基坑工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載

第2章支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的作用荷載為，1土壓力及水壓力：2地面堆積荷載及大型車輛的動、靜荷載：3周邊建(構(gòu))筑物的作用荷載；4施工荷載；5支護(hù)結(jié)構(gòu)作為主體一部分時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的作用；6支撐體系的溫度應(yīng)力。2.1土壓力理論不論哪種形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)，都要承受來自圍護(hù)墻體后側(cè)填土的側(cè)向壓力——土壓力，它是圍護(hù)墻體斷面和驗(yàn)算其穩(wěn)定性的主要荷載。土壓力的大小和分布，對支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性驗(yàn)算有著重要的影響。土壓力的大小和分布除了與土的性質(zhì)有關(guān)外，還與圍護(hù)體的位移方向、位移量、土體與圍護(hù)墻體間的相互作用以及圍護(hù)墻體類型有關(guān)。3土壓力的影響因素土的性質(zhì)擋土墻的移動方向擋土墻和土的相對位移量土體與墻之間的摩擦擋土墻類型4

剛性擋土墻土壓力計(jì)算比較簡單，其它類型的土壓力計(jì)算大都以剛性墻為依據(jù)

本章要討論的中心問題

剛性擋土墻上的土壓力性質(zhì)及土壓力計(jì)算，包括土壓力的大小、方向、分布及合力作用點(diǎn)5在影響土壓力的諸多因素中,墻體位移條件是最主要的因素。墻體位移的方向和相對位移量決定著所產(chǎn)生的土壓力的性質(zhì)和土壓力的大小。土壓力類型6墻體位移對土壓力的影響擋土墻所受土壓力的類型，首先取決于墻體是否發(fā)生位移以及位移的方向。其中有三種特定情況下的土壓力，即靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。擋土墻所受土壓力的大小并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨位移量的變化而變化。7土壓力的類型靜止土壓力

是指如果擋土墻在側(cè)向土壓力作用下，不向任何方向移動和轉(zhuǎn)動而保持靜止?fàn)顟B(tài)，則墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，這時(shí)作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力E0。如建筑物地下室外墻的土壓力，建在巖石地基上的大截面擋土墻。E08主動土壓力

是指擋土墻在墻后土體壓力作用下，背離填土方向移動或繞墻角轉(zhuǎn)動，當(dāng)墻后土體達(dá)到極限平衡并出現(xiàn)連續(xù)滑動面，這時(shí)作用在擋土墻上的土壓力稱為主動土壓力Ea。此時(shí)土推力達(dá)到最小值。如一般的擋土墻土壓力的類型Ea9被動土壓力

是指擋土墻在外力作用下向填土方向移動或轉(zhuǎn)動，這時(shí)作用在擋土墻上的土壓力將由靜止土壓力逐漸增大，一直到土體達(dá)到極限平衡并出現(xiàn)連續(xù)滑動面，墻后土體向上擠出隆起，這時(shí)作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力Ep。如拱橋橋臺。Ep土壓力的類型10當(dāng)=Δ/H=0

