深基坑土压力计算中几个关键问题的探讨

・８・　第３２卷第２２期　２００６年　１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＵＩ＇ＵＲＥ　Ｖｏｌ，３２　Ｎｏ．２２　Ｎｏｖ，２００６　文章编号：１００９—６８２５（２００６）２２—０００８—０２　深基坑土压力计算中几个关键问题的探讨　吴刚　摘白冰　李春峰　要：分析了传统的土压力计算方法对深基坑土压力问题的不适用性，探讨了深基坑土压力计算中应该考虑的几个主　要问题，提出了从基坑坑壁夹角　入手研究深基坑空间效应的思路和观点。　关键词：深基坑，土压力，空间效应　中图分类号：ＴＵ４６３　文献标识码：Ａ　引言　２深基坑土压力计算中需要考虑的几个问题　随着社会生产力和经济的迅速发展，世界各国尤其是发展中　２．１　土的强度指标的选取　国家都在进行着大规模的城市建设，高层建筑和地下工程不断涌　目前，在进行深基坑土压力计算时，土的强度指标ｃ，　值的　现，相应产生了许多深基坑工程。深基坑工程在设计与施工过程　确定有三种方法：室内的三轴试验、直剪试验和室外的十字板剪　中，土压力值如何确定还存在相当多的问题。目前，静止土压力　切试验。其中三轴试验有如下优点：排水条件容易控制，受力状　往往按经验公式或半经验公式确定，主动和被动土压力按朗肯或　态明确，剪切面不指定，并能准确测定土的孔隙压力和体积变．所　库仑理论确定，但深基坑土压力作为复杂的三维问题，简化为二　以三轴试验测定强度指标最为准确。而三轴试验又分为不固结　维问题来考虑并不合理，同时还有地下水渗流、开挖卸荷和支护　不排水剪（ＵＵ），固结不排水剪（ＣＵ）和固结排水剪（ＣＤ）三种方　结构位移等诸多因素的影响，所以当前的土压力理论已经不能满　式，鉴于基坑在开挖过程中基坑内外处于不同的土压力状态，基　足深基坑工程发展的需要。文中分析了传统的土压力计算方法　坑内外土体的强度指标应采取不同的试验方法来确定，由当前的　对深基坑工程的不适用性，探讨了深基坑土压力计算中应该考虑　工程实测资料＿１Ｉ反算ｃ，　值发现坑外土体采用固结不排水试验，　的几个主要问题。　坑内土体采用不固结不排水试验来确定强度指标较为准确。　１传统的土压力计算方法　深基坑土体的Ｃ，　值在选取时还有一点应引起注意：基坑内　主要分为径　在深基坑工程中传统的土压力计算方法主要是朗肯和库仑　外的土体在基坑开挖过程中呈现出不同的应力路径，向卸荷和轴向卸荷两种。由卸荷方式测得的强度指标与常规的　理论，这两者的基本情况如表１所示。　表１　朗肯和库仑理论的基本情况　基本假设　理论依据　朗　墙背光滑、　肯　直立、墙后　极限平　理　填土水平　衡状态　论　并延伸到　理论　无穷远　加荷方式测得的强度指标是有一定差别的，因此，理论上计算基　主要问题　计算公式　适用性　坑外侧的主动土压力应该采用径向卸荷试验所测得的强度指标，　计算基坑内侧的被动土压力时，应该采用轴向卸荷试验测得的强　度指标。　主动土压力：　适用于砂　＝ＫＹｚ－２ｃ　：　土与粘性　忽视了墙背　土。以及含　与填土之间　被动土压力：　地下水的　的摩擦作用　＝Ｋｏｙｚ＋２ｃ　填土　ａ２．２　空间效应　深基坑土压力的空间效应综合了两个方面：一方面是由于深　基坑土体本身的三维性而导致的土压力分布的空间性，另一方面　是由于支护结构的空间性和支护结构与土体的相互作用而导致　的土压力空间性，主要表现为坑壁范围的土压力要大于两坑　库　填土为均　墙后滑　主动土压力：　仑　质各向同　动体的　理　性的无粘　论　性土、破裂　整体静　面为平面　力平衡　＝　ｙ２　被动土压力：　声ｐ　Ｋｆｆｚ　适用于砂　假定破裂面　土对粘性　为平面，而　土要将精　实际为曲　；不能直　折算成内　接计算粘性　摩擦角　聚力作用。　面，注：ｙ为重度；ｚ为深度；ｃ为粘聚力；Ｋ　为朗肯或库仑主动土压力系数；Ｋ　为　朗肯或库仑被动土压力系数；　为主动土压力；　为被动土压力　壁角点附近区域的土压力。深基坑工程的实测资料和三维有限　元数值计算结果＿２　Ｊ都证明了这一点，如图１所示。　朗肯和库仑理论在解决深基坑土压力问题时存在很多不足　之处：１）理论的假设与事实相差太大。