考虑开挖效应的基坑水土压力计算

１６　西部探矿工程　２００８年第８期　考虑开挖效应的基坑水土压力计算　金晓波，陈颖辉，李　源，孟　一　（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明６５０２２４）　摘要：基坑开挖会导致基坑内侧土体从正常固结变成超固结，引起土体强度指标的变化，基坑两侧　会产生水头差，而经典水土压力计算方法都没有考虑这两方面的影响，通常对于粘土不考虑渗流作用　采用水土和算，分析粘土在一定的条件下也会产生渗流，在支护结构中应该采用水土分算。综合考虑　基坑开挖所带来的影响提出在粘土层中新的水土压力计算方法。　关键词：支护结构；渗流；水土压力；水土分算；超固结　中图分类号：ＴＵ４４文献标识码：Ｂ文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２Ｏ０８）Ｏ８一Ｏ０１６—０４　随着城市高层建筑的兴起以及城市地下空间的开　发，基坑支护结构受到越来越广泛的应用。对支护结构　上水土压力的计算受到越来越多的重视。基坑的开挖　是一个很复杂的过程，一：基坑开挖使基坑土体从正常　固结转变为超固结，土体的强度指标会发生变化，工程　中设计时所采用的是加载指标，而不是卸荷指标，计算　得出的土压力与实际测得有较大的差别。二：基坑开挖　时，如采用不透水的支护结构，会导致基坑两侧有水头　差形成渗流，渗流对土体的抗剪强度，支护结构上的水　压力，以及土体的自重压力都有影响。规范中水土压力　计算公式中支护结构水压力按静水压力来考虑，或者做　简单的处理，所得到的结果是不符合实际的。考虑在均　匀土体中土体卸荷以及渗流效应对土压力的影响对朗　线　图２卸荷后排水强度　不考虑卸荷时的抗剪强度：　ｒ—ｃ０＋ａｔａｎｃｐ　（１）　肯土压力计算理论进行修正，得到更加符合实际的水土　压力计算公式。　１超结土体的强度指标的计算　基坑墙前的被动土压力：　Ｐｐ一　（ｈ—Ｄ）ｔａｎ￣（４＋２￣）ｆ－２ｃｏｔａｎ（詈＋詈）（２）　式中：ｃｏ——土体的粘聚力；　土体的内摩角。　魏汝龙提出土体卸荷采用有效应力指标进行计算，　卸载的排水强度将循着（Ｐ。线变化，如图２，开挖面以下　的排水强度为＿１］：　（　ｄ）　一　（ｈ－－Ｄ）ｔａｎｑ￣。＋冬ｐ。　（３）　式中：　。——有效内摩角，如图３；　ｐ。——式样破坏时的含水量在固结主枝上所对应　图１土体卸荷示意图　的等效固结压力，Ｐ。一（　）　；　ｐｃ——开挖前的有效固结压力；　ｐ——开挖后有效的上覆压力；　ａ￣－－（　）　——开挖后土体强度的折减系数；　图１，Ｄ为基坑开挖深度，ｈ为土体Ｍ点相对与原　始地面的深度。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第８期　西部探矿工程　１７　——统计平均指数０．３６。　力，同样地下水受到土体的反作用力称为粘滞力，消耗　了地下水的能量，渗径沿水头将有损失，在挡土墙的左　侧流线ＡＢ　Ｃ　上的水压力分布可以描述为下面的微分　方程：　一　＋Ｒ　＋ｐｗｇ＝０　（７）　式中：ｐｗ——水的密度；　ｇ一为测量渗流系数ｋ　时的重力加速度。　Ｒ　－－ｉｒｗ。此方程的边界条件为：ｙ—ｄ，ｐｗ一０。最　ｌｇｐ　Ｏ　ｐ　ｐｅ　ｐｃ　后得出水压力的如下：　ｐｗ（ｙ）－－Ｔｗ（ｉ＋１）（ｙ＿ｄ）一２　（　）（ｙ＿ｄ）（８）　图３超固结土与正常固结土的ｅ—ｌ印曲线　式中：ｄ≤　ｄ＋Ｈ　同样可以得到基坑右侧流线ＡＢＣ上水压力的分布　可以描述以下的微分方程：　一　一Ｒ　＋ｐｗｇ一０　（９）　Ｑ　边界条件为：ｙ＝Ｏ，ｐｗ一０，解得：　ｐｗ（ｙ）一Ｔｗ（１一ｉ）一Ｔｗ（　ｚ丽ｌ－Ｉ）ｙ　式中：０≤　ｄ＋Ｈ　（１０）　图４支护结构上的计算图　在均匀土层中开挖时，Ｐ。一　ｈ，ｐ一７　（ｈ—Ｄ）此时　墙前被动土压力为：　ｐｐ一７　（ｈ—Ｄ）ｔａｎ２（詈＋等）＋２∈ｐ。