建議：對(duì)松散土對(duì)黏性土對(duì)巖石式中，R—巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度(MPa)*2.4爆炸效應(yīng)與爆炸荷載

——軍事防護(hù)工程和人民防空工程

1.核武器的爆炸效應(yīng)核武器是利用核裂變反應(yīng)(原子彈)或核聚變反應(yīng)(氫彈)突然釋放的巨大能量起殺傷破壞作用。核武器分為原子彈和氫彈兩大類。核武器按其爆炸方式分為空爆、地爆、鉆地爆(地下爆)。一般防護(hù)工程主要考慮空爆，對(duì)特別重要的國防工程應(yīng)考慮鉆地爆防護(hù)。核武器的殺傷破壞因素由空氣沖擊波(占50%)，光輻射(占35%)，早期核輻射(占5%)和放射性沾染、核電磁脈沖、沖擊與震動(dòng)等(占10%)組成。

(1)核爆空氣沖擊波地面空氣沖擊波的超壓波形如圖2.7所示。超壓ΔPm是空氣沖擊波最主要的參數(shù)，防空地下室的抗力等級(jí)就是按不同的地面超壓值劃分的。

圖2.7核爆沖擊波及其簡(jiǎn)化

當(dāng)沖擊波沿地面運(yùn)動(dòng)時(shí)可向地層內(nèi)傳播而形成地層內(nèi)沖擊波，工程上把它稱為巖土壓縮波。巖土壓縮波可破壞地下空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施。

巖土壓縮波形如圖2.8所示。其中壓縮波峰值壓力Ph，沖擊升壓時(shí)間為t0h，Ph與ΔPm成正比，與計(jì)算深度h成反比。

圖2.8核爆巖土壓縮波

(2)光輻射又稱熱輻射，即原子核武器爆炸時(shí)產(chǎn)生的閃光與火球，火球表面的溫度可達(dá)幾千度以上，時(shí)間約1~3s。光輻射可使超過燃點(diǎn)溫度的可燃物燃燒，引起大火或材料融化，使人員受到燒傷或死亡，眼睛直視會(huì)造成眼底燒傷以至永久性失明。地下工程對(duì)光輻射有較好的防護(hù)作用，主要是出入口及設(shè)備入口(風(fēng)、電、水)應(yīng)采取防火、耐高溫及通風(fēng)措施。(3)早期核輻射(穿透輻射)早期核輻射主要有α、β、γ射線和中子流。α與β射線穿透力弱，對(duì)有隱蔽的人員危害不大。γ射線與中子流穿透能力強(qiáng)，對(duì)人員有較大的殺傷作用，產(chǎn)生“放射病”，而且可使早期核輻射可使指揮通訊、光學(xué)瞄準(zhǔn)、戰(zhàn)時(shí)醫(yī)療系統(tǒng)受損。包括土壤和水，各種建筑材料對(duì)早期核輻射具有顯著的削弱作用，如1.5m厚度的土壤可將早期核輻射削弱至原來的1/1000水平，因此，一般地下工程對(duì)其防護(hù)是足夠安全的。2.常規(guī)武器的爆炸效應(yīng)

常規(guī)武器包括輕重武器(輕重機(jī)關(guān)槍、火箭筒等)，各種炮航炸彈、導(dǎo)彈等。常規(guī)武器對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞主要是在彈丸命中目標(biāo)時(shí)，在其巨大的動(dòng)能的推動(dòng)下，產(chǎn)生的侵徹、貫穿、炸藥爆炸而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，繼而殺傷內(nèi)部人員。炮航彈對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)分為兩種：局部沖擊作用和整體沖擊作用。圖2.9炮航彈的局部沖擊破壞

一般地，整體式小跨度結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)的厚跨比hd/l0≥1/3~1/4)

，如地面戰(zhàn)斗工事、坑道工程口部及前沿指揮所工事等，按局部沖擊作用設(shè)計(jì)即可；而對(duì)絕大多數(shù)平戰(zhàn)結(jié)合的整體式大跨度結(jié)構(gòu)(hd/l0＜1/3~1/4)

