柳佳浩

摘要：在地下工程的建設(shè)中，由于壓力拱的存在，上部土壓力往往小于全覆土壓力。壓力拱對(duì)于我們土木工程來說無疑是一種非常有用的東西。它可以應(yīng)用于很多地下結(jié)構(gòu)建造中，是區(qū)分地下結(jié)構(gòu)深淺埋的重要標(biāo)志。壓力拱是圍巖自穩(wěn)的一種表現(xiàn)形式。壓力拱范圍的確定對(duì)地下工程中的土壓力計(jì)算起著至關(guān)重要的作用，是土木工程的重要研究對(duì)象。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，在隧道工程中影響壓力拱的形成和范圍的有三大因素：地質(zhì)條件、地下結(jié)構(gòu)埋深、地下結(jié)構(gòu)的跨度。

關(guān)鍵詞：自穩(wěn)；壓力拱；地質(zhì)；埋深；跨度

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.01.096

1壓力拱的論述

我們都應(yīng)坐過火車，很多的火車隧道是穿山隧道或者地下隧道，這些隧道建在海拔成百上千米的山嶺中或者地下幾十米的巖土中，可是在這么大壓力的山體和地面下，是如何設(shè)計(jì)支撐與開挖的呢？同樣的，西北的窯洞在非常簡單的支護(hù)情況下是如何保證不會(huì)坍塌的呢？這是因?yàn)閲鷰r有一種非常特殊的性質(zhì)—圍巖自穩(wěn)。圍巖自穩(wěn)是指在不受外力支護(hù)的情況下能保持自身結(jié)構(gòu)自我穩(wěn)定的一種力學(xué)現(xiàn)象。正是由于圍巖自穩(wěn)現(xiàn)象的存在使圍巖自身就能承受很大一部分力，從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證地下結(jié)構(gòu)的安全。

壓力拱就是一種圍巖自穩(wěn)現(xiàn)象，正是由于壓力拱的存在才使地下結(jié)構(gòu)保持自穩(wěn)狀態(tài)。隧道開挖后，洞壁巖體失去原有巖體的支撐，在重力和初始應(yīng)力場的作用下，原有的受力平衡狀態(tài)和荷載傳遞路徑會(huì)被破壞，隧道上部巖石或土體會(huì)坍塌掉落。若隧道的埋深使開挖作用局限在地表以下時(shí)，上覆地層的變形一松動(dòng)一坍塌過程會(huì)在地表以下某個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)終止，就好像在這個(gè)坍塌范圍的周邊出現(xiàn)一架能夠承受以上底層全部重量的壓力拱結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象被稱作地層的成拱作用，似拱結(jié)構(gòu)被稱為壓力拱，如圖1，壓力拱不僅只在隧道上部形成，在隧道的底部和腰部也能形成，壓力拱有內(nèi)外兩個(gè)邊界。壓力拱的形成改變了介質(zhì)中原有的荷載傳遞狀態(tài)，它能夠把作用于拱后或拱上的壓力傳遞到拱腳及周圍穩(wěn)定介質(zhì)中去，充分發(fā)揮了巖土材料良好的受壓性能。作為一種具有拱的力學(xué)特性的效應(yīng)，壓力拱中的圍巖承擔(dān)著自身荷重和周邊圍巖的壓力，它的存在能夠確保隧道洞室的穩(wěn)定性，并減少襯砌的受力。壓力拱對(duì)地下結(jié)構(gòu)的開挖是有很大的好處，首先壓力拱是可以自然形成，不需要人為加力，這個(gè)自然的“力學(xué)結(jié)構(gòu)”可以比人工操作更為省力，壓力拱還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如房屋建設(shè)的支梁等。

2壓力拱的研究方法及研究因素

壓力拱對(duì)隧道的開挖意義不言自明，但并不是所有隧道開挖都能形成壓力拱。壓力拱的形成受到很多因素的影響。圍巖成拱的條件有三種：地理環(huán)境與土質(zhì)、拱形的埋深程度、拱的跨度。