ｔａｎ（丢＋萼）（４）　式中：７　——土体的有效重度。　∈，　。的计算公式为　：　ｔａｎ，　图５水的受力图（竖直方向）　ｔ　ａｎｒｐｃｕ－－一ｃｏｓ％＋２Ａｆ——　ｔａｎ９１ｔａｎ９　ｎ、　ｃｏｓ　＋（２Ａｆ一１＋ｓｉｎ　）ｔａｎ　一ＣＯＳ￣ｅ　ｔａ（５）　（６）　ｖ　式中：‰，　可由试验确定，Ａｆ为孔压系数。　２基坑水压力计算方法　如图４，基坑开挖以后两侧存在水头差，若在土中　安设测量管，不同的管中水将升到不同的高度，各点水　压力可表为：Ｐ　一Ｔｗｈ　式中的ｈ　为测量管水柱的高　度，ｄ为坑内外水头差，２Ｈ＋ｄ为渗流路径长度。平均　水力梯度ｉ一　，如图５考虑地下水粘滞力的水压　３支护结构水土压力的计算方法　图６流动性状不同类型　力计算中，地下水渗流时，水流对土粒拖力，形成渗透　维普资讯 http://www.cqvip.com

１８　西部探矿工程　２００８年第８期　饱和粘性土透水性很小，不容易形成孔隙水对土粒　的浮力作用，所生产的孔隙水压力已不是严格意义上的　静水压力。因此水土压力的计算规范上采用水土合算，　不考虑渗流以及土体的卸载，采用总应力指标，而不考　虑静水压力以及一切孔隙水压力，土是散状颗粒以及空　隙相连通时，有背于有效应力原理。一般认为达西定理　对与粘性土也是基本适宜的，可在较低的水力坡降下，　某些粘性土的渗透实验表明，ｖ和ｉ之间偏离直线如图　６，有较大粘滞性，不服从牛顿粘滞定律，只有在较大起　始坡降下，达到屈服强度，就会发生渗流　引。基坑的开　挖支护结构两侧产生水头差，以及施工期间暴雨或长时　间的降水，地下水管的渗漏等是造成粘土渗流的重要条　件，会使基坑失去稳定造成事故。采用水土分算更为合　适［引。　图７基坑剖面图　规范上水土分算计算公式：　ｐｐｚ（ｈ—Ｄ）７　ｔａｎＺ（４－Ｉ－￣－（ｈ—Ｄ）　挖面齐平，如图７所示。土体为均质粘土，７—１８ｋＮ／　ｉｎ。固结不排水强度　１５０ｃ　一１２ｋＮ／ｍ　，算得。一２５。，∈一０．１１７。　，一２）－Ｉ－２ｃｏｔａｎ（詈＋詈）＋　（１１）　本文算直ｘ—ｌ７ｍ　由式（１０）所得水压力ｐ　小于按静水压力计算所　得，原因是本文计算方法考虑了水受粘滞的作用，没按　—Ｉｌｌ一　越　－Ｄ）　撼　Ｍ抱加８　６　４ｐ　一ｈ７　ｔａｎＺ（４一号）一２ｃｏｔａｎ（三一詈）＋　（ｄ＋ｈ　照静水压力计算。按朗肯土压力计算主动土压力大于　本文的结果，原因是没有考虑渗流的影响，即没有考虑　（１２）　式中：ｃ０——土体的粘聚力；　土体的内摩角；　——水重度；　水施加在土体上的渗透力。由式（１２），式（１３）计算得基　坑外侧主动水土压力随深度变化曲线见图８，本文方法　计算明显小于按规范上计算方法，文献Ｅｓ］中实测的水　７　——土体浮重度；　ｄ——原始地下水位到开挖的距离；　开挖深度。　土压力值和考虑渗流水土共同作用计算结果很相近，从　而证明了它的合理性。　基坑外侧考虑渗流主动水土压力计算公式：　ｐａ—ｈ（７　＋７　ｉ）ｔａｎｚ（－ｆ　一詈）一２ｃｏｔａｎ（詈一詈）＋　Ｐｗ　（１３）　式中：ｉ＝　南，ｐｗ（ｙ）由式（８）得，ｃｏ为土体的粘聚力，　为土体的内摩基坑内侧考虑土体卸荷以及渗流被动　水土压力的计算公式如下：　Ｐｐ＝（ｈ－－Ｄ）（Ｔｒ－７￣ｉ）ｔａｎ　（詈＋詈）＋２∈ｐ。ｔａｎ（詈　＋詈）＋ｐ　式中：ｉ一　Ｏ　５Ｏ　１００　１５０　２００　２５０　压力（ｋＰ）　（１４）　，Ｐｗ（ｙ）由式（１０）得，　ｅ为有效内摩角，　图８主动水土压力曲线　考虑渗流时由式（１１），（１４）计算得基坑内侧被动水　土压力随沿深度（ｈ—Ｄ）变化曲线见图９，如图所示，对　Ｐ。为式样破坏时的含水量在固结主枝上所对应的等效　固结压力，∈，ｑ，ｅ的计算公式分别为（５）式，（６）式。　