基坑中土的应力路径与强度指标以及关于水的一些问题
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q
1
引
言
C
M 剑桥模型屈服面
基坑开挖过程中，支挡结构前、后地基土的应 力路径既不同于常规挡土墙前、后填土的应力路径， 也不同于常规三轴压缩试验中试样的应力路径。这 些原状地基土存在着初始应力状态及物理状态，而 开挖的结果常常是使得某些方向的应力或者平均主 应力的减少。因此，不排水条件下产生的超静孔隙 水压力也就不同于上述情况，这对土的强度指标有 很大影响，因而，基坑工程中土的强度指标的选用 存在较为复杂的情况。 本文首先分析了墙后地基土在基坑开挖过程中 的应力路径，分析了其对固结不排水试验的强度指 标的影响；随后，分析了墙前地基土在基坑开挖过 程中的应力路径，及其对土的强度指标的影响；最 后，对饱和黏性土地基在不同工况下的强度指标的 选用进行了分析。 修改后的《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120— 201)[1]( 下文简称为规程[1]) 反映了我国十几年来工 程实践和科学研究方面的经验与成果，在理论概 念、设计方法和监测等方面均有很大的提高。但在 一些与土中水有关的设计计算方面，尚有值得进一 步讨论的地方。本文就此进行讨论，希望得到同行 们的重视与商讨。
Table 1 Change of stress state of saturated soil behind wall during excavation
应力或孔压 开挖前 u 应力状态 开挖后
试验的cu 要高。
4
wz +u satz
墙前地基土的应力路径
墙前的土体也应考虑其应力路径问题。图 4 中，
收稿日期：2012–07–24；修回日期： 2012–08–30 基金项目： 国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB732103) 作者简介：李广信(1941–)，男，1966 年毕业于清华大学水利系水工专业，现任教授，主要从事土的本构关系、土工合成材料工程、高土石坝和地基 基础工程等方面的教学与研究工作。E-mail：ligx@tsinghua.edu.cn
A p0 = 3 = K0v c o
2
不扰动原状土样取样的应力路径
在饱和的软土地基中，如果取样过程满足试样
不回弹及不扰动，试样的体积不变，即满足不排水 条件，其有效应力路径在其初始屈服面之内，没有 塑性体应变，也没有弹性回弹体应变。根据剑桥模 型，其应力路径应如图 1 中的 AD 所示。可见，由 于取样后实际的总应力为 0，试样中需保持负的超 静孔隙水压力，即 ur＜0[2]。当从点 D 出发再进行不 排水试验时，其有效应力路径为 D→A→C。在一些 规范[3]中，提出在有效自重压力下预固结的不排水 试验，其各向等压预固结的三轴不排水试验的应力 路径就是 O→D→A→C[4]。图 1 所示应力路径中， 存在如下关系： 3 ) / 3 p ( 1 2 (1)
Abstract：Foundation pit excavation is constructed in intact soil strata. So，the stress path of soil is different from that in conventional retaining wall and in conventional triaxial compression test. In foundation pit engineering，in the soil in front of and behind retaining wall，the mean principal stress p or some principal stresses decrease in excavation，generally. As a result， the negative excess hydrostatic pressure in consolidated undrained(CU) triaxial test of saturated soil will conduct，that has effects on strength parameters of soil. It is pointed out that，for the excavation in clay soil，earth pressure calculation and stability analysis using strength parameters of CU triaxial test or consolidated quick shear test are unsafe under conditions of under-consolidation soil foundation and overcharge q which is applied recently. Meanwhile， in checkings of anti-sliding stability， anti-overturning stability and global stability by Swedish circle method for gravity cement-soil wall，if the strength parameters of saturated clay soil in CU triaxial test are adopted，the gravity of soil and wall in the calculation of resistant force has to be calculated by buoyant unit. According to the discussion on Technical specification for retaining and protection of building foundation excavations(JGJ120–201×)，the action of water pressure in calculation of excavation support structure is discussed；and it is proposed that for the silt soil foundation，whether the water pressure and earth
