水土合算与水土分算.pdf

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1、水土合算与水土分算 1 水土分算的概念与原理 1.1 基本概念 水土分算原则，即分别计算土压力和水压力，两者之和即为总的侧压力.这一原则适用于土体孔隙中存在自由的重力水的情况,或土的渗透性较好的情况，一般适用于砂土、粉土和粉质粘土。1。2 侧压力计算原理 1.2.1 土压力计算 侧向土压力通常按朗金主动土压力和被动土压力计算，计算时地下水位以下的土的重度采用浮重度.朗金理论的基本假定为：挡土墙背竖直,墙面光滑,不计墙面和土层之间的摩擦力；挡土墙后填土的表面为水平面,土体向下和水平方向都能伸展到无穷,即为半无限空间;挡土墙后填土处于极限平衡状态。在弹性均质的半空间体中,离开地表面深度为 Z 处的

2、任意一点的竖向应力和水平应力分别为：z=Z（1)x=K0Z（2)在朗金主动土压力状态下,最大主应力为1=Z，最小主应力为3=Pa,Pa=Ztg2（45-/2)-2ctg(45/2)（3)在朗金被动土压力状态下，最大主应力为被动土压力1=Pp，最小主应力为竖向压力3=Z,Pp=Ztg2(45+/2）+2ctg(45+/2)（4)引入主动土压力系数 Ka 和被动土压力系数 Kp,并令：Ka=tg2（45/2)(5）Kp=tg2（45+/2)(6)将式（5）、式(6)分别代入式(3)、式（4）得：Pa=ZKa2c Ka（7)Pp=ZKp+2c Kp（8）用朗金或库仑理论进行土压力计算时,通常要用到土

3、的物性参数：重度、内摩擦角和粘聚力 c.而各层土的物性参数是不一样的,在工程应用中一般有两种处理方法.(1)直接取用各层土物性参数的方法 当地层由多层土组成时，可分别采用各层土的物性参数，分别计算得到各层土的主动土压力强度和被动土压力强度.由于通常各土层是不同的，因此土压力强度图形沿挡土墙深度方向是不连续的；在土压力计算过程中要比单一土层情况复杂些,但计算结果比较符合工程实际。目前基坑支护结构土压力计算多采用专用程序计算,土层的数量几乎不会对计算速度产生影响。因此，该方法在工程实际中得到广泛采用.(2）取土层物性参数加权平均的方法 该方法一般在地下结构的初步设计阶段,希望采用简单的计算方法来初

4、步确定基坑的支护方案，不需要对土压力进行精确计算.为简化计算,将土层简化成单一均质土层的情况，通常采用土层厚度进行加权平均,算出等效的地层物性参数。1.2.2 土层中水压力的计算 地下水位稳定的地下结构物的侧向水压力可按静水压力确定,水压力强度根据帕斯卡定理计算:pw=hww(9)式中 pw侧向静水压力的强度值;hw-水头高度，即地下水位到计算点的垂直距离；w水的重度.在基坑内外存在水头差的情况下，按照是否考虑地下水渗流的影响,侧向水压力分布存在三种形式，如图 1所示.水土合算与水土分算 (1)不考虑地下水渗流影响的水压力分布图式 图 1a 中,当基坑位于渗透性很小的粘土层中，尽管基坑内外存在

5、很大的地下水位差，但不考虑地下水渗流的影响，于是基坑内、外侧均按静水压力考虑(如图 1 中虚线所示的三角形）.考虑到基坑内外侧 B 点以下到 C点以上，墙体内外侧静水压力可以抵消,实际计算时可以这样处理：在基坑的地下水位高程 B 点以上,按静水压力三角形计算；在此高程以下，水压力按矩形分布计算，但不再计入基坑内侧的水压力。该计算图式是有缺陷的:在挡土结构底端 C 点,基坑内外侧的水压力很不平衡,相差很大，是不合理的。只有基坑开挖很快,且基坑内预先不进行井点降水,地下水的渗流还来不及发生时,方可采用该图式。(2)地下水稳定渗流时，不考虑挡土墙隔水作用的水压力分布图式 在图 1b 中，由于渗流的影

6、响，挡土结构底部 C 点处,基坑内外侧水压力平衡,因此整个水压力图形分为两部分:以墙背面与基坑内地下水位相等处的B 点为界,B 点以上，按静水压力三角形分布计算；B 点以下为三角形，水压力由大到小按线性减少至零值。（3)地下水稳定渗流时，考虑挡土墙隔水作用的水压力计算图式 图 1c 中，考虑地下水的稳定渗流，同时考虑挡土墙的隔水作用,挡土墙底部 C 点处仍有水头差;考虑渗流作用，B 点处的水压力小于静水压力。具体计算方法如下:B 点处的水压力,由该点处的静水压力whw 值减去pw1 计算,即 pw1=iawhw(10)式中pw1-基坑开挖面处水压力修正值；ia-基坑外的近似水力坡度,ia=0.