４计算实例　某基坑开挖深度Ｄ一１０ｍ和围护人土深度Ｈ为　于被动水土压力在围护埋深较浅范围内，由于土体粘聚　力以及内摩角因素的影响，由式（１１）计算所得到压力大　于式（１４）。随着深度增大，式（１１）计算所得压力小于式　（１４）。并且随深度（ｈ—Ｄ）加大差距越大。文献［６］分　１０ｍ，基坑外地下水位在地表下２ｍ处，坑内水位与开　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第８期　西部探矿工程　８　７　６　５　４　１９　３　２　ｌ　喷射钢纤维混凝土施工中的要点　苟廷海　（广西安科岩土工程有限责任公司，广西南宁５３００００）　摘要：通过对喷射钢纤维混凝土施工工艺流程的介绍，解析喷射钢纤维混凝土施工中应注意的问　题，总结施工过程中的关键工序、施工难点及技术要点。　关键词：钢纤维混凝土；乱向分布；复合材料；喷射；支护；作业；工艺；要点　中图分类号：ＴＵ５２８文献标识码：Ｂ文章编号：１ＯＯ４～５７１６（２。Ｏ８）０８一ＯＯ１９—０４　钢纤维混凝土是指用一定量乱向分布的钢纤维增　强的以水泥为粘结料的混凝土，是在普通混凝土中掺人　适量钢纤维而成的一种新型复合材料，它克服了普通混　凝土抗拉强度低、极限延伸率小、韧性低等缺点。由于　钢纤维混凝土中乱向分布的钢纤维有效阻碍混凝土内　部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，不但具　１准备工作　１．Ｉ技术方面　喷射钢纤维混凝土之前，作业厂队技术人员必须收　集和研究所有相关的技术资料，包括设计图纸、相关通　知单及施工操作规范，确定喷射钢纤维混凝土的具体部　位和设计要求。　有普通混凝土的优良性能，而且具有良好的抗拉、抗弯、　抗剪、阻裂、耐疲劳、高韧性等性能。钢纤维混凝土作为　喷射钢纤维混凝土之前，应确保已经完成了以下工　作：测量队人员已将要喷射的部位详细标注（包括高程　与桩号），并已对开挖断面进行绘测，确认存在欠挖的部　种很好的改性材料，具有很强的支护功能，在工程中　得到广泛应用。以某工程地下洞室喷射钢纤维混凝土　一支护为例，介绍喷射钢纤维混凝土的施工过程。　位已经处理合格；地质工程师及设代工程师已进行了地　质素描；预埋件或锚杆及钢筋挂网已施工并已通知质量　法反映出基坑开挖后土体强度和水压力的变化。与实　际情况相差别较大，本文认为开挖后，应该采用卸荷强　度指标，同时考虑渗流过程中水的渗透力以及水受到粘　滞力流计算土体两侧的土压力。本文对经典水土压力　的计算方法进行修正，采用该方法与实际更加符合，可　以较合理处理支护结构，能够取得比较好的经济效益。　参考文献：　吕　凸　［１］魏汝龙．开挖卸载与被动土压力计算ＥＪ］．岩土工程学报，　１９９７，１９（６）：８８－９２．　ｌ００　１５０　２００　２５０　压力（ｋＰ）　Ｅ２］魏汝龙．正常压密饱和粘土的抗剪强度理论ＥＪ］．岩土工程　学报，１９８５，７（１）：１－１２．　被动水土压力曲线　［３］李广信．高等土力学ＥＭ］．北京．清华大学出版社，２００４．　析表明：在基坑底面处实测被动水土压力较式（１１）略　Ｅ４］王洋，汤连生．杜赢中．地下水渗流对基坑支护结构上水土　压力的影响分析［Ｊ］．中山大学学报，２００３，４２（２）：ｌＯ７—１１ｏ．　小，随着深度的增加，实测被动水土压力则大于式（１１）。　表明本文方法与实测被动土压力更加接近。　５结论　［５］罗勇，龚晓南，吴瑞潜．考虑渗流效应下基坑水土压力计算　的新方法［Ｊ］．浙江大学学报，２００７，４１（１）：１５７—１６０．　［６］韩红霞，窦远明，王喜燕，崔武文．基坑支护中水土压力合算　与分算的综合分析［Ｊ］．河北工业大学学报，２００２，３１（６）：　６２—６５．　针对支护结构上的水土压力进行分析，基坑开挖产　生土体卸载，土体的强度指标会生产一定的变化，以及　　由此产生两侧的水头差引起渗流，经典的计算方法中无　部协同监理工程师进行了隐蔽工程验收。