滲透對(duì)基坑水土壓力的影響(李廣信 劉早云 溫慶博)

1、滲透對(duì)基坑水土壓力的影響（李廣信 劉早云 溫慶博）時(shí)間： 2002年9月17日 08:34 來(lái)源：水利學(xué)報(bào)2002-5 放大縮小打印 摘 要：基坑地基土中水的滲流不但可能引起滲透破壞，引起水壓力，而且也對(duì)其土壓力有重大影響，從而決定抗滑穩(wěn)定性。本文作者針對(duì)有上層滯水、一般自由滲透、有承壓水、基坑內(nèi)排水與基坑外降水以及有超靜孔壓等情況對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的水土壓力進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：水土壓力大小及分布與靜水時(shí)的明顯不同。且此時(shí)較宜于用庫(kù)倫土壓力理論。在有上層滯水情況下，用水土合算大體上是可以接受的。在有承壓水情況下，其作為抗力的被動(dòng)土壓力可能喪失殆盡。基坑外人工降水與基坑內(nèi)

2、排水相比，更有利于基坑的穩(wěn)定。正的超靜孔壓大大提高了土壓力，負(fù)的超靜孔壓明顯減少土壓力。在很多有滲流的情況下，不宜用朗肯土壓力計(jì)算土壓力，而應(yīng)當(dāng)用庫(kù)侖土壓力理論的圖解法來(lái)搜索可能滑裂面。關(guān)鍵詞：基坑；水壓力；土壓力；滲流；滲透力基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和長(zhǎng)江水利委員會(huì)聯(lián)合資助項(xiàng)目(50099620)隨著我國(guó)大規(guī)模建筑基坑和地下工程的發(fā)展，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中的許多問(wèn)題逐步凸現(xiàn)出來(lái)。支護(hù)結(jié)構(gòu)水土壓力計(jì)算得到越來(lái)越多的重視和討論13?；铀翂毫τ?jì)算常常采用朗肯和庫(kù)倫土壓力理論，其中朗肯理論由于其簡(jiǎn)便而被廣泛使用。土中水的問(wèn)題是土壓力計(jì)算的難點(diǎn)，簡(jiǎn)單的水土合算與分算并不能解決實(shí)際工程中的復(fù)雜

3、問(wèn)題。土中水的存在狀態(tài)有多種，而地下水存在的形態(tài)又有上層滯水、潛水和承壓水4。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑的水常常處于流動(dòng)狀態(tài)。由于朗肯理論要求墻后土應(yīng)力狀態(tài)為一維情況，這樣，在一些土中水為靜水壓力或者水壓力為一維滲流情況下適用，但有平面滲流的情況就不適用。庫(kù)倫土壓力理論由于考慮土楔體的極限平衡，因而更為適用在有滲流的情況下計(jì)算水土壓力11。當(dāng)擋土墻墻后水為二維滲流時(shí)，由于滲透力方向不全是豎直方向的，故朗肯理論不適用。這時(shí)朗肯理論與庫(kù)倫理論計(jì)算的結(jié)果有很大的不同。水土壓力的分布還受不同土層滲透系數(shù)的影響，當(dāng)土層的滲透系數(shù)由大到小，或者由小到大，考慮滲透影響，其水土壓力分布有很大的不同，這點(diǎn)在北京某些

4、地區(qū)含地下水的土中表現(xiàn)特別明顯。此外，滲透力方向的不同，將影響基坑的水土壓力。擋土結(jié)構(gòu)后面的土中存在二維分布的超靜孔壓時(shí)，此時(shí)不宜用朗肯理論而應(yīng)用庫(kù)倫土壓力理論。楊曉軍、李廣信等5-8對(duì)基坑有滲流情況的水土壓力進(jìn)行了一些分析，本文將通過(guò)對(duì)基坑的幾種工況和不同方法的計(jì)算，對(duì)朗肯、庫(kù)倫土壓力理論在有滲流情況下的適用性進(jìn)行分析和比較，對(duì)滲透系數(shù)不同的土層水土壓力進(jìn)行了計(jì)算，考慮到不同滲流方向，對(duì)同一個(gè)基坑采用基坑內(nèi)外降水（輕型井點(diǎn)和明溝降水）對(duì)板樁墻水土壓力的影響進(jìn)行分析，并對(duì)擋土結(jié)構(gòu)后面的土中存在二維分布的超靜孔壓的情況進(jìn)行了計(jì)算和分析。1 一維垂直滲流的水土壓力計(jì)算北京東部土層中往往有3層水，即

