2-地下结构荷载

2地下结构荷载本章提要1.地下结构荷载类型及其组合；2.围岩及其分级，围岩初始应力、释放荷载与地层抗力；3.浅埋和深埋地下结构上的垂直围岩压力；*4.地下防护结构的核武器和常规武器的爆炸荷载。2.1概述作用在地下结构上的荷载，按其存在的状态，可以分为下列四类：(1)静荷载：又称恒载，是指长期作用在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如结构自重、围岩压力、地下水压力、固定的设备或设施等。(2)动荷载：主要指要求地下防护结构，需考虑核武器和常规武器(炸弹、火箭)爆炸冲击波压力所产生的荷载，这是瞬时作用的动荷载。动荷载还可能有地震波作用下的荷载和长期震动产生的荷载。(3)活荷载：指在结构物施工和使用期间存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化，如作用在地下结构楼板上的人、物品、设备等，施工安装过程中的临时性荷载、移动荷载等。(4)其他荷载：指除以上主要荷载外，还有可能发生的荷载，如材料收缩、温度变化、不均匀沉降等使地下结构产生内力。这些因素对结构内力的影响都比较复杂，往往难以进行确切计算，一般以加大安全系数和在施工、构造上采取措施来解决。2.2地下结构的地质环境2.2.1围岩及其分级

围岩是指地层中受开挖作用影响的那一部分岩体。围岩的工程性质主要是强度和变形两个方面，由于影响围岩性质的因素复杂，当前应用的力学模型还不能完全反映出围岩的真实性态，因此在地下工程中，经验类比设计法仍然占据一定的地位，而围岩分级是工程类比设计的重要依据。围岩分级方法：

(1)单因素岩石力学指标分级法

(2)多因素综合指标分级法

(3)组合指标函数法

(4)定性与定量多因素指标相结合分级法：是目前国内外应用最广的一种分级方法，能够综合考虑上述多种因素，较适合目前的技术状况。《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)就是采用该方法，见表2.1。

2.2.2围岩初始应力、释放荷载与地层抗力

由于岩体的自重和地质构造作用，在地下工程开挖前岩体中就已经存在着一定的地应力场，称为围岩的初始应力场。岩层中地下结构围岩的初始应力场包括自重应力场和构造应力场两部分，而土层一般仅有自重地应力。洞室开挖后，围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡，其结果是引起洞室围岩变形。有地下结构支护的洞室围岩，围岩变形和稳定能得到控制和保证，与此同时，地下结构将受到来自围岩的挤压力。这种挤压力由围岩变形引起，常称作“形变压力”。1.初始应力场有限元分析中，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。开挖边界释放荷载

释放荷载可由已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。先求得预计开挖边界上各节点的初始地应力，并假定各节点间应力呈线性分布，然后反转开挖边界上各节点应力的方向(即变号)，据此求得释放荷载，如图所示。2.释放荷载地层抗力

3.地层抗力地层抗力的大小和分布规律不仅取决于结构的变形，还与地层的物理力学性质有关密切的关系。确定地层抗力的理论主要有以温克尔(E.Winkler)假设为基础的局部变形理论和共同变形理论两种。后者较合理，但因前者计算简便，且一般能满足工程精度要求，所以目前多用前者。地下结构除承受主动荷载作用(如围岩压力、结构自重等)外，还承受一种被动荷载，即地层的弹性抗力(简称地层抗力)。地层抗力也是地下结构区别于地面结构的显著特点之一。2.3围岩压力围岩压力就是指位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构上的压力。围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。影响围岩压力的因素很多，主要有岩体的结构、岩体的强度、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。2.3.1围岩压力及其影响因素2.3.2垂直围岩压力计算—松散体理论理想松散体颗粒间的抗剪强度有粘接力岩体的抗剪强度式中，分别为岩体的内结力和内摩擦角；为岩体剪切面上的法向应力。

式(2.4)，(2.5)即著名的库仑剪切强度定律。若将式(2.5)可以改写为其中，称为岩体的普氏系数。

可见，对于具有一定粘接力的岩体，只要用普氏系数代替完全松散体的摩擦系数就可以把它看成完全松散体来看待。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(图2.4(a))：图2.4浅埋结构直围岩压力计算图式式中，分别为垂直围岩压力的集度和岩体的容重。(1)浅埋结构上的垂直围岩压力实际上，当地下结构上方覆盖的岩层向下滑动时，两侧不动岩层不可避免地将向滑动体提供摩擦力，阻止其下滑。因此作用在地下结构上的围岩压力只是岩石柱重量与两侧所提供摩擦力之差。如图2.4(b)所示，作用在地下结构上的总压力为：式中：

