基坑側(cè)向壓力的研究

戴 葵，戴云松

(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430023;2.武漢市第十一中學(xué)，湖北武漢430033)

水土相互作用機(jī)理以前認(rèn)為只有土壓力和靜水壓力的作用，需對(duì)傳統(tǒng)水土壓力計(jì)算公式進(jìn)行修改，許多影響水土壓力的參數(shù)沒有出現(xiàn)［1］?；娱_挖往往需采用支護(hù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)擋土及止水的目的［2］，防止周圍土體的失穩(wěn)破壞。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力主要是側(cè)向土壓力和側(cè)向水壓力。按傳統(tǒng)的土力學(xué)理論計(jì)算得到的側(cè)向水土壓力和實(shí)測(cè)值相差較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)上的實(shí)際內(nèi)力與計(jì)算值相差較多，大多數(shù)情況下實(shí)測(cè)應(yīng)力偏大，但有時(shí)因滲流產(chǎn)生的水壓力使實(shí)際內(nèi)力大于計(jì)算值，使基坑發(fā)生事故。水與土骨架之間的相互作用機(jī)理論述不夠準(zhǔn)確，水土相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)不深［3］，對(duì)滲流產(chǎn)生的水壓力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算是一個(gè)有重大價(jià)值的課題。本方法從水滲流作用出發(fā)，能精確計(jì)算水土壓力。

1 水土壓力的計(jì)算

支護(hù)結(jié)構(gòu)水壓力計(jì)算公式是按靜水力考慮的，這就產(chǎn)生了誤差。土的滲透性指水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì)，而實(shí)際上由于水的滲流作用，水的阻礙力做負(fù)功使得水頭損失，因此作用在基坑上的水壓力不再是靜水壓力。地下水在巖土體空隙中的運(yùn)動(dòng)稱為滲流。巖土體骨架也對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一種阻力，稱阻礙力。

1.1 水壓力精確計(jì)算公式

地下水滲流時(shí)，水流對(duì)土粒的作用叫滲透力，見圖1。地下水受到土體的反作用力稱之為阻礙力，使能量消耗，水頭會(huì)變小。基坑截面圖見圖2，兩邊水頭差為H，最短滲徑是H+2D，平均水力梯度i=H/(H+2D)。在土體中設(shè)測(cè)壓管，測(cè)量水壓高度。由達(dá)西定律［1］知有v=ki，其中:v為滲透速度，cm/s，k為土的滲透系數(shù)，cm/s，k的精確計(jì)算要按理論與實(shí)測(cè)相結(jié)合的反演分析法進(jìn)行［4］，i為水力梯度。如果任意點(diǎn)的水壓力為p1，則各點(diǎn)水壓力可表達(dá)為pl=γwh1式中:h1表示地基土的水壓力高度值。

圖1 滲流水作用示意

圖2 基坑計(jì)算模型圖

在基坑的右側(cè)abc是一條流線，上面的水壓力分布可以描述為下面的微分方程:-

式中:ρw為水的密度，g為重力加速度，Ry為土對(duì)水的阻礙力。

對(duì)(1)兩邊積分，有:

根據(jù)邊界條件

將式(3)代入式(2)和求出C=0，求出水壓力分布函數(shù):

Ry由達(dá)西定律得:

其中:v為平均速度;k＇是滲透系數(shù)，用常用的土的滲透系數(shù) k表示為［4］:

土的是各向同性的，阻礙力和滲透力的方向相反，沿著abc流線得:

流線abcc'b'上水的平均梯度為 i=H/(H+2D)。將v=ki帶入，有:

Ry與滲透力大小相等，方向相反。

將(8)代入式(4)求出在基坑的右側(cè)abc流線水壓力計(jì)算式:

其中:0≤y≤H+D。

基坑的左側(cè)c'b'流線上的水壓力計(jì)算式為:

解出式(10)，得

根據(jù)已知條件y=H，pw=0。將式(10)代入式(11)得C=－(RyH+ρwgH)。在c'b'路徑上水向上流動(dòng)，得到Ry=γwi。由已知條件得到水壓力計(jì)算式:

其中:H≤y≤H+D.

