山地建筑结构设计的思维实验
北京蓝图工程设计有限公司
山地建筑结构设计因为场地的高差大，造成地下部分四面围土标高不一致，相差甚至数层，因此抗震方面说不清也算不清，本来对地下室起嵌固作用的围土，因高度不一致不但起不到嵌固作用，而且在地震作用下其有害作用大大增加。所以结构师一般倾向于与土体分开，土体单独护坡，这样和普通的建筑就没有区别了，但单独护坡增加造价，所以用建筑外墙兼挡土墙往往是自然而然的想法，如果这样做结构受力尤其是在地震作用下受力状态是什么样子，能算的清楚吗，采取什么措施呢？
本文试图从地基土、结构和地震运动的方面从概念上进行论述，为什么叫思维实验呢？因为没有任何的实际实验的数据支撑，仅仅是思维的设想，供大家参考讨论。
一：土压力理论回顾
要想弄清楚地震作用下的受力，先得从郎肯土压力理论来说。
（1）郎肯主动土压力
见下图：
主动土压力的概念是因为土的作用或其它原因，挡土墙向前移动，而土体发生向下滑动的平衡状态时，土体对挡土墙侧面的土压力。
这种土压力比较适用于室外衡重式挡土墙，在背后土压力的作用下，墙体向前位移，土体楔体处于平衡状态，来计算挡土墙的受力。
（2）郎肯被动土压力
见下图：
被动土压力是因为外力作用，挡土墙向土体移动，而土体发生挤压并向上滑动的平衡状态时，土体对挡土墙侧面的土压力。
当然实际情况都是土，不可能得到无穷大的推力，我们只是用极端的情况协助我们进行思维方向的实验，比如伽利略的小球在平板上无休止的滚动用的就是思维实验。著名的两个铁球同时着地，伽利略就是完全通过思维实验推翻了亚里士多德两千多年的错误概念，而不是真的拿着两个铁球在比萨斜塔上往下扔的。
建筑结构的地下室外墙，就是静止土压力。
有了这个土压力理论的基础，我们就可以思考下地震下建筑外墙兼挡土墙的受力了。
二：地震作用下的山地建筑地下室的受力分析
受力简图如下：
非地震下我们可以把土的静止土压力当成外荷载来考虑。外墙和土体分开土体单独支档时，建筑和普通建筑相同，故这两种情况不讨论。
现在笔者就把地震作用下的受力情况做下思维实验，希望大家提出批评，如果有机会进行实践和实验的朋友希望能够交流验证这个纯粹的思维猜想。
（1）当地面振动时，建筑物将在地震作用下来回摆动，并且大部分建筑楼层的加速度大于地面运动的加速度。
当地面向右加速运动时，土体也一起和地面向右运动。实际上土体因高于地面，土体的加速度可能会略微小于地面的加速度。但建筑受到惯性力的作用，将向反方向运动，有脱离土体方向的位移，甚至完全脱离土体。见下图：
这时候的土压力可以理解为主动土压力，甚至比主动土压力还小或等于0，当结构脱离土体的瞬间，土体有可能下滑以至于下沉，但土体不是我们考虑的对象，这种工况是挡土墙压力小于静止土压力。
（2）当地面向左加速运动时，土体也一起和地面向左运动。同样因土体因高于地面，土体的加速度可能会略微小于地面的加速度。建筑受到惯性力的作用，将向右方向急速运动，有挤压土体的位移，甚至将土体挤压的失去平衡而向上隆起。见下图：
这时土体对建筑的压力可以考虑为地震下的被动土压力。
这种土压力是变化的，从静止土压力开始加速增大，直到达到超过被动土压力后以至于土体可能被挤压破坏。
但是被动土压力不是一个固定的数，而是和土体的强度有关系，比如土体是硬的岩石，达到计算上的被动土压力时，数据可能非常大，甚至在土体完好无损伤时建筑已经破坏。
如果用通俗的语言就是，建筑啪的一下碰上了岩石，被撞坏了。所以这是我们应该避免的。
这和我们通常的理解就相反了。在正常情况下，土体硬对地下是个很好的嵌固作用，而且静止土压力也小，是有利的。但是上述的分析对于地震下时，土体越硬，可能对建筑的损伤越大。
因为所谓的被动土压力是一个变化的数值，说不清算不明，可能还非常大，还是脱开独立做支护吧，这不回到了文中开头的独立分开吗？所以还是继续思考看有没有别的办法呢？
见下图：
我们是否可以用这种方法呢？也就是在硬土与建筑之间构造一层缓冲层，类似瓷器的包装泡沫。
如果地面像左运动，会发生什么状况呢，首先土体聚苯和土体被压缩，因为缓冲层较软，土反力相对就会小很多，很难达到将背后的硬土层挤压拱起的程度。哈哈，翻过了了，土体嵌固的时候，我们希望土体越硬越好，最好无限刚，让嵌固端位移为0。而现在的土体希望软一些，当然别软的让地面下沉，也能够支撑背后的土层侧向受力的程度。
那什么样的土层和厚度合适呢？
首先应该加强档土建筑楼层的刚度，最好能达到高处土层以上楼层刚度的2倍。因为刚度越大，地震下位移就会越小，越接近下部地面的地震加速度，其土压力就会相当于静止土压力。
我们假设挡土楼层的位移按1/4000，楼层位移约不到2毫米，这样我认为其土压力接近于静止土压力，为安全起见，建议取静止土压力系数的1,2倍即0.6。
