水土壓力研究與應(yīng)用實例

詹俊華

（鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州 450052）

水土壓力研究與應(yīng)用實例

詹俊華

（鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州 450052）

介紹了水土分算、水土合算的概念和作用機(jī)理，并結(jié)合實際工程，對水土壓力計算方法提出自己的一些觀點，有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

地下工程；土壓力；水壓力；水土分算；水土合算

0　引　言

無論是大規(guī)模建筑基坑，還是城市地下鐵道、隧道工程和地下車庫等地下工程的設(shè)計，都離不開水土壓力的分析和計算。底層水土壓力往往是地下工程設(shè)計計算中的控制因素，只有水土壓力取值合理，才能確定適宜的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，參數(shù)以及其它相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。由此可見在土工分析中，水土壓力的分析計算是一項十分重要的工作。而水土壓力計算問題長期困擾工程界，曾經(jīng)引起很大爭論[1,3]。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為在砂性土?xí)r采用水土分算，在黏性土?xí)r采用水土合算，但水土合算相當(dāng)于對水壓力進(jìn)行了折減，不符合有效應(yīng)力原理，但由于涉及到土力學(xué)的基本理論，目前還沒有形成定論[4]。且大多數(shù)土層既不屬于砂性土也不屬于黏性土，介于砂性土和黏性土之間，采用土分算還是合算給工程技術(shù)人員造成困惑。本文結(jié)合工程實例，從水土分算、水土合算概念及作用機(jī)理出發(fā)，對作用在地下結(jié)構(gòu)物上的水土壓力計算提出自己的一些看法。

1　土壓力

土壓力即擋土結(jié)構(gòu)物后因填土自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側(cè)向壓力。土壓力隨擋土結(jié)構(gòu)可能位移的方向分為主動土壓力，被動土壓力和靜止土壓力。

當(dāng)擋土墻向離開土體方向偏移至土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，作用在墻上的土壓力稱為主動土壓力，用Ea表示。當(dāng)擋土墻向土體方向偏移至土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力，用Ep表示。

當(dāng)擋土墻靜止不動，土體處于彈性平衡狀態(tài)時，土體對墻的壓力稱為靜止土壓力，用E0表示。

2　水土分算

水土分算原則，根據(jù)有效應(yīng)力原理，土骨架壓力和水壓力分別考慮，即分別計算土壓力和水壓力，兩者之和即為總的側(cè)壓力。這一原則認(rèn)為土體顆粒是分散的，土體孔隙中存在自由的重力水，水壓力計取的是全部的靜水壓力，水壓力是等向壓力，土壓力采用浮重度計算。

2.1土壓力計算

根據(jù)有效應(yīng)力原理，土層深度為H出的任一點的豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力分別為：

式中：K為水平土壓力系數(shù)；γ為土的重度，地下水位以上取自然重度，地下水位以下取有效重度。

引入主動土壓力系數(shù)Ka、被動土壓力系數(shù)Kp和靜止土壓力系數(shù)K0。

在朗金土壓力狀態(tài)下，主動土壓力、被動土壓力和靜止土壓力分別為：

重度γ、內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c均為土的物理性參數(shù)，在各土層中是不同的，計算式可根據(jù)工程場地地勘資料選取使用。

2.2水壓力計算

因水壓力是等向壓力，地下水位穩(wěn)定的地下結(jié)構(gòu)物的側(cè)向水壓力可按靜水壓力確定，水壓力強(qiáng)度根據(jù)帕斯卡定理計算：

式中：Pw為側(cè)墻靜水壓力強(qiáng)度值；Hw為水頭剛度，即地下水位到計算點的垂直距離；γw為地下水的重度。

2.3水土分算的使用條件

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。從水土分算原則可以看出，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，這些土無黏聚性或弱黏聚性，地下水在土顆粒間容易流動，重力水對土顆粒中產(chǎn)生孔隙水壓力達(dá)到靜水壓力。

對于砂土、粉性土等滲透性較好的土層，應(yīng)該采用水土分算的原則來確定支護(hù)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以下的土的重度應(yīng)采用浮重度，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)宜取有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

3　水土合算

3.1水土合算原理

水土合算的原則是，認(rèn)為土孔隙中不存在自由重力水，而存在結(jié)合水，它不傳遞靜水壓力，以土粒與孔隙水共同組成的土體作為對象，直接用土的飽和重度計算側(cè)壓力。

