建筑基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力計(jì)算原則

杜云晶，王榮菊 ，朱文喜

（1.山東聊城市佳匯施工圖審查有限公司，山東 聊城252000；2.山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 聊城252000）

1 基坑側(cè)壁土壓力研究現(xiàn)狀

1.1 經(jīng)典土壓力理論的局限性

庫侖土壓力和朗肯土壓力在計(jì)算基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力時(shí)均需進(jìn)行基本假定。以朗肯土壓力理論為例，其假定墻背光滑，然而實(shí)際墻背與土體間必然會(huì)產(chǎn)生摩擦力作用；類似地，庫侖土壓力理論假定墻體的位移模式為平移模式，但實(shí)際工程中墻體可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，庫倫土壓力和朗肯土壓力理論均是在二維平面內(nèi)進(jìn)行研究，然而基坑結(jié)構(gòu)往往具有明顯的三維效應(yīng)。此外，庫侖和朗肯土壓力均是基于回填重塑土形成的重力式擋土墻為研究對(duì)象，然而實(shí)際基坑施工往往是在原狀土中成樁擴(kuò)孔而成，同時(shí)，當(dāng)前所研究土樣的加載形式均是以豎向大主應(yīng)力增加的形式進(jìn)行考慮，然而基坑開挖引起的卸載模式為側(cè)向及豎向應(yīng)力均減小[1-2]。

1.2 基坑土體室內(nèi)試驗(yàn)的局限性

當(dāng)前受地勘及設(shè)計(jì)水平的制約，試樣往往會(huì)發(fā)生擾動(dòng)或破壞，在該條件下開展的土樣力學(xué)及變形研究均無法準(zhǔn)確反映原狀土的性狀。與此同時(shí)，常規(guī)三軸試驗(yàn)中所施加的圍壓均顯著大于地層中原狀土所受的實(shí)際圍壓，在固結(jié)過程中土體的強(qiáng)度便有可能已經(jīng)發(fā)生破壞。因此，為更為合理地開展基坑設(shè)計(jì)工作，可從試驗(yàn)手段入手，對(duì)土體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行修正，從而較為合理地預(yù)測(cè)基坑土壓力變化。

2 影響基坑土壓力的因素分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)影響

土體微觀結(jié)構(gòu)對(duì)基坑土壓力的影響主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性、吸力及黏聚力3 方面[3-4]。首先，對(duì)于原狀土而言，其內(nèi)部均存在一定的架空孔隙結(jié)構(gòu)，即具備一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性，結(jié)構(gòu)性的存在一方面能夠提高土體的強(qiáng)度，另一方面當(dāng)土體結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞時(shí)往往會(huì)發(fā)生較為顯著的變形。通常在勘察、施工過程中，原狀土體的結(jié)構(gòu)性均會(huì)發(fā)生不同程度的擾動(dòng)或破壞，勢(shì)必造成土體強(qiáng)度的降低。其次，原狀土常處于非飽和狀態(tài)，在該階段土體中的吸力變化相應(yīng)的會(huì)造成土體強(qiáng)度也發(fā)生變化，然而在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)往往會(huì)忽略吸力的影響。對(duì)于原狀土而言，其往往具備一定黏聚力，且隨著壓力的增大而增大，這也直接將土體的抗剪強(qiáng)度增大。綜上所述，土體的微觀結(jié)構(gòu)能夠從結(jié)構(gòu)性、吸力以及黏聚力方面對(duì)土體強(qiáng)度和變形產(chǎn)生一定程度的影響，但實(shí)際工程中往往只考慮土體的宏觀力學(xué)性能，忽略了土體微觀力學(xué)性狀。

