摘要：本文著重研究存在于骨料生產線中堆棚、緩沖倉等生產環節的底部地坑廊道結構，通過對工藝方案的了解，結合生產線日常的檢修空間的要求，確定模型尺寸；通過對地坑廊道所承受的荷載條件、地基條件等，確定結構模型的加載方案；結合相關規范要求，采用有限元軟件建立模型，對結構進行分析計算。并根據結果對同類結構設計過程中提出一些建議。
關鍵字：計算模型、骨料堆載、基床系數、優化設計、晶品集料
一、結構計算模型介紹：
1.1 地坑廊道結構模型尺寸取值
根據骨料生產線工藝布置方案的可能性，地坑廊道一般會有如下幾種情況，即一條地坑輸送、并列兩條（共用一道墻）地坑輸送、并列三條（共用兩道墻）地坑輸送。
根據工藝設備尺寸及日常檢修維護空間的要求，一般輸送地坑的凈空高度約在2.8m——3.5m之間，寬度約在3.0——3.5m之間。同時，如果采用并列兩條或并列三條的地坑布置方案，此時的地坑寬度需根據實際情況予以加大以保證堆棚卸空率，提高堆棚空間利用率。
1.2 地坑廊道結構模型荷載
1.2.1 地坑頂部骨料堆載
一般地坑廊道均埋置于地面以下，其受力情況比較復雜。頂板需承受上部骨料堆載壓力，側壁需承受土側壓力，如果處于地下水比較豐富的地區，還需對側壁及底板的水壓力進行考慮。根據結構理論，地基條件也是此類結構不可忽視的因素。
根據不同的工藝布置方案，需要不同形式的堆棚。由此將堆棚內部的骨料儲存高度分為7.5m、10m、12m、15m、17m、20m、25m等七個等級。按照骨料重力密度16KN/m3計算，七種高度對應的骨料壓力見下表：
1-表-1 骨料堆載壓力值
注：側壁壓力等效填土高度，按照h=q/r公式計算，其中q為骨料總壓力值，r為土體重力密度。
1-表-1中總壓力值即為儲料高度與骨料重力密度乘積。由于地坑卸料時總會有一部分放不出去的料，這部分當做地坑頂部的恒載加載，同時考慮到市場行情的波動影響。綜合，取頂板恒載40KN/m2，活載即為總壓力值減去恒載所得。
1.2.2 地坑側壁土壓力
根據《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB50069-2002）中第4.2.4條規定：作用在開槽施工地下構筑物上的側向土壓力標準值，應按下列規定確定：
1 應按主動土壓力計算；
2 當地面平整、構筑物位于地下水位以上部分的主動土壓力標準值可按下式計算：
構筑物位于地下水位以下部分的側壁上的壓力應為主動土壓力與靜水壓力之和，此時主動土壓力標準值可按下式計算：
其中：主動土壓力系數Ka取1/3。
計算側壁土壓力時地坑頂板堆載骨料，在填土自重和連續均布荷載作用下土壓力計算按照1-圖-1計算h'，即側壁壓力等效填土高度。
1-圖-1 填土自重和連續均布荷載作用下土壓力的計算
1.2.3 地下水壓力
地下水作用的考慮，如果項目場地地下水豐富，地下水壓力就成為地下結構計算不可忽視的因素之一。由于此優化設計不針對具體項目，為簡化計算，地下水高度取hw=0m與hw=4.0m兩種極端情況。
1.2.4 基床系數取值
地基條件：對于不同的場地，地質條件自然不同。根據土力學理論，選取不同的基床系數進行計算。考慮不同的地質條件，計算中取地基基床系數取值：
1.2.5 荷載組合
根據《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB50069-2002）中第5.2.2條規定，地坑廊道的荷載基本組合設計值按下式計算：
