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摘要：地下结构具有设计标准高、建设周期长、施工困难多、投资额巨大等特点，加上地下空间资源是不可再生资源，一旦被开发将不能恢复到以前的状态，因此地下结构的耐久性对城市的长期建设影响很大。所以，研究如何降低环境对地下结构的损害，延长地下结构的使用年限，提高地下结构的耐久性，是地下结构施工设计时不可忽视的研究内容。
关键词：耐久性；地下结构；因素分析
1 引言
结构的耐久性就是指结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，由于结构构件性能随时间的劣化，但仍能满足预定功能的能力；结构耐久性还可定义为结构在化学的、生物的或其他不利因素的作用下，在预定的时间内，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率；或指结构在要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而能保证其安全性和适用性的能力。地下结构从属于结构，地下结构的耐久性设计也应满足上述要求。地下结构的耐久性相对于地下结构设计发展起步较晚，成果用于指导工程实践并付诸实施的尚少，但对混凝土结构的耐久性的研究已是科研人员关注的重要领域。在开展耐久性设计研究方面，地面结构如码头、房建、桥梁等的耐久性研究六七十年代已经开始，而地下结构的耐久性研究还鲜见相关文章发表。以往人们普遍认为，混凝土或钢筋混凝土地下结构衬砌不会自然损坏和失效，能够满足50年或更长使用年限的要求，但在近些年来，这种观念己逐渐发生变化。我国在50年代修建的宝成铁路及在60年代修建的成昆铁路，部分隧道均出现过不同程度的耐久性损伤，需要部分维修或改建。尤其是近些年来大型地下工程的建设增多，一次性建设资金投入巨大，且维修或改建都较困难，由此对耐久性提出了更高的要求。因此，以往按设计基准期50年设计已不能满足要求，因此对地下结构耐久性的研究是箭在弦上。
随着对地下空间的不断开发，耐久性下降已是影响地下结构使用重要因素，研究地下结构的耐久性，提出地下结构地耐久性设计措施，对地下结构的使用和后期维护、最大限度地延长其使用年限、发挥其经济效益，具有非常广阔的应用和研究前景。
2 地下结构耐久性的影响因素分析
目前，国内外对混凝土和钢筋混凝土材料的耐久性问题在实践和理论方面都取得了巨大的成果，但其研究成果还是主要应用在地面结构和水工结构方面，对于地下结构来说由于其长期埋置于岩体中(同时可伴有地下水) ,耐久性影响因素相对于地面结构更具复杂性和不确定性，目前研究工作也多停留在材料层面上，对结构层次(包括荷载、应力应变、差异沉降、地下水渗流、施工过程等) 的研究还很不够；同时在地下结构耐久性技术规范及标准的制订方面也很欠缺，没有统一的标准，造成目前地下结构耐久性相比地面结构的相对落后。在考虑影响地下结构的耐久性因素问题时，应从地下结构内在和外在因素出发，做到多因素综合考虑。
2.1 材料内部缺陷的影响
地下结构支护的主要材料是混凝土，而混凝土耐久性的下降很大程度上取决于混凝土材料内部结构的缺陷和损伤。混凝土材料内部包含粗、细骨料和水泥等固体颗粒物质，游离水和结晶水等液体，以及气孔和缝隙中的气体等所组成的非均质、非同向的三向混合材料。混凝土内部的孔隙是其施工配制和水泥水化凝固过程的产物。因此混凝土材料是一种非均匀的多相介质，在构件承载之前，混凝土不同层次的相界面及水泥浆本身，已经存在着大量的各种尺度的随机分布裂纹，即初始损伤。这些初始损伤不仅在荷载作用下进一步扩展，而且对混凝土破坏起着关键性的控制作用。这些损伤使混凝土结构具有多孔性和渗透性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一般而言，因混凝土的密实度差，即内部孔隙率大，则各种液体和气体渗透进入其内部的可能性大，渗透的数量和深度都大，因而将加速混凝土的冻融破坏、碳化反应层更深，增大化学腐蚀，钢筋易生锈，因此，内部原因是影响混凝土耐久性的主要原因。