時(shí)（如地下室）

E=E01.靜止土壓力112.主動動土土壓壓力力墻體體外移移，土壓壓力力逐逐漸漸減小小，當(dāng)土土體體破壞壞，達(dá)達(dá)到到極限限平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)時(shí)所所對對應(yīng)應(yīng)的的土土壓壓力力(最小小)123.被動動土土壓壓力力墻體體內(nèi)移移，土壓壓力力逐逐漸漸增大大，當(dāng)土土體體破壞壞，達(dá)到到極限限平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)時(shí)所所對對應(yīng)應(yīng)的的土土壓壓力力(最大大)E橋面拱橋橋臺132.3靜止止土土壓壓力力計(jì)計(jì)算算靜止止土土壓壓力力———墻體體不不發(fā)發(fā)生生任任何何位位移移=0相當(dāng)當(dāng)于于天天然然地地基基土土的的應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)（側(cè)側(cè)限限狀狀態(tài)態(tài)））———K0應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)嵌巖的大截面擋土墻地下下室室外外墻墻14一、、靜靜止止土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度p0σvσvσhp0=σhzK0:靜止止土土壓壓力力系系數(shù)數(shù)對于于側(cè)側(cè)限限應(yīng)應(yīng)力力狀狀態(tài)態(tài)，，理理論論上上：：K0=/(1-)由于于土土的的泊泊松松比比很難難確確定定，，K0常用用經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公公式式計(jì)計(jì)算算p0—靜止止土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度(kN/m2)15式中，′為土的有效內(nèi)摩擦角，OCR為土的超固結(jié)比，λ為常數(shù)，通常在0.3-0.5之間，有人建議采用0.41，也有人建議采用0.5，MayneandKulhawy(1982)建議。對于于超超固固結(jié)結(jié)粘粘性性土土對于于無無粘粘性性土土及及正正常常固固結(jié)結(jié)粘粘性性土土16極限限平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)：：σvσvσhp0=σhzK0狀態(tài)態(tài)：：f17HzE0二、、靜靜止止土土壓壓力力分分布布及及總總靜靜止止土土壓壓力力E0靜止止土土壓壓力力呈呈三三角角形形分分布布(如上上圖圖)，總總靜靜止止土土壓壓力力為為：：E0的作作用用點(diǎn)點(diǎn)在在距距離離墻墻底底1/3墻高高H處。。(kN/m)182.4朗肯肯土土壓壓力力理理論論朗肯肯（Rankine）于1857年根根據(jù)據(jù)土土體體中中的的朗朗肯肯主主動動和和被被動動(土壓壓力力極極限限平平衡衡)狀態(tài)態(tài)，，提提出出了了無無粘粘性性土土主主動動和和被被動動土土壓壓力力的的計(jì)計(jì)算算理理論論。。貝爾爾（Bell）于1915年在在朗朗肯肯無無粘粘性性土土土土壓壓力力計(jì)計(jì)算算理理論論的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上，，提提出出了了粘粘性性土土土土壓壓力力的的計(jì)計(jì)算算方方法法。。19一、、朗朗肯肯主主動動和和被被動動狀狀態(tài)態(tài)———自重重應(yīng)應(yīng)力力作作用用下下，，半半無無限限土土體體內(nèi)內(nèi)各各點(diǎn)點(diǎn)的的應(yīng)應(yīng)力力從從彈彈性性平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)發(fā)發(fā)展展為為極限限平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)的情情況況。。朗肯主動狀態(tài)13

45+f/2pav=zK0zf=c+σtan20朗肯被動狀態(tài)13

45-f/2ppv=zK0zf=c+σtan21二、、填填土土面面水水平平時(shí)時(shí)的的朗朗肯肯土土壓壓力力計(jì)計(jì)算算條件件墻背背光光滑滑墻背背垂垂直直填土土表表面面水水平平假設(shè)設(shè)墻后后各各點(diǎn)點(diǎn)均均處處于于極極限限平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)于是是：：σv、σh為主主應(yīng)應(yīng)力力，且且σv=zHσvσhz22（一一））主主動動土土壓壓力力1.無粘粘性性土土豎向向應(yīng)應(yīng)力力為為大大主主應(yīng)應(yīng)力力水平平向向應(yīng)應(yīng)力力為為小小主主應(yīng)應(yīng)力力無粘粘性性土土的的極極限限平平衡衡條條件件于是是：：主動動土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度z145+f/2pa=3pav=zK0zf=σtan23主動動土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度Ka———朗肯肯主主動動土土壓壓力力系系數(shù)數(shù)總主主動動土土壓壓力力z1pa=3

45+f/2（一一））主主動動土土壓壓力力1.無粘粘性性土土Ea的作作用用點(diǎn)點(diǎn)在在距距離離墻墻底底1/3墻高高H處。。(kN/m)(kN/m2)24（一一））主主動動土土壓壓力力2.粘性性土土pav=zK0zcf=c+σtan豎向向應(yīng)應(yīng)力力為為大大主主應(yīng)應(yīng)力力水平平向向應(yīng)應(yīng)力力為為小小主主應(yīng)應(yīng)力力粘性性土土的的極極限限平平衡衡條條件件于是是：：主動動土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度z145+f/2pa=3

