水工建筑物压力计算分析论文

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1问题的提出

当水工建筑物修筑在地震烈度7°（含7°）以上区域时，应进行抗震计算，以保证工程的正常运行。为做好水工建筑物抗震设计，水利部先后两次编制《水工建筑物抗震设计规范》，即SDJ－78（试行）和SL203－97。

在执行规范SL203－97过程中，发现4．9．1地震主动动土压力计算公式中，对主动动土压力系数Ce取值的提法值得商榷。

2地震主动动土压力计算

《水工建筑物抗震设计规范》SL203－97中给出的地震主动动土压力代表值计算公式为：

式中Fe——地震主动动土压力代表值

qo——土表面单位长度的荷重

Ψ1——挡土墙面与垂直面夹角

Ψ2——土表面和水平面夹角

H——土的高度

γ——土的重度的标准值

φ——土的内摩擦角

θe——地震系数角

δ——挡土墙面与土之间的摩擦角

ζ——计算系数，动力法计算地震作用效应时取1．0，拟静力法计算地震作用效应时一般取0．25，对钢筋混凝土结构取0．35并规定，公式中的Ce应取式（2）中按“＋”、“－”号计算结果中的大值

3墙后填土为水平面时主动土压力系数应小于1

主动土压力按库伦理论计算，墙后填土是砂土，只有内摩擦角φ，没有凝聚力C（若考虑凝聚力C的影响，则通过加大内摩擦角的办法，即采用“等值内摩擦角φ0”将凝聚力C包括进去），因此主动土压力系数是与土的内摩擦角φ密切相关的。在墙后填土为水平面，砂性土内摩擦角φ为15°～50°时，主动土压力系数应小于1。

3．1地震主动动土压力系数Ce计算公式中的明显不合理

在SL203－97中4．9．1条地震主动动土压力公式中，主动土压力系数Ce值的大小关键在于，规范要求取“＋”、“－”号计算结果中的大值。此种提法不妥，因为采用时，Ce值肯定会大于1。

（1）地震主动动土压力与静土压力计算不同，在于水工建筑物遭遇地震时主动动土压力要考虑地震系数角θe的影响，θe是随着地震烈度的大小而变化，其公式为：

式中ζ——计算系数，一般取0．25，对钢筋混凝土结构取0．35

αh——水平向设计地震加速度

αv——竖向设计地震加速度，应取2／3×ah

现将不同地震列度的θe值计算如表1，可供抗震设计时应用。

可见，当Ce取“－”号时得2．8891，数值不确切。

在进行抗震设计时，应将库伦公式中的土容重γ，土的内摩擦角φ和墙面与土之间的摩擦角δ，均按地震基本烈度对应的地震系数角θe，分别修正为λ／cosθe，φ－θe。

（2）取地震烈度7°，土的内摩擦角φ为22°，11°，其余Ψ1、Ψ2为零的情况下，分析对Ce值的影响。不同φ值的Ce值计算如表2。

可见，Ce在采用时，其结果毫无实用价值。

3．2动土压力与静土压力比值分析。

地震主动动土压力包括静土压力和动土压力，用两者比值分析地震动土压力系数Ce采用的正确性。

（1）利用公式分析

已知地震主动动土压力系数为0．4318，而静土压力系数

（2）利用SDJ－78（试行）中公式核算

按公式

式中Ce——地震动土压力系数，取4．0

Cz——综合影响系数，取1／4

kH——水平向地震系数，7°度地震时为0．1

φ——内摩擦角，22°

E——静土压力

动土压力与静土压力比值为4％。

（3）利用SL203－97中4．9．1公式的编制说明近似估算主动动土压力值和其比值。

经过对某工程实例计算后，动土压力与静土压力比值为5％。

4计算实例

现用某节制闸翼墙桩基整体稳定实例进行分析，地震主动动土压力经采用不同计算方法，其结果见表3。

已知条件：扶壁式档墙，墙长20m；墙底宽8．0m，墙后填土水平高度7．5m；填土等值内摩擦角22°；翼墙墙面与土之间外摩擦角为11°。墙后水深6．78m土饱和容重为18．2kn／m3，遇7°地震时取地震系数角为1．46°。

由表3可看出SL203－97与GB50286－98地震主动动土压力数值极其相近，但SL203－97动土压力仅占静土压力的2．8％。其原因在于SL203－97中4．9．1－1公式含有数值。

当墙后填土表面为水平，且墙面无外荷，墙面与垂直面夹角（Ψ或α）为零时，简化计算公式如下：

虑0．9833影响，计算结果为2486．5KN≈2487．3KN（GB50286－98），其动土压力与静土压力比值亦为4．6％。

另外再分析SL203－97中4．9．1－1公式，计算系数ζ取0．25和0．35对地震主动动土数值的影响，见表5。

当ζ为0．35时，地震角取2．05°，则Ce值为0．4397，，和当ζ为0．25时，地震角取1．46°，则Ce值为明计算系数区分0．25和0．35实际意义不明显。

5结语

（1）经过分析计算，在采用SL203－97中4．9．1公式进行抗震设计时，地震主动动土压力系数Ce应只取值计算，这和《堤防工程设计规范》GB50286－98、《港口工程技术规范》（1987年）、《水运工程建筑物抗震设计》JTJ201－84及《水工设计手册》第七卷挡土墙部分的规定相一致。

（2）在采用SL203－97中4．9．1公式时，计算系数不再区分0．25和0．35。

（3）建议SL203－97中4．9．1公式与《堤防工程设计规范》GB50286－98中当地震设防时主动动土压力库伦公式相统一。

参考文献：

(1)甘维义，甘城．《水工设计手册》[S]．水利电力出版社，1982．

(2)冯国栋等．《土力学地基与基础》[M]．中国工业出版社，1963．

(3)《水工建筑物抗震设计规范》SL203－97[S]．水利电力出版社，1998．

(4)《水工建筑物抗震设计规范》SDJ10－78[S]．水利电力出版社，1978．

(5)《水运工程水工建筑物抗震设计规范》JTJ201－84[S]．人民交通出版社，1984．

(6)《港口工程技术规范》[S]．人民交通出版社，1987．