基坑支挡结构上的水土压力-清华大学

1、基坑支挡结构上的水土压力问题清华大学 岩土工程研究所李广信目录 1.设计理论与荷载组合； 2.基坑工程中的土水压力的特点； 3.墙体的位移与土压力； 4.墙后土压力的分布； 5.土中水与土水压力； 6.土压力计算与土的抗剪强度指标 7.水土分算与合算。1.地基基础设计理论与荷载组合两种极限状态理论两种极限状态理论 承载能力极限状态 正常使用极限状态；三种荷载效应组合三种荷载效应组合 （1）承载能力极限状态的基本组合； （2）正常使用极限状态的标准组合； （3）正常使用极限状态的准永久组合；承载力的三种设计理论承载力的三种设计理论 （1）安全系数法、 （2）分项系数法、 （3）容许承载力法。基坑

2、工程荷载的特殊性 临时工程临时工程：支护结构上的土水压力荷载一般不属于永久荷载，而是随着施工过程变化的可变荷载。 基坑工程一般不超过一年，可变荷载的取值也与此相关。 存在支护结构与主体结构相结合(二墙合一二墙合一)的情况。R，SR，Sf(S)f(R)RSRS可靠度设计与分项系数法ksSSRkRR/岩土工程的不确定性基坑工程具有更多的不确定性。基坑工程具有更多的不确定性。 地层土水分布不确定性； 现场与实验室岩土指标的不确定性； 现场原位应力与孔隙水压力的不确定性； 外加荷载及其分布的不确定性； 岩土材料性质的复杂性； 计算理论和方法的不确定性； 参数的相关性。基坑设计的荷载组合 niQikci

3、QikQQGkGSSSS211SGk为土与结构物的自重荷载标准值；SQ1k为地基土自重与地下水引起的土水压力标准值；SQ1k为其他超载引起的土水压力。应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。按可变荷载控制的情况按可变荷载控制的情况当设计支护结构的内力，确定配筋及验算材料的强度时，基坑设计的荷载组合 2.在计算支挡、锚固结构的抗剪强度稳定稳定问题时（滑移、倾覆、整体滑动、坑底隆起等），应采用是安全系数法(不宜用分项系数）。荷载效应应按承载能力极限状态下的荷载效应基本承载能力极限状态下的荷载效应基本组合，但其分项系数均为组合，但其分项系数

4、均为1.01.0。 3.在按承载力计算内支撑立柱的基础立柱的基础面积或按单桩承载力桩承载力确定立柱桩数时，传至基底的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准荷载效应的标准组合。组合。基坑设计的荷载组合 4.在计算地基变形时，采用正常使用极限使用极限状态下的准永久组合状态下的准永久组合；而基坑相邻地面的变形主要是瞬时沉降，例如饱和软黏土在体积不变情况下的侧向位移引起的沉降。应按正常使用极限状态下荷载效应的标准正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。组合。 5.对于支护结构与主体结构相结合的情况，应按永久地基基础工程和临时的基坑工程永久地基基础工程和临时的基坑工程的荷载要求分别验算。的荷载要求分

5、别验算。土层损失法相邻地面的沉降变形坑底隆起的变形杭州地铁湘湖站事故现场 西侧西侧 （1）它所支挡的原状土存在着结构强度，非结构强度，非饱和土的吸力；饱和土的吸力； （2）天然土层在空间的变化很大空间的变化很大； （3）地下水的分布、赋存形式和时空变化复杂，水土之间呈十分复杂的相互耦合的关系。水土之间呈十分复杂的相互耦合的关系。 （4）土压力与挡土结构变形之间的耦合土压力与挡土结构变形之间的耦合，很难达到全断面的极限状态。2.基坑工程中土水压力的特点2.基坑工程中土水压力的特点 （5）基坑支挡结构物的施工和设置次序不同于一般挡土墙，应力路径复杂；应力路径复杂； （6）施工过程涉及到一个时空效应

6、问题时空效应问题，而不仅仅是挖到坑底时的状态设计。 （7）与地基与其他土工构造物相比，基坑的三维三维效应更为突出，平面上的凸、凹、阳角、不平衡效应更为突出，平面上的凸、凹、阳角、不平衡荷载与边界等使问题进一步复杂化荷载与边界等使问题进一步复杂化。 ()基坑支护结构在纵向是非整体的，在开挖的过程中，某个局部单元截面发生破坏，荷载会向两侧相邻单元转移和传递，引起渐进破坏渐进破坏。3. 墙体的位移与土压力-极限状态后的土压力-E密砂松砂峰值强度滑动面残余强度滑动面密砂主动土压力的发展挡土墙后砂土的液化4. 土压力分布不同墙体运动形式的土压力分布(a)绕墙底旋转；(b)平移；( c) 绕墙顶旋转。太沙