5、潛水、滯水和承壓水，由不同的土層組合而形成，基坑及基礎(chǔ)常涉及到這3層水，由于不同土層組合，3層水的組合常常使水土壓力的分布與靜水時(shí)相比有所不同，有時(shí)甚至出現(xiàn)管涌流土現(xiàn)象。算例1，各土層的sat均為18kN/m3，摩擦角為30°，C值近似取為0，各土層垂直向下一維滲流，土層分布如圖1所示，其中滲透系數(shù)k為相對(duì)值?？紤]滲透力，土壓力用朗肯土壓力理論計(jì)算，計(jì)算基坑水土壓力隨深度變化如圖2所示(圖中實(shí)線為水壓力，長(zhǎng)劃線為土壓力，短劃線為為水土總壓力).在圖2（a）中，粉土層中采用水土分算，但由于垂直下滲，計(jì)算結(jié)果與水土合算相同。從圖2（b）可見(jiàn)，不同滲透系數(shù)土層的分布導(dǎo)致水土壓力的不同分布。

6、可見(jiàn)在這種上層滯水情況下，簡(jiǎn)單地水土分算，即用計(jì)算土壓力加上靜水壓力，和簡(jiǎn)單的水土合算都是不合適的。 圖1 土層的一維滲流情況(算例1)算例2，如圖3一維滲流的情況，設(shè)飽和容重sat均為18.5kg/m3，摩擦角均為30°，粘土的粘聚力為5kPa.由于粘土上下均為滲透性較大的砂土，所以計(jì)算時(shí)可以考慮為沿板樁墻的垂直滲透。從圖中可以看出，當(dāng)上、下土層滲透系數(shù)如圖所示，基坑的被動(dòng)土壓力將會(huì)顯著的減小，抗力大大小于荷載，且被動(dòng)側(cè)很容易發(fā)生流土破壞（(-iw)/w=0.533），這將對(duì)基坑的穩(wěn)定極為不利。圖2 不同土層的水土壓力分布(算例1)圖3 一維滲流水土壓力分布2 二維滲流情況下基坑水

7、土壓力的計(jì)算算例3，一基坑擋土結(jié)構(gòu)如圖4所示，該土層為正常固結(jié)土，飽和容重sat=18.5kN/m3，粘聚力C=0，內(nèi)摩擦角=30°，水頭差H=10m，基坑內(nèi)排水，計(jì)算墻左側(cè)每延米所受的總壓力E左(E左=被動(dòng)土壓力PP水壓力EW1)和墻右側(cè)所受的總壓力E右（E右=主動(dòng)土壓力Pa+水壓力Ew2）。采用如下幾種方法計(jì)算：(1)用朗肯土壓力理論，忽略板樁與土間摩擦力。假設(shè)沿板樁墻水頭均勻損失，即假定沿板樁墻背各點(diǎn)的水力坡降相等。以這種簡(jiǎn)化方法計(jì)算擋土墻所受的力。(2)用朗肯理論計(jì)算，但是滲透力用流網(wǎng)來(lái)計(jì)算。用有限元程序計(jì)算基坑的等勢(shì)線圖，再手動(dòng)繪制流線進(jìn)行計(jì)算。(3)不考慮板樁墻與土間的摩

