基坑支擋結(jié)構(gòu)上水土壓力

基坑支擋結(jié)構(gòu)上的水土壓力問題清華大學(xué)巖土工程研究所李廣信目錄1.設(shè)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(biāo)7.水土分算與合算。1.地基基礎(chǔ)設(shè)計理論與荷載組合兩種極限狀態(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)組合；（3）正常使用極限狀態(tài)的準(zhǔn)永久組合；承載力的三種設(shè)計理論（1）安全系數(shù)法、（2）分項系數(shù)法、（3）容許承載力法?；庸こ毯奢d的特殊性臨時工程：支護結(jié)構(gòu)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?；庸こ桃话悴怀^一年，可變荷載的取值也與此相關(guān)。存在支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合(二墻合一)的情況。R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度設(shè)計與分項系數(shù)法巖土工程的不確定性基坑工程具有更多的不確定性。地層土水分布不確定性；現(xiàn)場與實驗室?guī)r土指標(biāo)的不確定性；現(xiàn)場原位應(yīng)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(zhì)的復(fù)雜性；計算理論和方法的不確定性；參數(shù)的相關(guān)性。基坑設(shè)計的荷載組合

SGk為土與結(jié)構(gòu)物的自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值；SQ1k為地基土自重與地下水引起的土水壓力標(biāo)準(zhǔn)值；SQ1k為其他超載引起的土水壓力。應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，采用相應(yīng)的分項系數(shù)。按可變荷載控制的情況當(dāng)設(shè)計支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，確定配筋及驗算材料的強度時，基坑設(shè)計的荷載組合2.在計算支擋、錨固結(jié)構(gòu)的抗剪強度穩(wěn)定問題時（滑移、傾覆、整體滑動、坑底隆起等），應(yīng)采用是安全系數(shù)法(不宜用分項系數(shù)）。荷載效應(yīng)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)基本組合，但其分項系數(shù)均為1.0。3.在按承載力計算內(nèi)支撐立柱的基礎(chǔ)面積或按單樁承載力確定立柱樁數(shù)時，傳至基底的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合?；釉O(shè)計的荷載組合4.在計算地基變形時，采用正常使用極限狀態(tài)下的準(zhǔn)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(cè)向位移引起的沉降。應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合。5.對于支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的情況，應(yīng)按永久地基基礎(chǔ)工程和臨時的基坑工程的荷載要求分別驗算。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(xiàn)場

西側(cè)（1）它所支擋的原狀土存在著結(jié)構(gòu)強度，非飽和土的吸力；（2）天然土層在空間的變化很大；（3）地下水的分布、賦存形式和時空變化復(fù)雜，水土之間呈十分復(fù)雜的相互耦合的關(guān)系。（4）土壓力與擋土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物的施工和設(shè)置次序不同于一般擋土墻，應(yīng)力路徑復(fù)雜；（6）施工過程涉及到一個時空效應(yīng)問題，而不僅僅是挖到坑底時的狀態(tài)設(shè)計。（7）與地基與其他土工構(gòu)造物相比，基坑的三維效應(yīng)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(fù)雜化。(８)基坑支護結(jié)構(gòu)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(cè)相鄰單元轉(zhuǎn)移和傳遞，引起漸進破壞。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(zhuǎn)；(b)平移；(c)繞墻頂旋轉(zhuǎn)。太沙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(jié)構(gòu)頂部轉(zhuǎn)動為主的；它是通過實測各個橫向支撐構(gòu)件上的軸向力，假設(shè)它平均分布在該支撐所承擔(dān)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(gòu)件上的最大值；反算的表觀土壓力強度包絡(luò)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(shè)計提出的，是偏大的，實際上已包含有安全系數(shù)。目前的施工工藝、技術(shù)水平和工程經(jīng)驗已經(jīng)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(jié)構(gòu)物上的水土壓力的影響非飽和土的吸力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(chǎn)生正的超靜孔壓；由于振動、施工中產(chǎn)生的地面或路面動荷載擾動引起的飽和砂土的液化，也可能由于開挖和排水不當(dāng)引發(fā)的砂土和高靈敏度黏性土的流滑等；在飽和黏土中快速開挖，會使墻前坑底土層中卸載而生成負(fù)的超靜孔壓，這有利于基坑的穩(wěn)定，增加了支護結(jié)構(gòu)的抗力，隨著負(fù)孔壓的消散而消失，使其成為超固結(jié)土；開挖引起支擋構(gòu)件的前移，使墻后土體的小主應(yīng)力減少，也會在飽和黏土中產(chǎn)生負(fù)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(jié)一段時間以后

sat=19kN/m3

=30

,各類土的孔壓系數(shù)A的數(shù)值范土類孔壓系數(shù)A高靈敏度土0.75-1.5正常固結(jié)黏土0.5-1.0輕超固結(jié)黏土0-0.5重超固結(jié)黏土-0.5-0(A=2/3)墻后土的應(yīng)力路徑與的負(fù)孔隙水壓力固結(jié)不排水（CU)強度指標(biāo)-

應(yīng)力路徑的影響三軸試驗的K0固結(jié)與等壓減載的固結(jié)不排水試驗。pqp

M

Mcu墻后土體的減載應(yīng)力路徑

h=

30正常固結(jié)土A=0.5-1.0考慮墻后負(fù)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砂土分算粘性土合算砂土砂土坑內(nèi)排水對擋土結(jié)構(gòu)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(cè)(左)Ewp主動側(cè)(右)

Ewa被動側(cè)(左)E

p主動側(cè)(右)