对这样的位移，档土外墙后部采用聚笨做防水防护对一般的土就可以了，如果后部是岩石或坚硬碎石的话，建议离开一定的间距，再采用素土分层夯实即可。
无需担心围土素土夯实的不足，因为我们不利用其嵌固作用，围土是一种外荷载，但要注意素土夯实不足导致的室外地面下陷。
如果是一般的粉土、粘性土，一层聚笨防水防护就可以了。
这样我们就可以把地震下的土压力当成外荷载进行计算了。
一个正常的建筑多出这样一个额外的外荷载对建筑的抗倾覆、地震下的位移、扭转都是不利的，但有利的是建筑可以兼做了挡土墙节约造价，室外场地也无临空的死空间。
（3）用锚杆把建筑外墙和土体锚固在一起的情况
锚杆可以保证地震时土体和建筑一起运动。在大震锚杆失效时，仍存在分离的现象，但那就回到了刚才的分析，或介于两种情况之间。
当地面向右运动时，建筑楼层加速度大于土体的加速度，故锚杆将拉动土体一起运动，实际上是土体后拉建筑，从宏观受力上类似与对面有土对建筑产生了推力，大大减小了建筑的位移反应，而土体的侧压力反而变小，所以此时是最有利的状态。
因锚杆拉力加大土体受到的拉力，发生锚杆失效或土体滑动，可以通过加大锚杆地震下的设计避免这种情况的发生，但即使发生，也不会对建筑有不利影响，只是土体或锚杆有问题，震后场地修整即可。再次发生强震时锚杆的作用将减弱，但接连发生两次中震要1000年呢，不是我们设计考虑的吧。
当地面向左运动时，建筑将挤压后面的土体，但因为建筑和土体没有分离，所以加速度基本相同，不会增加多大的侧向力，其侧向力可以考虑为静止土压力乘以1.2的系数（同上）。
当右地震时，锚杆拉住建筑，减少建筑的地震反应，但是要注意拉住建筑和推住建筑从整体分析似乎一样，但对具体的杆件受力完全不同，有可能建筑外墙会拉坏。就像挡土墙的扶壁柱在受压一侧和受拉一侧是大不一样的，筏板的无梁楼板基础的正反柱帽很多人认为是一样的，也是犯了类似的错误。
挡土墙做锚杆其实是将挡土墙和背后土体拉在一起，避免楔形土体的滑移，从而保证挡土墙的抗倾覆。但厚而重的建筑兼挡土墙基本不存在抗倾覆的问题。假如存在抗倾覆的问题，那设计方案可能就存在很大的问题了，用普通锚杆也解决不了，因为一般锚杆解决的都是在支档尺度上抗倾覆设计的。
我看到很多资料提到有用锚杆的方案，似乎不妥。
三：有关资料上关于地震土压力的计算综述
目前各种资料对山地建筑的设计都没有明确的说法，最重要的地震下的挡土墙的侧压力荷载是多大都是“互相见”，但都没有讲清楚。其它内容比如说了很多的构造、扭转、复杂情况的计算，但就不讲地震下的土体侧压力，就不是山地建筑所特有的了，是在重复论述。
抗规的4.1.8条山地建筑的地震放大解决的不是这个角度的问题。
边坡规范给出了复杂的地震作用下的主动土压力计算公式：
6.3.5考虑地震作用时，作用于支护结构上的地震主动岩石压力应按本规范第6.3.1条公式(6.3.1-1)计算，其主动岩石压力系数应按下式计算：
式中：ρ——地震角，可按本规范表6.2.11取值。
但按上述的分析，建筑地震下不利的情况是地震下的被动土压力，远远大于地震下主动土压力，所以护坡规范的地震下的主动土压力不适用于山地建筑的地震下土压力计算。
挡土墙图集上的Ea也是这样算出来的，所以很多资料上讲到山地建筑地震计算时说见边坡规范，不妥。
有本资料说的比较简洁些：
但道理和上面一样，该系数计算是用在静止下的地下外墙或挡墙上的，主动土压力加上3k也不应该用在山地建筑的地震计算。但被动土压力减小3k,个人认为也应该是加大，而不是减小。请大家指正。
四：一般建筑的地面嵌固
从上面的分析也可以看出，密实的地面土对地面的嵌固作用还是很有必要的。
建筑物的摆动来回挤压地面土，使建筑可能脱离地面土，地面的嵌固作用减弱，地震位移加大。但比较高的地下室刚度和肥槽填土（水泥土非常好的回填材料），使地下室的位移和地面土加速度相当，相互挤压力很小，不会改变嵌固的位置。
五：总结
山地建筑很复杂，弄清楚地震下的土压力了，就可以把它当做一个等效外荷载来考虑，再用规范的办法进行复杂结构的计算了，不弄清楚这个受力，其它的任何计算和分析都是徒劳。
加大档土层建筑的刚度非常有必要，首先可以使该楼层的地震下位移基本等同于地面土加速度，土压力基本等同于静止土压力（计算建议考虑为0.6的土压力系数），其次可以避免在巨大的土压力外荷载的作用下，建筑的侧移、扭转、倾覆等问题。
建筑兼档土的目的是为了节约造价和方便施工同时方便建筑场地的设计（避免出现死空间），但增加了建筑本身的造价和设计的不合理，所以要统筹考虑，但结构师不应该见土色变，都要分开。本文仅是思维猜想，没有任何的实验数据的支撑，供大家讨论思考，抛砖引玉，故不怕拍砖。