8、擦力，用水土合算的方法，即直接取飽和容重用朗肯土壓力理論計(jì)算作用于板樁墻上的總壓力。(4)用庫(kù)倫理論對(duì)板樁墻進(jìn)行滑裂面計(jì)算。墻右側(cè)土壓力E右的計(jì)算如圖5.取土水混合體作為滑動(dòng)的楔體，楔體自重用飽和容重計(jì)算。取直線滑裂面，在滑裂面上除作用著土體支承反力R外，還有垂直于滑裂面上的水壓力PW，PW根據(jù)滑裂面切割到的流網(wǎng)網(wǎng)格疊加進(jìn)行計(jì)算，其大小隨滑裂面的位置變化而變化。板樁墻對(duì)土楔體的作用力E包括水壓力Ew和土壓力Pa（或Pp）。另一方法是滑動(dòng)楔體取其骨架（浮容重）為隔離體，此時(shí)需根據(jù)一個(gè)個(gè)有限元小塊計(jì)算滲流力，進(jìn)行疊加計(jì)算，這將非常繁瑣，結(jié)果應(yīng)當(dāng)是一致的。圖4 板樁墻流網(wǎng)示意(算例3)圖5 板樁墻主

9、動(dòng)土壓力計(jì)算(算例3) 上述4種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果列于表1，其中方法4（2）和方法4(1)的板樁墻與土間的摩擦角分別為20°、0°，總壓力為水土壓力的矢量合成，取方法4（2）為比較基準(zhǔn)。表1 板樁墻土壓力計(jì)算結(jié)果(算例3)方法4（1）的主動(dòng)滑裂面角為35°，被動(dòng)滑裂面角為60°，方法4(2)主動(dòng)滑裂面角為37°，被動(dòng)滑裂面角為60°；且方法4(2)的主動(dòng)和被動(dòng)總土壓力與板樁墻的外法線夾角均為20°，總水土壓力與板樁墻的外法線方向夾角分別為7.6°、10.1°。從表1可以看出，在考慮板樁墻與土摩擦力的情況下，

10、方法3的主、被動(dòng)總壓力偏差都較大，達(dá)1/3以上，說(shuō)明此時(shí)這種用朗肯理論水土合算已不適用。方法1和方法2的被動(dòng)總土壓力偏差較大，接近1/3，主動(dòng)總壓力偏差較小，較為符合。方法4(1)與方法4(2)比較，可以發(fā)現(xiàn)，考慮板樁墻與土間摩擦力，被動(dòng)總壓力偏差較大，主動(dòng)總壓力偏差較小。值得說(shuō)明的是當(dāng)板樁墻與土間摩擦角較大時(shí)，用庫(kù)侖土壓力理論計(jì)算被動(dòng)土壓力(即方法4(2)也有較大的誤差。3 輕型井點(diǎn)降水與明溝降水的二維滲流計(jì)算當(dāng)?shù)叵滤槐容^高時(shí)，常常需要采取降水措施，當(dāng)降水在6m以內(nèi)，土體滲透系數(shù)較小，可以采用一級(jí)輕型井點(diǎn)降水8或者明溝降水。下面通過(guò)對(duì)兩者的水土壓力對(duì)比計(jì)算，分析不同方向滲流下水土壓力的計(jì)算

11、特點(diǎn)。算例4，某一工程進(jìn)行輕型井點(diǎn)降水，基坑深5m，板樁墻深7m，有錨桿，坑外坑內(nèi)水位與地面平，不透水層距原地面13m，井點(diǎn)設(shè)計(jì)采用干式真空泵輕型井點(diǎn)，井點(diǎn)管埋深7m，距基坑板樁墻1m.基坑地層為正常固結(jié)粘土為主，飽和容重sat為18.2 kN/m3，摩擦角為30°，C值近似取為0，土與板樁墻的摩擦角=0.6。 圖6 輕型井點(diǎn)降水流網(wǎng)等勢(shì)圖設(shè)基坑內(nèi)外水位不變，參考文獻(xiàn)810，通過(guò)對(duì)真空區(qū)和重力區(qū)分析，鵲水管進(jìn)水處水位為-6m，設(shè)自由水面不變，用有限元分析，計(jì)算等勢(shì)線如圖6.計(jì)算時(shí)采用庫(kù)侖土壓力理論，對(duì)土楔體進(jìn)行受力平衡分析。板樁墻左右側(cè)墻面所受的水壓力分別為EW1、EW2，總壓力分別

