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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。土水压力的计算方法-12.4土水压力的计算方法12.4.1作用于支挡结构上的土压力(一)概述作用在挡土支护结构上的侧压力包括土压力、水压力、冰荷载(寒冷地区)、地震力及地面荷载所产生的侧压力等。土压力是作用于挡土支护结构的主要荷载，特别是在大型深基坑工程中若能较准确地估算土压力，对于确保深基坑工程的顺利进行具有十分重要的意义。从广义来说，土压力是土作用在挡土支护结构上的或作用在被土体所包围的结构物表面上的压力及其合力。这些压力(及合力)是由土的自重、土所承受的恒载和活载所产生的，其大小由土的物理与力学性
2、质、土和结构之间的物理作用、绝对位移、相对位移以及变形值与特性所决定。水压力、冰荷载、地震力及地面荷载等均是通过土这一载体作用于挡土支护结构上，因此，均属于广义土压力，也可称为特殊情况下的土压力。【例题17】在下列各项中，属于广义土压力的是()。A、水压力；B、地震力；C、冰荷载；D、地面荷载；答案：A、B、C、D(二)影响土压力的因素作用在挡土支护结构上的土压力受以下因素制约：1不同土类中的侧向土压力差异很大。采用同样的计算方法设计的挡土支护结构，对某些土类可能安全度很大，而对另一些土类则可能面临倒塌的危险。因此在没有完全弄清挡土支护结构土压力的性能之前，对不同土类应区别对待。2土压力强度的
3、计算及其计算指标的取值与基坑开挖方式和土类有关。当剪应力超过土的抗剪强度时，背侧土体就会失去稳定，发生滑动。由于基坑用机械开挖，一般进度均较快，开挖卸荷后，土压力很快形成，为与其相适应采用直剪快剪或三轴不排水剪是合理的。但剪切前是否要固结，则根据土的渗透性而定。渗透性弱的土，由于加荷快、来不及固结即可能剪损，此时宜采用不固结即进行剪切；反之，渗透性强的土，宜固结后剪切。【例题18】对于侧壁为饱和粘土的基坑，宜采用()三轴试验确定其抗剪强度指标。A、固结排水剪；B、固结不排水剪；C、不固结不排水剪；D、不固结排水剪；答案：C3土压力是土与挡土支护结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切的关
4、系，从而导致设计土压力值的不确定性。如经典的库仑土压力和朗肯土压力理论仅考虑主动与被动状态；在挡土支护结构变形很小时，要采用静止土压力(其值无统一求法)；对于作用于多支点挡土支护结构的土压力则按弹塑性理论进行计算。4土压力强度的大小与挡土支护结构刚度有关。当基坑深度及地层土质等条件均相同的情况下，作用在重力式挡土支护结构和柔性挡土支护结构上的土压力显然不同，这是由于两者刚度相差太大所致。5对于多支点挡土支护结构，其土压力大小及分布又因支点(锚杆或支撑)的位置及反力大小而变化。6压力参数的选取因深基坑挡土支护结构及施工工艺而不同。对于悬臂式挡土支护结构，取卸荷参数即可；而多层锚杆挡土支护结构则因
5、其对土体的作用是一个不同深度上的多次卸载加载卸载的过程，故对土体来说，既要考虑卸载的又要考虑加载的土压力参数。7土支护结构土压力有显著的空间效应。不少的深基坑开挖实测资料表明，基坑周边向坑内发生的水平位移呈现出中间大、两边小的规律；而且深基坑边坡失稳坍塌，多数实例也是从长边的居中位置开始发生的。上述现象说明深基坑开挖的一个空间问题。8土支护结构土压力有显著的时间效应。按经典的极限平衡原理(库仑朗肯土压力理论)进行的深基坑挡土支护设计属于静态设计，而开挖后的土体是处于动态平衡状态。一是开挖后的土体处于一种松弛过程，随时间增长，土体强度逐渐下降；二是开挖后长时期内基坑环境也会有所变化，例如由于多种
