地下水滲流對(duì)基坑側(cè)壓力的影響

高紅梅, 杜文學(xué)

(黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

地下水滲流對(duì)基坑側(cè)壓力的影響

高紅梅, 杜文學(xué)

(黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為研究地下水滲流對(duì)基坑側(cè)壓力的影響,針對(duì)經(jīng)典算法結(jié)果偏差較大的現(xiàn)象,從理論上分析了地下水滲流對(duì)基坑主動(dòng)區(qū)側(cè)壓力和被動(dòng)區(qū)側(cè)壓力的影響機(jī)理,考慮了地下水的滲流作用,采用有效應(yīng)力原理,提出了計(jì)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力的新方法。實(shí)例分析結(jié)果表明,新方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相符,更能反應(yīng)工程實(shí)際情況。

地下水滲流;基坑;側(cè)壓力

Abstract:This paper describes a study on the influence of groundwater seepage on the lateral pressure during the foundation excavation.The study designed to eliminate defects of conventional analysis method,features a theoretical analysis of the influence mechani sm of groundwater seepage on the lateral pressure both at active and passive area of foundation pit and proposes a new analysismethod considering effect of groundwater seepage,based on the effective stress law.The analysis reveals that the new method,capable of the results consistentwith the measured ones,promises to analyze the lateral pressure of foundation pit.

Key words:groundwater seepage;foundation excavation;lateral pressure

0 引 言

近年來,隨著城市發(fā)展速度的加快,高層建筑的不斷增加以及城市地鐵建設(shè)的發(fā)展,深基坑工程越來越多。由于受到周邊環(huán)境的影響和限制,基坑往往不能進(jìn)行放坡開挖。所以,在基坑中只能采用支護(hù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)擋土和止水的目的[1-2]。支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力計(jì)算,直接關(guān)系到基坑設(shè)計(jì)的穩(wěn)定。目前,基坑水土壓力計(jì)算存在的主要問題是,按經(jīng)典土壓力理論計(jì)算所得的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力值和實(shí)測(cè)值相差很大[3-5],導(dǎo)致基坑事故頻繁發(fā)生。因此,支護(hù)結(jié)構(gòu)水土壓力計(jì)算得到越來越多學(xué)者們的重視。

有些基坑工程,常在地下水位以下含水層中進(jìn)行施工,在開挖基坑過程中,地下水將在坑內(nèi)外水頭差的作用下發(fā)生地下水滲流,尤其在軟土地區(qū)開挖基坑時(shí)滲流更容易出現(xiàn)。開挖卸載將在坑底和周圍土體中產(chǎn)生負(fù)的超靜孔壓,這更加劇了坑內(nèi)外地下水滲流的復(fù)雜性。根據(jù)大量基坑失穩(wěn)和變形破壞的實(shí)例分析,地下水引發(fā)的工程事故約占 30%,這表明,研究原狀土開挖過程中的土與結(jié)構(gòu)的共同作用、水土相互作用的機(jī)理以及地下水滲流對(duì)基坑側(cè)壓力計(jì)算方法的影響都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 經(jīng)典水土壓力的計(jì)算方法

在基坑工程設(shè)計(jì)中,作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的經(jīng)典水土壓力計(jì)算見圖 1。

圖 1 經(jīng)典水土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 Analysis diagram of typical water and soil pressure

工程上對(duì)于黏性土,規(guī)范上的水平荷載計(jì)算公式是采用“水土合算”的方法,即主動(dòng)區(qū):

對(duì)于砂土及碎石土采用的是“水土分算”的方法,即主動(dòng)區(qū):

其中,σa表示作用在擋土墻上的主動(dòng)土應(yīng)力;σp表示作用在擋土墻上的被動(dòng)土應(yīng)力;γ′、γsat、γw分別為土的有效重度、飽和重度和水的重度,γ′=γsat-γw;Ka、Kp分別為主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力系數(shù),Ka=tan2(45°-φ/2),Kp=tan2(45°+φ/2);c、φ分別為土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

上述兩種方法一般都不考慮地下水滲流發(fā)生與否。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的計(jì)算圖式亦不符合實(shí)際情況,根據(jù)經(jīng)典的水土壓力計(jì)算方法所得的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值相差很大,使該計(jì)算方法不再適用。

2 地下水滲流對(duì)基坑側(cè)壓力的影響

地下水滲流時(shí),主動(dòng)區(qū)水流對(duì)土粒給以某種拖曳形成滲透力,同時(shí)土粒對(duì)水流又有反作用力,消耗了地下水的能量,滲徑沿程水頭將有所損失。而被動(dòng)區(qū)則正好相反,地下水能力會(huì)增加,水頭會(huì)升高。

圖 1為支護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑剖面,均勻地基地下水位在地面及坑底結(jié)構(gòu)兩側(cè)水頭差為 H1,最短滲徑為H1+2H2,平均水力梯度 i=H1/γw(H1+2H2)。hws表示主動(dòng)區(qū)水頭損失,hws=zi,主動(dòng)區(qū)水壓力 pwa和被動(dòng)區(qū)水壓力 pwp分別為:

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理,基坑主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)的土顆粒有效應(yīng)力σ′a、σ′p分別為:

根據(jù)朗肯土壓力理論,作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力 pea、pep分別是:

作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)側(cè)壓力和被動(dòng)側(cè)壓力為pa、pp:

式 (1)、(2)即為考慮地下水滲流情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)的側(cè)壓力計(jì)算公式。

同時(shí),根據(jù)地下水滲流基本方程和地下水滲流連續(xù)性方程,可得

其中,v1、v2分別表示主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)滲流速度;k1、k2分別表示主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)土體滲透系數(shù)。