12、為a、P，計(jì)算同上例方法4（2）。 同上工程，采用明溝排水。在基坑內(nèi)側(cè)挖溝深0.3m，寬0.4m，每隔3040m處或基坑角處挖一集水井。設(shè)基坑上和坑底水位不變，通過(guò)有限元分析，計(jì)算方法同上例方法4(2).無(wú)滲流的情況水壓力按靜水計(jì)算，采用庫(kù)倫土壓力理論進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2 輕型井點(diǎn)與明溝降水水土壓力計(jì)算(算例4)從表2可以看出，由于滲流的作用，輕型井點(diǎn)降水能夠降低板樁墻的總主動(dòng)水土壓力，提高板樁墻的總被動(dòng)土壓力，從而提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。從計(jì)算中可以看出，由于滲透力的作用，庫(kù)倫土壓力理論計(jì)算的土楔體，其主動(dòng)土楔體的開(kāi)裂角度為38°，大于45°-/2=30&

13、#176;，被動(dòng)土楔體的開(kāi)裂角度為72°，大于45°+/2=60°；明溝排水的主動(dòng)開(kāi)裂角為38°，被動(dòng)土楔體開(kāi)裂角為68°；無(wú)滲流靜水時(shí)，主動(dòng)開(kāi)裂角為33°，被動(dòng)開(kāi)裂角為70°。對(duì)照表1也發(fā)現(xiàn)主動(dòng)開(kāi)裂角為37°(>30°），被動(dòng)開(kāi)裂角為60°。這說(shuō)明滲透力對(duì)主動(dòng)開(kāi)裂角影響較大，對(duì)被動(dòng)開(kāi)裂角影響較小。其原因是被動(dòng)區(qū)范圍較小，基坑內(nèi)外土的滲透力除了有豎直方向的分量，還有水平向基坑內(nèi)方向的分量。4 二維超靜孔壓力分布的土壓力計(jì)算11在某些砂石材料缺乏的地方，擋土結(jié)構(gòu)后面的填土常常不得不采用當(dāng)?shù)氐?/p>

14、殘積土作為填土。對(duì)于這種粘性填土，當(dāng)其完全飽和或飽和度較高時(shí)，常常會(huì)遇到土中存在超靜孔隙水壓力的情況。這種超靜孔壓力一般不是線性分布，當(dāng)墻面是排水結(jié)構(gòu)時(shí)，它又是二維分布的，且它的大小和分布也是隨時(shí)間變化的。具有二維分布的超靜孔壓的填土，朗肯土壓力理論將不再適用。這時(shí)應(yīng)該根據(jù)庫(kù)侖理論用圖解法來(lái)計(jì)算。此時(shí)二維超靜孔壓力分布可以通過(guò)分解成兩個(gè)一維固結(jié)問(wèn)題分別計(jì)算。圖7 有頂蓋時(shí)摻氣濃度分布(Q=0.33m3/s) 算例5，墻面不排水的5m高擋土墻后填土是粘性土，上下邊界都是排水層。飽和度Sr=90%，容重=20kN/m3，滲透系數(shù)k=1.0×10-6cm/s，有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)C=5kPa，

15、=30°，初始孔隙比e0=0.5，壓縮系數(shù)a=0.2MPa-1。分10層填筑，每層施工8h.填土完成后，在墻后填土表面一次施加均布荷載q=20kPa，再過(guò)24h后墻后填土中 計(jì)算的孔壓分布如圖7(a)所示。它是二維問(wèn)題，不能用朗肯土壓力理論計(jì)算，只能用庫(kù)倫理論的圖解法進(jìn)行計(jì)算，其滑裂面與水平方向夾角不是45°+/2=60°，而是53°，得到的滑裂面上的超靜孔壓，墻上的有效主動(dòng)土壓力pa及水土壓力之和pa的分布如圖8.計(jì)算得到主動(dòng)狀態(tài)下總壓力為Ea=155kN.（無(wú)孔壓時(shí)總主動(dòng)土壓力/Ea=104.5kN）。值得指出的是，u是滑裂面上的孔壓，墻面上的孔壓為

