摘要：本文着重研究存在于骨料生产线中堆棚、缓冲仓等生产环节的底部地坑廊道结构，通过对工艺方案的了解，结合生产线日常的检修空间的要求，确定模型尺寸；通过对地坑廊道所承受的荷载条件、地基条件等，确定结构模型的加载方案；结合相关规范要求，采用有限元软件建立模型，对结构进行分析计算。并根据结果对同类结构设计过程中提出一些建议。
关键字：计算模型、骨料堆载、基床系数、优化设计、晶品集料
一、结构计算模型介绍：
1.1 地坑廊道结构模型尺寸取值
根据骨料生产线工艺布置方案的可能性，地坑廊道一般会有如下几种情况，即一条地坑输送、并列两条（共用一道墙）地坑输送、并列三条（共用两道墙）地坑输送。
根据工艺设备尺寸及日常检修维护空间的要求，一般输送地坑的净空高度约在2.8m——3.5m之间，宽度约在3.0——3.5m之间。同时，如果采用并列两条或并列三条的地坑布置方案，此时的地坑宽度需根据实际情况予以加大以保证堆棚卸空率，提高堆棚空间利用率。
1.2 地坑廊道结构模型荷载
1.2.1 地坑顶部骨料堆载
一般地坑廊道均埋置于地面以下，其受力情况比较复杂。顶板需承受上部骨料堆载压力，侧壁需承受土侧压力，如果处于地下水比较丰富的地区，还需对侧壁及底板的水压力进行考虑。根据结构理论，地基条件也是此类结构不可忽视的因素。
根据不同的工艺布置方案，需要不同形式的堆棚。由此将堆棚内部的骨料储存高度分为7.5m、10m、12m、15m、17m、20m、25m等七个等级。按照骨料重力密度16KN/m3计算，七种高度对应的骨料压力见下表：
1-表-1 骨料堆载压力值
注：侧壁压力等效填土高度，按照h=q/r公式计算，其中q为骨料总压力值，r为土体重力密度。
1-表-1中总压力值即为储料高度与骨料重力密度乘积。由于地坑卸料时总会有一部分放不出去的料，这部分当做地坑顶部的恒载加载，同时考虑到市场行情的波动影响。综合，取顶板恒载40KN/m2，活载即为总压力值减去恒载所得。
1.2.2 地坑侧壁土压力
根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）中第4.2.4条规定：作用在开槽施工地下构筑物上的侧向土压力标准值，应按下列规定确定：
1 应按主动土压力计算；
2 当地面平整、构筑物位于地下水位以上部分的主动土压力标准值可按下式计算：
构筑物位于地下水位以下部分的侧壁上的压力应为主动土压力与静水压力之和，此时主动土压力标准值可按下式计算：
其中：主动土压力系数Ka取1/3。
计算侧壁土压力时地坑顶板堆载骨料，在填土自重和连续均布荷载作用下土压力计算按照1-图-1计算h'，即侧壁压力等效填土高度。
1-图-1 填土自重和连续均布荷载作用下土压力的计算
1.2.3 地下水压力
地下水作用的考虑，如果项目场地地下水丰富，地下水压力就成为地下结构计算不可忽视的因素之一。由于此优化设计不针对具体项目，为简化计算，地下水高度取hw=0m与hw=4.0m两种极端情况。
1.2.4 基床系数取值
地基条件：对于不同的场地，地质条件自然不同。根据土力学理论，选取不同的基床系数进行计算。考虑不同的地质条件，计算中取地基基床系数取值：
1.2.5 荷载组合
根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）中第5.2.2条规定，地坑廊道的荷载基本组合设计值按下式计算：
结合规范对应分项系数取值的说明，以上荷载分项系数取值如下：
恒载：结构和设备自重分项系数取1.2；骨料堆载恒载部分分项系数 取1.27；土压力分项系数取1.27。
活载：骨料堆载活载部分分项系数1.27；地下水作用分项系数取1.40。
二、优化设计过程
2.1 软件建立模型
为了能够精确的分析，优化过程选用有限元软件进行进行建模计算。软件加载时建立以上荷载分类的对应工况，有限元模型网格剖分密度取0.5m——0.75m。以下是软件模型的荷载加载过程：
2-图-1 一条地坑输送模型
2-图-2 两条地坑输送模型
2-图-3 三条地坑输送模型
2-图-4 地坑顶板恒载工况下的骨料压力
2-图-5 地坑顶板活载工况下的骨料压力
2-图-6 地坑侧壁土压力
2-图-7 地坑侧壁水压力
2-图-8 地坑底板水浮力
2-图-9 地坑底板地基弹簧加载
2.2 分析结果
综合以上，结构模型的荷载作用一共有6类。即结构本身自重、骨料压力荷载中的恒载与活载、土压力、水压力和地基弹簧刚度。下文将通过相关数据来说明每一种作用对此类结构的影响。然后再对地坑结构设计中的控制性因素以及采取的相应结构措施进行解析。