結合規范對應分項系數取值的說明，以上荷載分項系數取值如下：
恒載：結構和設備自重分項系數取1.2；骨料堆載恒載部分分項系數 取1.27；土壓力分項系數取1.27。
活載：骨料堆載活載部分分項系數1.27；地下水作用分項系數取1.40。
二、優化設計過程
2.1 軟件建立模型
為了能夠精確的分析，優化過程選用有限元軟件進行進行建模計算。軟件加載時建立以上荷載分類的對應工況，有限元模型網格剖分密度取0.5m——0.75m。以下是軟件模型的荷載加載過程：
2-圖-1 一條地坑輸送模型
2-圖-2 兩條地坑輸送模型
2-圖-3 三條地坑輸送模型
2-圖-4 地坑頂板恒載工況下的骨料壓力
2-圖-5 地坑頂板活載工況下的骨料壓力
2-圖-6 地坑側壁土壓力
2-圖-7 地坑側壁水壓力
2-圖-8 地坑底板水浮力
2-圖-9 地坑底板地基彈簧加載
2.2 分析結果
綜合以上，結構模型的荷載作用一共有6類。即結構本身自重、骨料壓力荷載中的恒載與活載、土壓力、水壓力和地基彈簧剛度。下文將通過相關數據來說明每一種作用對此類結構的影響。然后再對地坑結構設計中的控制性因素以及采取的相應結構措施進行解析。
2.2.1 地基彈簧Ks值的影響
通過三組案例對比來看地基基床系數對地坑底板的影響。取儲料堆高為15米，一條輸送的地坑模型和并列兩條、三條的輸送地坑模型，從軟件的計算結果統計模型在以下幾種不同KS=0.1x104KN/m3（為提高案例的可比性增加此對照組，其他計算模型未考慮此條件）、KS=1.0x104KN/m3、KS=10x104KN/m3、KS=100x104KN/m3、KS=1000x104KN/m3的情況下底板跨中彎矩值，根據軟件計算結果顯示三條并列的地坑模型其底板彎矩值呈現出兩側大中間小的特征，故2-表-1中第三行統計的是兩側底板跨中彎矩值。
2-表-1地坑廊道底板跨中彎矩組合值（KN*m）
為了能夠進一步說明跨中彎矩值與Ks的關系，由2-表-1中數據生成2-圖-10數據變化折線圖。
2-圖-10地坑底板跨中彎矩與Ks值變化關系
圖表說明：
1）從2-圖-10的數據可以可以看出，對于跨中彎矩值而言在相同的地基條件下，一條地坑的跨中彎矩組合值總比并列兩條、并列三條的跨中彎矩值小，而后兩者的值比較接近。
2）由2-圖-10可以看出，隨著基床系數的增大，同等條件下底板跨中彎矩值不斷減小。且當Ks值達到100以上，底板跨中彎矩組合值已經很小。
2.2.2 地下水作用
為了能夠說明地下水對此類結構的影響，本文選取一條地坑廊道有限元模型的底板跨中彎矩組合值。并利用控制變量的思路，選取骨料堆高分別為7.5m、15m、25m；基床系數分別為KS=1.0x104KN/m3、KS=10x104KN/m3、KS=100x104KN/m3；水壓高度分別為hw=0m、hw=4m。
2-表-2地坑廊道底板跨中彎矩組合值（KN*m）
為了能夠更加清晰的表達水壓力對于地坑結構的影響，利用2-表-2中的數據生成2-圖-11與2-圖-12。
2-圖-11地坑廊道底板跨中彎矩組合值折線圖（KN*m）
2-圖-12地坑廊道底板跨中彎矩組合值直方圖（KN*m）
圖表說明：
1）從2-圖-11可以看出，當地基條件一定時，地坑底板的彎矩組合值，隨著料壓的增大而不斷加大。且從折線的變化趨勢可以看出，地基彈簧剛度加大時，彎矩組合值增加的速度越來越慢（即折線段的斜率隨著地基彈簧剛度的加大而減小）。