7、7hw H w1+hw1 hw2 hw-基坑内、外侧地下水位之差；hw1,hw2分别为基坑内、外侧地下水位至挡 土结构底端的高度。挡土结构底端处的水压力由基坑开挖深度处的静水压力whw减去pw2 计算，即 pw2=iawhw1+ipwhw2（11）式中pw2-基坑开挖面处水压力修正值；ip-基坑内被动区的近似水力坡度，ip=0.7hwhw2+hw1hw2 2 水土合算的概念与原理 2。1 基本概念 水土合算的原则是,认为土孔隙中不存在自由的重力水，而存在结合水,它不传递静水压力，以土粒与孔隙水共同组成的土体作为对象,直接用土的饱和重度计算侧压力.这一原则适用于不透水的粘土层。2。2 侧压力计算

8、原理 在粘性土中,通过现场实测资料的分析，实测的水压力往往达不到静水压力值，按水土分算原则计算的水土压力值可能偏大,因此，一些地下工程的结构设计采用水土合算的原则。水土合算原则是不再单独计算水压力,挡土结构上的侧向压力即为土压力,计算公式中不直接反映地下水的影响,当然，由于地下水的存在,使土层的物性参数发生变化，会间接影响土压力大小。具体有两种计算方法:(1)经典理论模式 按朗金理论,并考虑地面超载的影响，水土合算的主动土压力和被动土压力的计算公式为式(12)、式（13)，水土合算与水土分算 两式中的土的重度均为天然重度,即使是在地下水位以下也不采用浮重度。Pa=(q+ihi)Ka2c Ka（

9、12）Pp=ihiKp+2c Kp(13)式中 Pa-主动土压力强度;Pp被动土压力强度；i各层土的天然重度；Ka-主动土压力系数，Ka=tg2(45-/2)；Kp-被动土压力系数,Kp=tg2（45+/2）;c、-分别为土的粘聚力和内摩擦角。(2)经验系数法 土的物性参数 c、等值的确定,有一定的随机性和人为性，完全依据地质勘察报告给出的参数进行计算,有时并不一定合理.某一地区范围内的各施工现场的土层类别虽有差异但也 有共性，在大量工程实践的基础上,根据统计分析，直接给出某一地区的土压力计算公式已成为可能。例如,上海地区实测水土压力的总的侧压力系数为 0。550。75 之间;而天津地铁基坑设

10、计过程中，水土压力总的侧压力系数多取为 0。7.3 工程实例及应用分析 3。1 水土分算工程实例 3.1.1 工程地质与水文地质(1)工程地质 上海市某地铁车站基坑工程所处场区地势平坦,地面高程在 3。213。46 之间.车站穿越地段从上至下依次为:人工填土；2 灰黄色粘土；31 灰色粘质粉土；3-2 灰色砂质粉土;灰色淤泥质粘土；11灰色粘土;2 灰色砂质粉土。其中3-1、3-2 及2 层粉性土,渗透性大，强度小,在水头作用下易产生流砂管涌现象.各土层分布详见图 2。(2)水文地质 该地段地下水位埋深为 0.50。7m.水文地质特征为具有多层空隙含水层结构,含水介质为粉性土。3-1、32 为

11、粉性土层,受大气降水及地表水补给,其水位动态为气象型。3.1。2 围护结构设计 通过技术经济两方面综合比较分析，该基坑围护结构采用 SMW 围护结构方案。（1）计算原则及方法 围护结构计算按二级基坑控制变形;围护结构主要承受土压力荷载及地面超载引起的侧压力，土压力荷载按水土分算计；围护结构计算内容包括从基坑开挖到回筑主体结构各主要工况；围护结构水泥土与 H 型钢按共同承担弯矩但不协调变形考虑,型钢强度检算按独立承载考虑；车站主体结构使用阶段不考虑围护结构的承载能力.(2)计算参数的确定 该站标准段水泥土搅拌桩水泥土掺量为 20，桩径为 850mm,桩中心间距为 600mm，按三孔套打单排布置;

12、H型钢高 500mm，宽 300mm，翼缘厚 18mm，腹板厚 11mm，按“1 隔 1”方式布置；基坑采用 609mm 横撑,壁厚12mm，竖向按三道布置，纵向间距 3。0m,基坑中间设一道支承立柱桩。基坑支护断面图详见图 2。水土合算与水土分算 (3)入土深度及整体稳定性分析 依据上海市标准基坑设计规程，通过对抗管涌、抗底鼓等分析,确定水泥土搅拌桩入土深度为 12m,桩长 22m；通过对基坑抗倾覆、抗隆起及整体稳定性分析，确定 H 型钢入土深度为 10m,型钢长 20m。经检算，基坑整体稳定性安全系数为 1。821.25;抗倾覆安全系数 KQ=1.281.2；抗渗透安全系数 KS=4.32

