水土分算及水土合算理論研究

王程

摘 要：通過對水土分算及水土合算理論的研究，來解決基坑支護時圍護結(jié)構(gòu)上水平荷載計算方法的選擇問題。

關鍵詞：水土分算；水土合算

一、水土分算及水土合算方法概述

在一般地基基礎工程計算中，建筑物的自重以及作用于建筑物上的各種荷載通過基礎傳給地基。無論是建筑物的自重或是其他豎向活荷載都具有由其自重導出的特點，荷載大小明確，計算與實測結(jié)果基本接近。而支護結(jié)構(gòu)所受的荷載主要是地層中水土的水平壓力，水平壓力是由定值的豎向水土壓力按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為水平壓力作用于支護結(jié)構(gòu)上。支護結(jié)構(gòu)荷載與上部結(jié)構(gòu)荷載的根本區(qū)別在于它不是僅與土的重量有關，還與土的強度、變形特性和滲透性有關，具有很大的不確定性。由于作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載主要是水平荷載，而這種水平荷載具有間接得出的特點，因此，由水土豎向壓力轉(zhuǎn)化為水平壓力的計算方法選取的是否合理直接影響到水平荷載的確定，水平荷載的準確度又直接影響到支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的計算結(jié)果。

所謂水土分算，簡單講就是分別計算水、土的水平壓力，以兩者之和為總側(cè)壓力。計算土壓力時用土的浮重度，計算水壓力時按全水頭的水壓力考慮。這一方法適用于土空隙中存在自由水的情況或土的滲透性較好的情況，

所謂水土合算，就是不考慮水壓力的作用，認為土空隙中的水都是結(jié)合水，沒有自由水，因此不形成水壓力。土顆粒與其空隙中的結(jié)合水是一個整體，直接用土的飽和重度計算土體的側(cè)壓力即可。這一方法在理論上講僅適用于滲透系數(shù)為零的不透水層。

二、水土分算和水土合算方法的原理研究

基坑支護工程的土壓力、水壓力計算，常采用以朗肯土壓力理論為基礎的計算方法，根據(jù)不同的土性和施工條件，采用水土合算和水土分算兩種方法。由于水土分算和水土合算的計算結(jié)果相差較大，對基坑圍護結(jié)構(gòu)工程造價影響很大，故需要非常慎重的舍取，并根據(jù)現(xiàn)場情況合理選擇。

地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應力原理分析時，水壓力與土壓力應分開計算。水土分算方法概念比較明確。但是在實際使用中有時還存在一些困難，特別是對粘性土，水壓力取值的難度大，土壓力計算還應采用有效應力抗剪強度指標，在實際工程中往往難以解決。因此，在很多情況下粘性土往往采用總應力法計算土壓力，即將水壓力和土壓力混合計算，也有了一定的工程實踐經(jīng)驗。然而，這種方法亦存在一些問題，可能低估了水壓力的作用。

（一）水土分算

水土分算是分別計算土壓力和水壓力，以兩者之和為總的側(cè)壓力。水土分算適用于土孔隙中存在自由的重力水的情況或土的滲透性較好的情況，一般適用于碎石土和砂土。應該采用水土分算的原則來確定支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力。側(cè)向土壓力通常可按朗肯主動壓力和被動壓力公式計算。地下水無滲流時，作用于擋土結(jié)構(gòu)上的水壓力按靜水壓力三角形分布計算。地下水有穩(wěn)定滲流時，作用于擋土結(jié)構(gòu)上的水壓力可通過滲流分析計算各點的水壓力，或近似地按靜水壓力計算，水位以下的土的重度應采用浮重度，土的抗剪強度指標宜取有效抗剪強度指標。

（二）水土合算

水土合算是將土和土孔隙中的水看做同一分析對象，適用于不透水和弱透水的粘土、粉質(zhì)粘土和粉土。通過現(xiàn)場測試資料的分析，粘性土中實測的水壓力往往達不到靜水壓力值，可認為土孔隙中的水主要是結(jié)合水，所以它不易自由流動而不單獨考慮靜水壓力。因此將土粒與孔隙水看作一個整體，直接用土的飽和重度和總應力抗剪強度指標計算側(cè)壓力。然而，粘性土并不是完全理想的不透水層，故采用水土合算方法只是一種近似方法。這種方法可能低估了水壓力的作用。所以水土合算法仍然是巖土工程界的一個爭論問題。

三、水土分算和水土合算的適用條件[1]

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）第3.1.14條中的規(guī)定，對地下水位以下的粘性土、粘質(zhì)粉土、可采用土壓力、水壓力合算方法，土壓力計算、土的滑動穩(wěn)定性驗算可采用總應力法；對地下水位以下的砂質(zhì)粉土、砂土和碎石土，應采用土壓力、水壓力分算方法，土壓力計算、土的滑動穩(wěn)定性驗算應采用有效應力法；土壓力、水壓力采用分算方法時，水壓力可按靜水壓力計算；當?shù)叵滤疂B流時，宜按滲流理論計算水壓力和土的豎向有效應力；當存在多個含水層時，應分別計算各含水層的水壓力。

但在實際工程中，如碎石土及砂土，土體中的水壓力與其空隙中的自由水及其滲透性是密切相關的，而碎石土及砂土的滲透性相差非常大，都統(tǒng)一按全水頭的水壓力考慮，按水土分算計算，對于大多數(shù)土層來說，結(jié)果都偏大。

而對于水土合算，顯然這一方法在理論上講僅適用于滲透系數(shù)為零的不透水層。然而，完全不透水的土層是不存在的，所以水土合算也存在一定的局限性。

四、結(jié)語

根據(jù)以上論述可以看出，土體中水平荷載的計算不但跟土的重量有關，還與土的強度、變形性、抗?jié)B性等有關，由于地基土的組成通常比較復雜，所以水平荷載的計算也相應存在很大的不確定性。而基坑支護工程對于整個工程來說往往又比較重要，涉及到整個工程的安全性，故筆者認為，本著安全可靠的原則，對于水土分算和水土合算的選擇可以參照以下方法：

（一）滲透性好的土一般采用水土分算，如碎石、砂土等。

（二）粘性土若按照水土分算，總的水土壓力可能偏大，故有實際工程經(jīng)驗時可采用水土合算。

（三）粉土等介于二者之間的土，若當?shù)責o實際經(jīng)驗，建議按水土分算為宜。

參考文獻：

[1]《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）.