基坑支护结构上水土压力计算分析

基坑支护结构上水土压力计算分析

摘要：分析了目前在基坑开挖中广泛应用的水土分算、水土合算计算水土压力的问题，讨论7计算中所用抗剪强度的测定与选择，并通过工程实例计算，认为考虑渗流作用的水土分算法与实际情况更符合。

关键词：水土分算；水土合算；流网法；强度指标

中图分类号： s157 文献标识码： a 文章编号：

在进行深基坑支护结构设计时，首先要计算深基坑开挖过程中作用在支护结构上的水压力和土压力。力的大小主要取决于基坑开挖的深度、场地土体的性质和地下水水位。对于地下水位高的基坑场地，墙后土体饱和，存在静水压力，甚至有渗流和超孔隙压力的影响。经典的极限土压力理论是从砂土发展起来的，对于场地复杂多变、受多种因素影响的实际工程，很难给出符合实际的结果，尤其是对于粘性土。近年来，基坑支护结构上的水土压力计算成为岩土工程界的一个热点问题。

1水土分算

水土分算是指在计算土压力时，按有效应力原理将土骨架压力和孔隙水压力（静孔隙水压力和超静孔隙水压力）分别考虑的一种算法。在基坑工程中由于土方开挖和基坑降水的影响，很容易在墙前后的土体中形成一个水头差，因此分两种情况来讨论水土分算。

1.1不考虑渗流影响时的水土分算

当基坑内外存在水位差时，如果支护结构插入坑底的不透水土层

中，且可以确定基坑内外的地下水不会发生渗流时，可以不考虑渗流的影响。在没有地下水渗流作用的土中，不必考虑渗透力的影响，按传统计算的水、土压力值基本和实测值吻合。

1.2考虑稳态渗流影响时的水土分算

在基坑支护工程中，由于工程的需要，通常需要进行降水处理，从而造成支护结构两侧水位有差异，形成渗流，当支护结构未插入坑底的不透水土层时，渗流将会通过土体空隙经支护体流向被动侧。此时，土压力的计算必须考虑渗流的影响。在基坑支护中考虑稳态渗流的影响计算水压力时，除采用常用计算公式外，还经常采用流网法和直线比例法。

1. 2.1考虑稳态渗流影响的水土分算计算公式

(1)

式中：一静孔隙水压力或稳定渗流中的水压力；一超静孔隙水压力。

1.2.2按流网法确定水土压力

流网法确定水土压力的计算方法是画出墙后与墙前附近的流网，并根据墙后及墙前的破坏棱体所包的流网进行计算。绘制渗流网图，求得任意两条等势线之间（某网格内）的水力梯度，几个网格的水头损失。其中△h为任意两等势线的水头差，h为上下游的总水头差，n为流网中等势线的数量（包括边界等势线），l为该网格的流线长度。

由于流网法确定水土压力的方法也比较繁琐，许多学者给出了依

据流网图形的特征的简化计算法。如汤连生等认为渗流时水流给予土粒以某种拖曳力，即渗透力，渗透力为体积力，它与水力梯度i 成正比，用i来表示渗透力，渗透力的存在，使土体的有效应力有所改变，进而影响土压力，通过流网可以确定水力梯度，从而可以由新图式算得水土压力；雷国庆等指出渗透压力是有效应力，而且是竖向向下的，故在计算有效土压力时，可与土的有效重度相加，即在计算式中，用代替,得出的有效土压力即已将渗透力的作用包括在内。

2水土合算

所谓“水土合算”是指在基坑工程的土压力计算中，将水压力一起考虑在土压力中，并乘以土的侧压力系数的一种方法。从某种意义上讲，水土合算又分为广义的水土合算和狭义的水土合算两种。狭义的水土合算是指在计算土压力时，将超静孔隙水压力的影响考虑在总应力抗剪强度指标中，而将静水压力单独考虑，计算式同式(2)。广义的水土合算是指在计算土压力时，采用总应力强度指标进行计算，不再考虑水的作用，这种计算方法一般认为是一种经验算法，计算公式如下：

(2)

关于粘性土在某些条件下是否仍符合有效应力原理，一直是有争论的，结合实例分析认为在某些情况下，水土合算也许是有道理的。3强度指标的测定与选择

有效应力法是用超静孔隙水压力ū的变化来反映土体抗剪强度随

时间的变化，有效强度指标的测定通常采用直接慢剪或三轴排水试验。在基坑开挖的过程中，坑内的超孔隙水压力是不断变化的，坑底和支护结构后侧土体的值也会随之变化，在基坑工程中应当采用信息化施工法和土性参数的反分析进行支护，结构的跟踪设计是十分必要的。

总应力法则是用土体的抗剪强度指标的变化来反映土体抗剪强度随时间的变化。因此，采用总应力法计算土压力的可靠性，很大程度取决于强度指标试验方法和强度指标的正确选择。对于总应力法中指标的选择，工程界分歧很大。魏汝龙指出在总应力法中采用的两种指标应当是匹配的，采用两种指标计算所得的土压力应当是基本一致的；陈愈炯认为在工程实施的不同阶段，应采用不同的抗剪强度指标。由于基坑开挖的时间一般较短，目前主要采用不排水指标和固结不排水指标来表示。两种指标的测定方法不同，测定的土的强度指标往往相差较大，因而在实际应用中，应根据具体工程的实际应力路径采用合适的总应力指标。

土体的变形和强度仅取决于有效应力的变化，由于直剪仪得出的强度指标离散性较大，而三轴仪得出的指标相对比较稳定，对于重要工程一般采用三轴压缩仪测定抗剪强度指标。对于基坑工程而言，不能简单的采用三轴固结不排水竖向加载试验指标。基坑开挖是一个卸载的过程，卸载过程中产生负的超静孔隙水压力，而在常规加载试验中，超静孔压是正的，两个孔压的差异，必然引起强度指标的差异，但是在一般的报告中，是不提供三轴固结不排水卸载

试验指标的。采用常规三轴不排水试验指标，计算得到的主动土压力偏大，被动土压力偏小。

4 结论

1)目前计算所采用的强度指标，由于测试手段的局限性，不能真实反应原状土的受力情况，所以，改进试验仪器和测试方法应是当前的紧迫任务。

2)由于对水土作用机理的认识不足，对于水土分算、水土合算还没有具体的定论。尤其是水土合算法，在土力学中缺乏理论基础，应当进行更深入的研究。

3)水土分算法概念比较明确，但由于其中采用的指标较难获取，在实际应用中存在一定困难，同时，水土分算法的计算结果偏于安全，但是基坑工程比较复杂，应当注意其中隐藏的不安全因素。

4)考虑渗流作用的水土分算法综合了更多的影响因素，是一种较好的算法，通过算例也表明，水土分算法更合乎实际情况，应当在实践中不断的完善。