地下防空洞的荷載計(jì)算

在舊城改造中，基本工程通常會(huì)發(fā)現(xiàn)地下防空孔。計(jì)算的防空孔超載是否正確，直接關(guān)系到基底防空孔處理的優(yōu)缺點(diǎn)和項(xiàng)目成本的多樣性。一般說(shuō)來(lái),地下防空洞大部分有完整的被復(fù)結(jié)構(gòu),其分布位置、結(jié)構(gòu)尺寸、地質(zhì)條件、被復(fù)材料以及防空洞的原設(shè)計(jì)抗力均可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)或查找資料而獲得。假定基底壓力均布,防空洞上覆土成份單一,并給出了不同覆土條件下工洞的荷載計(jì)算公式。1防空洞的重量和埋深洞室開挖前,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(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化,各點(diǎn)調(diào)整位移后最終達(dá)到新平衡,普氏認(rèn)為防空洞上覆巖土可以形成自然平衡拱,或稱卸荷壓力拱。防空洞襯砌上的土層壓力,僅為卸荷拱內(nèi)(塑性松動(dòng)區(qū))土體的重量。按照擋土墻原理,側(cè)面土體的破裂面與垂直軸的夾角為(45°-φ2)(45°?φ2)。卸荷拱高h(yuǎn)1取決于防空洞的跨度和巖土體的性狀,由下式確定:h1=b1/f=[b+htg(45°-φ2)]/f(45°?φ2)]/f(1)式中:f—巖(土)堅(jiān)固性系數(shù),碎石土一般可取1.5,密實(shí)粘土取1,粉質(zhì)粘土及松散類土取0.6;b1=b+htg(45°-φ2)(45°?φ2);式中:b—防空洞半寬(m);h—防空洞高度(m);φ—覆土內(nèi)磨擦角。洞室埋置較淺時(shí),洞頂覆土整體塌落,不能形成卸荷拱,埋置較深時(shí)土體局部塌落,將形成卸荷拱。如何確定防空洞屬于深埋還是淺埋,目前,一般認(rèn)為當(dāng)埋深H≥(2~2.5)h1時(shí),防空洞可作深埋處理,否則按淺埋處理。所以,求得卸荷拱高h(yuǎn)1是確定防空洞是深埋還是淺埋的前提。2深埋預(yù)防洞2.1新型防空洞結(jié)構(gòu)參數(shù)當(dāng)防空洞深埋時(shí),按普氏理論,洞頂覆土層將形成一個(gè)卸荷拱,卸荷拱除承擔(dān)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:PX=[Ru(tg45°-φ2)(Η-h1)-245°?φ2)(H?h1)?2Qx]/LX(2)式中:Ru—土的極限抗壓強(qiáng)度(kN/m2);LX—卸荷拱的平均跨度(m)。LX=2[b(h+Η2)tg(tg45°-φ2)];H—基底至防空洞洞頂?shù)木嚯x(m);QX—半個(gè)卸拱的自重(kN/m)。Qx=12γLXΗ-23h1[b+htg(45°-φ2]γ;式中:γ—土的重度(KN/m3)。2.2qv、px荷載當(dāng)基底壓力q≤Px時(shí),q全部由卸荷拱承擔(dān),不影響防空洞的被復(fù)結(jié)構(gòu),作用于襯砌上的荷載qv=γh1;當(dāng)q>PX時(shí),作用在防空洞襯砌上的靜荷載為:qv=γh1+(q-PX)(3)側(cè)向水平荷載:qh=K(q-PX)+γ(h1+hx)(tg45°-φ2)(4)式中:K—側(cè)壓力系數(shù);hX—計(jì)算點(diǎn)至防空洞拱頂?shù)拇咕?m)。3淺埋預(yù)防洞當(dāng)埋深H<(2~2.5)h1時(shí),防空洞為淺埋洞室,洞頂覆土不能形成卸荷拱。