關(guān)于水位自記井穩(wěn)定性設(shè)計的分析計算

李 闖

(大興安嶺水文局，黑龍江加格達(dá)奇165000)

1 前言

現(xiàn)今，水位自記井廣泛應(yīng)用于水位觀測工作中，但由于其普遍位于江河湖泊岸邊，受河道的自然地質(zhì)條件和冰排等外在因素影響，未經(jīng)穩(wěn)定性驗算的水位自記井，容易出現(xiàn)傾斜、沉降量過大等現(xiàn)象，導(dǎo)致最終無法使用。為保證水位自記井的穩(wěn)定性，在其設(shè)計過程中，進(jìn)行抗傾覆及地基承載力的穩(wěn)定性驗算是十分必要的。

2 穩(wěn)定性驗算

某水位自記井位于黑龍江沿岸，布置形式為島式，以其為算例，進(jìn)行抗傾覆及地基承載力的穩(wěn)定性驗算。

2.1 永久荷載計算

該水位自記井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要永久荷載為自重。按照GB50009－2001附錄A的規(guī)定，其中鋼筋混凝土容重取24 kN/m。根據(jù)水位自記井工程量計算，總體積為38 m3，最后得總自重荷載G為912 kN/m2。

2.2 雪荷載計算

式中:Sk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;Ur為平臺平面積雪分布系數(shù)，根據(jù)GB50009－2001第6.2.1條規(guī)定采用為0.11;So為基本雪壓，平臺屋面的基本雪壓按GB50009－2001附表D.4給出的50 a一遇的雪壓，采用為0.45 kN/m2。

根據(jù)平臺設(shè)計方案，平臺面積為10.53 m2，平臺屋頂面積為22.30 m2。經(jīng)計算作用在平臺上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值Sk為1.95 kN/m2。

2.3 風(fēng)荷載計算

式中:ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;βz為 Z高度處的風(fēng)振系數(shù)，通過公式βz=1+ξνφz/uz求得2.2;us為風(fēng)荷載體型系數(shù)，按GB50009－2001第7.3.1規(guī)定取1.2;uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.52;ωo為基本風(fēng)壓;按規(guī)范GB50009－2001給出的50 a一遇的風(fēng)壓采用0.5 kN/m2。經(jīng)計算作用在平臺上的風(fēng)荷載ωk為2.00 kN/m2。

2.4 最大沖擊荷載(冰排)

式中:po為水沖擊荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN;Kw為水阻力系數(shù);根據(jù)該水位自記井形式取0.8;ρ為水的密度系數(shù)，淡水取1.0;Vo為臺身或橋墩處最大水面流速，取5 m/s;F為臺身或橋墩每米高度的阻水面積，取1.5，m2;h為測井出土面至水面的高度。取3 m，水面高度取冰排高度。經(jīng)計算作用在平臺上的最大水沖擊荷載為36 kN/m2。

由于該水位自記井位于黑龍江上游段，易受冰排撞擊，因此對冰排產(chǎn)生的最大撞擊荷載可用上式水沖擊荷載Po乘以綜合工作條件系數(shù)ζ確定，本次系數(shù)ζ取5.0。

即冰排產(chǎn)生的最大沖擊荷載值為Po×ζ=180 kN/m2。

2.5 地震荷載

按照地震基本烈度為6度進(jìn)行計算，公式為:

式中:FEK為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN;α為地震影響系數(shù)，取0.04;G為平臺重力荷載，kN。經(jīng)計算水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK為36.48 kN。

2.6 被動土壓力荷載

由于水位自記井深埋地下，受冰排撞擊時，相應(yīng)產(chǎn)生反向的作用力，即被動土壓力。根據(jù)該水位自記井實際地形及地質(zhì)條件，按下述公式計算:

式中:γ為土容重，按砂石土，取值為18 kN/m3;Hk為水位自記平臺埋深，8 m;Kp為被動土壓力系數(shù)，填土的性質(zhì)指標(biāo)為c經(jīng)計算，被動土壓力荷載Pp為2649.6 kN/m。

2.7 抗傾覆驗算

對于該水位自記井，其穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足:

式中:K穩(wěn)為抗傾覆安全系數(shù);M穩(wěn)為穩(wěn)定力矩;M傾為傾覆力矩。

本次穩(wěn)定系數(shù)演算采用的荷載組合包括永久荷載G;風(fēng)荷載ωk;水撞擊力荷載PO;地震荷載FEK。

M穩(wěn)=G×井底半寬B/2+被動土壓力Pp×土下埋深hk/3=8160 kN·m

M傾=ωk×井高H+PO×冰排最大高度至井底高度差Hb+地震水平荷載FEK×井底寬B=2060.3 kN·m

∴符合抗傾覆穩(wěn)定性要求。

2.8 地基承載力驗算

僅考慮軸心荷載作用時，應(yīng)符合P≤f要求，P為基礎(chǔ)底面處的平均壓力設(shè)計值;f為地基承載力設(shè)計值。

基礎(chǔ)底面處的平均壓力P可按下式確定:

式中:F為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)底面的豎向力值，含風(fēng)荷載和雪荷載;G為基礎(chǔ)自重;A為基礎(chǔ)底面面積。經(jīng)計算P為202 kPa。

地基承載力設(shè)計值f可按下式修正:

式中:fak為地基承載力特征值，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，取值為70;ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正值，按照基礎(chǔ)底下土的類別查表取值，根據(jù)設(shè)計報告地基基礎(chǔ)以下土質(zhì)為沙子，ηb、ηd取值為2.0、3.0;r為地基底面以下土的重度，取值為18;b為基礎(chǔ)底面寬度，當(dāng)基面＜3 m按3 m取值;rm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，取值為20;d為基礎(chǔ)埋置深度，根據(jù)自記平臺設(shè)計報告為8 m。經(jīng)計算f為628。求得P＜f，符合地基承載力穩(wěn)定性要求。

3 影響穩(wěn)定性的主要因素分析

從以上的計算可以看出，影響穩(wěn)定性的主要因素包括以下4個方面:

3.1 水位自記井自重G對穩(wěn)定性的影響

自重G的荷載計算是水位自記井抗傾覆和地基承載力穩(wěn)定驗算中重要的一部分。對于抗傾覆驗算來說，自重G越大，穩(wěn)定力矩M穩(wěn)越大，自記井的穩(wěn)定性越好;但對于地基承載力驗算來說，自重G越大，基礎(chǔ)底部的壓力值P越大，越不利于自記井的穩(wěn)定性。因此設(shè)計過程中，在考慮性價比等因素的情況下，合理選取水位自記井的建筑材質(zhì)尤為重要。

3.2 水沖擊荷載Po對穩(wěn)定性的影響

在進(jìn)行抗傾覆驗算時，水沖擊荷載Po是計算傾覆力矩M傾時最重要的一種荷載。尤其是當(dāng)設(shè)計的水位自記井位于冰凌多發(fā)河流岸邊時，計算水沖擊荷載時，還要必須考慮到冰排的沖擊荷載，因為冰排的撞擊最容易導(dǎo)致水位自記井受損，甚至無法使用。

當(dāng)水沖擊荷載Po越大，M傾越大，越不利于自記井的穩(wěn)定性;反之，當(dāng)水沖擊荷載Po越小，M傾越小，越有利于自記井的穩(wěn)定性。因此在設(shè)計過程中，合理的采取水沖擊荷載Po的冰排荷載系數(shù)ζ和確定冰排撞擊高度對水位自記井穩(wěn)定性的設(shè)計十分重要。

3.3 被動土壓力Pp對穩(wěn)定性的影響

當(dāng)僅考慮風(fēng)荷載、雪荷載或低烈度地震荷載進(jìn)行計算傾覆力矩M傾時，通過水位自記井自重荷載計算得出的M穩(wěn)即基本能夠保證水位自記井的穩(wěn)定性。

但如果考慮到水沖擊荷載，尤其是冰排的撞擊荷載時，對于抗傾覆驗算來說，被動土壓力Pp的計算才是M穩(wěn)計算中最重要的部分。當(dāng)被動土壓力Pp越大時，M穩(wěn)越大，越有利于自記井的穩(wěn)定性。因此在設(shè)計過程中，合理采取不同的被動土壓力計算公式和各種系數(shù)對設(shè)計水位自記井的穩(wěn)定性十分重要。

3.4 地質(zhì)條件對穩(wěn)定性的影響

由于水位自記井多為半地下建筑物，導(dǎo)致不同土質(zhì)的容重、強(qiáng)度、壓縮比、摩擦力等特征值對水位自記井穩(wěn)定性驗算的結(jié)果影響很大。

對于抗傾覆驗算來說，井身周圍土質(zhì)的容重越大，被動土壓力Pp越大，M穩(wěn)即越大，自記井的穩(wěn)定性越好;對于地基承載力驗算來說，地基土的強(qiáng)度越大，壓縮性越小，地基承載力f越大，自記井的穩(wěn)定性越好。因此在設(shè)計之前，取得詳細(xì)的建筑物所在地點的地質(zhì)資料，是做好水位自記井設(shè)計的重要保證。

4 結(jié)論

總之，影響水位自記井穩(wěn)定性的因素復(fù)雜多樣，本文所探討的只是諸多影響因素中較為基本和重要的。通過以上探討，為了使設(shè)計的水位自記井具有很好的穩(wěn)定性，在設(shè)計過程中應(yīng)重點做好以下計算:①對永久荷載的計算;②對水沖擊荷載的計算;③對被動土壓力的計算;④地質(zhì)資料的收集。

［1］水利部長江水利委員會水文局.SL384－2007水位觀測平臺技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［2］龔曉南.土力學(xué)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［3］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.GB50009－2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］中國建筑科學(xué)研究院.GB50007－2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.