２）这两个理论计算得出的　主动与被动土压力值都是指挡土墙达到一定位移时的极限土压　力值，而实际作用于支护结构上的土压力一般是介于主动与被动　土压力之间的某一数值。３）这两个理论都是在刚性挡土墙的条　件下得出的，不考虑挡土墙沿深度方向的变形，随着深基坑支护　形式的改进（如搅拌桩、土钉墙的采用），支护结构沿深度方向呈　现明显的非线性变形。４）这两个理论是针对较长的挡土墙，属于　二维问题，而深基坑长度、宽度和深度往往处于同一数量级，属于　三维问题。５）这两个理论都没有考虑地下水渗流，而深基坑工程　中渗流对土压力的影响是不容忽视的。可见，传统的土压力理论　在解决深基坑土压力问题时存在明显的缺陷和不足。　收稿日期：２００６—０５—１１　…・二维有限元　…。三维有限元　一一实测　３０　ｌ０　２０　４０　图１　三维有限元数值计算结果　目前对深基坑空间效应的研究，主要是对土压力延坑壁分布　状况的研究。杨雪强［　根据莫尔一库仑准则、相关联的流动法则　作者简介：吴　刚（１９８０一），男，北京交通大学土木建筑工程学院岩土工程专业硕士研究生，北京　１０００４４　白冰（１９６６一），男，博士，副教授，北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４　李春峰（１９８１一），男，北京交通大学土木建筑工程学院硕士研究生，北京　１０００４４　维普资讯 http://www.cqvip.com

嘉　聋第　膂　吴刚等：深基坑土压力计算中几个关键问题的探讨　・９　・　和塑性上限理论，针对地下连续墙支护的矩形基坑提出了考虑空　如果地下水位较高，深基坑工程施工过程中需要降水，从而　间效应的土压力计算公式如下：　造成支护结构两侧出现较大的水位差，引起渗流。地下水渗流主　ｎ一　（ＣＯＮ　　一　一　）ｌ　２　ＰＢＨ　一专Ｐ３　ｓＨ　囊ｌｉｎ　ｌ。　要带来两方面的影响，一是使基坑外作用于支护结构上的水压力　减少，基坑内作用于支护结构上的水压力增大；二是使基坑外作　式中：　上——作用在坑壁上主动土压力的上限值；　用于支护结构上的有效土压力增大，基坑内作用于支护结构上的　——土体的临界破裂角；　有效土压力减少。前一种情况有利于基坑稳定，后一种情况不利　——墙与土体间的内摩擦角；　于基坑稳定，但总的来说渗流效应对水压力的影响要大于对有效　Ｂ——坑壁长；　土压力的影响。针对渗流对水压力和土压力的影响，文献［５］中　Ｈ——开挖深度。　提出了一种计算方法，在此将其拓展到层状土中，假设坑外土体　空间土压力与两坑壁夹角　是有着密切关系的，　值不同，　共为，ｚ１层，坑内土体为ｒ／２层。　作用于两相邻坑壁上的土压力有很大差别。　值在不同的取值　基坑外水压力为Ｅ　＝（　一　１）ｈ１＋（　一　２）ｈ２＋…　范围内，土压力有不同的计算方法，声值在０　～１８０。之间时，由于　＋（）　一）　，）＾　坑夕　ｉ＞０。　两侧坑壁的相互约束作用，垂直作用于坑壁上的土压力小于按平　有效主动土压力为　＝Ｋａ［彻＋（ｙ　１＋　１）ｈ１＋（ｙ　２＋　面计算的主动土压力，基坑角点处由于两侧土体的相互挤压，相　２）＾２＋…＋（ｙ　＋　，）＾　，ｊ一２ｃ￣／Ｋ　。　对比较安全；　值在１８０。－３６０。之间时，两坑壁角点之间所夹的土　基坑内的水压力为Ｅ　＝（　一　１）＾　１＋（　一　２）ｈ＇２　体为有限土体，作用于角点附近一定范围内的坑壁上的主动土压　＋…＋（　一　）＾　坑内ｉ　＜０。　力同样小于按平面计算的主动土压力，基坑角点处由于两侧土体　的相互分离，相对比较危险。土压力的空间效应要在设计与施工　有效被动土压力为Ｅ　＝Ｋｐ［　＋（ｙ　１一　１）ｈ１＋（ｙ　２一　中得到应用还有待进一步发展。　２）＾２＋…＋（ｙ　一　）ｈ　］一２ｃ￣／Ｋ　。　２．３土压力与位移的关系　作用与支护结构上的合外力为：Ｅ总＝Ｅ　ｈ￡，＋Ｅ　一Ｅ　一　作用于深基坑支护结构上的土压力是随着支护结构的位移　Ｅ　ｐ。　而发生变化的，如图２所示【　Ｊ：考虑到深基坑工程对环境的影响，　其中，ｉ为水力梯度；ｙ为土体重度；　为水的重度；ｈ为土　土体达到极限平衡状态时支护结构的位移，一般是深基坑支护结　层厚度。　构所不容许的，因而在计算深基坑土压力时考虑位移十分必要。　