【洪飞宇原创】结构干货：下沉广场挡墙抗震设计解析

• 地震土压力计算
  
  

带支挡结构的抗震设计自然要解决地震土压力的问题，否则即使主体结构与支挡相脱离，也不能保证结构由此变得更安全。

岩土工程界对地震土压力计算的研究成果有： 1）建立在弹性波理论上的求解，如 Veletsos 等人的近似弹性解； 2）基于土体-结构动力相互作用分析的弹塑性及非线性方法，可概括为理论模型合理，分析因素复杂，是当今该领域研究的热点方向； 3）基于古典塑性理论和拟静力概念的方法，如著名的 Mononobe-Okabe 地震土压力计算方法（即物部-岗部公式），这种完全塑性的拟静力方法通过计算主动和被动这两种极限破坏状态下的土压力来控制结构安全，不要求精确确定土压力的分布和作用点，并忽略土-结构在地震状态下相互作用以及位移、刚度的变化影响；4）拟动力分析法，可以部分地反映土体与结构系统的动力相互作用，以提高拟静力法的理论完整性和计算准确度。

• 拟静力法
  
  

上述方法中，多数处在研究阶段，数十年来在实际工程运用的主要是拟静力法，相对有限元、数值分析、动力分析等方法虽欠理论上的完美，但岩土自身复杂多变，拟静力法经过国内外无数重大岩土工程的检验，证明实践可行，能够保证工程的结构抗震安全。

我国有关设计规范、标准也主要采用拟静力法计算地震土压力：

1） 国标挡土墙图集：见国家建筑标准设计图集 04J008《挡土墙》附录 G 地震土压力计算有关条款；

2） 《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006 第 6.1.4：作用于挡土墙上的地震主动土压力，应按库伦理论公式计算。但土的内摩擦角Ф或土的综合内

摩擦角φ 0 、墙背摩擦角δ、土的重度γ，受地震作用的影响，应根据地震角分别按下列公式进行修正：

3） 《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89 第 3.1.6 条对支挡结构地震土压力的计算规定与《铁路工程抗震设计规范》几乎相同，仅地震角修正表略异；

4） 上海市工程建设规范《地下铁道建筑结构抗震设计规范》DG/T08-2064-2009对地铁车站提出：可采用土层-结构时程分析法，等代地震荷载-等代水平地震加速度法或惯性力法，或反应位移法进行计算。（第 5.5.3 条）等代法的主要内容是考虑土层性状、埋深等因素对水平地震荷载进行简化修正，直接作用于各个结构节点，再按平衡条件得出三角形分布的土层水平抗力（并以此替代地震土压力），共同作用于结构。

5） 美国采用的 Seed 和 Whitman 简化公式：（墙背土摩擦角φ=35 o ）

K e =Ka（1+3K h /4）

K h —水平地震系数；相应我国抗震设防七度时取值 0.1，八度时 0.2，九度

时 0.4；

以上第 4）款是针对完整地下建筑的抗震设计，类似的有日本土木工程协会 JSCE《沉管隧道抗震设计规范》，其对地下结构地震作用采用地震系数法计算，直接用结构和相关土体的质量与设计地震系数相乘，得到结构水平惯性力，概念十分简明，对地震土压力则明确采用 Mononobe-Okabe 公式计算。《抗规》中亦增加了地下建筑抗震设计的有关章节，而在以往的工程实践中，完整地下建筑包括完整地下室的抗震设计往往没有引起工程师的重视，一方面是情况比较复杂，另一方面是震害比较轻微，且与地质条件的关系更大。

国内外各种计算简化公式以及修正参数虽有不同，但计算出来的结果却很有意

思。选取墙背直立路肩墙为例，墙背土内摩擦角按 35 度进行计算比较，可以发现，用《铁路工程抗震设计规范》计算得到的地震主动土压力在抗震设防烈度七度、八度、九度的情况下，相应比非抗震时的主动土压力分别增大 7.2%，14.8%，32.1%，与 Seed 和 Whiteman 简化公式的 7.5%，15%，30%几乎相同；而相应设防烈度的地震最大影响系数为 0.08,0.16,0.32，即地震系数法将地震土压力理解为在非地震土压力上附加一个惯性力，结果与简化公式也完全一致。