2.2 應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力路徑影響

對(duì)于基坑開挖而言，土體中的應(yīng)力狀態(tài)往往能夠具有三維特征，在基坑開挖過程中，主應(yīng)力對(duì)土體強(qiáng)度具有顯著的影響。試驗(yàn)中通常所施加應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際工程中原狀土的受力特征有明顯區(qū)別，受沉積環(huán)境及應(yīng)力歷史作用，原狀土往往具備顯著的各向異性，但是通常開展的室內(nèi)三軸試驗(yàn)忽略了土體的各向異性影響。此外，對(duì)于正常固結(jié)地基而言，當(dāng)進(jìn)行基坑開挖后，基坑內(nèi)部土體的應(yīng)力狀態(tài)由于發(fā)生卸載呈現(xiàn)出超固結(jié)特性，在這種情況下建筑基坑側(cè)壁處的主動(dòng)土壓力往往較正常固結(jié)狀態(tài)下偏小。

2.3 孔隙水壓力影響

孔隙水壓力對(duì)基坑側(cè)壁土壓力的影響主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。（1）建筑基坑的開挖往往會(huì)對(duì)周邊土體造成擠壓變形，這會(huì)導(dǎo)致土體的孔隙水無法及時(shí)排出從而形成超靜孔隙水壓力，相應(yīng)的會(huì)造成建筑基坑側(cè)壁上的壓力增大；（2）由于土體毛細(xì)飽和區(qū)的存在，對(duì)于非黏性土或黏性較弱的土體，在該區(qū)域內(nèi)通常會(huì)形成非固有黏聚力，其存在能夠削弱基坑側(cè)壁上的土壓力；（3）施工過程中一般需對(duì)地下水進(jìn)行處理，地下水的滲透方向以向下或向外為主，此時(shí)基坑側(cè)壁的主動(dòng)土壓力也會(huì)減小；（4）在基坑施工過程中采用坑內(nèi)排水措施時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的滲透力這也會(huì)對(duì)基坑側(cè)壁土壓力造成一定的影響。

2.4 邊界條件影響

基坑的邊界條件影響主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。（1）同基坑應(yīng)力狀態(tài)類似，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)也存在明顯的三維效應(yīng)，這主要是因?yàn)榛咏Y(jié)構(gòu)的上下部位置被固定不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的橫向變形，但基坑中部土體受周邊土壓力釋放作用的影響會(huì)逐漸向坑內(nèi)移動(dòng)。與此同時(shí)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所形成的框架結(jié)構(gòu)也在一定程度上限制了支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。（2）土體與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)間存在一定摩擦力，這在一定程度上也減少了側(cè)壁主動(dòng)土壓力。（3）土體層間存在相互的摩擦力導(dǎo)致不同土層間的水平位移也不盡相同，但總體上提升了基坑的穩(wěn)定性。

3 建筑基坑結(jié)構(gòu)上土壓力計(jì)算方法分析

3.1 水土分算

建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力采用水土分算計(jì)算時(shí)，通常以有效應(yīng)力原理為基礎(chǔ)，將土骨架應(yīng)力和孔隙水壓力分開計(jì)算，一般可細(xì)分為考慮滲流作用和不考慮滲流作用兩種形式。當(dāng)不考慮土中滲流作用時(shí)，土體重度選用浮重度γ′，水壓力以靜水壓力計(jì)算，最后通過二者相加便可得到最終基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pa，其表達(dá)為：

當(dāng)考慮滲流作用時(shí)，進(jìn)行基坑支護(hù)側(cè)壁主動(dòng)土壓力計(jì)算需要將一部分靜水壓力以滲流力的形式施加在土骨架上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流力的考慮，剩余的靜水壓力P2以常見的孔隙水壓力進(jìn)行考慮[5]。針對(duì)滲流力P1的計(jì)算一般認(rèn)為其為體積力形式，因此通常按最短的滲流路徑對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，具體形式可表示為：

式中，H1、H2分別為地下水位以上和地下水位以下的土層厚度。

對(duì)于基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力而言，滲流力的方向?yàn)橄?，?jì)算示意圖如圖1 所示。此時(shí)基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力強(qiáng)度可表示為：

圖1 基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力計(jì)算示意圖

3.2 水土合算

水土合算法主要是計(jì)算飽和黏土中的土壓力。由于土體處于飽和狀態(tài)，孔隙水完全充滿土體孔隙結(jié)構(gòu)，此時(shí)可將土體和孔隙水視為一個(gè)整體。僅需以土體的飽和重度γsat進(jìn)行考慮，即可求得地下水位以下建筑基坑側(cè)壁的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度，其具體表達(dá)式為：