3.1水平荷載修正對(duì)于埋置深度極淺或由粉細(xì)砂、淤泥及新回填土構(gòu)成的覆土層,可采用巖柱理論計(jì)算防空洞的荷載,作用在襯砌上的壓力等于覆土層的全部重量,防空洞的垂直及水平荷載可按下式計(jì)算:qv=q+γH(5)qh=Κq+γztg2(45°-φ2)(6)式中:Z—計(jì)算點(diǎn)至基底的垂距(m)對(duì)覆土性質(zhì)較好的淺埋洞室,可考慮洞頂覆土下沉?xí)r兩側(cè)磨擦力和粘聚力的影響,作用于洞頂?shù)拇怪焙奢d修正如下:qv=q+λγH(7)式中λ=[1-H/2b1K1-c/b1γ(1-2K2)];Κ1=tgφtg2(45°-φ2);Κ2=tgφtg2(45°-φ2);C—土的粘聚力(KPa)。3.2防空洞埋深較淺的情況太沙基認(rèn)為,洞室開挖后,土體將沿0AB曲面滑動(dòng),作用在防空洞頂部的壓力等于滑動(dòng)體的重量減去滑移面上磨擦力的垂直分量。為推導(dǎo)簡(jiǎn)單起見(jiàn),可進(jìn)一步假定土體沿垂直面AC滑動(dòng),而且假定滑動(dòng)體中任意水平面上的垂直壓力為均布,取地面下埋置深度z處滑動(dòng)體寬為2b1,厚為dz的單元體,由垂直方向的平衡條件得:2γb1dz=2b1dσ2+2cdz+2Kσztjφdz(8)由邊界條件:z=0,σz=q;z=H,σz=qv。解微分議程得:qv=(γb1-c)/[1-exp(-KHtgφ/b1)]+qexp(-KHtgφ/b1))(9)式中K—側(cè)壓力系數(shù),粘性土K=1。由式(9)可知,防空洞埋深較淺時(shí),土體壓力與埋深有關(guān),埋深大時(shí),公式中指數(shù)項(xiàng)趨于零,即qv=(γb1-c)/Ktgφ與埋深及基底壓力q無(wú)關(guān),顯然與事實(shí)不符。實(shí)踐表明,淺埋時(shí)利用式(9)計(jì)算所得的土體壓力與實(shí)際相差較小,而深埋時(shí)則誤差較大。事實(shí)上,深埋時(shí)覆土的破裂面已不再是沿著整個(gè)土體的側(cè)面,而是形成一個(gè)封閉的拱形曲面,即自然平衡拱,因而將太沙基公式應(yīng)用到深埋的防空洞時(shí),必然有較大的誤差。3.3覆土為巖性土的地下防空洞垂直荷載驗(yàn)算北方地區(qū)大部分防空洞從地面算起埋深只有6~8m,屬淺埋式,筆者對(duì)多個(gè)基礎(chǔ)下淺埋式防空洞的工程處理,利用式(5)、(7)、(9)對(duì)覆土為粘性土的防空洞進(jìn)行垂直荷載驗(yàn)算,式(9)所得的結(jié)果最小,據(jù)此處理的結(jié)果是安全的。對(duì)不同覆土性質(zhì)的淺埋式地下防空洞垂直荷載驗(yàn)算,建議如下:(1)對(duì)洞頂覆土為粉細(xì)砂、淤泥的淺埋防空洞,垂直荷載按式(5)計(jì)算。(2)對(duì)洞頂覆土性質(zhì)較好的淺埋式防空洞,垂直荷載按式(9)計(jì)算。4防空洞承擔(dān)的垂直荷載某單位擬建一棟六層綜合樓,條形基礎(chǔ),基底壓力q=300kN/m,基底寬度1m,基底標(biāo)高-1.5m。條基正下方有一個(gè)防空洞,洞底標(biāo)高為-8.5m,毛洞尺寸10×h=2.0m×2.7m,洞頂覆土層為密實(shí)粘土,γ=19kN/m3,φ=30°,c=20Kpa,驗(yàn)算防空洞承擔(dān)的垂直荷載qv。已知:h0=1.5m,h=2.7m,b=10/2=1m,埋深H=8.5-2.7-1.5=4.3m。卸荷拱高:h1=[b+htg(45°-φ2)/f]=2.56mΗ/h1=1.68＜2,不能形成卸荷拱,屬淺埋洞室。由式(5)得:qv=q+γH=381.7(kPa)由式(7)可得:qv=q+λγH=357.19(kPa)由式(9)可得:qv=(γb1-c)/[1-exp