渗流与空间效应有密切关系，在基坑角点附近区域，为三维　Ｅ　渗流状态，此时渗流对土压力和水压力的影响同二维状态已有很　一～大差别，有待建立三维渗流模型来分析渗流对水压力和有效土压　、、　／　／　力的影响。　３结语　通过分析得知，传统的土压力理论在解决深基坑土压力问题　、／　／５　．时，已显得力不从心；深基坑在基坑角点附近区域存在显著的空　、—ＪＩ　间性，深基坑工程的发展需要在合理的选定土性参数的基础上，　、　＋　建立充分考虑空间效应和渗流效应，以位移变形为核心的土压力　Ｏ　图２　土压力与位移关系图　计算方法。　近几年来在土压力与位移的关系方面有较多的研究成果，下　参考文献：　面介绍一种考虑位移的土压力计算方法【　Ｊ：　［１］刘之葵．基坑支护设计中土的粘聚力和内摩擦角的取值方法　Ｅ（　）：Ｅ０＋ｓｉｎ［（　占）／（２　）］（Ｅ　一Ｅ０）。　分析［Ｊ］．探矿工程，２００１（１）：１５—１６．　式中：　——极限土压力；　［２］０ｕ　ｃ　Ｙ，Ｃｈｉｏｕ　Ｄ　Ｃ，ｗｕ　Ｔ　Ｓ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｅ０——静止土压力；　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒ・　ｉｎｇ，１９９６，１２２（５）：３３７—３４５．　——土体的位移取正值；　［３］杨雪强．论深基坑支护的空间效应［Ｊ］．岩土工程学报，１９９８　——土体的主动或被动极限位移。　上式在一定程度上能反映位移与土压力的关系，但主要还是　（３）：７４—７８．　［４］徐日庆．考虑位移和时间的土压力计算方法［Ｊ］．浙江大学学　针对二维问题，在分析基坑角点附近区域位移与土压力的关系时　应该从位移与空间效应相互作用的角度作整体分析。　报．２０００（７）：３６９．３７５．　［５］汤连生，黄国怡，杜赢中，等．考虑地下水渗流的基坑水土压力　２．４渗流效应　计算新图式［Ｊ］．岩土力学，２００４（４）：５６５—５６９．　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ　ａｂｏｕｔ　ｅａｒｔｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　、ⅧＧａｎｇ　ＢＡＩ　Ｂｉｎｇ　ＬＩ　Ｃｈｕｎ－ｆｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ－Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｉｎａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅａｒｔｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｐｉｔ　ｓｏｉｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ＷｃｑＳ　８ｎａ—　ｌｙｚｅｄ．Ａ　ｆｅｗ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｐｉｔ　ｅａｒｔｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐａｔｉｌａ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｐｉｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｌｉｐ　ｃａｐｅ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｐｉｔ　ｗａｌｌｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ，ｅａｒｔｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｐａｔｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