地理環(huán)境與土質(zhì)—不同土質(zhì)對(duì)于成拱是一種較為重要條件，土質(zhì)大致分為粘土，沙，石，這些土質(zhì)的硬度和塑性都不同，往往沙土之間的性質(zhì)比較松散，而巖石則比較緊密。壓力拱的形成本質(zhì)上是把隧道上部土體的重量通過拱效應(yīng)分散到周圍土體，所以需要周圍土體巖型較好。就像在松散的沙土里挖洞往往會(huì)形成塌陷，而在巖石里面很容易挖洞一樣。所以說土質(zhì)對(duì)壓力拱的形成起重要作用。

埋深程度也會(huì)影響，當(dāng)埋深程度較淺時(shí)，隧道開挖造成的作用效應(yīng)超出了地表面，那么就形成不了壓力拱，圍巖上部的巖石就會(huì)完全作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，發(fā)生地表沉降，所以埋深程度很重要，當(dāng)埋深程度達(dá)到一定時(shí)才可形成拱形結(jié)構(gòu)。

隧道的跨度也同樣影響著拱的形成，因?yàn)榭缍葲Q定著上方的巖石質(zhì)量，而壓力拱的形成是上方土壓力和側(cè)摩擦力保持平衡的一種狀態(tài)，隧道開挖跨度越大，上方土壓力就越大就越不容易形成壓力拱。

我們對(duì)壓力拱的研究有三種方法：理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)法。理論研究方面，俄國學(xué)者提出普氏理論，但由于地下環(huán)境的復(fù)雜性，理論研究還存在非常多的局限。1946年，Terzarghi通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)拱效應(yīng)在砂體中的存在，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析，但模型試驗(yàn)成本太高不適合大范圍的研究。數(shù)值模擬就是把需要研究的對(duì)象通過有限元手段反映到計(jì)算機(jī)上面進(jìn)行研究的一種方法。數(shù)值模擬在當(dāng)前具有操作簡單、成本低且能有效的模擬隧道開挖的外部環(huán)境而受到當(dāng)下研究者的喜愛。本論文研究方法為收集高校碩士論文里數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)。所得結(jié)果見表1。

壓力拱的外邊界越大則越不容易成拱，從以上數(shù)據(jù)可知隧道埋深對(duì)壓力拱的影響較大，埋深越大越容易形成壓力拱，當(dāng)隧道埋深小于一定程度就形成不了壓力拱；跨度對(duì)壓力拱的形成也有很大影響，跨度越大越不容易形成壓力拱，并且跨度和外邊界曲線近似于比例函數(shù)曲線，由此關(guān)系可近似得知當(dāng)埋深和巖土性質(zhì)一樣的情況下，不同隧道跨度下的外邊界距離，這對(duì)隧道施工中上部土壓力的計(jì)算有積極的指導(dǎo)意義；巖土性質(zhì)好的圍巖如巖石比巖土性質(zhì)差的圍巖如沙土更容易形成壓力拱，巖性越好，圍巖內(nèi)部的粘聚力就越大，上部壓力就容易分散到周圍，就越容易形成壓力拱。

3結(jié)語

本文主要研究了壓力拱的形成、定義以及影響因素，通過研究可以得出埋深越大、跨度越小、圍巖性質(zhì)越好越容易形成壓力拱。壓力拱可以作為一種“探索儀器”通過研究壓力拱應(yīng)力的轉(zhuǎn)移變化來尋找礦石開采；西北的窯洞也運(yùn)用了壓力拱的特點(diǎn)，使房屋（窯洞）不易塌陷；當(dāng)然在土木工程學(xué)中壓力拱最大作用就是對(duì)隧道開挖所帶來的意義和方便之處，壓力拱的形成是區(qū)別隧道埋深的一個(gè)標(biāo)志，可以形成壓力拱的隧道稱之為深埋隧道，這對(duì)隧道施工計(jì)算上部土壓力具有積極地意義。

由于地下工程的復(fù)雜性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，對(duì)壓力拱的研究尚不能形成比較明確的理論，本文的研究也具有一定的局限，希望不久的將來可以對(duì)壓力拱做更深入的研究！

參考文獻(xiàn)

[1]Terzaghi K.Theoretieal Soil mechanies[M].New York：John Wi2ley&Sones，1943.

[2]曲世譁.深埋城市地鐵隧道對(duì)地層變形的影響及壓力拱形成規(guī)律研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[3]吳子樹等.土工的形成機(jī)理及存在條件的探討[J].成都科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1995.