2）當料壓一定時，地坑底板彎矩組合值隨著水壓的增大而增大。從2-圖-12直方圖可以看出，當Ks=1.0時，水壓為hw=0m地坑底板彎矩值約為水壓高度為hw=4m時的50%；當Ks=10時，這個比例有所降低；當Ks=100時，這個比例更低。說明，隨著地基條件的變好，水壓對地坑結構的影響越來越大。
2.2.3 土壓力與骨料堆載壓力
由于地坑上部堆載骨料，根據前文土壓力計算公式，土壓受到堆載高度的影響。而對于地坑結構而言，土壓力主要影響的是地坑豎壁，所以有必要對不同地基條件、不同骨料堆載（水壓高度均取hw=4m）情況下的豎壁彎矩值進行統計分析。由于骨料堆載直接由地坑頂板承擔，所以同時對頂板的端彎矩值與跨中彎矩值進行分析。2-表-3是對土壓工況下地坑豎壁最大負彎矩值（M1），頂板端彎矩組合值（M2）以及頂板跨中彎矩組合值（M3）。
2-表-3地坑豎壁、頂板彎矩值（KN*m）
注：土壓工況下M1為豎壁最大負彎矩值；M2為頂板端部彎矩組合值；M3為頂板中部彎矩組合值。
為能夠直觀表達三種彎矩值變化，將2-表-3數據整理成2-圖-13及2-圖-14彎矩折線圖以分析土壓及骨料堆載對地坑結構的影響。
2-圖-13 地坑豎壁、頂板彎矩值折線圖一（KN*m）
2-圖-14 地坑豎壁、頂板彎矩值折線圖二（KN*m）
圖表說明：
1）從2-表-3中的數據可以看出，隨著料壓高度的變化側壁最大負彎矩值逐漸增大，結合前文提到的土壓力計算公式也正驗證這個規律。相對來說地基條件對側壁彎矩有所影響，但從數據來看，此種影響比較小。
2）從2-圖-13的變化折線趨勢可以看出，在相同的料壓相同的地基條件下，M1、M2、M3三者依次增大，且這種趨勢在料壓不斷加大的情況下更為明顯（三段折線斜率不斷增大）。
3）從2-圖-14中可以看出，在地基彈簧剛度相同的情況下，三種彎矩均隨著料壓的增大而不斷加大，且三段折線的斜率也按照M1、M2、M3依次增大，說明頂板跨中彎矩組合值與端彎矩組合值受料壓影響比較明顯。
由上述分析可以看出，土壓相對于料壓對于地坑結構的影響較小，在深入分析模型受力狀態之后，可以得出，對于地坑側壁其實并不需要像頂板與底板一樣做的很厚，經過計算發現，側壁的鋼筋計算值很小，基本接近構造要求，在設計過程中對側壁的應著重考慮抗壓與構造上的要求。而頂板除應滿足抗剪厚度的要求，更應該著重考慮抗彎鋼筋的配置。
2.2.4 抗剪的考慮
由于地坑結構頂板與底板屬于不配置箍筋與彎起鋼筋的板類構件，根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中第6.3.3條的相關規定其斜截面的抗剪承載力按照純混凝土抗剪計算。即下式：
其中：
--截面高度影響系數，當h0小于800mm時，取800mm；當h0大于2000mm時，取2000mm。
2-圖-15是有限元軟件計算并列兩條地坑在KS=10x104KN/m3、料壓高度為15m、水壓高度4.0m時的剪力圖。
2-圖-15 Ks=10、h料=15、hw=4時模型剪力圖（KN）
2-圖-16是有限元軟件計算并列三條地坑在KS=10x104KN/m3、料壓高度為15m、水壓高度0m時的剪力圖。
2-圖-16 Ks=10、h料=15、hw=0時模型剪力圖（KN）
