基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力

1、基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力引言基坑支護結(jié)構(gòu)主要受兩種力的作用： 一種為水壓力， 另一種 為土壓力。正確、合理地進行水、土壓力的計算是進行其他各項 工作的前提和基礎(chǔ)。對砂土、碎石土按水土壓力分算，粘性土按 水土壓力合算，基本上達成共識。從土的有效應力理論出發(fā)，水 土分算的根據(jù)比較合理， 但實際操作困難比較大， 而水土合算在 理論上又存在嚴重缺陷。 下文筆者圍繞基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓 力的計算方法和控制措施展開探究。1. 基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力概述 支護結(jié)構(gòu)主要承受側(cè)向壓力， 包括水土壓力及地面荷載、 鄰 近建筑物基底壓力、 相鄰場地施工荷載等引起的附加壓力， 以水 土壓力為主。 土壓力是基坑周圍

2、一定范圍內(nèi)的土體與支護結(jié)構(gòu)之 間相互作用的結(jié)果。 傳統(tǒng)的支護設(shè)計理論是把基坑周圍土體當作 荷載，作為支護結(jié)構(gòu)的“對立面”， 然后根據(jù)圍護墻的位移情況， 分別按靜止土壓力、主動土壓力或被動土壓力來進行支護設(shè)計， 稱此類支護為被動支護。 事實上， 基坑周圍土體具有一定的自支 撐能力， 可以將它用作支護材料的一部分， 源于這一觀點的支護 設(shè)計是設(shè)法充分發(fā)揮和提高基坑周圍土體的自支撐能力并補強 其不足部分，稱此類支護為主動支護。2. 土水壓力的計算2.1 傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力計算理論與方法的分析 傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力的計算理論主要以朗肯理論和庫侖理 論為基礎(chǔ)， 這兩種理論無論在基本假設(shè)上， 還是在計算原理

3、上都 存在一些缺陷。主要表現(xiàn)為：（1）實際深基坑工程圍護墻通常不滿足古典土壓力理論的 假設(shè)條件；（2）古典土壓力理論沒有考慮圍護墻的變形過程，而僅以 墻體位移達到使墻后土體出現(xiàn)極限狀態(tài)的平衡條件為計算依據(jù)。 實際上圍護墻變形通常達不到使土體出現(xiàn)極限平衡狀態(tài)的位移 值，且其變形是隨開挖的深入而變化的，土壓力也隨著變化；（3）沒有考慮兩端壁處存在的空間效應。因此，所計算的 側(cè)土壓力只是近似的， 有時誤差甚至很大。 目前隨著水壓計算技 術(shù)的發(fā)展以及深基坑工程中環(huán)境效應問題的日益突出， 考慮圍護 墻與土體共同作用來計算側(cè)土壓力， 并在設(shè)計中預先估計圍護墻 位移的方法，例如彈性地基梁法（土抗力法）和有限

4、元法等日益 受到重視。此外，傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力的計算方法沒有顧及深基坑坑內(nèi) 外通常存在較大水位差的實際情況， 忽視了滲流效應對土壓力的 影響等問題。2.2 影響支護結(jié)構(gòu)上水土壓力的因素基坑開挖中， 支護結(jié)構(gòu)上的土壓力與經(jīng)典的朗肯、 庫侖土壓 力理論及其方法比較， 在應力路徑、 參數(shù)取值及邊界條件方面有 很大的不同。 造成實際結(jié)構(gòu)內(nèi)力比理論計算值小得多的原因可能 有以下一些。2.2.1 土體的應力狀態(tài)和應力路徑的影響(1) 中主應力的影響。常規(guī)三軸應力中 (T 2= 3,在基坑 支護結(jié)構(gòu)之后的土體應力狀態(tài)是三維的， 中主應力對強度的影響 是顯著的。(2) 小圍壓情況下土的強度指標。研究表明在小圍