2.2.1 地基弹簧Ks值的影响
通过三组案例对比来看地基基床系数对地坑底板的影响。取储料堆高为15米，一条输送的地坑模型和并列两条、三条的输送地坑模型，从软件的计算结果统计模型在以下几种不同KS=0.1x104KN/m3（为提高案例的可比性增加此对照组，其他计算模型未考虑此条件）、KS=1.0x104KN/m3、KS=10x104KN/m3、KS=100x104KN/m3、KS=1000x104KN/m3的情况下底板跨中弯矩值，根据软件计算结果显示三条并列的地坑模型其底板弯矩值呈现出两侧大中间小的特征，故2-表-1中第三行统计的是两侧底板跨中弯矩值。
2-表-1地坑廊道底板跨中弯矩组合值（KN*m）
为了能够进一步说明跨中弯矩值与Ks的关系，由2-表-1中数据生成2-图-10数据变化折线图。
2-图-10地坑底板跨中弯矩与Ks值变化关系
图表说明：
1）从2-图-10的数据可以可以看出，对于跨中弯矩值而言在相同的地基条件下，一条地坑的跨中弯矩组合值总比并列两条、并列三条的跨中弯矩值小，而后两者的值比较接近。
2）由2-图-10可以看出，随着基床系数的增大，同等条件下底板跨中弯矩值不断减小。且当Ks值达到100以上，底板跨中弯矩组合值已经很小。
2.2.2 地下水作用
为了能够说明地下水对此类结构的影响，本文选取一条地坑廊道有限元模型的底板跨中弯矩组合值。并利用控制变量的思路，选取骨料堆高分别为7.5m、15m、25m；基床系数分别为KS=1.0x104KN/m3、KS=10x104KN/m3、KS=100x104KN/m3；水压高度分别为hw=0m、hw=4m。
2-表-2地坑廊道底板跨中弯矩组合值（KN*m）
为了能够更加清晰的表达水压力对于地坑结构的影响，利用2-表-2中的数据生成2-图-11与2-图-12。
2-图-11地坑廊道底板跨中弯矩组合值折线图（KN*m）
2-图-12地坑廊道底板跨中弯矩组合值直方图（KN*m）
图表说明：
1）从2-图-11可以看出，当地基条件一定时，地坑底板的弯矩组合值，随着料压的增大而不断加大。且从折线的变化趋势可以看出，地基弹簧刚度加大时，弯矩组合值增加的速度越来越慢（即折线段的斜率随着地基弹簧刚度的加大而减小）。
2）当料压一定时，地坑底板弯矩组合值随着水压的增大而增大。从2-图-12直方图可以看出，当Ks=1.0时，水压为hw=0m地坑底板弯矩值约为水压高度为hw=4m时的50%；当Ks=10时，这个比例有所降低；当Ks=100时，这个比例更低。说明，随着地基条件的变好，水压对地坑结构的影响越来越大。
2.2.3 土压力与骨料堆载压力
由于地坑上部堆载骨料，根据前文土压力计算公式，土压受到堆载高度的影响。而对于地坑结构而言，土压力主要影响的是地坑竖壁，所以有必要对不同地基条件、不同骨料堆载（水压高度均取hw=4m）情况下的竖壁弯矩值进行统计分析。由于骨料堆载直接由地坑顶板承担，所以同时对顶板的端弯矩值与跨中弯矩值进行分析。2-表-3是对土压工况下地坑竖壁最大负弯矩值（M1），顶板端弯矩组合值（M2）以及顶板跨中弯矩组合值（M3）。
2-表-3地坑竖壁、顶板弯矩值（KN*m）
注：土压工况下M1为竖壁最大负弯矩值；M2为顶板端部弯矩组合值；M3为顶板中部弯矩组合值。
为能够直观表达三种弯矩值变化，将2-表-3数据整理成2-图-13及2-图-14弯矩折线图以分析土压及骨料堆载对地坑结构的影响。
2-图-13 地坑竖壁、顶板弯矩值折线图一（KN*m）
2-图-14 地坑竖壁、顶板弯矩值折线图二（KN*m）
图表说明：
1）从2-表-3中的数据可以看出，随着料压高度的变化侧壁最大负弯矩值逐渐增大，结合前文提到的土压力计算公式也正验证这个规律。相对来说地基条件对侧壁弯矩有所影响，但从数据来看，此种影响比较小。
2）从2-图-13的变化折线趋势可以看出，在相同的料压相同的地基条件下，M1、M2、M3三者依次增大，且这种趋势在料压不断加大的情况下更为明显（三段折线斜率不断增大）。
3）从2-图-14中可以看出，在地基弹簧刚度相同的情况下，三种弯矩均随着料压的增大而不断加大，且三段折线的斜率也按照M1、M2、M3依次增大，说明顶板跨中弯矩组合值与端弯矩组合值受料压影响比较明显。
由上述分析可以看出，土压相对于料压对于地坑结构的影响较小，在深入分析模型受力状态之后，可以得出，对于地坑侧壁其实并不需要像顶板与底板一样做的很厚，经过计算发现，侧壁的钢筋计算值很小，基本接近构造要求，在设计过程中对侧壁的应着重考虑抗压与构造上的要求。而顶板除应满足抗剪厚度的要求，更应该着重考虑抗弯钢筋的配置。
