土水壓力的計算方法

1、土水壓力的計算方法作用于支擋結構上的土壓力(一)概述作用在擋土支護結構上的側壓力包括土壓力、水壓力、冰荷載(寒冷地區(qū))、地震力及地面荷載所產(chǎn)生的側壓力等。土壓力是作用于擋土支護結構的主要荷載，特別是在大型深基坑工程中若能較準確地估算土壓力，對于確保深基坑工程的順利進行具有十分重要的意義。從廣義來說，土壓力是土作用在擋土支護結構上的或作用在被土體所包圍的結構物表面上的壓力及其合力。這些壓力(及合力)是由土的自重、土所承受的恒載和活載所產(chǎn)生的，其大小由土的物理與力學性質、土和結構之間的物理作用、絕對位移、相對位移以及變形值與特性所決定。水壓力、冰荷載、地震力及地面荷載等均是通過土這一載體作用于擋土

2、支護結構上，因此，均屬于廣義土壓力，也可稱為特殊情況下的土壓力。【例題17】在下列各項中，屬于廣義土壓力的是()。A、水壓力；B、地震力；C、冰荷載；D、地面荷載；答案：A、B、C、D(二)影響土壓力的因素作用在擋土支護結構上的土壓力受以下因素制約：護結構土壓力的性能之前，對不同土類應區(qū)別對待。土壓力強度的計算及其計算指標的取值與基坑開挖方式和土類有關。當剪應力超過土的開挖卸荷后，土壓力很快形成，為與其相適應采用直剪快剪或三軸不排水剪是合理的。但剪切前是否要固結，則根據(jù)土的滲透性而定。滲透性弱的土，由于加荷快、來不及固結即可能剪損，此時宜采用不固結即進行剪切；反之，滲透性強的土，宜固結后剪切。

3、【例題18】對于側壁為飽和粘土的基坑，宜采用()三軸試驗確定其抗剪強度指標A、固結排水剪；B、固結不排水剪；C、不固結不排水剪；D、不固結排水剪；答案：C導致設計土壓力值的不確定性。如經(jīng)典的庫侖土壓力和朗肯土壓力理論僅考慮主動與被動狀態(tài)；在擋土支護結構變形很小時，要采用靜止土壓力(其值無統(tǒng)一求法)；對于作用于多支點擋土支護結構的土壓力則按彈塑性理論進行計算。者剛度相差太大所致。小而變化。是從長邊的居中位置開始發(fā)生的。上述現(xiàn)象說明深基坑開挖的一個空間問題。土支護結構土壓力有顯著的時間效應。按經(jīng)典的極限平衡原理(庫侖朗肯土壓力理論) 進行的深基坑擋土支護設計屬于靜態(tài)設計，而開挖后的土體是處于動態(tài)平

4、衡狀態(tài)。一是開挖后的土體處于一種松弛過程，隨時間增長，土體強度逐漸下降；二是開挖后長時期內(nèi)基坑環(huán)境也會有所變化，例如由于多種原因造成土體含水量增加，也促使土體強度下降以上 的時間效應在設計時應予以考慮。定土壓力計算參數(shù)時要考慮施工效應降水是深基坑開挖中經(jīng)常采用的措施由于水，土體發(fā)生固結，使c、 值有所提高。當基礎樁采用擠土式樁時，由于擠土效應也可使c、 值有所提高。當然還要避免擠土樁的負面效應。土支護結構上的土壓力是隨著開挖過程逐步形成的。特別是多支點擋土支護結構的土壓力又隨著支撐或錨桿的設置及每步開挖施工參數(shù)的差異而產(chǎn)生受力狀態(tài)的改變，因此其土壓力的分布與一般擋土墻存在著差異。擋土支護結構上

5、的土壓力因上、下端支點及結構變位情況而差異甚大。土壓力計算參數(shù)( 、c、 等)帶有一定的隨機性。土層物理力學參數(shù)選擇正確與否是擋土支護設計能否符合實際的重要環(huán)節(jié)。但是實踐中，不少的建設單位在深基坑程招標時往往是僅提供主體建筑物的初步勘察報告，未能提供適應于深基坑工程的門勘察 報告，而投標單位為了急于中標，就在初勘資料的基礎上，選擇計算參數(shù)，未經(jīng)深思熟慮 ，草率地進行土壓力計算，這就帶來較大的隨機性和危險性。正確的做法應是，根據(jù)深基 坑的等級，進行補充的巖土工程勘察，在深基坑擋土支護設計人員的配合下，按設計要求 ，確定勘察范圍、基坑周邊勘探點間距以及勘探點間距，并選擇合適的試驗方法，這樣的 勘察

6、資料就具有針對性，設計人員也能做到心中有數(shù)。地下水是影響土壓力值的一個重大因素。當上層滯水治理不妥(例如，上下水設施破損而漏水，基坑頂及坡體未作防水處理致使雨水及地表水等滲入背側土體，坑周排水系統(tǒng)堵塞或暴雨后坑周水位急劇上升等)，致使背側土體的含水量增高，土的力學指標向 不利方向變化(c 值降低)，主動土壓力隨之增大，導致深基坑倒塌。類似事故在全國地區(qū)已屢見不鮮。擋土支護結構上的土壓力還和土體與墻(樁)背的摩擦角有關，而后者又與背側土體性質、墻(樁)背粗糙程度、排水條件、背側土體表面輪廓及有無地面荷載等有關土壓力的大小和分布是超靜定問題。一是因為位移和變形的作用，二是由于各單顆粒產(chǎn)生的壓力以及