地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應(yīng)力原理分析時，水壓力與土壓力應(yīng)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，特別是對黏性土，水壓力不等于靜水壓力，水壓力取值的難度大，土壓力計算還應(yīng)采用有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在實際工程中往往難以解決。

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黏土、粉質(zhì)黏土和粉土。黏性土中的水壓力往往達(dá)不到靜水壓力值，可認(rèn)為土孔隙中的水主要是結(jié)合水，不是自由的重力水，因此它不易自由流動而不單獨考慮靜水壓力。因為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(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算側(cè)壓力。

按朗金土壓力理論水土合算公式如下：

式中：γsat為土的飽和重度；c，φ分別為土的黏聚力和內(nèi)摩察角，采用土的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

3.2水土合算的適用條件

從水土合算的原理可以看出，所謂水土合算其實質(zhì)就是不考慮水壓力的作用，認(rèn)為土孔隙中的水都是結(jié)合水，不能自由流動因此形不成水壓力。水土合算法理論上講僅適用于滲透系數(shù)為零的不透水層。

文獻(xiàn)[2]規(guī)定，黏性土宜采用水土合算。然而，黏性土并不是完全理想的不透水層，因此在黏性土層尤其是粉土中，采用水土合算方法只是一種近似方法。這種方法亦存在一些問題，可能低估了水壓力的作用。

4　應(yīng)用實例

以鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實驗區(qū)濱河西路快速化工程（以下簡稱濱河西路工程）地下隧道引坡段U槽計算為例。

濱河西路工程南起四港聯(lián)動大道，北至林灣北路，全長約26 km，全線共有12處下穿隧道，因地下水位較高，隧道引坡段均采用U槽結(jié)構(gòu)，并根據(jù)抗浮需要設(shè)置抗拔樁。工程場地土層為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂層，水位埋深約在地面以下2 m。U槽豎直墻高10 m，豎直墻厚1.0 m，底板厚1.2 m。γsat= 20 kN/m3，c=0，φ=30°，基床系數(shù)m=25 000 kN/m2。

粉質(zhì)黏土介于砂性土和黏性土之間，采用水土分算還是水土合算，存在爭議，為探討水土分算、合算以及采用主動土壓力加載、靜止土壓力加載對U槽受力的影響，利用有限元計算軟件MIDAS程序分析計算，以下四種加載方式下U槽結(jié)構(gòu)的受力。

A：主動土壓力，水土分算法；

B：主動土壓力，水土合算法；

C：靜止土壓力，水土分算法；

D：靜止土壓力，水土和算法。

以上四種加載方式下最大彎矩和最大剪力均出現(xiàn)在側(cè)墻與底板交界處，最大位移出現(xiàn)側(cè)墻頂端。表1為四種加載方式下U槽最大內(nèi)力和最大位移。

5　結(jié)　論

（1）基坑支護(hù)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(chǔ)的計算方法，根據(jù)不同的土性和施工條件，分為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，對基坑擋土結(jié)構(gòu)工程造價影響很大，故需要非常慎重的舍取，要根據(jù)具體情況合理選擇。

（2）采用靜止土壓力還是主動土壓力對U槽計算結(jié)果也有影響。從土體三種平衡狀態(tài)出發(fā)，U槽側(cè)墻變形為彈性變形，不同于擋墻的剛體位移，在結(jié)構(gòu)彈性變形階段，土體尚未達(dá)到離開墻體的極限平衡狀態(tài)，建議U槽計算采用靜止土壓力加載。

（3）水土合算不符合有效應(yīng)力原理，認(rèn)為土中不存在自由重力水，忽略孔隙水壓力，水、土壓力一同考慮，僅適用于純黏土的情況，對于大多數(shù)土層介于砂土和黏土之間，對水壓力考慮不足，計算結(jié)果偏小。建議僅在黏性土條件下臨時基坑支護(hù)工程中采用。對于砂性土或粉質(zhì)黏土條件下的永久性結(jié)構(gòu)均應(yīng)采用水土分算。

[1]李廣信.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的分算與合算[J].巖土工程學(xué)報,2000(3):348-352.

[2]JGJ 120-2012,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]王洪新.水土壓力分算與合算的統(tǒng)一算法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011(5):1057-1064.

[4]魏汝龍.總應(yīng)力法計算土壓力的幾個問題 [J].巖土工程學(xué)報, 1995(6):120-125.

TU432

B

1009-7716（2016）04-0173-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.053

2015-12-29

詹俊華（1981-)，男，河南鄭州人，工程師，從事橋隧設(shè)計工作。