3 實(shí)例分析

武漢市沙湖一高層住宅樓,開挖深度為 8 m,圍護(hù)樁長(zhǎng)為 16 m,基坑開挖完成后坑內(nèi)外地下水位面分別在坑底開挖面處和坑外地表處保持不變,基坑開挖剖面見圖 2,土層由上而下分布的各層土體及參數(shù)見表 1。

圖 2 基坑開挖剖面Fig.2 Excavation section of foundation pit

表 1 基坑土層分布情況Table 1 Soil layer distribution of foundation pit

采用文中的計(jì)算方法所得的水壓力、土壓力和水土壓力與經(jīng)典計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果相比較的情況見圖 3及表 2。從圖 3a中可以看出,在 AB段土體沒有地下水滲流影響時(shí),用經(jīng)典計(jì)算方法計(jì)算的側(cè)壓力和文中計(jì)算方法計(jì)算的水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力相同,均為零;但是基坑中有滲流存在時(shí),用經(jīng)典解法得到的水壓力在主動(dòng)區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文中計(jì)算結(jié)果,最大偏差達(dá) 30.4 kPa,最大偏差率 27.8%。這是因?yàn)橹鲃?dòng)區(qū)滲流力作用在土體骨架上,拖拽土體,對(duì)土體形成滲透力,導(dǎo)致水頭損失。經(jīng)典計(jì)算方法沒有考慮水頭損失造成的水壓力的減小,只是簡(jiǎn)單的計(jì)算靜水壓力,認(rèn)為其直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。而在被動(dòng)側(cè)土體中滲流方向向上,水壓力增大,因此,在被動(dòng)區(qū)文中計(jì)算的水側(cè)壓力大于經(jīng)典的計(jì)算結(jié)果。從圖 3a中還可以看出,BC段土體主動(dòng)側(cè)土層滲透系數(shù)大,水頭損失相對(duì)較小,CD段土體滲透系數(shù)小,而水頭損失相對(duì)較大。同時(shí),經(jīng)典水壓力計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)底端兩側(cè)水壓力不相等的矛盾,文中計(jì)算主動(dòng)區(qū)水壓力在 D點(diǎn)和被動(dòng)區(qū)水壓力 D1相等,新的計(jì)算公式從理論角度解決了這種矛盾。

從圖 3b中可以看出,在 AB段土體沒有地下水滲流影響時(shí),用經(jīng)典計(jì)算方法計(jì)算的側(cè)壓力和文中計(jì)算方法計(jì)算的水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力相同;經(jīng)典解法得到的主動(dòng)區(qū)土壓力小于文中的結(jié)果,最大偏差為 17.48 kPa,最大偏差率 30.0%,這主要是因?yàn)闈B透水頭損失,水壓力變小,有效應(yīng)力變大,使主動(dòng)區(qū)土壓力變大;經(jīng)典解法得到的被動(dòng)區(qū)土壓力大于文中的結(jié)果,最大偏差為 87.36 kPa,最大偏差率為44%,被動(dòng)側(cè)土體地下水滲流方向向上,水壓力增大,有效應(yīng)力減小,從而被動(dòng)區(qū)土壓力減小。

圖 3 基坑各種壓力分布比較Fig.3 Comparasion of pressure distribution of foundation pit

表 2 基坑側(cè)壓力情況Table 2 Lateral pressure distribution of foundation pit

從圖 3c和表 2可見,經(jīng)典方法計(jì)算的水土壓力和文中新方法計(jì)算得到的結(jié)果有明顯的不同。主動(dòng)側(cè)的壓力值在經(jīng)典計(jì)算方法中計(jì)算結(jié)果明顯偏大,按此值設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu),不經(jīng)濟(jì);而按文中新方法計(jì)算的結(jié)果比較適中,按此值設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu),要比傳統(tǒng)方法更安全、更經(jīng)濟(jì)。然而被動(dòng)區(qū)側(cè)壓力在考慮滲流計(jì)算后顯著減小了,抗力大大小于荷載,且被動(dòng)側(cè)很容易發(fā)生流土破壞,這對(duì)基坑穩(wěn)定非常不利,須考慮采用排水等方法降低地下水水位。通過實(shí)際基坑工程發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)者經(jīng)常采取經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法,認(rèn)為取主動(dòng)區(qū)側(cè)壓力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)偏于安全,而存在地下水滲流時(shí)卻經(jīng)常出現(xiàn)基坑事故。究其原因,主要是忽略了被動(dòng)區(qū)抗側(cè)壓力減小對(duì)基坑的不利影響。綜上,文中的計(jì)算結(jié)果清楚地展現(xiàn)了實(shí)測(cè)的水土壓力值與考慮水土共同作用下新方法的計(jì)算結(jié)果很相近,證明了它的正確性。

4 結(jié) 論

(1)新的計(jì)算方法考慮了地下水的滲流作用,采用有效應(yīng)力原理,概念清晰地推導(dǎo)了支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力計(jì)算式,解決了經(jīng)典水壓力計(jì)算圖式會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)底端兩側(cè)水壓力不相等的矛盾。

(2)文中提出的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的計(jì)算方法,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)壓力值相近,能很好的滿足工程實(shí)際情況。

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(編輯 徐 巖)

Influence of groundwater seepage on lateralpressure in foundation excavation

GAO Hongm ei, DU W enxue
(College of Civil Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TU432

A

1671-0118(2011)01-0053-04

2010-12-20

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11533062)

高紅梅 (1978-),女,山西省呂梁人,講師,碩士,研究方向:流固耦合及環(huán)境滲流,E-mail:hm07816@163.com。