7、基的土压力分布砂土软粘土中-硬粘土太沙基土压力分布的说明它是主要是针对以绕支挡结构顶部转动为主的；它是通过实测各个横向支撑构件上的轴向力，假设它平均分布在该支撑所承担的面积中，是“表观”的土压力；它是基于实测的所有同一排水平支撑构件上的最大值；反算的表观土压力强度包络线，也不是开挖到坑底状态时的土压力分布线；它是为基坑的横向支撑的轴力设计提出的，是偏大的，实际上已包含有安全系数。目前的施工工艺、技术水平和工程经验已经有了很大的变化与发展。增量法计算5.土中水与水土压力 吸力对非饱和土强度的影响 土中的超静孔隙水压力 地下水渗流对水土压力的影响 地下水控制对挡土结构物上的水土压力的影响非饱和土的

8、吸力 tan)(tan)(waafuuuc tan)(afuc tan)(wauucc原状砂土的竖直无支护开挖。土中的超静孔隙水压力临近坑壁的地面上堆土、堆放建筑材料、施工车辆和机械运行以及附近道路上的来往车辆等，都将会产生正正的超静孔压；由于振动、施工中产生的地面或路面动荷载扰动引起的饱和砂土的液化液化，也可能由于开挖和排水不当引发的砂土和高灵敏度黏性土的流滑流滑等；在饱和黏土中快速开挖，会使墙前坑底土层中卸载而前坑底土层中卸载而生成负的超静孔压生成负的超静孔压，这有利于基坑的稳定，增加了支护结构的抗力，随着负孔压的消散而消失，使其成为超固结土；开挖引起支挡构件的前移，使墙后土体的小主应力减

9、墙后土体的小主应力减少，也会在饱和黏土中产生负孔压，少，也会在饱和黏土中产生负孔压，从而减少了荷载，也有利于基坑稳定。饱和黏土地基中的基坑地面超载q=30kPa引起的超静孔隙水压力加载瞬时完全固结一段时间以后sat=19kN/m3=30, , 01z)(313ABu各类土的孔压系数A的数值范土类孔压系数 A高灵敏度土0.75-1.5正常固结黏土正常固结黏土0.5-1.00.5-1.0轻超固结黏土0-0.5重超固结黏土-0.5-0zzKKua)245(tansin1 32)(3220(A=2/3)墙后土的应力路径与的负孔隙水压力zKKa)(03zKKa)()(031固结不排水（CU)强度指标-应

10、力路径的影响 三轴试验的K0固结与等压减载的固结不排水试验。pqpMMcu墙后土体的减载应力路径h=30)(313ABu正常固结土 A=0.5-1.0考虑墙后负孔压的水土压力分布图 50kPa-5kPa16.6kPa61.6kPa(a)静水压力 (b)超级孔压 (c)主动土压力(d)总压力5m=19kN/m3, c=0kPa,30，B=1.0, A=2/3。地下水渗流对水土压力的影响zzjzzsatwz)(asatazazKKp砂土分算粘性土合算砂土砂土zzKpppwawaa坑内排水对挡土结构物上的水土压力的影响水、土压力墙上水土压力计算表计算方法水压力kN土压力kN总压力kN被动侧(左)Ew

11、p主动侧(右) Ewa被动侧(左)Ep主动侧(右) Ea被动侧(左)Ep主动侧(右) Ea方法方法122.3422.679.4460.3201.7882.9方法153.4579.348.6422.5202.01001.8方法153.4579.354.3400.5方法153.4579.3156.3353.5305.0305.0919.5919.5方法：水土合算 ；方法：渗流的平均水力梯度为方法：通过绘制流网确定沿墙壁各点的水力梯度ii，用朗肯土压力理论计算有效土压力 方法：绘制流网，根据库伦土压力理论方法：绘制流网，20，根据库伦土压力理论。 556. 04210102dhHHi979.8747

12、207.7388 6.土压力计算与土的抗剪强度指标 砂土和碎石土； 支护结构延续的时间很长时间很长，墙后施工中产生的超静孔隙水压力逐渐消散，形成了稳定的渗流。可通过绘制流网等渗流分析准确地确定渗流场的孔隙水压力，应采用有效应力强度指标计算土压力和进行稳定分析。对于正常固结土c=0， =15-25有效应力强度指标不固结不排水(UU)与固结不排水(CU)强度指标的选用 cu(UU)，但由于不排水强度是随着土层的深度增加的，基坑土的深度变化很大; 基坑土压力计算采用固结不排水强度指标是合理的; 但饱和软黏土属于欠固结土，墙后地面超载q以及新建的相邻建筑物，应当cu(UU)， 采用原位十字板等方法测定

