基坑支擋結構上的水土壓力-清華大學

1、基坑支擋結構上的水土壓力問題清華大學 巖土工程研究所李廣信目錄 1.設計理論與荷載組合； 2.基坑工程中的土水壓力的特點； 3.墻體的位移與土壓力； 4.墻后土壓力的分布； 5.土中水與土水壓力； 6.土壓力計算與土的抗剪強度指標 7.水土分算與合算。1.地基基礎設計理論與荷載組合兩種極限狀態(tài)理論兩種極限狀態(tài)理論 承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)；三種荷載效應組合三種荷載效應組合 （1）承載能力極限狀態(tài)的基本組合； （2）正常使用極限狀態(tài)的標準組合； （3）正常使用極限狀態(tài)的準永久組合；承載力的三種設計理論承載力的三種設計理論 （1）安全系數法、 （2）分項系數法、 （3）容許承載力法?；?/p>

2、工程荷載的特殊性 臨時工程臨時工程：支護結構上的土水壓力荷載一般不屬于永久荷載，而是隨著施工過程變化的可變荷載。 基坑工程一般不超過一年，可變荷載的取值也與此相關。 存在支護結構與主體結構相結合(二墻合一二墻合一)的情況。R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度設計與分項系數法ksSSRkRR/巖土工程的不確定性基坑工程具有更多的不確定性?；庸こ叹哂懈嗟牟淮_定性。 地層土水分布不確定性； 現場與實驗室?guī)r土指標的不確定性； 現場原位應力與孔隙水壓力的不確定性； 外加荷載及其分布的不確定性； 巖土材料性質的復雜性； 計算理論和方法的不確定性； 參數的相關性?；釉O計的荷載組合 niQikci

3、QikQQGkGSSSS211SGk為土與結構物的自重荷載標準值；SQ1k為地基土自重與地下水引起的土水壓力標準值；SQ1k為其他超載引起的土水壓力。應按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合，承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合，采用相應的分項系數。按可變荷載控制的情況按可變荷載控制的情況當設計支護結構的內力，確定配筋及驗算材料的強度時，基坑設計的荷載組合 2.在計算支擋、錨固結構的抗剪強度穩(wěn)定穩(wěn)定問題時（滑移、傾覆、整體滑動、坑底隆起等），應采用是安全系數法(不宜用分項系數）。荷載效應應按承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應基本承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應基本組合，但其分項系數均為組合，但其分項系數

4、均為1.01.0。 3.在按承載力計算內支撐立柱的基礎立柱的基礎面積或按單樁承載力樁承載力確定立柱樁數時，傳至基底的荷載效應應按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的標準荷載效應的標準組合。組合?；釉O計的荷載組合 4.在計算地基變形時，采用正常使用極限使用極限狀態(tài)下的準永久組合狀態(tài)下的準永久組合；而基坑相鄰地面的變形主要是瞬時沉降，例如飽和軟黏土在體積不變情況下的側向位移引起的沉降。應按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的標準正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的標準組合。組合。 5.對于支護結構與主體結構相結合的情況，應按永久地基基礎工程和臨時的基坑工程永久地基基礎工程和臨時的基坑工程的荷載要求分別驗算。的荷載要求分

5、別驗算。土層損失法相鄰地面的沉降變形坑底隆起的變形杭州地鐵湘湖站事故現場 西側西側 （1）它所支擋的原狀土存在著結構強度，非結構強度，非飽和土的吸力；飽和土的吸力； （2）天然土層在空間的變化很大空間的變化很大； （3）地下水的分布、賦存形式和時空變化復雜，水土之間呈十分復雜的相互耦合的關系。水土之間呈十分復雜的相互耦合的關系。 （4）土壓力與擋土結構變形之間的耦合土壓力與擋土結構變形之間的耦合，很難達到全斷面的極限狀態(tài)。2.基坑工程中土水壓力的特點2.基坑工程中土水壓力的特點 （5）基坑支擋結構物的施工和設置次序不同于一般擋土墻，應力路徑復雜；應力路徑復雜； （6）施工過程涉及到一個時空效應

6、問題時空效應問題，而不僅僅是挖到坑底時的狀態(tài)設計。 （7）與地基與其他土工構造物相比，基坑的三維三維效應更為突出，平面上的凸、凹、陽角、不平衡效應更為突出，平面上的凸、凹、陽角、不平衡荷載與邊界等使問題進一步復雜化荷載與邊界等使問題進一步復雜化。 ()基坑支護結構在縱向是非整體的，在開挖的過程中，某個局部單元截面發(fā)生破壞，荷載會向兩側相鄰單元轉移和傳遞，引起漸進破壞漸進破壞。3. 墻體的位移與土壓力-極限狀態(tài)后的土壓力-E密砂松砂峰值強度滑動面殘余強度滑動面密砂主動土壓力的發(fā)展擋土墻后砂土的液化4. 土壓力分布不同墻體運動形式的土壓力分布(a)繞墻底旋轉；(b)平移；( c) 繞墻頂旋轉。太沙

