基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力

1、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力引言基坑支護(hù)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(jìn)行水、土壓力的計(jì)算是進(jìn)行其他各項(xiàng) 工作的前提和基礎(chǔ)。對(duì)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(dá)成共識(shí)。從土的有效應(yīng)力理論出發(fā)，水 土分算的根據(jù)比較合理， 但實(shí)際操作困難比較大， 而水土合算在 理論上又存在嚴(yán)重缺陷。 下文筆者圍繞基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓 力的計(jì)算方法和控制措施展開探究。1. 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力概述 支護(hù)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(chǎng)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(hù)結(jié)構(gòu)之 間相互作用的結(jié)果。 傳統(tǒng)的支護(hù)設(shè)計(jì)理論是把基坑周圍土體當(dāng)作 荷載，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的“對(duì)立面”， 然后根據(jù)圍護(hù)墻的位移情況， 分別按靜止土壓力、主動(dòng)土壓力或被動(dòng)土壓力來進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)， 稱此類支護(hù)為被動(dòng)支護(hù)。 事實(shí)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(hù)材料的一部分， 源于這一觀點(diǎn)的支護(hù) 設(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng) 其不足部分，稱此類支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)。2. 土水壓力的計(jì)算2.1 傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力計(jì)算理論與方法的分析 傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力的計(jì)算理論主要以朗肯理論和庫(kù)侖理 論為基礎(chǔ)， 這兩種理論無(wú)論在基本假設(shè)上， 還是在計(jì)算原理

3、上都 存在一些缺陷。主要表現(xiàn)為：（1）實(shí)際深基坑工程圍護(hù)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(hù)墻的變形過程，而僅以 墻體位移達(dá)到使墻后土體出現(xiàn)極限狀態(tài)的平衡條件為計(jì)算依據(jù)。 實(shí)際上圍護(hù)墻變形通常達(dá)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(yīng)。因此，所計(jì)算的 側(cè)土壓力只是近似的， 有時(shí)誤差甚至很大。 目前隨著水壓計(jì)算技 術(shù)的發(fā)展以及深基坑工程中環(huán)境效應(yīng)問題的日益突出， 考慮圍護(hù) 墻與土體共同作用來計(jì)算側(cè)土壓力， 并在設(shè)計(jì)中預(yù)先估計(jì)圍護(hù)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(jì)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(shí)際情況， 忽視了滲流效應(yīng)對(duì)土壓力的 影響等問題。2.2 影響支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的因素基坑開挖中， 支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力與經(jīng)典的朗肯、 庫(kù)侖土壓 力理論及其方法比較， 在應(yīng)力路徑、 參數(shù)取值及邊界條件方面有 很大的不同。 造成實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)力比理論計(jì)算值小得多的原因可能 有以下一些。2.2.1 土體的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑的影響(1) 中主應(yīng)力的影響。常規(guī)三軸應(yīng)力中 (T 2= 3,在基坑 支護(hù)結(jié)構(gòu)之后的土體應(yīng)力狀態(tài)是三維的， 中主應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度的影響 是顯著的。(2) 小圍壓情況下土的強(qiáng)度指標(biāo)。研究表明在小圍

5、壓情況下土的強(qiáng)度指標(biāo)偏高許多。 在地表以下10m范圍內(nèi)，土的實(shí)際圍 壓小于lOOkPa，而室內(nèi)的試驗(yàn)常用的圍壓都在 lOOkPa以上，這 樣低估了土的強(qiáng)度指標(biāo)。( 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(yīng)力與圍壓減少而變成超固結(jié)狀態(tài)的土。 在圍壓 不大時(shí)，強(qiáng)度包線提高， 減少了主動(dòng)土壓力， 增加了被動(dòng)土壓力。(4) 基坑內(nèi)土體中的殘余應(yīng)力。一般計(jì)算土壓力時(shí)，基坑 內(nèi)的垂直應(yīng)力是從坑底算起的自重應(yīng)力， 實(shí)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(yīng)力應(yīng)當(dāng)是從原地面算起 的自重應(yīng)力加上由于開挖引起的“負(fù)附加應(yīng)力”。2.2.2 孔隙水壓力的影響(1) 開挖

6、引起的負(fù)超靜孔壓。在基坑內(nèi)逐層開挖時(shí)，造成 土體卸載，圍壓減少，支護(hù)結(jié)構(gòu)前移，支護(hù)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(fù)壓使各部分土體均有膨 脹的趨勢(shì)。 這將在土體中形成負(fù)超靜孔隙水壓力， 對(duì)于滲透系數(shù) 較小土層， 這種負(fù)孔壓將持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間， 它改變了支護(hù)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(fù)孔壓。（2）墻后土體中的毛細(xì)飽和區(qū)。處于地下水位以上的毛細(xì) 飽和區(qū)內(nèi)其孔隙水壓力也是負(fù)值，是一種吸力 . 對(duì)于粉細(xì)砂、粉 質(zhì)粘土和粉質(zhì)砂土這個(gè)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(dòng)土壓力和增加被 動(dòng)土壓力。2.2.3 邊界條件的影響（1）基坑支護(hù)的三維效應(yīng)。基坑中的長(zhǎng)、寬、高之比一般 不是很大， 也不完全是平面應(yīng)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(dòng)，土層間將產(chǎn)生摩擦力，這種拱 效應(yīng)對(duì)于增加被動(dòng)土壓力特別明顯。 另一方面， 三維的基坑支護(hù) 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(hù) 結(jié)構(gòu)的變形，減少其中彎矩及鋼筋拉應(yīng)力。（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)與土間的摩擦力。支護(hù)結(jié)構(gòu)與土間的摩擦主 動(dòng)土壓力減少、墻前被動(dòng)土壓力增加，考慮這一因素，對(duì)于板樁 和砂土，其前部的被動(dòng)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(yīng)。 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(duì)基坑支護(hù)工程的影響（1）在支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，無(wú)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(huì)影響水平荷載的取 值大小。 對(duì)水壓力的估計(jì)不當(dāng)， 可能直接造成支護(hù)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(hù)體系的整體穩(wěn)定性；（5）地下水控制不當(dāng)可能造成基坑側(cè)壁土體的流失，造成 潛蝕，嚴(yán)重時(shí)造成體積很大的“老虎洞”， 威脅體系的整體穩(wěn)定 性；（6）對(duì)坑底土質(zhì)為粉土或砂類土?xí)r，可能達(dá)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(dāng)，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(yǔ)綜上所述， 許多工程事故都和地下水有關(guān)， 因而支護(hù)結(jié)構(gòu)上 的水土壓力計(jì)算得到越來越多的重視和討論。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 由于水引 發(fā)的工