，按整體沖擊作用控制設(shè)計(jì)。如圖2.11、2.12的實(shí)例。

圖2.11整體式小跨度結(jié)構(gòu)(機(jī)槍工事)圖2.12整體式大跨度結(jié)構(gòu)(地下街)普通炸藥的爆炸是一種化學(xué)反應(yīng)過程，稱為化爆。炸藥的爆炸能量在氣體介質(zhì)中猛烈釋放，也會(huì)引起介質(zhì)中壓力值的突然升高，達(dá)到超壓峰值ΔPcm，其空氣沖擊波同核爆有相似的波形，如圖2.13所示，但其釋放的能量和溫度無法與核爆相比。當(dāng)常規(guī)武器在地面或靠近地面或侵入土中淺層爆炸時(shí)，爆炸的一部分能量傳入地下，形成直接的地沖擊，另一部分能量通過空氣傳播形成空氣沖擊波感生的地沖擊，如圖所示：

感生地沖擊和核爆炸空氣沖擊波產(chǎn)生的巖土壓縮波類似，如圖2.15所示。感生的土中壓縮波峰值壓力為Pch，沖擊升壓時(shí)間為tr，Pch與ΔPcm成正比，與計(jì)算深度h成反比。

2.4.2核爆炸荷載2.4.2.1公式計(jì)算法(1)核爆動(dòng)載對(duì)于抗力級(jí)別不高的人防工程，如淺埋單建式人防工程或附建式地下結(jié)構(gòu)，通常為整體式大跨度淺埋地下工程，其核爆炸作用按等效靜載法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)周邊動(dòng)荷載按同時(shí)作用設(shè)計(jì)，如圖2.16所示。

式中

Pc1、Pc2、Pc3—分別為結(jié)構(gòu)頂蓋、外墻、底板的核爆動(dòng)載(MPa)；

Ph1─頂蓋埋深處的土中壓縮波峰值壓力(MPa)；

Ph2─地表面至外墻中點(diǎn)深度處的土中壓縮波峰值壓力(平均壓力)(MPa)；

K─頂蓋綜合反射系數(shù)；

ξ─側(cè)壓系數(shù)，可按表2.5確定；

η—底壓系數(shù)，非飽和土可取0.7~0.8；飽和土可取0.8~1.0。Ph1、Ph2分別取計(jì)算深度h值為頂蓋埋深h1、外墻中點(diǎn)埋深h2按式(2.30)計(jì)算

式中:Ph—地下結(jié)構(gòu)上的壓縮波峰值壓力(MPa)；

ΔPms—地面沖擊波超壓計(jì)算值(MPa)；

h—地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算深度(m)；

v1—峰值壓力波速(m/s)，略；

t2—空氣沖擊波等沖量簡(jiǎn)化降壓時(shí)間(s)，略；

δ—土的應(yīng)變恢復(fù)比，略。(4)等效靜載

一般人防工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算，可采用等效靜載法。結(jié)構(gòu)周邊上的等效靜荷載qi可按下列公式計(jì)算：Kd1、Kd2、Kd3—分別為頂蓋、外墻、底板的動(dòng)力系數(shù)，查表2.7。2.4.2.2查表確定法預(yù)先計(jì)算常用結(jié)構(gòu)等效靜荷載值，以便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。頂板等效靜載qe1查表2.8外墻等效靜載qe2查表2.9、表2.10底板等效靜載qe3查表2.11、表2.122.4.3常規(guī)武器爆炸荷載防空地下室防常規(guī)武器作用按距結(jié)構(gòu)外墻一定距離地面爆炸計(jì)算(下圖)，且按常規(guī)武器地面爆炸的整體破壞效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4.3.1公式計(jì)算法(1)頂板動(dòng)荷載常規(guī)武器地面沖擊波最大超壓ΔPcm

感生地沖擊荷載Pc