5、壓情況下土的強度指標偏高許多。 在地表以下10m范圍內(nèi)，土的實際圍 壓小于lOOkPa，而室內(nèi)的試驗常用的圍壓都在 lOOkPa以上，這 樣低估了土的強度指標。( 3)土的超固結(jié)。如果地基土是正常固結(jié)土，在開挖減壓 后由于其平均主應力與圍壓減少而變成超固結(jié)狀態(tài)的土。 在圍壓 不大時，強度包線提高， 減少了主動土壓力， 增加了被動土壓力。(4) 基坑內(nèi)土體中的殘余應力。一般計算土壓力時，基坑 內(nèi)的垂直應力是從坑底算起的自重應力， 實際上， 由于基坑開挖 面積是有限的， 基坑以下土體的垂直向應力應當是從原地面算起 的自重應力加上由于開挖引起的“負附加應力”。2.2.2 孔隙水壓力的影響(1) 開挖

6、引起的負超靜孔壓。在基坑內(nèi)逐層開挖時，造成 土體卸載，圍壓減少，支護結(jié)構(gòu)前移，支護結(jié)構(gòu)后土體側(cè)脹，基 坑下土體向上回彈， 這將在土體中形成負壓使各部分土體均有膨 脹的趨勢。 這將在土體中形成負超靜孔隙水壓力， 對于滲透系數(shù) 較小土層， 這種負孔壓將持續(xù)長時間， 它改變了支護結(jié)構(gòu)上的荷 載和抗力的大小和分布，快速的施工有利于利用這種負孔壓。（2）墻后土體中的毛細飽和區(qū)。處于地下水位以上的毛細 飽和區(qū)內(nèi)其孔隙水壓力也是負值，是一種吸力 . 對于粉細砂、粉 質(zhì)粘土和粉質(zhì)砂土這個區(qū)域是比較厚的， 它將形成“假粘聚力” 明顯減少了墻后土壓力。（3）人工降低地下水位產(chǎn)生的滲透力。在人工降水的情況 下，滲透

7、力主要是向外向下的， 有利于減少主動土壓力和增加被 動土壓力。2.2.3 邊界條件的影響（1）基坑支護的三維效應?；又械拈L、寬、高之比一般 不是很大， 也不完全是平面應變問題。 如果坑壁中部的土體向外 位移，兩端的土體基本固定不動，土層間將產(chǎn)生摩擦力，這種拱 效應對于增加被動土壓力特別明顯。 另一方面， 三維的基坑支護 結(jié)構(gòu)形成框架結(jié)構(gòu)， 將橫向力轉(zhuǎn)化成軸向力， 這大大約束了支護 結(jié)構(gòu)的變形，減少其中彎矩及鋼筋拉應力。（2）支護結(jié)構(gòu)與土間的摩擦力。支護結(jié)構(gòu)與土間的摩擦主 動土壓力減少、墻前被動土壓力增加，考慮這一因素，對于板樁 和砂土，其前部的被動土壓力的提高是顯著的。（3）土層間的約束作用

8、。在墻后土體中不同土層間的水平 位移不同， 土層間也存在著摩擦力和拱效應。 這增加了整體穩(wěn)定 性，尤其是在淺層粘性土與砂土互層情況。3. 地下水對基坑支護工程的影響（1）在支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，無論是采用規(guī)范中的水土合算 或水土分算的方法， 地下水的存在和狀態(tài)都會影響水平荷載的取 值大小。 對水壓力的估計不當， 可能直接造成支護結(jié)構(gòu)的失效或 過大的位移。（2）地下水可能引起錨桿或土釘與周圍土體之間握裹力的 降低，從而降低抗拔力；（3）地下水的存在可能造成施工的困難；（4）地下水的存在可能降低支護體系的整體穩(wěn)定性；（5）地下水控制不當可能造成基坑側(cè)壁土體的流失，造成 潛蝕，嚴重時造成體積很大的“老虎洞”， 威脅體系的整體穩(wěn)定 性；（6）對坑底土質(zhì)為粉土或砂類土時，可能達成基底的管涌 或基底抗隆起失效；（7）可能由于施工降水不當，造成基坑側(cè)面變形過大，引 起鄰近建筑、道路或地下設(shè)施的破壞。4.結(jié)語綜上所述， 許多工程事故都和地下水有關(guān)， 因而支護結(jié)構(gòu)上 的水土壓力計算得到越來越多的重視和討論。 據(jù)統(tǒng)計， 由于水引 發(fā)的工