2-地下結構荷載

2地下結構荷載本章提要1.地下結構荷載類型及其組合；2.圍巖及其分級，圍巖初始應力、釋放荷載與地層抗力；3.淺埋和深埋地下結構上的垂直圍巖壓力；*4.地下防護結構的核武器和常規(guī)武器的爆炸荷載。2.1概述作用在地下結構上的荷載，按其存在的狀態(tài)，可以分為下列四類：(1)靜荷載：又稱恒載，是指長期作用在結構上且大小、方向和作用點不變的荷載，如結構自重、圍巖壓力、地下水壓力、固定的設備或設施等。(2)動荷載：主要指要求地下防護結構，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生的荷載，這是瞬時作用的動荷載。動荷載還可能有地震波作用下的荷載和長期震動產生的荷載。(3)活荷載：指在結構物施工和使用期間存在的變動荷載，其大小和作用位置都可能變化，如作用在地下結構樓板上的人、物品、設備等，施工安裝過程中的臨時性荷載、移動荷載等。(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構產生內力。這些因素對結構內力的影響都比較復雜，往往難以進行確切計算，一般以加大安全系數和在施工、構造上采取措施來解決。2.2地下結構的地質環(huán)境2.2.1圍巖及其分級

圍巖是指地層中受開挖作用影響的那一部分巖體。圍巖的工程性質主要是強度和變形兩個方面，由于影響圍巖性質的因素復雜，當前應用的力學模型還不能完全反映出圍巖的真實性態(tài)，因此在地下工程中，經驗類比設計法仍然占據一定的地位，而圍巖分級是工程類比設計的重要依據。圍巖分級方法：

(1)單因素巖石力學指標分級法

(2)多因素綜合指標分級法

(3)組合指標函數法

(4)定性與定量多因素指標相結合分級法：是目前國內外應用最廣的一種分級方法，能夠綜合考慮上述多種因素，較適合目前的技術狀況?！豆匪淼涝O計規(guī)范》(JTGD70-2004)就是采用該方法，見表2.1。

2.2.2圍巖初始應力、釋放荷載與地層抗力

由于巖體的自重和地質構造作用，在地下工程開挖前巖體中就已經存在著一定的地應力場，稱為圍巖的初始應力場。巖層中地下結構圍巖的初始應力場包括自重應力場和構造應力場兩部分，而土層一般僅有自重地應力。洞室開挖后，圍巖在開挖邊界處解除了約束，失去平衡，其結果是引起洞室圍巖變形。有地下結構支護的洞室圍巖，圍巖變形和穩(wěn)定能得到控制和保證，與此同時，地下結構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.初始應力場有限元分析中，形變壓力常在計算過程中同時確定，而作為開挖效應的模擬，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力或與前一步開挖相應的應力場確定。先求得預計開挖邊界上各節(jié)點的初始地應力，并假定各節(jié)點間應力呈線性分布，然后反轉開挖邊界上各節(jié)點應力的方向(即變號)，據此求得釋放荷載，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)律不僅取決于結構的變形，還與地層的物理力學性質有關密切的關系。確定地層抗力的理論主要有以溫克爾(E.Winkler)假設為基礎的局部變形理論和共同變形理論兩種。后者較合理，但因前者計算簡便，且一般能滿足工程精度要求，所以目前多用前者。地下結構除承受主動荷載作用(如圍巖壓力、結構自重等)外，還承受一種被動荷載，即地層的彈性抗力(簡稱地層抗力)。地層抗力也是地下結構區(qū)別于地面結構的顯著特點之一。2.3圍巖壓力圍巖壓力就是指位于地下結構周圍變形或破壞的巖層，作用在襯砌結構上的壓力。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，主要有巖體的結構、巖體的強度、地下水的作用、洞室的尺寸與形狀、支護的類型和剛度、施工方法、洞室的埋置深度和支護時間等因素相關。2.3.1圍巖壓力及其影響因素2.3.2垂直圍巖壓力計算—松散體理論理想松散體顆粒間的抗剪強度有粘接力巖體的抗剪強度式中，分別為巖體的內結力和內摩擦角；為巖體剪切面上的法向應力。

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

可見，對于具有一定粘接力的巖體，只要用普氏系數代替完全松散體的摩擦系數就可以把它看成完全松散體來看待。當地下結構上覆巖層較薄時，通常認為覆蓋層全部巖體重量作用于地下結構。這時地下結構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淺埋結構直圍巖壓力計算圖式式中，分別為垂直圍巖壓力的集度和巖體的容重。(1)淺埋結構上的垂直圍巖壓力實際上，當地下結構上方覆蓋的巖層向下滑動時，兩側不動巖層不可避免地將向滑動體提供摩擦力，阻止其下滑。因此作用在地下結構上的圍巖壓力只是巖石柱重量與兩側所提供摩擦力之差。如圖2.4(b)所示，作用在地下結構上的總壓力為：式中：

—ABCD塊體總重量；

—AB或CD面的摩擦力。由土力學知，AB(或CD)面的水平壓力為三角形分布，其最大值在A點(或D點)：由幾何關系所以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算公式(討論略)