—ABCD块体总重量；

—AB或CD面的摩擦力。由土力学知，AB(或CD)面的水平压力为三角形分布，其最大值在A点(或D点)：由几何关系所以AB(CD)面所受的总水平力：AB(CD)面所受的摩擦阻力：则围岩压力集度为：

此即考虑摩擦影响的围岩压力计算公式(讨论略)

。2(2)深埋结构上的垂直围岩压力图2.5普氏压力拱计算图式

所谓深埋结构是指当埋深大到某一深度，两侧摩擦阻力远远超过了滑移柱的重量。因此普氏(M.M.普罗托吉雅柯诺夫)理论认为，洞室开挖后，洞室上方岩体会形成压力拱(图2.5)，将地面至压力拱之间的围岩压力卸于两侧岩体(压力拱又叫卸荷拱)，只有拱内的岩体重量对地下结构产生压力。

压力拱能够自然稳定而平衡，其拱轴必是合理且其上任何一点是无力矩的。假定拱轴线受有均布荷载q，如图2.6所示。根据压力拱轴线上各点无力矩的条件，可建立如下方程：

图2.6压力拱轴线

可见，压力拱轴线是二次抛物线则式中，

H—压力拱拱顶所产生的水平推力①压力拱的曲线形状由图2.6可知，平衡拱顶推力H的力是拱脚的水平反力T，当T≥H时，压力拱可以保持稳定，而T是由q形成的摩擦力提供的。q在拱脚形成的全部垂直反力为：②压力拱高度由A所形成的水平摩擦力为：取H=T/2，即拱脚只用存在的水平抗力之半平衡拱顶水平推力，由此可得到具有安全系数为2的压力拱方程：—普氏公式当x=a1时，上式即为压力拱高度h1：在地下结构设计时，常忽略压力拱曲线所造成的荷载集度的差别，垂直围岩压力取均布形式，即作用在地下结构上的垂直围岩压力集度为：

其中，fk是表征岩体属性的一个重要的物理量，称为岩层坚硬系数或普氏系数，它决定岩体性质对压力拱高度的影响。凡fk＜0.3的的松软土层，如淤泥和淤泥质土不能形成压力拱，不能应用普氏公式。fk值大，则岩体抵抗各种破坏，如冲击、爆破、开挖等的能力就强。对fk的取值，普氏建议：对松散土对黏性土对岩石式中，R—岩石单轴极限抗压强度(MPa)*2.4爆炸效应与爆炸荷载

——军事防护工程和人民防空工程

1.核武器的爆炸效应核武器是利用核裂变反应(原子弹)或核聚变反应(氢弹)突然释放的巨大能量起杀伤破坏作用。核武器分为原子弹和氢弹两大类。核武器按其爆炸方式分为空爆、地爆、钻地爆(地下爆)。一般防护工程主要考虑空爆，对特别重要的国防工程应考虑钻地爆防护。核武器的杀伤破坏因素由空气冲击波(占50%)，光辐射(占35%)，早期核辐射(占5%)和放射性沾染、核电磁脉冲、冲击与震动等(占10%)组成。

(1)核爆空气冲击波地面空气冲击波的超压波形如图2.7所示。超压ΔPm是空气冲击波最主要的参数，防空地下室的抗力等级就是按不同的地面超压值划分的。

图2.7核爆冲击波及其简化

当冲击波沿地面运动时可向地层内传播而形成地层内冲击波，工程上把它称为岩土压缩波。岩土压缩波可破坏地下空间结构和内部设施。

岩土压缩波形如图2.8所示。其中压缩波峰值压力Ph，冲击升压时间为t0h，Ph与ΔPm成正比，与计算深度h成反比。

图2.8核爆岩土压缩波

(2)光辐射又称热辐射，即原子核武器爆炸时产生的闪光与火球，火球表面的温度可达几千度以上，时间约1~3s。光辐射可使超过燃点温度的可燃物燃烧，引起大火或材料融化，使人员受到烧伤或死亡，眼睛直视会造成眼底烧伤以至永久性失明。地下工程对光辐射有较好的防护作用，主要是出入口及设备入口(风、电、水)应采取防火、耐高温及通风措施。(3)早期核辐射(穿透辐射)早期核辐射主要有α、β、γ射线和中子流。α与β射线穿透力弱，对有隐蔽的人员危害不大。γ射线与中子流穿透能力强，对人员有较大的杀伤作用，产生“放射病”，而且可使早期核辐射可使指挥通讯、光学瞄准、战时医疗系统受损。包括土壤和水，各种建筑材料对早期核辐射具有显著的削弱作用，如1.5m厚度的土壤可将早期核辐射削弱至原来的1/1000水平，因此，一般地下工程对其防护是足够安全的。2.常规武器的爆炸效应

