基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力

孫占武

摘要：隨著我國大規(guī)模建筑基坑和地下工程的發(fā)展，支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中的許多問題逐步凸現(xiàn)出來，支護結(jié)構(gòu)水土壓力計算得到越來越多的重視和討論。但由于受到多個因素的影響，我國的基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力在計算和控制手段上還存在很多不足，尋求科學(xué)合適的計算方法，以保證基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是相關(guān)工程人員越來越關(guān)注的話題。

關(guān)鍵詞：基坑支護結(jié)構(gòu)；水土壓力；計算

引言

基坑支護結(jié)構(gòu)主要受兩種力的作用：一種為水壓力，另一種為土壓力。正確、合理地進行水、土壓力的計算是進行其他各項工作的前提和基礎(chǔ)。對砂土、碎石土按水土壓力分算，粘性土按水土壓力合算，基本上達成共識。從土的有效應(yīng)力理論出發(fā)，水土分算的根據(jù)比較合理，但實際操作困難比較大，而水土合算在理論上又存在嚴(yán)重缺陷。下文筆者圍繞基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力的計算方法和控制措施展開探究。

1.基坑支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力概述

支護結(jié)構(gòu)主要承受側(cè)向壓力，包括水土壓力及地面荷載、鄰近建筑物基底壓力、相鄰場地施工荷載等引起的附加壓力，以水土壓力為主。土壓力是基坑周圍一定范圍內(nèi)的土體與支護結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的支護設(shè)計理論是把基坑周圍土體當(dāng)作荷載，作為支護結(jié)構(gòu)的“對立面”，然后根據(jù)圍護墻的位移情況，分別按靜止土壓力、主動土壓力或被動土壓力來進行支護設(shè)計，稱此類支護為被動支護。事實上，基坑周圍土體具有一定的自支撐能力，可以將它用作支護材料的一部分，源于這一觀點的支護設(shè)計是設(shè)法充分發(fā)揮和提高基坑周圍土體的自支撐能力并補強其不足部分，稱此類支護為主動支護。

2.土水壓力的計算

2.1傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力計算理論與方法的分析

傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力的計算理論主要以朗肯理論和庫侖理論為基礎(chǔ)，這兩種理論無論在基本假設(shè)上，還是在計算原理上都存在一些缺陷。主要表現(xiàn)為：

（1）實際深基坑工程圍護墻通常不滿足古典土壓力理論的假設(shè)條件；

（2）古典土壓力理論沒有考慮圍護墻的變形過程，而僅以墻體位移達到使墻后土體出現(xiàn)極限狀態(tài)的平衡條件為計算依據(jù)。實際上圍護墻變形通常達不到使土體出現(xiàn)極限平衡狀態(tài)的位移值，且其變形是隨開挖的深入而變化的，土壓力也隨著變化；

（3）沒有考慮兩端壁處存在的空間效應(yīng)。因此，所計算的側(cè)土壓力只是近似的，有時誤差甚至很大。目前隨著水壓計算技術(shù)的發(fā)展以及深基坑工程中環(huán)境效應(yīng)問題的日益突出，考慮圍護墻與土體共同作用來計算側(cè)土壓力，并在設(shè)計中預(yù)先估計圍護墻位移的方法，例如彈性地基梁法（土抗力法）和有限元法等日益受到重視。

此外，傳統(tǒng)深基坑側(cè)土壓力的計算方法沒有顧及深基坑坑內(nèi)外通常存在較大水位差的實際情況，忽視了滲流效應(yīng)對土壓力的影響等問題。

2.2影響支護結(jié)構(gòu)上水土壓力的因素

基坑開挖中，支護結(jié)構(gòu)上的土壓力與經(jīng)典的朗肯、庫侖土壓力理論及其方法比較，在應(yīng)力路徑、參數(shù)取值及邊界條件方面有很大的不同。造成實際結(jié)構(gòu)內(nèi)力比理論計算值小得多的原因可能有以下一些。

2.2.1土體的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑的影響

（1）中主應(yīng)力的影響。常規(guī)三軸應(yīng)力中σ2=σ3，在基坑支護結(jié)構(gòu)之后的土體應(yīng)力狀態(tài)是三維的，中主應(yīng)力對強度的影響是顯著的。

（2）小圍壓情況下土的強度指標(biāo)。研究表明在小圍壓情況下土的強度指標(biāo)偏高許多。在地表以下10m范圍內(nèi)，土的實際圍壓小于l00kPa，而室內(nèi)的試驗常用的圍壓都在l00kPa以上，這樣低估了土的強度指標(biāo)。