“按各个规范的简化计算公式计算出的由于地震引起的主动土压力的增加量虽然存在明显的差别，但地震土压力的最终结果仍只较非地震条件下的土压力增加一个很小的百分数。如考虑综合影响系数的折减和地基容许承载力的提高，则其影响更小。”见《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89 第 4.2.10 款条文说明。

由此可以看出，关于地震土压力的计算在岩土工程界的认识是比较一致的，虽然地震状态下土的本构关系和土与结构的非线性关系研究仍在继续，但就工程本身而言，用拟静力法安全可靠，实践可行。

• 抗震设计方法
  
  

明确地震土压力的计算方法后，局部带支挡结构的山地建筑抗震设计还需深入考虑以下几个环节：

1、 嵌固端选择：结构嵌固位置应选取在基础顶面、可靠刚性地坪顶面或全埋式地下室顶面；嵌固位置以上支挡结构的土压力（指地震土压力）宜作为荷载输入结构模型，如图 4，目前多数计算程序需要工程师按简化的柱上水平荷载输入；

图4

2、支挡结构类型的选择：有条件时，应沿续《抗规》分离的思路，首选与主体建筑在结构意义上分离的支挡结构，即“荷载传递，刚度分离”。如当主体结构为钢筋混凝土结构时，附带的支挡结构选用毛石混凝土挡墙，当必须选择钢筋混凝土支挡结构时，其与主体结构间设置结构控制缝或结构构造，实现主体与支挡结构间只传递荷载，少刚度牵连，支挡结构不参与主体的抗震体系工作，不给主体带来“刚度包袱”，如图 5。

当主体结构为框架-抗震墙结构或剪力墙结构，此时应允许设置和主体一体化的支挡结构，底层刚度可能会局部加大，此时应积极与建筑协调，在不影响使用功能的情况下调整底部抗震墙布置，解决刚度突变和扭转问题，或在支挡高度未达到层高时，设置悬臂式支挡，如图 5，这样既可以避免分离式设计带来的构造困难和建筑设计限制，又不至于使结构模型过于复杂；

图5

3、结构整体的抗滑移验算：在主体建筑层数不多，而支挡高度较大时应注意验算主体结构的抗滑移，目前简化的计算方法为：当主体建筑采用天然基础时，验算地震土压力与基础摩擦力的关系，摩擦系数可按表取值；当主体建筑为桩基础时，验算桩的抗剪承载力，可考虑抗震承载力调整系数，并认为全部桩均匀受力，乘以不均匀系数 0.8。

4、注意事项：1）支挡结构验算和结构整体稳定性验算不能代替场地稳定性评价与设计，如场地失稳，则任何工程措施也难以阻挡结构的破坏。多数支挡结构的破坏源于场地失稳，如地基液化、泥石流、滑坡等，非结构失效。场地稳定是任何结构设计的前提；2）按拟静力法计算出的已经是地震土压力，在结构计算中将其作为荷载输入时，将又一次参加地震作用荷载组合，会造成数值放大，一般工程不会有大的影响，当支挡高度较大时应适当调整输入；3）由于被动土压力仅在主体建筑向土体侧发生较大位移时才出现,且地震产生的建筑位移具振动属性,方向多变,持续时间短,因此一般情况下可只计算主动土压；5)由于低层建筑多采用框架结构,局部设钢筋混凝土结构挡墙将出现体系混合，结构刚度变异过大,很难调整,此时应首选刚度分离的支挡结构形式;而全剪力墙结构则宜首选和主体结构一体化的支挡方式，构造及施工均比较方便。

本文原著：《山地建筑抗震设计之地震土压力计算 》，作者：钟 阳 ，有删改。

本文首发于：土木吧，微信号：tumuba，作者：洪飞宇，可添加微信308492256拉入土木精英群。
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