6、原因造成土体含水量增加，也促使土体强度下降。以上的时间效应在设计时应予以考虑。9定土压力计算参数时要考虑施工效应。降水是深基坑开挖中经常采用的措施，由于排水，土体发生固结，使c、值有所提高。当基础桩采用挤土式桩时，由于挤土效应也可使c、值有所提高。当然还要避免挤土桩的负面效应。10土支护结构上的土压力是随着开挖过程逐步形成的。特别是多支点挡土支护结构上的土压力又随着支撑或锚杆的设置及每步开挖施工参数的差异而产生受力状态的改变，因此其土压力的分布与一般挡土墙存在着差异。11挡土支护结构上的土压力因上、下端支点及结构变位情况而差异甚大。12土压力计算参数(、c、等)带有一定的随机性。土层物理力学参
7、数选择正确与否是挡土支护设计能否符合实际的重要环节。但是实践中，不少的建设单位在深基坑工程招标时往往是仅提供主体建筑物的初步勘察报告，未能提供适应于深基坑工程的专门勘察报告，而投标单位为了急于中标，就在初勘资料的基础上，选择计算参数，未经深思熟虑，草率地进行土压力计算，这就带来较大的随机性和危险性。正确的做法应是，根据深基坑的等级，进行补充的岩土工程勘察，在深基坑挡土支护设计人员的配合下，按设计要求，确定勘察范围、基坑周边勘探点间距以及勘探点间距，并选择合适的试验方法，这样的勘察资料就具有针对性，设计人员也能做到心中有数。13地下水是影响土压力值的一个重大因素。当上层滞水治理不妥(例如，上下水
8、设施破损而漏水，基坑顶及坡体未作防水处理致使雨水及地表水等渗入背侧土体，坑周排水系统堵塞或暴雨后坑周水位急剧上升等)，致使背侧土体的含水量增高，土的力学指标向不利方向变化(c、值降低)，主动土压力随之增大，导致深基坑倒塌。类似事故在全国各地区已屡见不鲜。14挡土支护结构上的土压力还和土体与墙(桩)背的摩擦角有关，而后者又与背侧土体性质、墙(桩)背粗糙程度、排水条件、背侧土体表面轮廓及有无地面荷载等有关。15土压力的大小和分布是超静定问题。一是因为位移和变形的作用，二是由于各单个颗粒产生的压力以及颗粒间作用力的绝对值仍然不清楚。16土压力的大小还和土体应力水平有关。在正常压密状态的同一种土体，不
9、同开挖深度的土体应力水平是不同的，它的c、不是同一值。综上所述，土压力的计算具有以下特点：复杂性(影响因素太多)，不确定性，多样性(计算和试验方法多样)，随机性，变异性(施工效应、结构型式效应、时间效应、空间效应及地下水影响等)以及超静定性等。目前工程中应用的土压力计算理论，由于理论的假设与实际情况有一定的出入，加以在理论中也不可能对影响土压力大小和其分布规律的各种因素及其相互作用加以全面考虑和概括，所以只能看作是近似的方法，与实测数据也有一定的距离，有时甚至差得很大。可以说，深基坑挡土支护与开挖问题对经典土力学理论提出了新的挑战，需建立以释放变形为核心的土压力理论。深基坑开挖与支护的应力、变
10、形分析将把不可忽视的卸载问题、应力路径问题及其引发出的土体应力、强度、变形性质和变化及其影响因素提上岩土工程师的议事日程、提出需要深人研究的课题。总之，土压力理论还有待于进一步研究，在实践中不断予以完善。(三)主动土压力与被动土压力1定义挡土支护结构在土压力作用下，将向基坑内侧移动(即产生背离土体的横向位移)或绕前趾向基坑内侧转动。当位移达到一定量值时，则其后土体开始形成滑裂面，应力达到极限平衡状态，此时土压力处于最小值，称为主动土压力(Ea)，进入主动土压力状态的位移量一般是比较小的。挡土支护结构在外荷作用下，将向土体方向移动或转动。随着位移的增加，土体阻止其变形的抗力将增加，应力水平随之提
11、高，使作用于结构上的土压力逐渐增加。当位移达到一定量值时，则土体中亦将形成一个滑裂面，应力达到极限平衡状态，此时土压力处于最大值，称为被动土压力(Ep)，进入被动土压力状态的位移量比主动土压力状态要大得多。挡土支护结构所承受的土压力，要精确地加以确定是很困难的，甚至是不可能的，因为影响土压力的不确定因素太多，至少有16个。2库仑土压力和朗肯土压力库仑土压力理论(1773年)的基本假定：挡土墙是刚性的，墙后填土是各向同性、均质的无粘性砂土；当墙身向前或向后移动以产生主动土压力或被动土压力时的滑动破坏楔体是沿着墙背和一个通过墙踵的平面发生滑动；破坏土楔视为刚体；摩擦力沿着破裂平面是均匀分布的，摩擦