13、2。0；抗隆起安全系数KL=3。842。5;围护结构地基承载力安全系数 KWZ=3.02.5,各项指标均满足要求。基坑结构计算图式见图 3.3。2 水土合算工程实例 3.2。1 工程地质及水文地质 上海市某地铁车站基坑工程所处地层从上至下依次为：人工填土;2 灰黄色粉质粘土，=18.7kN/m3，c=15.0kN/m2,=22。0；灰色淤泥质粉质粘土,=18。1kN/m3,c=17。0kN/m2,=18.4；灰色淤泥质粘土，=17。3kN/m3,c=17。0kN/m2，=10。7;11 灰色粘土,=18.1kN/m3，c=19。0kN/m2，=14.4;暗绿色粘土,=20.0kN/m3，c=3

14、3.0kN/m2,=19.0;11 草黄色砂质粉土,=19.6kN/m3.各粘性土层基本特性为：软塑流塑，饱和，均匀，中高压塑性，地基承载力特征值 80100kPa；砂质土层一般为:中密,不均匀，中压缩性。该站主要涉及、层,具有较大流变特性,易产生较大变形和回弹隆起.各土层分布详见图 4。水土合算与水土分算 (2)水文地质 经实测地下水位埋深 0.60.9m。粉性土层为潜水层，受大气降水及地表水补给，其水位动态为气象型,地下水对混凝土无侵蚀性。层粉性土、砂土为上海地区第一承压含水层，水位动态相对稳定，该承压水头埋深12。3m。3。2。2 围护结构设计 通过技术与经济比较，基坑围护结构采用地下连

15、续墙方案。(1）设计原则与方法 围护结构计算按一级基坑控制变形;围护结构主要承受土压力荷载及地面超载引起的侧压力,土压力荷载按水土合算计。基坑结构计算图式见图 4;围护结构计算内容包括从基坑开挖到回筑主体结构各主要工况；在使用阶段车站主体结构与围护结构按复合墙理论设计,考虑两者共同承载。(2)计算参数确定 围护结构连续墙厚 800mm，设五道横撑，纵向间距 3m,横撑为609，壁厚 12mm 钢管,基坑中间设一道立柱支承桩。(3)入土深度及整体稳定性分析 围护结构的入土深度主要通过整体稳定性、抗倾覆、抗隆起、抗渗等综合因素确定。车站主体标准段连续墙入土深度 12。65m，经检算，抗倾覆稳定性系

16、数 KP=1.231.2；抗渗安全系数 KS=2.592。0;抗隆起安全系数 KL=2.532.5;围护墙底地基承载力系数 KWZ=3.762.5，均满足要求.3。3 工程实例分析 3。3.1 工程实例 1 该站基坑深度较浅,设计中地层压力采用了水土分算的原则。主要考虑如下因素:(1)该车站所处大部分地层,土的渗透性大，按水土分算较为合理。(2)SMW 围护结构在我国尚属新型围护结构型式,在地铁车站主体结构设计中应用不多，为安全计，采用水土分算原则.(3)SMW 围护结构为有围檩基坑支护体系，考虑围檩的安拆等工序较多，支护效果不如无围檩支护体系，故在计算中可偏于保守一些。水土合算与水土分算（4

17、)SMW 围护结构中 H 型钢可重复利用，因此,保守一点的设计不会给工程投资带来较大影响。3。3。2 工程实例 2 该站基坑深度较深，地层压力采取了水土合算的原则。主要原因如下：(1）该车站所处大部分地层，土的渗透性小,按水土合算较为合理。（2)地下连续墙在我国，尤其是在上海地区应用很多,工艺成熟，施工经验丰富，采用上海地区经验土压力系数法进行计算是适宜的。(3)地下连续墙刚度、强度均较大，安全性好。因此,在有充分依据时，可考虑水土合算原则。（4)地下连续墙围护结构工程造价高,在地铁车站投资中所占比重较大，优化地下连续墙设计对控制工程造价具有重要意义。（5）通过上海地区大量工程类比，认为该站围护结构地层压力采用水土合算原则是安全稳妥的。4 结论 从以上分析可见,水土压力的计算在土工分析中是一个既重要又复杂的问题,水土压力计算模式的选择不仅与工程所处地层性质有关,还与工程本身特点、施工方法、甚至施工季节都有关系；同时也跟工程重要性、社会影响等社会因素有关。因此，水土压力计算模式的选择不能一概而论,而应针对工程的具体情况,结合各方面的因素，多角度、全方位地进行综合分析论证，既要有科学理论作指导，同时还需要有大量工程实践作验证.