13、其强度指标较为合理的。固结不排水（CU)强度指标-应力路径的影响 三轴试验的K0固结与等压固结不排水试验。pqK0Mp基坑土的实际不排水应力路径室内三轴试验固结不排水应力路径基坑中被动区被动区土的应力路径 zzABpqa0a1a2aaK0b0b1b2bb常规压缩三轴(CU)试验超固结土的强度q正常固结土的强度a0a1a2按原位应力等向固结不排水常规三轴试验；a0aa按开挖后应力等向固结不排水常规三轴试验；a0ak按原位应力K0固结不排水常规三轴试验；a0ac按有效应力排水三轴试验-超固结土。akac在有效自重压力下预固结的不排水强度 qPpoMK0A总应力路径B CDD有效应力路径 AD(D)

14、 A C，不应按1=z等向固结。某基坑土的强度指标土层1和2层土的不同试验的强度指标土层三轴不固结不排水无测限抗压强度十字板试验快剪固结快剪固结不排水cu(kPau qc（kPa） cu（kPa）cqqccqcqccucu211.00.225.34(47.9) 28.4(23.71) 8.16.1(3.2) 15.811.917.19.719.00.424.06(51.9) 34.1(32.42) 7.18.3(3.3) 13.813.617.813.2不排水强度指标 cu土层1和2层土的平均平均不排水强度指标 cu（kPa）在有效自重压力下的预固结不排水强度在有效自重压力下的预固结不排水强度

15、 土层三轴不固结不排水无测限抗压强度十字板试验快剪固结快剪固结不排水2110.412.317.732.833.631.2十字板剪切试验在基坑中的应用十字板剪切试验在基坑中的应用 )3/(2DHDMcucucutfvcucutfhczKUczUtantan0bazczUDHDHKccucututan31310cucutcbUDHDHKatan31310zcuba1)tan(61)tan(21302cucutcucutczUDczUKHDM基坑水土压力计算的分算与合算水土合算的几种适用情况 地下水竖直向下渗流的情况; 对饱和黏性土采用不排水强度u=0计算情况;(c)太沙基算法HcHEua2212a

16、aKHE221HcKua41(a)水土合算(b)水土分算(e)美国基础工程手册(d)太沙基算法zpsata31多层地下水情况砂土黏土砂土黏土砂土黏土潜水潜水承压水水压力pw主动土压力pah1h2h3h4h5wh10wh3hcwhcw(hc+h5)Pa1=1h1 Ka1pa2上pa2下pa3上pa3下pa4上pa4下pa5上pa5下各层土中的水土压力计算表土层层面孔压u(kPa)水力梯度i自重应力z(kPa)主动土压力pa(kPa)分算总压力p(kPa)自重应力z(kPa)黏土的合算p(kPa)砂土上000000 0下3030104040304040黏土上302304.234.234.26019

17、19下012048.348.348.312048.348.3砂土上001204040401204040下301505080801508080黏土上30i4= 1/315063939318077.777.7下5019082.6132.6132.6240117117砂土上50019063.3113.3113.3240130130下8022073.3153.3153.3300180180黏土上8022097.3177.3177.3380176176分算与合算 分算得到的层土总压力为E=1974/, 黏土合算得到的总压力E=1806kN/m。 合算计算压力稍小，尤其是有承压水的情况。一些不宜用水土合算

18、的情况在有向上的渗流情况下;粉土的合算:关键在于粉土以下的土层；承压水上下的黏性土不宜简单合算；地下水控制，排、降、截、灌、回渗等手段综合应用，水土压力十分复杂，应提倡进行渗流分析、渗流计算及孔压观测合理确定水土压力。 目前基坑水土压力计算影响因素的分析总结目前基坑水土压力计算影响因素的分析总结影响因素有利因素不利因素原状地基土的结构性及结构强度对于欠固结土使用固结不排水或固结快剪强度指标非饱和土的基质吸力对于地面超载q，使用固结不排水或固结快剪强度指标平面应变情况下土的较高的内摩擦角对于承压水的上下黏土层采用水土合算计算主动土压力基坑平面尺寸的三维拱效应对于有向上渗流的墙前坑底土采用水土合算计算被动土压力墙后土体的小主应力3减小的应力路径，可能产生的负孔压对于振动反复荷载下，地基土可能的损伤，渐进破坏墙前坑底以下土的超固结性：粘聚强