7、顆粒間作用力的絕對值仍然不清楚。土壓力的大小還和土體應力水平有關。在正常壓密狀態(tài)的同一種土體，不同開挖度的土體應力水平是不同的，它的c、 不是同一值。和試驗方法多樣)，隨機性，變異性(施工效應、結構型式效應、時間效應、空間效應及地下水影響等)以及超靜定性等。目前工程中應用的土壓力計算理論，由于理論的假設與實際情況有一定的出入，加以在理論中也不可能對影響土壓力大小和其分布規(guī)律的各種因素及其相互作用加以全面考慮和概括，所以只能看作是近似的方法，與實測數(shù)據(jù)也有一定的距離，有時甚至差得很大?？梢哉f，深基坑擋土支護與開挖問題對經(jīng)典土力學理論提出了新的挑戰(zhàn)，需建立以釋放變形為核心的土壓力理論。深基坑開挖與

8、支護的應力、變形分析將把不可忽視的卸載問題、應力路徑問題及其引發(fā)出的土體應力、強度、變形性質和變化及其影響因素上巖土工程師的議事日程、提出需要深人研究的課題?？傊翂毫碚撨€有待于進一步研究，在實踐中不斷予以完善。(三)主動土壓力與被動土壓力定義擋土支護結構在土壓力作用下，將向基坑內(nèi)側移動(即產(chǎn)生背離土體的橫向位移)或繞前趾向基坑內(nèi)側轉動。當位移達到一定量值時，則其后土體開始形成滑裂面，應力達到極限平衡狀態(tài)，此時土壓力處于最小值，稱為主動土壓力(Ea)，進入主動土壓力狀態(tài)的位移量一土體阻止其變形的抗力將增加，應力水平隨之提高，使作用于結構上的土壓力逐漸增加。當位移達到一定量值時，則土體中亦將

9、形成一個滑裂面，應力達到極限平衡狀態(tài)，此時土壓力處于最大值，稱為被動土壓力(Ep)，進入被動土壓力狀態(tài)的位移量比主動土壓力狀態(tài)16庫侖土壓力和朗肯土壓力庫侖土壓力理論(1773無粘性砂土；當墻身向前或向后移動以產(chǎn)生主動土壓力或被動土壓力時的滑動破壞楔體是沿著墻背和一個通過墻踵的平面發(fā)生滑動；破壞土楔視為剛體；摩擦力沿著破裂平=tan ( 為內(nèi)摩擦角)；有墻身摩擦，亦即破壞土楔沿著墻背移動，在墻的界面上產(chǎn)生摩擦力；破壞是一個平面變形問題，即取無限長楔體的一個單位長度進行討論。根據(jù)上述假定，從滑動楔體處于極限平衡狀態(tài)時的靜力平衡條件出發(fā)，求出主動土壓力及被動土壓力。庫侖理論的主要缺點是假定土是理想

10、的以及滑裂面定為平面。在主動土壓力和被動土壓 力的計算中，由于實際滑裂面是曲面，這使得在平面滑裂面假定下計算的主動土壓力偏小(差 值為 210)，被動土壓力顯著偏大，差值隨內(nèi)摩擦角 的增大而增加，有時相差數(shù)倍至十數(shù)倍，若應用此值則是危險的。朗肯土壓力理論(1857 年)，其概念簡單明確而被工程界廣泛采用。朗肯土壓力建立在土體的摩爾庫侖強度理論及半無限土體的微元極限平衡狀態(tài)的假定上。朗肯土壓力理論的基本假定：擋土墻背豎直、光滑；墻后砂性填土表面水平并無限延長，墻對破壞楔體沒有干擾。推導結果，主動朗肯狀態(tài)出現(xiàn)與水平面成(45+ /2)夾角的滑動面，被動朗肯狀態(tài)出現(xiàn)與水平面成(45- /2)夾角的滑

11、動面。可以說，朗肯土壓力公式是庫侖土壓力理論的一個特例。由于沒有考慮墻背和填土之間的摩擦力，這樣求得的主動土壓力值偏大，而被動土壓力值則偏小。因此，用朗肯土壓力理論來設計擋土墻總是偏于安全的。貝爾(1915 年)把朗肯理論發(fā)展成可考慮粘聚力 c 值的土壓力理論。以下為考慮粘聚力的朗肯土壓力計算公式。【例題19】在利用朗肯土壓力確定主動土及被動土壓力系數(shù)時，其值大小與下列各項()無關。A、土的重度；B、計算點深度；C、土的粘聚力；D、土的內(nèi)摩擦角；答案：A、B、C經(jīng)典理論土壓力與深基坑擋土支護結構土壓力的區(qū)別由表12.4-1可知，按經(jīng)典理論計算得到的土壓力不能簡單地直接用于計算深基坑擋土支結構，