7、基的土壓力分布砂土軟粘土中-硬粘土太沙基土壓力分布的說明它是主要是針對以繞支擋結構頂部轉動為主的；它是通過實測各個橫向支撐構件上的軸向力，假設它平均分布在該支撐所承擔的面積中，是“表觀”的土壓力；它是基于實測的所有同一排水平支撐構件上的最大值；反算的表觀土壓力強度包絡線，也不是開挖到坑底狀態(tài)時的土壓力分布線；它是為基坑的橫向支撐的軸力設計提出的，是偏大的，實際上已包含有安全系數。目前的施工工藝、技術水平和工程經驗已經有了很大的變化與發(fā)展。增量法計算5.土中水與水土壓力 吸力對非飽和土強度的影響 土中的超靜孔隙水壓力 地下水滲流對水土壓力的影響 地下水控制對擋土結構物上的水土壓力的影響非飽和土的

8、吸力 tan)(tan)(waafuuuc tan)(afuc tan)(wauucc原狀砂土的豎直無支護開挖。土中的超靜孔隙水壓力臨近坑壁的地面上堆土、堆放建筑材料、施工車輛和機械運行以及附近道路上的來往車輛等，都將會產生正正的超靜孔壓；由于振動、施工中產生的地面或路面動荷載擾動引起的飽和砂土的液化液化，也可能由于開挖和排水不當引發(fā)的砂土和高靈敏度黏性土的流滑流滑等；在飽和黏土中快速開挖，會使墻前坑底土層中卸載而前坑底土層中卸載而生成負的超靜孔壓生成負的超靜孔壓，這有利于基坑的穩(wěn)定，增加了支護結構的抗力，隨著負孔壓的消散而消失，使其成為超固結土；開挖引起支擋構件的前移，使墻后土體的小主應力減

9、墻后土體的小主應力減少，也會在飽和黏土中產生負孔壓，少，也會在飽和黏土中產生負孔壓，從而減少了荷載，也有利于基坑穩(wěn)定。飽和黏土地基中的基坑地面超載q=30kPa引起的超靜孔隙水壓力加載瞬時完全固結一段時間以后sat=19kN/m3=30, , 01z)(313ABu各類土的孔壓系數A的數值范土類孔壓系數 A高靈敏度土0.75-1.5正常固結黏土正常固結黏土0.5-1.00.5-1.0輕超固結黏土0-0.5重超固結黏土-0.5-0zzKKua)245(tansin1 32)(3220(A=2/3)墻后土的應力路徑與的負孔隙水壓力zKKa)(03zKKa)()(031固結不排水（CU)強度指標-應

10、力路徑的影響 三軸試驗的K0固結與等壓減載的固結不排水試驗。pqpMMcu墻后土體的減載應力路徑h=30)(313ABu正常固結土 A=0.5-1.0考慮墻后負孔壓的水土壓力分布圖 50kPa-5kPa16.6kPa61.6kPa(a)靜水壓力 (b)超級孔壓 (c)主動土壓力(d)總壓力5m=19kN/m3, c=0kPa,30，B=1.0, A=2/3。地下水滲流對水土壓力的影響zzjzzsatwz)(asatazazKKp砂土分算粘性土合算砂土砂土zzKpppwawaa坑內排水對擋土結構物上的水土壓力的影響水、土壓力墻上水土壓力計算表計算方法水壓力kN土壓力kN總壓力kN被動側(左)Ew

11、p主動側(右) Ewa被動側(左)Ep主動側(右) Ea被動側(左)Ep主動側(右) Ea方法方法122.3422.679.4460.3201.7882.9方法153.4579.348.6422.5202.01001.8方法153.4579.354.3400.5方法153.4579.3156.3353.5305.0305.0919.5919.5方法：水土合算 ；方法：滲流的平均水力梯度為方法：通過繪制流網確定沿墻壁各點的水力梯度ii，用朗肯土壓力理論計算有效土壓力 方法：繪制流網，根據庫倫土壓力理論方法：繪制流網，20，根據庫倫土壓力理論。 556. 04210102dhHHi979.8747

12、207.7388 6.土壓力計算與土的抗剪強度指標 砂土和碎石土； 支護結構延續(xù)的時間很長時間很長，墻后施工中產生的超靜孔隙水壓力逐漸消散，形成了穩(wěn)定的滲流?？赏ㄟ^繪制流網等滲流分析準確地確定滲流場的孔隙水壓力，應采用有效應力強度指標計算土壓力和進行穩(wěn)定分析。對于正常固結土c=0， =15-25有效應力強度指標不固結不排水(UU)與固結不排水(CU)強度指標的選用 cu(UU)，但由于不排水強度是隨著土層的深度增加的，基坑土的深度變化很大; 基坑土壓力計算采用固結不排水強度指標是合理的; 但飽和軟黏土屬于欠固結土，墻后地面超載q以及新建的相鄰建筑物，應當cu(UU)， 采用原位十字板等方法測定