1.2 土壓力與水壓力相互作用計(jì)算

滲透作用使土體的有效應(yīng)力大小變化［5］，并改變基坑上的土壓力。根據(jù)圖2，沿著abcb'c'流線上的主動(dòng)側(cè)滲透力為，方向向下，求得深度y處有效垂直應(yīng)力:

得到深度y處主動(dòng)土壓力計(jì)算式:

其中:ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，r'為土的重度，c為內(nèi)聚力。

1.3 水土壓力最終計(jì)算

根據(jù)土力學(xué)原理，得到主動(dòng)水土壓力表達(dá)式如下:

其中:paaw(y)為主動(dòng)水土壓力，paa(y)為主動(dòng)土壓力，paw(y)為主動(dòng)區(qū)上的水壓力，γ＇為土的有效重度。

2 工程計(jì)算實(shí)例

某高層建筑基坑開挖剖面如圖3所示，各土層性質(zhì)相同，各土層的參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要考慮主動(dòng)區(qū)水土壓力為控制值，被動(dòng)去水土壓力不作為設(shè)計(jì)控制值。

圖3 基坑截面示意圖

表1 某高層建筑基坑土層截面分布

把已知條件分別代入式(15)—(16)中，基坑兩側(cè)的主動(dòng)水土壓力可以準(zhǔn)確計(jì)算。圖4—6為傳統(tǒng)水土壓力計(jì)算與本文的計(jì)算方法所得的計(jì)算值。

圖4 水壓力分布

圖5 土壓力計(jì)算結(jié)果圖

圖6 水土壓力計(jì)算結(jié)果圖

本文的水土壓力計(jì)算結(jié)果比用傳統(tǒng)解法計(jì)算的小，原因?yàn)?第一傳統(tǒng)計(jì)算方法沒有考慮水受到阻礙力作用導(dǎo)致沿著滲徑沿程水頭將有所損失，在主動(dòng)區(qū)片面夸大了水壓力的作用;第二水對(duì)土體的滲透力影響沒有計(jì)算，即滲流水作用在土體骨架上產(chǎn)生滲流壓力，導(dǎo)致土壓力在主動(dòng)區(qū)偏小。特別是在主動(dòng)區(qū)，計(jì)算結(jié)果顯示，本文的水土壓力計(jì)算結(jié)果比用傳統(tǒng)解法計(jì)算的小，原因是本文按滲流力計(jì)算水壓力，也即考慮了水受阻礙的作用，沒按靜水壓力計(jì)算。從圖6中的結(jié)果表明了水土壓力實(shí)測(cè)值與考慮水土共同作用下的計(jì)算結(jié)果(本文方法)比較接近，證明了本文方法的準(zhǔn)確性。本文的創(chuàng)新在于考慮水土共同作用，這種水土壓力計(jì)算方法避免了傳統(tǒng)方法計(jì)算出現(xiàn)的誤差。

3 結(jié)論

(1)地下水位差對(duì)基坑兩側(cè)產(chǎn)生影響的因素是滲透力和阻礙力，影響側(cè)向水土壓力應(yīng)該分別計(jì)算滲流力對(duì)基坑主動(dòng)水土壓力和被動(dòng)水土壓力的影響。當(dāng)土的滲透性較低，可對(duì)周圍土碾壓并夯實(shí)。滲透系數(shù)會(huì)變小，減小水壓力，增加基坑的安全性。

(2)傳統(tǒng)水壓力計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)底端兩邊水壓力不相等的問題。應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況和排水條件，由固結(jié)不排水試驗(yàn)確定C和φ的取值［5］，就能解決這種矛盾。

(3)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力實(shí)測(cè)值比傳統(tǒng)土力學(xué)理論計(jì)算值小一些。本文通過把滲透力和阻礙力對(duì)通常計(jì)算的水土壓力的影響因素帶進(jìn)計(jì)算公式后，計(jì)算值非常接近實(shí)測(cè)值。

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