12、系数=tan(为内摩擦角)；有墙身摩擦，亦即破坏土楔沿着墙背移动，在墙的界面上产生摩擦力；破坏是一个平面变形问题，即取无限长楔体的一个单位长度进行讨论。根据上述假定，从滑动楔体处于极限平衡状态时的静力平衡条件出发，求出主动土压力及被动土压力。库仑理论的主要缺点是假定土是理想的以及滑裂面定为平面。在主动土压力和被动土压力的计算中，由于实际滑裂面是曲面，这使得在平面滑裂面假定下计算的主动土压力偏小(差值为210)，被动土压力显著偏大，差值随内摩擦角的增大而增加，有时相差数倍至十数倍，若应用此值则是危险的。朗肯土压力理论(1857年)，其概念简单明确而被工程界广泛采用。朗肯土压力建立在土体的摩尔库仑
13、强度理论及半无限土体的微元极限平衡状态的假定上。朗肯土压力理论的基本假定：挡土墙背竖直、光滑；墙后砂性填土表面水平并无限延长，墙对破坏楔体没有干扰。推导结果，主动朗肯状态出现与水平面成(45+/2)夹角的滑动面，被动朗肯状态出现与水平面成(45-/2)夹角的滑动面。可以说，朗肯土压力公式是库仑土压力理论的一个特例。由于没有考虑墙背和填土之间的摩擦力，这样求得的主动土压力值偏大，而被动土压力值则偏小。因此，用朗肯土压力理论来设计挡土墙总是偏于安全的。贝尔(1915年)把朗肯理论发展成可考虑粘聚力c值的土压力理论。以下为考虑粘聚力的朗肯土压力计算公式。【例题19】在利用朗肯土压力确定主动土及被动土
14、压力系数时，其值大小与下列各项中()无关。A、土的重度；B、计算点深度；C、土的粘聚力；D、土的内摩擦角；答案：A、B、C3经典理论土压力与深基坑挡土支护结构土压力的区别由表12.4-1可知，按经典理论计算得到的土压力不能简单地直接用于计算深基坑挡土支结构，应视具体情况，作必要的修正。总之，土压力的计算不是由精确的理论来保证其正确可靠，而应通过现场测试和室内模型试验并依此为基础，提出简单实用而尽可能合理的土压力计算模式。在计算土体作用在挡土结构上的侧压力时，应着重考虑下列因素：土的物理力学性质(土的重度、抗剪强度)；挡土结构相对土体的变位方向和大小；地面坡度、地面荷载与邻近基础荷载；地下水位及
15、其变化；挡土支护结构的刚度；深基坑工程的施工方法与施工顺序。(四)静止土压力【例题20】对于变形要求严格的基坑支护结构，作用在支挡结构上的土压力按()计算。A、静止土压力；B、主动土压力；C、被动土压力；D、上述三项均可；答案：A12.4.1土水压力的计算(一)计算方法在一般地基基础工程计算中，建筑物的自重以及作用于建筑物上的各种荷载通过基础传给地基。无论是建筑物的自重或是其他竖向活荷载都具有由其自重导出的特点，荷载大小明确，计算与实测结果基本接近。而支护结构的主要荷载是地层中水土的水平压力，水土压力是由定值的竖向水土压力按照一定规律转化为水平压力作用于支护结构上。支护结构荷载与上部结构荷载的
16、根本区别在于它不是仅与土的重量有关，还与土的强度、变形特性和渗透性有关，具有很大的不确定性。由于作用在支护结构上的荷载主要是水平荷载，而这种水平荷载具有间接得出的特点，因此，由水土竖向压力转化为水平压力的计算方法的合理与否直接影响到水平荷载的确定，水平荷载的精确度又直接影响到支护结构内力与变形的计算结果。目前，工程上常采用的土压力计算方法有朗肯土压力、库仑土压力和各种经验土压力确定方法。在水土分算时，水压力的计算方法有：按静水压力计算的方法、按渗流计算确定水压力分布的方法等。而水土合算时不需单独考虑水压力作用。关于土压力的各种基本理论、主动土压力和被动土压力形成的条件、各种土的抗剪强度指标试验
17、方法和分类，可参考有关土力学教科书，本处不在详述。1水土分算和水土合算方法的适用条件基坑支护工程的土压力、水压力计算，常采用以朗肯土压力理论为基础的计算方法，根据不同的土性和施工条件，分为水土合算和水土分算两种方法。由于水土分算和水土合算的计算结果相差较大，对基坑挡土结构工程造价影响很大，故需要非常慎重的舍取，要根据具体情况合理选择。地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力应分开计算。水土分算方法概念比较明确。但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对黏性土，水压力取值的难度大，土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标，在实际工程中往往难以解决。因此，在很多情况下黏性