2.2 水的影响
地下工程大多数都和地表水、地下水接触，这些水都以不同的方式、在不同程度上对地下结构和支护结构产生作用，如果不及时采取防水措施，结构就会渗漏，轻则影响使用，或缩短结构的使用年限，重则淹没毁坏整个地下工程，影响到地面建筑和周围环境，因此加地
下结构的防水技术有十分重要的实际意义。地下结构位于地下水位中，将受到向上的浮力，尤其是地下水位骤然上升，浮力增大，使工程很容易浮起破坏。地下结构在自流排水或机械排水降低地下水位时，很容易引起潜蚀作用，将会掏空地基，不仅使地下结构地基失稳，而且往往会引起地表塌陷，危及地面建筑的安全。地下水位在地下结构埋置范围内变化，使衬砌结构湿润和干燥交替更迭，将降低工程结构材料的耐久性。此外，地下水位变化对地基强度也有影响，当地下水位上升时，水浸湿软化岩土，地基土强度降低，压缩性加大，使地下结构产生较大变形。
2.3 土体的影响
由于地下结构埋置于岩土体中，土体特性对地下结构的耐久性有重要的影响，主要包括：
①土的压缩性对地下结构耐久性的影响
土在受到竖向附加应力作用后，会产生压缩变形，引起基底沉降。土体在压力作用下体积减小的特性称为土的压缩性。土体积减小包括三部分：①土颗粒发生相对位移，土中水及气体从孔隙中被排出，从而使土孔隙体积减小；②土颗粒本身的压缩；③土中水及封闭气体被压缩。由于土的压缩，会造成地下水的排出、结构的不均匀沉降，降低结构的可靠度和使用年限。
②土的动力特性对地下结构耐久性的影响
地下结构往往会遇到地震、车辆等作用形成的荷载，这类荷载的大小和方向都随时间周期性变化。此外还有如爆破、爆炸等原因形成的冲击性荷载。周期性荷载和冲击性荷载，统称为动荷载。土的类型和所处的状态不同，对动荷载的反应也不相同。处于饱和状态的砂土和以粉砂颗粒为主的轻压粘土，在动荷载作用下，可能发生液化，使地下结构突然沉降甚至破坏；淤泥、淤泥质土等软弱黏性土，在动荷载作用下，由于孔隙水压力升高、强度降低等缘故，会导致地下结构的沉陷和滑移。
③土的渗透性对地下结构耐久性的影响
土是具有连续孔隙的介质。土孔隙中的水当有水头差作用时，会发生流动。上游的水就在水头差的作用下，通过土的孔隙而流向下游，这种现象叫做土的渗透性。如果地下结构处于水位较低处，上游的水就会向地下结构所在处流动，造成水位变化，影响地下结构的正常使用。
3 结语
地下结构耐久性的影响因素众多，很多因素尚不明确或研究不够，例如岩土体本身相对于混凝土材料的复杂性、屈服准则和本构关系的不定性，而且地下结构的耐久性是随着围岩与支护的相互作用而不断改变，这就造成了地下结构耐久性设计一直滞后于地面结构。地下结构耐久性影响是一个综合因素影响的过程，本文仅对各自的影响进行了探讨，存在一定的粗糙性。地下结构耐久性的两个主要影响因素一个是支护材料即混凝土技术的发展，另一个是环境因素的影响。近几年，随着高性能混凝土技术的不断发展和新奥法的日益成熟，支护技术发展到了一个崭新阶段。随着支护设计和参数优化的发展，这些极大的促进了地下结构的耐久性设计。今后的研究重点应放在其有别于地面结构的地方，如复杂的岩土体环境、多变的地质应力环境以及不均匀地层沉陷对地下结构耐久性的影响。
论文作者:张思敏1,王鹏2
论文发表刊物:《基层建设》2016年19期
论文发表时间:2016/12/6
标签：结构论文; 耐久性论文; 地下论文; 荷载论文; 混凝土论文; 孔隙论文; 因素论文; 《基层建设》2016年19期论文;