25（一一））主主動動土土壓壓力力2.粘性性土土主動動土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度z>z0

z<z0

－z045+f/2z0z0稱為為臨臨界界深深度度(高度度)(kN/m2)26總主主動動土土壓壓力力HEa－z0(kN/m)Ea的作作用用點(diǎn)點(diǎn)在在距距離離墻墻底底1/3倍(H-z0)處。。27豎向向應(yīng)應(yīng)力力為為小小主主應(yīng)應(yīng)力力水平平向向應(yīng)應(yīng)力力為為大大主主應(yīng)應(yīng)力力無粘粘性性土土的的極極限限平平衡衡條條件件于是是：：被動動土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度45-f/2pp=σ1σ3z（二二））被被動動土土壓壓力力1.無粘粘性性土土ppv=zK0zf=σtan28（二二））被被動動土土壓壓力力1.無粘粘性性土土被動動土土壓壓力力強(qiáng)強(qiáng)度度Kp———朗肯肯被被動動土土壓壓力力系系數(shù)數(shù)總被被動動土土壓壓力力Ep的作作用用點(diǎn)點(diǎn)在在距距離離墻墻底底1/3墻高高H處。。(kN/m)(kN/m2)45-f/2pp=σ1σ3z29（二二））被被動動土土壓壓力力2.粘性土土ppv=zK0z45-f/2pp=σ1σ3z豎向應(yīng)應(yīng)力為為小主主應(yīng)力力水平向向應(yīng)力力為大大主應(yīng)應(yīng)力粘性土土的極極限平平衡條條件于是：：被動土土壓力力強(qiáng)度度30被動土土壓力力強(qiáng)度度正號EpH總被動動土壓壓力（二））被動動土壓壓力2.粘性土土(kN/m)(kN/m2)31Ep1的作用用點(diǎn)在在距離離墻底底1/3墻高H處，Ep2的作用用點(diǎn)在在距離離墻底底1/2墻高H處。Ep2HEp1（二））被動動土壓壓力2.粘性土土32土壓力力強(qiáng)度度：單位面面積上上的土土壓力力單位：：kN/m2或kPa