（3）土的超固結(jié)。如果地基土是正常固結(jié)土，在開挖減壓后由于其平均主應(yīng)力與圍壓減少而變成超固結(jié)狀態(tài)的土。在圍壓不大時，強度包線提高，減少了主動土壓力，增加了被動土壓力。

（4）基坑內(nèi)土體中的殘余應(yīng)力。一般計算土壓力時，基坑內(nèi)的垂直應(yīng)力是從坑底算起的自重應(yīng)力，實際上，由于基坑開挖面積是有限的，基坑以下土體的垂直向應(yīng)力應(yīng)當(dāng)是從原地面算起的自重應(yīng)力加上由于開挖引起的“負(fù)附加應(yīng)力”。

2.2.2孔隙水壓力的影響

（1）開挖引起的負(fù)超靜孔壓。在基坑內(nèi)逐層開挖時，造成土體卸載，圍壓減少，支護結(jié)構(gòu)前移，支護結(jié)構(gòu)后土體側(cè)脹，基坑下土體向上回彈，這將在土體中形成負(fù)壓使各部分土體均有膨脹的趨勢。這將在土體中形成負(fù)超靜孔隙水壓力，對于滲透系數(shù)較小土層，這種負(fù)孔壓將持續(xù)長時間，它改變了支護結(jié)構(gòu)上的荷載和抗力的大小和分布，快速的施工有利于利用這種負(fù)孔壓。

（2）墻后土體中的毛細(xì)飽和區(qū)。處于地下水位以上的毛細(xì)飽和區(qū)內(nèi)其孔隙水壓力也是負(fù)值，是一種吸力.對于粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)砂土這個區(qū)域是比較厚的，它將形成“假粘聚力”明顯減少了墻后土壓力。

（3）人工降低地下水位產(chǎn)生的滲透力。在人工降水的情況下，滲透力主要是向外向下的，有利于減少主動土壓力和增加被動土壓力。

2.2.3邊界條件的影響

（1）基坑支護的三維效應(yīng)?；又械拈L、寬、高之比一般不是很大，也不完全是平面應(yīng)變問題。如果坑壁中部的土體向外位移，兩端的土體基本固定不動，土層間將產(chǎn)生摩擦力，這種拱效應(yīng)對于增加被動土壓力特別明顯。另一方面，三維的基坑支護結(jié)構(gòu)形成框架結(jié)構(gòu)，將橫向力轉(zhuǎn)化成軸向力，這大大約束了支護結(jié)構(gòu)的變形，減少其中彎矩及鋼筋拉應(yīng)力。

（2）支護結(jié)構(gòu)與土間的摩擦力。支護結(jié)構(gòu)與土間的摩擦主動土壓力減少、墻前被動土壓力增加，考慮這一因素，對于板樁和砂土，其前部的被動土壓力的提高是顯著的。

（3）土層間的約束作用。在墻后土體中不同土層間的水平位移不同，土層間也存在著摩擦力和拱效應(yīng)。這增加了整體穩(wěn)定性，尤其是在淺層粘性土與砂土互層情況。

3.地下水對基坑支護工程的影響

（1）在支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，無論是采用規(guī)范中的水土合算或水土分算的方法，地下水的存在和狀態(tài)都會影響水平荷載的取值大小。對水壓力的估計不當(dāng)，可能直接造成支護結(jié)構(gòu)的失效或過大的位移。

（2）地下水可能引起錨桿或土釘與周圍土體之間握裹力的降低，從而降低抗拔力；

（3）地下水的存在可能造成施工的困難；

（4）地下水的存在可能降低支護體系的整體穩(wěn)定性；

（5）地下水控制不當(dāng)可能造成基坑側(cè)壁土體的流失，造成潛蝕，嚴(yán)重時造成體積很大的“老虎洞”，威脅體系的整體穩(wěn)定性；

（6）對坑底土質(zhì)為粉土或砂類土?xí)r，可能達成基底的管涌或基底抗隆起失效；

（7）可能由于施工降水不當(dāng)，造成基坑側(cè)面變形過大，引起鄰近建筑、道路或地下設(shè)施的破壞。

4.結(jié)語

綜上所述，許多工程事故都和地下水有關(guān)，因而支護結(jié)構(gòu)上的水土壓力計算得到越來越多的重視和討論。據(jù)統(tǒng)計，由于水引發(fā)的工程事故約占21.4%。另一方面，大量的實測結(jié)果表明：支護結(jié)構(gòu)上的實際內(nèi)力遠(yuǎn)小于計算值。盡管人們一再降低安全系數(shù)，或者將荷載打折，往往實測應(yīng)力還是偏小。在這種情況下，說明我們對于在原狀土開挖過程中的土與結(jié)構(gòu)的共同作用和水土相互作用機理的認(rèn)識還遠(yuǎn)不夠透徹和深入。

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