2.2.4 抗剪的考虑
由于地坑结构顶板与底板属于不配置箍筋与弯起钢筋的板类构件，根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中第6.3.3条的相关规定其斜截面的抗剪承载力按照纯混凝土抗剪计算。即下式：
其中：
--截面高度影响系数，当h0小于800mm时，取800mm；当h0大于2000mm时，取2000mm。
2-图-15是有限元软件计算并列两条地坑在KS=10x104KN/m3、料压高度为15m、水压高度4.0m时的剪力图。
2-图-15 Ks=10、h料=15、hw=4时模型剪力图（KN）
2-图-16是有限元软件计算并列三条地坑在KS=10x104KN/m3、料压高度为15m、水压高度0m时的剪力图。
2-图-16 Ks=10、h料=15、hw=0时模型剪力图（KN）
根据以上两图，模型的剪力峰值一般出现在角部，对于有共用墙体的并列两条与并列三条地坑其底板与底板在中部墙体处的峰值点一般距离中部墙体中心线一般在0.75m以内，而两端的剪力峰值均在节点出现。作为控制性因素，抗剪必须满足规范要求。同时，为了能够在安全合理的基础上降低工程造价，可在顶板端部设置混凝土腋角，用以抵抗剪力峰值，而相应的跨中可保持较小的板厚。处理措施见2-图-17地坑结构顶板加腋示意图，在加腋处配置相应的腋角钢筋以满足构造上的要求。
2-图-17 地坑结构顶板端部加腋示意图
三、结论及建议
综合上述分析过程，可以看出虽然地坑廊道结构上的荷载作用比较多，但是经过分析可以得出以下几个要点：
骨料堆载压力不但直接影响地坑结构，根据前文的分析它还会加强土压力对结构的作用，由此可以看出骨料堆载决定了地坑结构的结构的顶板、侧壁的截面尺寸。所以设计过程中应与工艺方案设计人员充分沟通，结构设计人员应该在方案阶段从造价方面作多方案比选，优化堆棚的平面布置，如有可能尽量降低骨料的堆载高度，提高堆棚的空间使用效率。
地基条件在很大程度上决定了底板的厚度及配筋，由于骨料生产线中的堆棚地坑一般都比较长，底板也应成为不可忽视的一部分。所以，堆棚场地的选择很重要，如果不能选择良好的场地，在遇到软弱地基的时候应注重地基处理，从前文的分析来看，建议经过处理的地基基床系数应在KS=10x104KN/m3以上（即相当于密实砂土、松散砾石、硬粘土），当然这还应结合施工现场条件给予一个较为经济的方案。
地下水位也应是一个不可忽视的条件，一般的骨料生产线均布置在矿山周边，这些区域的地势比较高，相对来说地下水位比较低。但是随着市场的发展，很多投资商已经着眼于矿山资源丰富且沿江沿河或者水系比较发达的地区布局骨料生产线。这样也要求结构设计人员在设计时注重这一因素，在软件建模之前应对地勘报告进行详细的学习。对于地坑结构来说，地下水所产生的水浮力并不是决定性因素，而需要考虑地下水对抗弯抗剪的贡献。同时，还应当注意地下结构的防渗处理。
在进行地坑结构的配筋时应注重横截面的抗弯，顶板与底板的抗弯钢筋以及相应的端部钢筋应根据计算确定钢筋型号，满足抗弯的要求。而配置纵向的钢筋应当在计算基础上结合规范构造要求选择钢筋型号，一般侧壁、顶板、底板的纵向钢筋均可按照构造配筋。
由于地坑需要承受大堆载骨料压力，所以不可避免的产生很大的剪力，为了满足抗剪必须加大板厚。但是结合地坑结构的内力图，剪力最大值一般出现在顶板及底板的端部，所以可以通过顶板加腋的方式满足角部抗剪，同时降低造价。
根据不同的工艺布置、不同的场地条件、不同的骨料堆高，在结构分析时，应注重具体问题区别对待的原则。把握每个可能影响结构安全与造价的因素，采用有效的手段进行精准设计。同时，结构人员应协助工艺专业进行方案比选确定方案布置，达到在方案阶段即降低投资的目的。
为了能够更好的适应快速发展的骨料市场，我院在深入研究的基础上，将研究成果转化为标准图集，实现此类结构的设计快速化、标准化及合理降低造价的目标。在实际工程中，通过工程地质勘探报告确定地基条件、地下水位高度，通过工艺布方案确定地坑廊道布置形式、骨料堆载压力及地坑廊道埋深（即确定土压力荷载）。明确这五个条件，即可在图集中选用对应的结构施工图。3-图-1、3-图-2是我院本套图集的部分截图。
3-图-1 黄山晶品院 地坑廊道结构标准图集截图一
3-图-2 黄山晶品院 地坑廊道结构标准图集截图二
原文阅读请点击：http://jingpinjl.com/about/lookag.php?lgid=30
编辑：金哲