。2(2)深埋結構上的垂直圍巖壓力圖2.5普氏壓力拱計算圖式

所謂深埋結構是指當埋深大到某一深度，兩側摩擦阻力遠遠超過了滑移柱的重量。因此普氏(M.M.普羅托吉雅柯諾夫)理論認為，洞室開挖后，洞室上方巖體會形成壓力拱(圖2.5)，將地面至壓力拱之間的圍巖壓力卸于兩側巖體(壓力拱又叫卸荷拱)，只有拱內的巖體重量對地下結構產生壓力。

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。根據壓力拱軸線上各點無力矩的條件，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T≥H時，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為2的壓力拱方程：—普氏公式當x=a1時，上式即為壓力拱高度h1：在地下結構設計時，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，即作用在地下結構上的垂直圍巖壓力集度為：

其中，fk是表征巖體屬性的一個重要的物理量，稱為巖層堅硬系數或普氏系數，它決定巖體性質對壓力拱高度的影響。凡fk＜0.3的的松軟土層，如淤泥和淤泥質土不能形成壓力拱，不能應用普氏公式。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。對fk的取值，普氏建議：對松散土對黏性土對巖石式中，R—巖石單軸極限抗壓強度(MPa)*2.4爆炸效應與爆炸荷載

——軍事防護工程和人民防空工程

1.核武器的爆炸效應核武器是利用核裂變反應(原子彈)或核聚變反應(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)。一般防護工程主要考慮空爆，對特別重要的國防工程應考慮鉆地爆防護。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，防空地下室的抗力等級就是按不同的地面超壓值劃分的。

圖2.7核爆沖擊波及其簡化

當沖擊波沿地面運動時可向地層內傳播而形成地層內沖擊波，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構和內部設施。

巖土壓縮波形如圖2.8所示。其中壓縮波峰值壓力Ph，沖擊升壓時間為t0h，Ph與ΔPm成正比，與計算深度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產生的閃光與火球，火球表面的溫度可達幾千度以上，時間約1~3s。光輻射可使超過燃點溫度的可燃物燃燒，引起大火或材料融化，使人員受到燒傷或死亡，眼睛直視會造成眼底燒傷以至永久性失明。地下工程對光輻射有較好的防護作用，主要是出入口及設備入口(風、電、水)應采取防火、耐高溫及通風措施。(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，對有隱蔽的人員危害不大。γ射線與中子流穿透能力強，對人員有較大的殺傷作用，產生“放射病”，而且可使早期核輻射可使指揮通訊、光學瞄準、戰(zhàn)時醫(yī)療系統受損。包括土壤和水，各種建筑材料對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，一般地下工程對其防護是足夠安全的。2.常規(guī)武器的爆炸效應

常規(guī)武器包括輕重武器(輕重機關槍、火箭筒等)，各種炮航炸彈、導彈等。常規(guī)武器對結構的破壞主要是在彈丸命中目標時，在其巨大的動能的推動下，產生的侵徹、貫穿、炸藥爆炸而對結構進行破壞，繼而殺傷內部人員。炮航彈對地下工程結構的破壞效應分為兩種：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，整體式小跨度結構(結構的厚跨比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，按局部沖擊作用設計即可；而對絕大多數平戰(zhàn)結合的整體式大跨度結構(hd/l0＜1/3~1/4)

，按整體沖擊作用控制設計。如圖2.11、2.12的實例。

圖2.11整體式小跨度結構(機槍工事)圖2.12整體式大跨度結構(地下街)普通炸藥的爆炸是一種化學反應過程，稱為化爆。炸藥的爆炸能量在氣體介質中猛烈釋放，也會引起介質中壓力值的突然升高，達到超壓峰值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。當常規(guī)武器在地面或靠近地面或侵入土中淺層爆炸時，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，沖擊升壓時間為tr，Pch與ΔPcm成正比，與計算深度h成反比。

2.4.2核爆炸荷載2.4.2.1公式計算法(1)核爆動載對于抗力級別不高的人防工程，如淺埋單建式人防工程或附建式地下結構，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行設計時，結構周邊動荷載按同時作用設計，如圖2.16所示。

式中

Pc1、Pc2、Pc3—分別為結構頂蓋、外墻、底板的核爆動載(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；

ξ─側壓系數，可按表2.5確定；

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

式中:Ph—地下結構上的壓縮波峰值壓力(MPa)；

ΔPms—地面沖擊波超壓計算值(MPa)；

h—地下結構的計算深度(m)；

v1—峰值壓力波速(m/s)，略；

t2—空氣沖擊波等沖量簡化降壓時間(s)，略；

δ—土的應變恢復比，略。(4)等效靜載

一般人防工程結構動力計算，可采用等效靜載法。結構周邊上的等效靜荷載qi可按下列公式計算：Kd1、Kd2、Kd3—分別為頂蓋、外墻、底板的動力系數，查表2.7。2.4.2.2查表確定法預先計算常用結構等效靜荷載值，以便于工程設計應用。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)武器作用按距結構外墻一定距離地面爆炸計算(下圖)，且按常規(guī)武器地面爆炸的整體破壞效應進行設計。

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

感生地沖擊荷載Pc