根據以上兩圖，模型的剪力峰值一般出現在角部，對于有共用墻體的并列兩條與并列三條地坑其底板與底板在中部墻體處的峰值點一般距離中部墻體中心線一般在0.75m以內，而兩端的剪力峰值均在節點出現。作為控制性因素，抗剪必須滿足規范要求。同時，為了能夠在安全合理的基礎上降低工程造價，可在頂板端部設置混凝土腋角，用以抵抗剪力峰值，而相應的跨中可保持較小的板厚。處理措施見2-圖-17地坑結構頂板加腋示意圖，在加腋處配置相應的腋角鋼筋以滿足構造上的要求。
2-圖-17 地坑結構頂板端部加腋示意圖
三、結論及建議
綜合上述分析過程，可以看出雖然地坑廊道結構上的荷載作用比較多，但是經過分析可以得出以下幾個要點：
骨料堆載壓力不但直接影響地坑結構，根據前文的分析它還會加強土壓力對結構的作用，由此可以看出骨料堆載決定了地坑結構的結構的頂板、側壁的截面尺寸。所以設計過程中應與工藝方案設計人員充分溝通，結構設計人員應該在方案階段從造價方面作多方案比選，優化堆棚的平面布置，如有可能盡量降低骨料的堆載高度，提高堆棚的空間使用效率。
地基條件在很大程度上決定了底板的厚度及配筋，由于骨料生產線中的堆棚地坑一般都比較長，底板也應成為不可忽視的一部分。所以，堆棚場地的選擇很重要，如果不能選擇良好的場地，在遇到軟弱地基的時候應注重地基處理，從前文的分析來看，建議經過處理的地基基床系數應在KS=10x104KN/m3以上（即相當于密實砂土、松散礫石、硬粘土），當然這還應結合施工現場條件給予一個較為經濟的方案。
地下水位也應是一個不可忽視的條件，一般的骨料生產線均布置在礦山周邊，這些區域的地勢比較高，相對來說地下水位比較低。但是隨著市場的發展，很多投資商已經著眼于礦山資源豐富且沿江沿河或者水系比較發達的地區布局骨料生產線。這樣也要求結構設計人員在設計時注重這一因素，在軟件建模之前應對地勘報告進行詳細的學習。對于地坑結構來說，地下水所產生的水浮力并不是決定性因素，而需要考慮地下水對抗彎抗剪的貢獻。同時，還應當注意地下結構的防滲處理。
在進行地坑結構的配筋時應注重橫截面的抗彎，頂板與底板的抗彎鋼筋以及相應的端部鋼筋應根據計算確定鋼筋型號，滿足抗彎的要求。而配置縱向的鋼筋應當在計算基礎上結合規范構造要求選擇鋼筋型號，一般側壁、頂板、底板的縱向鋼筋均可按照構造配筋。
由于地坑需要承受大堆載骨料壓力，所以不可避免的產生很大的剪力，為了滿足抗剪必須加大板厚。但是結合地坑結構的內力圖，剪力最大值一般出現在頂板及底板的端部，所以可以通過頂板加腋的方式滿足角部抗剪，同時降低造價。
根據不同的工藝布置、不同的場地條件、不同的骨料堆高，在結構分析時，應注重具體問題區別對待的原則。把握每個可能影響結構安全與造價的因素，采用有效的手段進行精準設計。同時，結構人員應協助工藝專業進行方案比選確定方案布置，達到在方案階段即降低投資的目的。
為了能夠更好的適應快速發展的骨料市場，我院在深入研究的基礎上，將研究成果轉化為標準圖集，實現此類結構的設計快速化、標準化及合理降低造價的目標。在實際工程中，通過工程地質勘探報告確定地基條件、地下水位高度，通過工藝布方案確定地坑廊道布置形式、骨料堆載壓力及地坑廊道埋深（即確定土壓力荷載）。明確這五個條件，即可在圖集中選用對應的結構施工圖。3-圖-1、3-圖-2是我院本套圖集的部分截圖。
3-圖-1 黃山晶品院 地坑廊道結構標準圖集截圖一
3-圖-2 黃山晶品院 地坑廊道結構標準圖集截圖二
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編輯：金哲