12、應視具體情況，作必要的修正?？傊翂毫Φ挠嬎悴皇怯删_的理論來證其正確可靠，而應通過現(xiàn)場測試和室內(nèi)模型試驗并依此為基礎，提出簡單實用而盡可能 合理的土壓力計算模式。在計算土體作用在擋土結構上的側壓力時，應著重考慮下列因素：土的物理力學性質鄰近基礎荷載；地下水位及其變化；擋土支護結構的剛度；深基坑工程的施工方法與施工 順序。(四)靜止土壓力【例題 20】對于變形要求嚴格的基坑支護結構，作用在支擋結構上的土壓力按( )計算。A、靜止土壓力； B、主動土壓力； C、被動土壓力； D、上述三項均可；答案：A12.4.1 土水壓力的計算(一) 計算方法的計算結果。壓力分布的方法等。而水土合算時不需單獨

13、考慮水壓力作用。標試驗方法和分類，可參考有關土力學教科書，本處不在詳述。1 水土分算和水土合算方法的適用條件具體情況合理選擇。壓力的作用。水土分算標。水土合算地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應力原理分析時，水壓力與土壓力應分開計 算。水土分算方法概念比較明確，但是在實際使用中有時還存在一些困難，特別是對黏性土， 水壓力取值的難度大，土壓力計算還應采用有效應力抗剪強度指標，在實際工程中往往難以解決。因此，在很多情況下黏性土往往采用總應力法計算土壓力，也有了一定的工程實踐經(jīng)驗。水土合算是將土和土孔隙中的水看做同一分析對象，適用于不透水和弱透水的黏土、粉質的作用。(二) 有關規(guī)范規(guī)程關于土壓力計

14、算的規(guī)定根據(jù)建筑基坑支護技術規(guī)程(JGJl2099標準值應按當?shù)乜煽拷?jīng)驗確定，當缺少經(jīng)驗時，可按下列規(guī)定計算：對碎石土、砂土等無黏性土按水土分算原則進行計算。在地下水位以下，作用于支護結 構的側壓力，等于土壓力與靜水壓力之和。土壓力計算采用浮重度 /c/ /計算。 satc 計算?！纠}21】根據(jù)建筑基坑支護技術規(guī)程(JGJl2099)規(guī)定，在進行土壓力計算時，按水土分算的原則進行計算的是()。A、碎石土；B、粉土；C、砂土；D、粘性土；答案：A、C水土合算時的水土壓力水平荷載和抗力可按下面公式計算(圖 12.4-1)：作用在支護結構上 j 點處水平荷載標準值(主動土壓力強度)( kpa)；a

15、jke 作用在支護結構上 j 點處抗力標準值(被動土壓力強度)( kpa)；pjkq 地面附加均布荷載(kPa)；0p 局部附加荷載在 j 點處產(chǎn)生的豎向應力標準值(kpa)；jki(kN/m3)；ih 第 i 層土的厚度(m)；iK 第 j 點所在土層的主動土壓力系數(shù)ajc 、第j點所在土層的黏聚力標準值(kpa)和內(nèi)摩擦角標準值(度)。jkjk當基坑外作用有局部附加荷載時，如建筑物基礎壓力，可按建筑基坑支護技術規(guī)程(JGJ12099)第 3.4.2 條計算。水土分算時的水土壓力當計算點位于地下水位以下時：建筑地基基礎設計規(guī)范(GB500072002)關于土壓力計算的規(guī)定嚴格限制時，應采用靜

16、止土壓力計算。自然狀態(tài)下的土體內(nèi)水平向有效應力，可認為與靜止土壓力相等。土體側向變形會改變其平衡狀態(tài)和被動極限平衡狀態(tài))，支護結構處于主動極限平衡狀態(tài)時，受主動土壓力作用， 是側向土壓力的最小值。庫侖土壓理論和朗肯土壓理論是工程中常用的兩種經(jīng)典土壓理論，無論用庫論或朗肯理 論計算土壓力，由于其理論的假設與實際工作情況有一定的出入，只能看作是近似的方法，與實測數(shù)據(jù)有一定差異。一些試驗結果證明，庫侖土壓力理論在計算主動土壓力時， 與實際較為接近。在計算被動土壓力時，其計算結果與實際相比，往往偏大。靜止土壓力系數(shù) K0 值隨土體密實度、固結程度的增加而增加（K0=1-sin/），當土層處于超壓密狀態(tài)時，K0 值的增大尤為顯著(K0=(1-sin/)0.5)。靜止土壓力系數(shù) K0 宜通過試驗測定。當無試驗條件時，對正常固結土也可按表 12.4-2 估算。宜 按水土合算的原則計算；也可按地區(qū)經(jīng)驗確定。處于地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應力原理分析時，水壓力與土壓力是分開計算的。這種方法概念比較明確。但是在實際使用中有時還存在一些困難，特別是粘性土在實際工程中孔隙水壓力往往難以確定。因此，在許多情況下，往往采用總應力法計算土壓中亦存在一些問題，如低估了