E

a被動側(cè)(左)Ep主動側(cè)(右)Ea方法１

方法２122.3422.679.4460.3201.7882.9方法３153.4579.348.6422.5202.01001.8方法４153.4579.354.3400.5方法５153.4579.3156.3353.5305.0919.5方法１：水土合算；方法２：滲流的平均水力梯度為方法３：通過繪制流網(wǎng)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４：繪制流網(wǎng)，

＝０

，根據(jù)庫倫土壓力理論方法５：繪制流網(wǎng)，

＝20

，根據(jù)庫倫土壓力理論。979.8747207.7388

6.土壓力計算與土的抗剪強度指標(biāo)砂土和碎石土；支護結(jié)構(gòu)延續(xù)的時間很長，墻后施工中產(chǎn)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(wǎng)等滲流分析準(zhǔn)確地確定滲流場的孔隙水壓力，應(yīng)采用有效應(yīng)力強度指標(biāo)計算土壓力和進行穩(wěn)定分析。對于正常固結(jié)土c

=0，

=15

-25

有效應(yīng)力強度指標(biāo)不固結(jié)不排水(UU)與固結(jié)不排水(CU)強度指標(biāo)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(jié)不排水強度指標(biāo)是合理的;但飽和軟黏土屬于欠固結(jié)土，墻后地面超載q以及新建的相鄰建筑物，應(yīng)當(dāng)cu(UU)，采用原位十字板等方法測定其強度指標(biāo)較為合理的。固結(jié)不排水（CU)強度指標(biāo)-

應(yīng)力路徑的影響三軸試驗的K0固結(jié)與等壓固結(jié)不排水試驗。pqK0Mp

基坑土的實際不排水應(yīng)力路徑室內(nèi)三軸試驗固結(jié)不排水應(yīng)力路徑基坑中被動區(qū)土的應(yīng)力路徑

zz

ABp

qa0a1a2a

a

K0b0b1b2b

b

常規(guī)壓縮三軸(CU)試驗超固結(jié)土的強度q正常固結(jié)土的強度a0

a1

a2

按原位應(yīng)力等向固結(jié)不排水常規(guī)三軸試驗；a0

a

a

按開挖后應(yīng)力等向固結(jié)不排水常規(guī)三軸試驗；a0

ak

按原位應(yīng)力K0固結(jié)不排水常規(guī)三軸試驗；a0

ac

按有效應(yīng)力排水三軸試驗-超固結(jié)土。akac在有效自重壓力下預(yù)固結(jié)的不排水強度

qPp

oMK0A總應(yīng)力路徑BCDD

有效應(yīng)力路徑AD(D)AC，不應(yīng)按

1=z等向固結(jié)。某基坑土的強度指標(biāo)土層④1和⑥2層土的不同試驗的強度指標(biāo)土層三軸不固結(jié)不排水無測限抗壓強度十字板試驗快剪固結(jié)快剪固結(jié)不排水cu(kPa

u

qc（kPa）cu（kPa）cq

qccq

cqccu

cu④211.00.225.34(47.9)28.4(23.71)8.16.1(3.2)15.811.917.19.7⑥19.00.424.06(51.9)34.1(32.42)7.18.3(3.3)13.813.617.813.2不排水強度指標(biāo)cu土層④1和⑥2層土的平均不排水強度指標(biāo)

cu（kPa）在有效自重壓力下的預(yù)固結(jié)不排水強度

土層三軸不固結(jié)不排水無測限抗壓強度十字板試驗快剪固結(jié)快剪固結(jié)不排水④2⑥110.412.317.732.833.631.2十字板剪切試驗在基坑中的應(yīng)用

zcuba1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１(a)水土合算(b)水土分算(e)美國《基礎(chǔ)工程手冊》(d)太沙基算法２多層地下水情況砂土黏土砂土黏土砂土黏土潛水１潛水２承壓水水壓力pw主動土壓力pah1h2h3h4h5

wh10

wh3hc

whc

w(hc+h5)Pa1=

1h1Ka1pa2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(yīng)力

z(kPa)主動土壓力pa(kPa)分算總壓力p(kPa)自重應(yīng)力

z(kPa)黏土的合算p(kPa)①砂土上0000０00下303010403040②黏土上302304.234.26019下012048.348.312048.3③砂土上00120404012040下30150508015080④黏土上30i4=1/3150639318077.7下5019082.6132.6240117⑤砂土上50019063.3113.3240130下8022073.3153.3300180⑥黏土上8022097.3177.3380176分算與合算分算得到的５層土總壓力為E=1974ｋＮ/ｍ,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的情況在有向上的滲流情況下;粉土的合算:關(guān)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(yīng)用，水土壓力十分復(fù)雜，應(yīng)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(jié)影響因素有利因素不利因素１原狀地基土的結(jié)構(gòu)性及結(jié)構(gòu)強度對于欠固結(jié)土使用固結(jié)不排水或固結(jié)快剪強度指標(biāo)２非飽和土的基質(zhì)吸力對于地面超載q，使用固結(jié)不排水或固結(jié)快剪強度指標(biāo)３平面應(yīng)變情況下土的較高的內(nèi)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４基坑平面尺寸的三維拱效應(yīng)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５墻后土體的小主應(yīng)力

3減小的應(yīng)力路徑，可能產(chǎn)生的負(fù)孔壓對于振動反復(fù)荷載下，地基土可能的損傷，漸進破壞６墻前坑底以下土的超固結(jié)性：粘聚強度與負(fù)孔壓在降