图2 Fig.2
O
1 =v = z 3f = pa
墙后土体的应力路径
Stress path of soil behind wall
开挖使墙体前移，饱和黏土在不排水条件下， 墙后的土体中可产生负的超静孔压，这有利于基坑 的稳定。在正常固结饱和原状地基土中，基坑开挖 前土处于 K0 应力状态，即
Fig.1 图1
O ur
A
源自文库
K0
D p′
不扰动取样的应力路径
Stress path of sampling in intact soil
q [( 1 2 ) 2 ( 1 3 ) 2 ( 2 3 )2 ]1/ 2 / 2
(2)
， 3 分 式中： p 为有效平均主应力(kPa)； 1 ， 2
• 2270 •
岩石力学与工程学报
2012 年
pressure are estimated together or separately lies on the properties of the under soils. Key words：foundation pit engineering；stress path；strength indices；stability analysis；water pressure
wz satz
(K0+w)z
1 3 1 3
1 3 (1－3)
墙前被动区土体，开挖前其有效应力处于静止土压 力状态，即竖向有效应力 z = 1 z ，水平有效
=3 K 0 z 。 应力 x 随着基坑的开挖， z 逐渐减
摘要：基坑开挖是在原状土层中进行的，其地基土的应力路径既不同于常规挡土墙中土的应力路径，也不同于室 内常规三轴压缩试验中试样的应力路径。基坑工程中，支挡结构物前、后土体的平均主应力或者某些方向的主应 力常常是减少的，对于饱和黏性土的固结不排水三轴试验，可能产生负的超静孔隙水压力，从而会影响土的抗剪 强度指标。本文指出，对于黏性土中的基坑，在近期施加的墙后地面超载 q，以及欠固结土地基的情况下，使用 固结不排水(或固结快剪)强度指标计算土压力与进行稳定分析是偏于不安全的；同时指出，重力式水泥土墙的抗 滑移和抗倾覆稳定验算，以及用瑞典圆弧法进行整体稳定验算时，对于饱和黏性土，如使用固结不排水强度指标， 其抗力部分中的自重应按浮重度计算。结合对《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—201)报批稿进行的一些 讨论，分析在基坑支挡结构计算中水压力的作用，提出地基土为粉土时，水土压力分算还是合算取决于其下 土层的性质。 关键词：基坑工程；应力路径；强度指标；稳定分析；水压力 中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)11–2269–07
第 31 卷
第 11 期
2012 年 11 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 No.11 Nov.，2012
基坑中土的应力路径与强度指标以及 关于水的一些问题
李广信
(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)
别为大、中、小有效主应力(kPa)；q 为广义剪应力 (kPa)； 1 ， 2 ， 3 分别为分别为大、中、小总主 应力(kPa)。
3
墙后地基土的应力路径
开挖前，土体水平位移都为 0，墙后土体的水
平应力 h0 与竖直应力v 的关系为 h0 K 0 v ，这 时，v 和 h0 分别为最大及最小主应力(1，3)，K 0 为土的静止土压力系数。当土体发生水平向伸长的 位移时，最小主应力3 逐渐减小，当它减小到使土 体达到极限状态时，亦即莫尔圆与土的强度包线相 切时，3 成为3f，也就是朗肯主动土压力强度 pa， 其应力路径如图 2 中的 OA。
第 31 卷
第 11 期
李广信：基坑中土的应力路径与强度指标以及关于水的一些问题
• 2271 •
K 0 1 3
(3)
当开挖基坑时，墙向前移动，土内产生超静孔 隙水压力u，如果墙后土体达到主动应力状态，则
K a ( z u ) 3
(4)
式中： K a 为朗肯主动土压力系数， 为土的浮重 度(kN/m3)， z 为自地面起算的深度(m)。 在墙前移过程中，墙后土体的应力状态发生了 变化，其变化值见表 1。
STRESS PATH AND STRENGTH PARAMETERS OF SOIL IN FOUNDATION PITS AND SOME PROBLEMS ABOUT WATER
LI Guangxin
(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
表1 饱和土开挖前、后墙后土体的应力状态
50 kPa －3.2 kPa 16.1 kPa 62.9 kPa (d) 总压力 (a) 静水压力 (b) 超静孔压 (c) 主动土压力
图3 Fig.3
墙后的水、土压力
Earth and water pressures in soil behind wall
(Ka +w)z +(1－ Ka) u
z
K0z 0
z－u
Ka(z－u)
少，而水平向土压力增加，并向被动土压力转化，
= z ， 最后达到被动极限平衡应力状态 z = 3
1 K p z +2c K p 。其中，z为从坑底计算的 x