總土壓力：單位長度擋土墻上土壓力單位：kN/m，大小、方向、作用點(diǎn)每延米Ep2.5土壓力力參數(shù)數(shù)c、φ值的討討論土的粘粘聚力力C和內(nèi)摩摩擦角角φ田是反反映土土的抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度性性質(zhì)的的指標(biāo)標(biāo)，通通常稱稱為抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指指標(biāo)，是基基坑支支護(hù)設(shè)設(shè)計(jì)與與施工工中必必須認(rèn)認(rèn)真考考慮的的重要要參數(shù)數(shù)，其其取值值的正正確與與否和和合理理程度度將會會在很很大程程度上上影響基基坑工工程的的安全全和經(jīng)經(jīng)濟(jì)效效益。土的抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指指標(biāo)有有三種種標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)方法法：1快剪，，即不不排水水剪切切試驗(yàn)驗(yàn)2固結(jié)快快剪，，即固固結(jié)不不排水水剪切切試驗(yàn)驗(yàn)；3慢剪，，即排排水剪剪切試試驗(yàn)。。對于基基坑工工程，，在計(jì)計(jì)算土土壓力力時(shí)，，一般般采用用在原原位自自重壓壓力下下固結(jié)結(jié)的快剪峰峰值強(qiáng)強(qiáng)度指標(biāo)；；在驗(yàn)驗(yàn)算穩(wěn)穩(wěn)定性性時(shí)一一般也也采用用這一一指標(biāo)標(biāo)，但但有時(shí)時(shí)也采采用快快剪指指標(biāo)；；當(dāng)要要考慮慮不同同固結(jié)結(jié)程度度下的的有效效應(yīng)力力強(qiáng)度度時(shí)，，應(yīng)采采用有有效應(yīng)應(yīng)力指指標(biāo)。。同時(shí)時(shí)，由由于直直剪儀儀得出出的強(qiáng)強(qiáng)度指指標(biāo)離離散性性較大大，而而三軸軸僅得得出的的指標(biāo)標(biāo)相對對比較較穩(wěn)定定，因因此，，對于于重要要的基基坑工工程一一般采采用三軸壓壓縮僅僅測定抗抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指指標(biāo)。。另外，，在基基坑開開挖過過程中中，由由于坑內(nèi)卸卸載(自重應(yīng)應(yīng)力變變化)和超孔隙隙水壓壓力的變化化，坑坑底和和支檔檔結(jié)構(gòu)構(gòu)后側(cè)側(cè)土體體的C、φ將會隨隨之變變化。。所以以，采采用信息化化施工工法和土性性參數(shù)數(shù)的反反分析析進(jìn)行行支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)的跟跟蹤設(shè)設(shè)計(jì)是是十分分必要要的。。2.6超載的的處理理1坡頂均均布荷荷載：直接按按照均均布荷荷載大大小考考慮。。2坡頂局局部荷荷載：應(yīng)力擴(kuò)擴(kuò)散角角為45度，作作用范范圍見見圖，，坡頂頂局部部超載載大小小為q0，作用用寬度度為BC寬，即即b按照45度擴(kuò)散散原則則，F(xiàn)A=FB=a，F(xiàn)A段和E點(diǎn)以下下的土土體不不考慮慮坡頂頂局部部超載載的作作用該該荷載載作用用范圍圍為AE段。計(jì)計(jì)算垂垂直荷荷載時(shí)時(shí)，大大小因因?yàn)閼?yīng)應(yīng)力擴(kuò)擴(kuò)散，，其值值變小?。簈=(q0×b)/(b+2a)DABC450450450E坑底q0qbFa例：當(dāng)基坑坑邊壁壁的局部荷荷載有有一定定埋深深時(shí)，如如淺基基礎(chǔ)，，上式式中q0取基底附附加壓壓力，作用用范圍圍相應(yīng)應(yīng)下移移一個(gè)個(gè)基礎(chǔ)礎(chǔ)埋深深d。q0abq450450aAF坑底d3基坑上部放放坡時(shí)，超超載的的考慮慮：1）從上部部邊坡坡坡腳腳處開開始，，按照照45度擴(kuò)散散至支支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)上上，上部邊邊坡視視為超超載，大小小為q0，2）BC間不受受超載載影響響，B點(diǎn)標(biāo)高高處計(jì)計(jì)算超超載引引起的的垂直直應(yīng)力力時(shí)取取零3）A點(diǎn)以下下計(jì)算算超載載引起起的垂垂直應(yīng)應(yīng)力時(shí)時(shí)取q=q0，4）AB之間線線性分分布。。AB之間標(biāo)標(biāo)高垂垂直應(yīng)應(yīng)力為為：q=(x/b)××q0式中：：x為計(jì)算算點(diǎn)低低于B點(diǎn)的長度，0≤x≤b。