18、土往往采用总应力法计算土压力，即将水压力和土压力混合计算，也有了一定的工程实验经验。然而，这种方法亦存在一些问题，可能低估了水压力的作用。(1)水土分算水土分算是分别计算土压力和水压力，以两者之和为总的侧压力。水土分算适用于土孔隙中存在自由的重力水的情况或土的渗透性较好的情况，一般适用于碎石土和砂土，这些土无黏聚性或弱黏聚性，地下水在土颗粒间容易流动，重力水对土颗粒中产生孔隙水压力。对于砂土、粉性土和粉质黏土等渗透性较好的土层，应该采用水土分算的原则来确定支护结构的侧向压力。侧向土压力通常可按朗肯主动压力和被动压力公式计算。地下水无渗流时，作用于挡土结构上的水压力按静水压力三角形分布计算。地下
19、水有稳定渗流时，作用于挡土结构上的水压力可通过渗流分析计算各点的水压力，或近似地按静水压力计算，水位以下的土的重度以下的土的重度应采用浮重度，土的抗剪强度指标宜取有效抗剪强度指标。(2)水土合算地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力应分开计算。水土分算方法概念比较明确，但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对黏性土，水压力取值的难度大，土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标，在实际工程中往往难以解决。因此，在很多情况下黏性土往往采用总应力法计算土压力，也有了一定的工程实践经验。水土合算是将土和土孔隙中的水看做同一分析对象，适用于不透水和弱透水的黏土、粉质黏土和粉
20、土。通过现场测试资料的分析，黏性土中实测的水压力往往达不到静水压力值，可认为土孔隙中的水主要是结合水，不是自由的重力水，因此它不易自由流动而不单独考虑静水压力。因为将土粒与孔隙水看作一个整体，直接用土的饱和重度和总应力抗剪强度指标计算侧压力。然而，黏性土并不是完全理想的不透水层，因此在黏性土层尤其是粉土中，采用水土合算方法只是一种近似方法。这种方法亦存在一些问题，可能低估了水压力的作用。(二)有关规范规程关于土压力计算的规定1)根据建筑基坑支护技术规程(JGJl2099)规定，对于作用于支护结构上的水平荷载标准值应按当地可靠经验确定，当缺少经验时，可按下列规定计算：(1)对碎石土、砂土等无黏性
21、土按水土分算原则进行计算。在地下水位以下，作用于支护结构的侧压力，等于土压力与静水压力之和。土压力计算采用浮重度/，和有效应力抗剪强度指标c/和/计算。(2)对于黏性土和粉土按水土和算原则进行计算。作用在支护结构上的侧压力，仅考虑土压力，水土合算时，地下水位以下的土压力采用饱和重度sat和总应力抗剪强度指标c和计算。【例题21】根据建筑基坑支护技术规程(JGJl2099)规定，在进行土压力计算时，应按水土分算的原则进行计算的是()。A、碎石土；B、粉土；C、砂土；D、粘性土；答案：A、C1水土合算时的水土压力水平荷载和抗力可按下面公式计算(图12.4-1)：式中eajk作用在支护结构上j点处水
22、平荷载标准值(主动土压力强度)(kpa)；epjk作用在支护结构上j点处抗力标准值(被动土压力强度)(kpa)；q0地面附加均布荷载(kPa)；pjk局部附加荷载在j点处产生的竖向应力标准值(kpa)；i第i层土的天然重度(kN/m3)；hi第i层土的厚度(m)；Kaj第j点所在土层的主动土压力系数cjk、jk第j点所在土层的黏聚力标准值(kpa)和内摩擦角标准值(度)。当基坑外作用有局部附加荷载时，如建筑物基础压力，可按建筑基坑支护技术规程(JGJ12099)第3.4.2条计算。2水土分算时的水土压力当计算点位于地下水位以下时：2)建筑地基基础设计规范(GB500072002)关于土压力计算