常规武器包括轻重武器(轻重机关枪、火箭筒等)，各种炮航炸弹、导弹等。常规武器对结构的破坏主要是在弹丸命中目标时，在其巨大的动能的推动下，产生的侵彻、贯穿、炸药爆炸而对结构进行破坏，继而杀伤内部人员。炮航弹对地下工程结构的破坏效应分为两种：局部冲击作用和整体冲击作用。图2.9炮航弹的局部冲击破坏

一般地，整体式小跨度结构(结构的厚跨比hd/l0≥1/3~1/4)

，如地面战斗工事、坑道工程口部及前沿指挥所工事等，按局部冲击作用设计即可；而对绝大多数平战结合的整体式大跨度结构(hd/l0＜1/3~1/4)

，按整体冲击作用控制设计。如图2.11、2.12的实例。

图2.11整体式小跨度结构(机枪工事)图2.12整体式大跨度结构(地下街)普通炸药的爆炸是一种化学反应过程，称为化爆。炸药的爆炸能量在气体介质中猛烈释放，也会引起介质中压力值的突然升高，达到超压峰值ΔPcm，其空气冲击波同核爆有相似的波形，如图2.13所示，但其释放的能量和温度无法与核爆相比。当常规武器在地面或靠近地面或侵入土中浅层爆炸时，爆炸的一部分能量传入地下，形成直接的地冲击，另一部分能量通过空气传播形成空气冲击波感生的地冲击，如图所示：

感生地冲击和核爆炸空气冲击波产生的岩土压缩波类似，如图2.15所示。感生的土中压缩波峰值压力为Pch，冲击升压时间为tr，Pch与ΔPcm成正比，与计算深度h成反比。

2.4.2核爆炸荷载2.4.2.1公式计算法(1)核爆动载对于抗力级别不高的人防工程，如浅埋单建式人防工程或附建式地下结构，通常为整体式大跨度浅埋地下工程，其核爆炸作用按等效静载法进行设计时，结构周边动荷载按同时作用设计，如图2.16所示。

式中

Pc1、Pc2、Pc3—分别为结构顶盖、外墙、底板的核爆动载(MPa)；

Ph1─顶盖埋深处的土中压缩波峰值压力(MPa)；

Ph2─地表面至外墙中点深度处的土中压缩波峰值压力(平均压力)(MPa)；

K─顶盖综合反射系数；

ξ─侧压系数，可按表2.5确定；

η—底压系数，非饱和土可取0.7~0.8；饱和土可取0.8~1.0。Ph1、Ph2分别取计算深度h值为顶盖埋深h1、外墙中点埋深h2按式(2.30)计算

式中:Ph—地下结构上的压缩波峰值压力(MPa)；

ΔPms—地面冲击波超压计算值(MPa)；

h—地下结构的计算深度(m)；

v1—峰值压力波速(m/s)，略；

t2—空气冲击波等冲量简化降压时间(s)，略；

δ—土的应变恢复比，略。(4)等效静载

一般人防工程结构动力计算，可采用等效静载法。结构周边上的等效静荷载qi可按下列公式计算：Kd1、Kd2、Kd3—分别为顶盖、外墙、底板的动力系数，查表2.7。2.4.2.2查表确定法预先计算常用结构等效静荷载值，以便于工程设计应用。顶板等效静载qe1查表2.8外墙等效静载qe2查表2.9、表2.10底板等效静载qe3查表2.11、表2.122.4.3常规武器爆炸荷载防空地下室防常规武器作用按距结构外墙一定距离地面爆炸计算(下图)，且按常规武器地面爆炸的整体破坏效应进行设计。

2.4.3.1公式计算法(1)顶板动荷载常规武器地面冲击波最大超压ΔPcm

感生地冲击荷载Pc