q0q0ABCDEF450450bxb上部放坡坑底常用地表荷載載的處理方法法一、地表集集中荷載折算算成均布超載載：高大釗：《深基坑工程》第二版，機(jī)械械工業(yè)出版社社，20021繁重的起重機(jī)機(jī)械：距離支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)1.5m內(nèi)，按照60KPa取值；距離支支護(hù)結(jié)構(gòu)1.5m~3m內(nèi)，按照40KPa取值；2輕型公路：按按照5KPa取值；3重型公路：按按照10KPa取值；4鐵道：按按照20KPa取值；二高層建建筑均布荷載取值：機(jī)械工業(yè)部設(shè)設(shè)計(jì)研究院：：多層與高層層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定定，1993.9結(jié)構(gòu)類型墻體材料自重/KPa框架輕質(zhì)墻8~12磚墻10~14框-剪輕質(zhì)墻10~14磚墻12~16剪力墻混凝土14~18土壓力計(jì)算的的水土分算與與合算方法在基坑工程中中，地下水位位以下的土體體側(cè)壓力計(jì)算算時(shí)一般有兩兩個(gè)原則，即即：水土分算算的原則和水水土合算的原原則。水土分算原則則，即分別計(jì)算算土壓力和水水壓力，兩者者之和即為總總的側(cè)壓力。。這一原則適適用于土孔隙隙中存在自由的重力水水的情況或土的的滲透性較好好的情況，一一般適用于砂砂土、粉性土土和粉質(zhì)粘土土。水土合算的原原則認(rèn)為土孔隙中中不存在自由的重力水水，而存在結(jié)結(jié)合水，它不不傳遞靜水壓壓力，以土粒粒與孔隙水共共同組成的土土體作為對象象，直接用土土的飽和重度度計(jì)算側(cè)壓力力，這一原則則適用于不透透水的粘土層層。1．水土分算方方法2．水土合算方方法地下水面以上上：討論采用水土分算算還是水土合合算方法計(jì)算算土壓力是當(dāng)當(dāng)前有爭議的的問題。按照照有效應(yīng)力原原理，土中骨骨架應(yīng)力與水水壓力應(yīng)分別別考慮。根據(jù)據(jù)1995年《巖土工程學(xué)報(bào)報(bào)》第6期魏汝龍論義義“總應(yīng)力法法計(jì)算土壓力力”和2000年《巖土工程學(xué)報(bào)報(bào)》第3期沈珠江論文文“基于有效效固結(jié)應(yīng)力理理論的土壓力力公式”以及及李廣信論文文“基坑支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)上水土土壓力的分算算與合算”，，對土壓力計(jì)計(jì)算原則的基基本認(rèn)識是，，水土合算方法法在計(jì)算中縮縮小了主動狀狀態(tài)中的水壓壓力而增大了了被動狀態(tài)中中的水壓力作作用，偏于不不安全；水土分算方法法概念較清楚楚，符合有效效應(yīng)力原理，，但在實(shí)際應(yīng)應(yīng)用小也存在在有效指標(biāo)確確定困難與無無法考慮土體體在不排水剪剪切時(shí)產(chǎn)生的的超靜孔壓影影響等問題。。根據(jù)魏汝龍龍等的研究，，采用總應(yīng)力力指標(biāo)按水土土分算方法進(jìn)進(jìn)行計(jì)算，能能夠較好地解解決這—問題。2.7規(guī)范法計(jì)算土土壓力2.7基坑開挖支護(hù)護(hù)中的土壓力力特點(diǎn)與分布布規(guī)律土壓力的大小小和分布主要要與支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)水平位移的的方向和大小小、土的物理理力學(xué)性質(zhì)、、地下水、支支撐剛度、支支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度度及高度等有有關(guān)，非常復(fù)復(fù)雜?？砂聪孪率鲈瓌t計(jì)算算：（1）主動土壓力力稱為水平荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值，被動土壓力力稱為水平抗力標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值；（2）當(dāng)計(jì)算出的的基坑水平荷荷載標(biāo)準(zhǔn)值為為負(fù)值時(shí)，取取為0；（3）土體抗剪強(qiáng)強(qiáng)度指標(biāo)取標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值；（4）當(dāng)市政或周周圍環(huán)境對支支護(hù)結(jié)構(gòu)位移移有嚴(yán)格要求求時(shí)，可按靜止土壓力取值；（5）一般應(yīng)按Rankine土壓力計(jì)算；；（6）地下水位以以下，分水土土合算和分分算；（7）如果有當(dāng)?shù)氐亟?jīng)驗(yàn)，可按按經(jīng)驗(yàn)或者相鄰基坑經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)取值。作用于支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)的土壓力力與支撐、錨錨桿的設(shè)置情情況，土性的的變化及地下下水等因素有有關(guān)。雖然土土壓力并不完全處于靜止或主主動土壓力極極限狀態(tài)，但但通常仍采用用靜止或主動動土壓力進(jìn)行行估計(jì)，甚至至被動區(qū)也同同樣采用被動動土壓力來估估計(jì)，再根據(jù)據(jù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)加上適當(dāng)?shù)牡男拚禂?shù)。。嚴(yán)格地說，，在被動區(qū)是是隨著結(jié)構(gòu)的的變形，土壓壓力逐漸由靜靜止土壓力向向被動土壓力力發(fā)展，但并并未達(dá)到被動動土壓力極限限狀態(tài)，否則則土體將開始始破壞。被動動區(qū)的土壓力力通常宜根據(jù)據(jù)結(jié)構(gòu)與土的的相互作用來