23、的规定(1)主动土压力、被动土压力可采用库仑或朗肯土压力理论计算。当对支护结构水平位移有严格限制时，应采用静止土压力计算。自然状态下的土体内水平向有效应力，可认为与静止土压力相等。土体侧向变形会改变其水平应力状态。最终的水平应力，随着变形的大小和方向可呈现出两种极限状态(主动极限平衡状态和被动极限平衡状态)，支护结构处于主动极限平衡状态时，受主动土压力作用，是侧向土压力的最小值。库仑土压理论和朗肯土压理论是工程中常用的两种经典土压理论，无论用库论或朗肯理论计算土压力，由于其理论的假设与实际工作情况有一定的出入，只能看作是近似的方法，与实测数据有一定差异。一些试验结果证明，库仑土压力理论在计算主
24、动土压力时，与实际较为接近。在计算被动土压力时，其计算结果与实际相比，往往偏大。静止土压力系数K0值随土体密实度、固结程度的增加而增加（K0=1-sin/），当土层处于超压密状态时，K0值的增大尤为显著(K0=(1-sin/)0.5)。静止土压力系数K0宜通过试验测定。当无试验条件时，对正常固结土也可按表12.4-2估算。(2)作用于支护结构的土压力和水压力，对砂性土宜按水土分算的原则计算；对粘性土宜按水土合算的原则计算；也可按地区经验确定。处于地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力是分开计算的。这种方法概念比较明确。但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是粘性土
25、在实际工程中孔隙水压力往往难以确定。因此，在许多情况下，往往采用总应力法计算土压力,即将水压力和土压力合算，各地对此都积累有一定的工程实践经验。然而，在这种方法中亦存在一些问题，如低估了水压力的作用。通常，由于粘性土渗透性弱，地下水对土颗粒不易形成浮力，故宜采用饱和重度，用总应力强度指标水土合算，其计算结果中已包括了水压力的作用。但当支护结构与周围土层之间能形成水头时，仍应单独考虑水压力的作用。对地下水位以下的粉土、砂土、碎石土，由于其渗透性强，地下水对土颗粒可形成浮力，故应采用水土分算。水压力可按静水压力计算。(3)当按变形控制原则设计支护结构时，作用在支护结构的计算土压力可按支护结构与土体
26、的相互作用原理确定，也可按地区经验确定。作用在支护结构上的土压力及其分布规律取决于支护体的刚度及横向位移条件。刚性支护结构的土压力分布可由经典的库仑和朗肯土压理论计算得到，实测结果表明，只要支护结构的顶部的位移不小于其底部的位移，土压力沿垂直方向分布可按三角形计算。但是，如果支护结构底部位移大于顶部位移，土压力将沿高度呈曲线分布，此时，土压力的合力较上述典型条件要大1015，在设计中应予注意。柔性支护结构的位移及土压力分布情况比较复杂，设计时应根据具体情况分析，选择适当的土压力值，有条件时土压力值应采用现场实测、反演分析等方法总结地区经验，使设计更加符合实际情况。(4)当地下水有渗流作用时，地
27、下水的作用应通过渗流计算确定。(5)饱和粘性土应采用在土的有效自重压力下预固结的不固结不排水三轴试验确定抗剪强度指标，并宜采用薄壁取土器取样。基坑工程设计时，土性指标、计算方法、安全度是统一考虑的，故土的抗剪强度指标应慎重选取，这一点必须加以强调。三轴试验受力明确，又可控制排水条件，因此，在基坑工程中确定土的强度指标时规定应采用三轴剪切试验方法。为减少取土时对土样的扰动，应采用薄壁取土器取样。由于基坑用机械开挖，速度较快，支护结构上的土压力形成很快，为与其相适应，采用不排水剪是合理的。剪切前的固结条件，应根据土的渗透性而定。对饱和软粘土，由于灵敏度高，取土易扰动，为使结果不致过低，按现行岩土工程勘察规范(GB500212001)，可在自重压力下进行固结后再进行不排水剪。【例题22】在确定基坑土三轴试验方法时，对于剪切前的固结条件，应根据土的()而定。A、渗透性；B、岩性；C、密实程度；D、孔隙比大小；答案：A关于挡土墙主动土压力系数Ka的计算，可参阅建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)附录L。-