3.3 適用條件討論

水土分算法以太沙基飽和土理論為背景將土體分為土骨架結(jié)構(gòu)和水進(jìn)行單獨(dú)考慮，其概念較為明確。由于其假定了土體顆粒滲透性強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)完全連接且孔隙水保持流動(dòng)。此時(shí)，孔隙水壓力可視為等向應(yīng)力形式。當(dāng)不考慮滲流力影響時(shí)，計(jì)算的基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力往往偏大，且用于水土分算的土體有效強(qiáng)度指標(biāo)難以準(zhǔn)確獲得。相關(guān)研究表明，三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)所得的土體強(qiáng)度參數(shù)與水土分算的有效強(qiáng)度指標(biāo)相差較小，因此一般采用三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)所得的土體強(qiáng)度參數(shù)替換水土分算的有效強(qiáng)度指標(biāo)。表1 給出了不同地區(qū)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力時(shí)所采用的方法和土體強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)?，F(xiàn)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)除冶金部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外均采用朗肯土壓力理論對(duì)基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算指標(biāo)由于水土分算和水土合算對(duì)土體強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)的要求不同而不同。由于水土合算法計(jì)算簡(jiǎn)單，強(qiáng)度參數(shù)獲取簡(jiǎn)便，往往被用于工程實(shí)踐。但由于地表淺層位置的水頭差很大，相應(yīng)的土體滲流作用也很明顯，當(dāng)采用水土合算時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。一般而言，在使用階段基坑側(cè)壁主動(dòng)土壓力時(shí)應(yīng)采用考慮滲流作用的水土分算法；為了考慮施工期間其他因素對(duì)基坑側(cè)壁壓力的影響，需要對(duì)土壓力系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步修正，通常采用水土合算較為合理。

表1 各類規(guī)范中對(duì)于基坑側(cè)壁土壓力計(jì)算參數(shù)的規(guī)定

4 實(shí)例分析

以某一深度為6 m 的基坑為例，基坑水位以上為粉質(zhì)黏土，其下部為黏土。相關(guān)基坑側(cè)邊主動(dòng)土壓力計(jì)算參數(shù)如下：z=5.0 m，hw=1.0 m，H1=6.0 m，H2=4.0 m。土性參數(shù)依次為：粉質(zhì)黏土，土體重度γ1=18 kN/m3，黏聚力c1=15 kPa，內(nèi)摩擦角φ1=20°，土粒相對(duì)密度GS1=2.71；黏土，土體重度γ1=19 kN/m3，黏聚力c1=20kPa，內(nèi)摩擦角φ2=25°，土粒相對(duì)密度GS2=2.68。按照本文前述提及的不考慮滲流作用的水土分算、考慮滲流作用的水土分算以及水土合算方法計(jì)算出基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁主動(dòng)土壓力結(jié)果依次為91.66 kN、68.33 kN 以及37.3 kN。由此可以看出，不考慮滲流作用的水土分算結(jié)果偏大，水土合算結(jié)果偏小，考慮到滲流作用的水土分算的理論基礎(chǔ)更強(qiáng)也能符合基坑的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，因此，可認(rèn)為算例中考慮滲流作用的水土分算結(jié)果更符合實(shí)際情況。

5 結(jié)論

現(xiàn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)均未給出統(tǒng)一的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁主動(dòng)土壓力計(jì)算方法，但大體可分為水土分算和水土合算兩類。對(duì)于設(shè)計(jì)過程中如何選取計(jì)算方法需要從施工的地質(zhì)及水文條件出發(fā)，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定?？紤]滲流影響的水土分算法具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，但土體強(qiáng)度參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取，而水土合算法雖然簡(jiǎn)單方便但缺乏理論支撐。因此，有必要針對(duì)考慮滲流作用的水土分算方法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化研究更便于實(shí)際工程的應(yīng)用。