13、其強度指標較為合理的。固結不排水（CU)強度指標-應力路徑的影響 三軸試驗的K0固結與等壓固結不排水試驗。pqK0Mp基坑土的實際不排水應力路徑室內三軸試驗固結不排水應力路徑基坑中被動區(qū)被動區(qū)土的應力路徑 zzABpqa0a1a2aaK0b0b1b2bb常規(guī)壓縮三軸(CU)試驗超固結土的強度q正常固結土的強度a0a1a2按原位應力等向固結不排水常規(guī)三軸試驗；a0aa按開挖后應力等向固結不排水常規(guī)三軸試驗；a0ak按原位應力K0固結不排水常規(guī)三軸試驗；a0ac按有效應力排水三軸試驗-超固結土。akac在有效自重壓力下預固結的不排水強度 qPpoMK0A總應力路徑B CDD有效應力路徑 AD(D)

14、 A C，不應按1=z等向固結。某基坑土的強度指標土層1和2層土的不同試驗的強度指標土層三軸不固結不排水無測限抗壓強度十字板試驗快剪固結快剪固結不排水cu(kPau qc（kPa） cu（kPa）cqqccqcqccucu211.00.225.34(47.9) 28.4(23.71) 8.16.1(3.2) 15.811.917.19.719.00.424.06(51.9) 34.1(32.42) 7.18.3(3.3) 13.813.617.813.2不排水強度指標 cu土層1和2層土的平均平均不排水強度指標 cu（kPa）在有效自重壓力下的預固結不排水強度在有效自重壓力下的預固結不排水強度

15、 土層三軸不固結不排水無測限抗壓強度十字板試驗快剪固結快剪固結不排水2110.412.317.732.833.631.2十字板剪切試驗在基坑中的應用十字板剪切試驗在基坑中的應用 )3/(2DHDMcucucutfvcucutfhczKUczUtantan0bazczUDHDHKccucututan31310cucutcbUDHDHKatan31310zcuba1)tan(61)tan(21302cucutcucutczUDczUKHDM基坑水土壓力計算的分算與合算水土合算的幾種適用情況 地下水豎直向下滲流的情況; 對飽和黏性土采用不排水強度u=0計算情況;(c)太沙基算法HcHEua2212a

16、aKHE221HcKua41(a)水土合算(b)水土分算(e)美國基礎工程手冊(d)太沙基算法zpsata31多層地下水情況砂土黏土砂土黏土砂土黏土潛水潛水承壓水水壓力pw主動土壓力pah1h2h3h4h5wh10wh3hcwhcw(hc+h5)Pa1=1h1 Ka1pa2上pa2下pa3上pa3下pa4上pa4下pa5上pa5下各層土中的水土壓力計算表土層層面孔壓u(kPa)水力梯度i自重應力z(kPa)主動土壓力pa(kPa)分算總壓力p(kPa)自重應力z(kPa)黏土的合算p(kPa)砂土上000000 0下3030104040304040黏土上302304.234.234.26019

17、19下012048.348.348.312048.348.3砂土上001204040401204040下301505080801508080黏土上30i4= 1/315063939318077.777.7下5019082.6132.6132.6240117117砂土上50019063.3113.3113.3240130130下8022073.3153.3153.3300180180黏土上8022097.3177.3177.3380176176分算與合算 分算得到的層土總壓力為E=1974/, 黏土合算得到的總壓力E=1806kN/m。 合算計算壓力稍小，尤其是有承壓水的情況。一些不宜用水土合算

18、的情況在有向上的滲流情況下;粉土的合算:關鍵在于粉土以下的土層；承壓水上下的黏性土不宜簡單合算；地下水控制，排、降、截、灌、回滲等手段綜合應用，水土壓力十分復雜，應提倡進行滲流分析、滲流計算及孔壓觀測合理確定水土壓力。 目前基坑水土壓力計算影響因素的分析總結目前基坑水土壓力計算影響因素的分析總結影響因素有利因素不利因素原狀地基土的結構性及結構強度對于欠固結土使用固結不排水或固結快剪強度指標非飽和土的基質吸力對于地面超載q，使用固結不排水或固結快剪強度指標平面應變情況下土的較高的內摩擦角對于承壓水的上下黏土層采用水土合算計算主動土壓力基坑平面尺寸的三維拱效應對于有向上滲流的墻前坑底土采用水土合算計算被動土壓力墻后土體的小主應力3減小的應力路徑，可能產生的負孔壓對于振動反復荷載下，地基土可能的損傷，漸進破壞墻前坑底以下土的超固結性：粘聚強