1
引
言
C
M 剑桥模型屈服面
基坑开挖过程中，支挡结构前、后地基土的应 力路径既不同于常规挡土墙前、后填土的应力路径， 也不同于常规三轴压缩试验中试样的应力路径。这 些原状地基土存在着初始应力状态及物理状态，而 开挖的结果常常是使得某些方向的应力或者平均主 应力的减少。因此，不排水条件下产生的超静孔隙 水压力也就不同于上述情况，这对土的强度指标有 很大影响，因而，基坑工程中土的强度指标的选用 存在较为复杂的情况。 本文首先分析了墙后地基土在基坑开挖过程中 的应力路径，分析了其对固结不排水试验的强度指 标的影响；随后，分析了墙前地基土在基坑开挖过 程中的应力路径，及其对土的强度指标的影响；最 后，对饱和黏性土地基在不同工况下的强度指标的 选用进行了分析。 修改后的《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120— 201)[1]( 下文简称为规程[1]) 反映了我国十几年来工 程实践和科学研究方面的经验与成果，在理论概 念、设计方法和监测等方面均有很大的提高。但在 一些与土中水有关的设计计算方面，尚有值得进一 步讨论的地方。本文就此进行讨论，希望得到同行 们的重视与商讨。
Table 1 Change of stress state of saturated soil behind wall during excavation
应力或孔压 开挖前 u 应力状态 开挖后
试验的cu 要高。
4
wz +u satz
墙前地基土的应力路径
墙前的土体也应考虑其应力路径问题。图 4 中，
收稿日期：2012–07–24；修回日期： 2012–08–30 基金项目： 国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB732103) 作者简介：李广信(1941–)，男，1966 年毕业于清华大学水利系水工专业，现任教授，主要从事土的本构关系、土工合成材料工程、高土石坝和地基 基础工程等方面的教学与研究工作。E-mail：ligx@tsinghua.edu.cn
A p0 = 3 = K0v c o
2
不扰动原状土样取样的应力路径
在饱和的软土地基中，如果取样过程满足试样
不回弹及不扰动，试样的体积不变，即满足不排水 条件，其有效应力路径在其初始屈服面之内，没有 塑性体应变，也没有弹性回弹体应变。根据剑桥模 型，其应力路径应如图 1 中的 AD 所示。可见，由 于取样后实际的总应力为 0，试样中需保持负的超 静孔隙水压力，即 ur＜0[2]。当从点 D 出发再进行不 排水试验时，其有效应力路径为 D→A→C。在一些 规范[3]中，提出在有效自重压力下预固结的不排水 试验，其各向等压预固结的三轴不排水试验的应力 路径就是 O→D→A→C[4]。图 1 所示应力路径中， 存在如下关系： 3 ) / 3 p ( 1 2 (1)
Abstract：Foundation pit excavation is constructed in intact soil strata. So，the stress path of soil is different from that in conventional retaining wall and in conventional triaxial compression test. In foundation pit engineering，in the soil in front of and behind retaining wall，the mean principal stress p or some principal stresses decrease in excavation，generally. As a result， the negative excess hydrostatic pressure in consolidated undrained(CU) triaxial test of saturated soil will conduct，that has effects on strength parameters of soil. It is pointed out that，for the excavation in clay soil，earth pressure calculation and stability analysis using strength parameters of CU triaxial test or consolidated quick shear test are unsafe under conditions of under-consolidation soil foundation and overcharge q which is applied recently. Meanwhile， in checkings of anti-sliding stability， anti-overturning stability and global stability by Swedish circle method for gravity cement-soil wall，if the strength parameters of saturated clay soil in CU triaxial test are adopted，the gravity of soil and wall in the calculation of resistant force has to be calculated by buoyant unit. According to the discussion on Technical specification for retaining and protection of building foundation excavations(JGJ120–201×)，the action of water pressure in calculation of excavation support structure is discussed；and it is proposed that for the silt soil foundation，whether the water pressure and earth