16、0，所以u(píng)實(shí)際是通過(guò)滲透力引起的土壓力作用在支擋結(jié)構(gòu)物上的孔壓。算例6 土質(zhì)及荷載與邊界條件與算例5完全相同，問(wèn)題變成基坑開(kāi)挖的支護(hù)問(wèn)題。假設(shè)支護(hù)后原狀土體由于開(kāi)挖卸載及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移發(fā)生的負(fù)超靜孔隙壓力如圖7(b)所示，同樣只能用圖解法來(lái)計(jì)算，得到的滑裂面與水平夾角為62.6°，對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)上主動(dòng)狀態(tài)下總(水土)壓力Ea=76.5kN，其滑裂面上負(fù)超靜孔壓及支護(hù)結(jié)構(gòu)上的有效主動(dòng)土壓力及水土總壓力的分布見(jiàn)圖9。從算例5和算例6可見(jiàn)：(1）對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于負(fù)超靜孔隙水壓力，使作用在墻上的總水土壓力明顯減少，只有擋土墻情況的一半。這種負(fù)u的影響是用常規(guī)三軸不排水試驗(yàn)所無(wú)法表現(xiàn)的。(

17、2）以上例子是針對(duì)不完全飽和但具有較高飽和度的情況，在完全飽和情況下，上述兩例都應(yīng)另外計(jì)算靜水壓力?？傡o水壓力為125kN，這是水土分算不能反映的。(3）在以上的算例中，決定支護(hù)結(jié)構(gòu)上總壓力的是滑裂面上的超靜水壓力，而不是緊靠墻后土體的超靜水壓力。圖8 擋土墻水土壓力分布圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)水土壓力分布 5 結(jié)論通過(guò)算例1、算例2的計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)，有上層滯水時(shí)的水土壓力計(jì)算與靜水時(shí)有較大的不同。有承壓水時(shí)土層滲透系數(shù)上小下大時(shí)，基坑的被動(dòng)土壓力將會(huì)顯著的減小，且被動(dòng)側(cè)很容易發(fā)生流土破壞，這將對(duì)基坑的穩(wěn)定極為不利。通過(guò)算例3的分析和計(jì)算，可以看出，由于朗肯理論只適用于一維滲流的情況采用，不適合在有平面

18、滲流的情況下采用；采用流網(wǎng)和庫(kù)倫土壓力理論，得出的計(jì)算結(jié)果更可能接近實(shí)際。另外，決定基坑擋土墻總壓力不僅僅決定于板樁墻面的水壓力，還決定于滑裂土楔體面的水壓力。通過(guò)算例4的計(jì)算，可以看出相對(duì)于基坑內(nèi)明溝滲流，基坑外采用輕型井點(diǎn)降水改變了滲流方向，可以顯著地有助于降低水土壓力，提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過(guò)算例5、算例6的計(jì)算，可以看出當(dāng)擋土結(jié)構(gòu)后面的土中存在二維分布的超靜孔壓時(shí)，朗肯土壓力理論不再適用，可用庫(kù)倫土壓力理論的圖解法求得主動(dòng)狀態(tài)下的總壓力（包括了滑裂面上超靜孔壓力的水平分量）。這時(shí)，滑裂面不再是(45°-/2)，對(duì)于正孔壓，滑裂面變緩；對(duì)于負(fù)孔壓，滑裂面變陡。并且實(shí)際的滑裂面可能是曲面，它位于用圖解法計(jì)算得到的直線滑裂面附近，應(yīng)盡量切割正孔壓并且盡量避開(kāi)高負(fù)孔壓區(qū)。可見(jiàn)，在二維滲流狀態(tài)下，不宜使用朗肯土壓力理論，而應(yīng)采用庫(kù)倫土壓力理論。參 考 文 獻(xiàn)：1 魏