图2 Fig.2
O
1 =v = z 3f = pa
墙后土体的应力路径
Stress path of soil behind wall
开挖使墙体前移，饱和黏土在不排水条件下， 墙后的土体中可产生负的超静孔压，这有利于基坑 的稳定。在正常固结饱和原状地基土中，基坑开挖 前土处于 K0 应力状态，即
Fig.1 图1
O ur
A
源自文库
K0
D p′
不扰动取样的应力路径
Stress path of sampling in intact soil
q [( 1 2 ) 2 ( 1 3 ) 2 ( 2 3 )2 ]1/ 2 / 2
(2)
， 3 分 式中： p 为有效平均主应力(kPa)； 1 ， 2
• 2270 •
岩石力学与工程学报
2012 年
pressure are estimated together or separately lies on the properties of the under soils. Key words：foundation pit engineering；stress path；strength indices；stability analysis；water pressure
wz satz
(K0+w)z
1 3 1 3
1 3 (1－3)
墙前被动区土体，开挖前其有效应力处于静止土压 力状态，即竖向有效应力 z = 1 z ，水平有效
=3 K 0 z 。 应力 x 随着基坑的开挖， z 逐渐减
摘要：基坑开挖是在原状土层中进行的，其地基土的应力路径既不同于常规挡土墙中土的应力路径，也不同于室 内常规三轴压缩试验中试样的应力路径。基坑工程中，支挡结构物前、后土体的平均主应力或者某些方向的主应 力常常是减少的，对于饱和黏性土的固结不排水三轴试验，可能产生负的超静孔隙水压力，从而会影响土的抗剪 强度指标。本文指出，对于黏性土中的基坑，在近期施加的墙后地面超载 q，以及欠固结土地基的情况下，使用 固结不排水(或固结快剪)强度指标计算土压力与进行稳定分析是偏于不安全的；同时指出，重力式水泥土墙的抗 滑移和抗倾覆稳定验算，以及用瑞典圆弧法进行整体稳定验算时，对于饱和黏性土，如使用固结不排水强度指标， 其抗力部分中的自重应按浮重度计算。结合对《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—201)报批稿进行的一些 讨论，分析在基坑支挡结构计算中水压力的作用，提出地基土为粉土时，水土压力分算还是合算取决于其下 土层的性质。 关键词：基坑工程；应力路径；强度指标；稳定分析；水压力 中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)11–2269–07
第 31 卷
第 11 期
2012 年 11 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.31 No.11 Nov.，2012
基坑中土的应力路径与强度指标以及 关于水的一些问题
李广信
(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)
别为大、中、小有效主应力(kPa)；q 为广义剪应力 (kPa)； 1 ， 2 ， 3 分别为分别为大、中、小总主 应力(kPa)。
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墙后地基土的应力路径
开挖前，土体水平位移都为 0，墙后土体的水
平应力 h0 与竖直应力v 的关系为 h0 K 0 v ，这 时，v 和 h0 分别为最大及最小主应力(1，3)，K 0 为土的静止土压力系数。当土体发生水平向伸长的 位移时，最小主应力3 逐渐减小，当它减小到使土 体达到极限状态时，亦即莫尔圆与土的强度包线相 切时，3 成为3f，也就是朗肯主动土压力强度 pa， 其应力路径如图 2 中的 OA。
第 31 卷
第 11 期
李广信：基坑中土的应力路径与强度指标以及关于水的一些问题
• 2271 •
K 0 1 3
(3)
当开挖基坑时，墙向前移动，土内产生超静孔 隙水压力u，如果墙后土体达到主动应力状态，则
K a ( z u ) 3
(4)
式中： K a 为朗肯主动土压力系数， 为土的浮重 度(kN/m3)， z 为自地面起算的深度(m)。 在墙前移过程中，墙后土体的应力状态发生了 变化，其变化值见表 1。
STRESS PATH AND STRENGTH PARAMETERS OF SOIL IN FOUNDATION PITS AND SOME PROBLEMS ABOUT WATER
LI Guangxin
(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
表1 饱和土开挖前、后墙后土体的应力状态
50 kPa －3.2 kPa 16.1 kPa 62.9 kPa (d) 总压力 (a) 静水压力 (b) 超静孔压 (c) 主动土压力
图3 Fig.3
墙后的水、土压力
Earth and water pressures in soil behind wall
(Ka +w)z +(1－ Ka) u
z
K0z 0
z－u
Ka(z－u)
少，而水平向土压力增加，并向被动土压力转化，
= z ， 最后达到被动极限平衡应力状态 z = 3
1 K p z +2c K p 。其中，z为从坑底计算的 x