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:
①挡土墙背竖直,墙面光滑,不计墙面和土层之间的摩擦力;
②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;
③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处的任意一点的竖向应力和水平应力分别为:
σz= γZ(1)
σx=K0γZ(2)
在朗金主动土压力状态下,最大主应力为σ1=γZ,最小主应力为σ3=Pa,
Pa=γZtg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2)
(3)在朗金被动土压力状态下,最大主应力为被动土压力σ1=Pp,最小主应力为竖向压力σ
3=γZ ,Pp=γZtg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/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°- φ/2) (5)
Kp=tg2(45°+ φ/2) (6)
将式(5)、式(6)分别代入式(3)、式(4)得:
Pa= γZKa-2c Ka(7)
Pp= γZKp+2c Kp(8)
用朗金或库仑理论进行土压力计算时,通常要用到土的物性参数:重度γ、摩擦角φ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:
p w=h wγw(9)
式中p w———侧向静水压力的强度值;
h w———水头高度,即地下水位到计算点的垂直距离;
γw———水的重度。
在基坑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。
(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,尽管基坑外存在很大的地下水位差,但不考虑地下水渗流的影响,于是基坑、外侧均按静水压力考虑(如图1中虚线所示的三角形)。考虑到基坑外侧B点以下到C点以上,墙体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
响,挡土结构底部C点处,基坑外侧水压力平衡,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γwΔhw值减去Δpw1计算,即
Δp w1=iaγwΔh w(10)
式中Δp w1———基坑开挖面处水压力修正值;
ia———基坑外的近似水力坡度,
ia=0.7Δh w H w1+h w1 h w2
Δh w———基坑、外侧地下水位之差;
h w1,h w2———分别为基坑、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γwΔh w减去Δpw2计算,即
Δp w2=iaγwΔh w1+ipγwΔh w2(11)
式中Δp w2———基坑开挖面处水压力修正值;
ip———基坑被动区的近似水力坡度,
ip=0.7Δh w*h w2+h w1*h w2
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),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+∑γihi)Ka-2c Ka(12)
Pp=∑γihi·Kp+2c Kp(13)
式中Pa———主动土压力强度;
Pp———被动土压力强度;
γi———各层土的天然重度;
Ka———主动土压力系数,Ka=tg2(45°-φ/2);
Kp———被动土压力系数,Kp=tg2(45°+φ/2);
c、φ———分别为土的粘聚力和摩擦角。
(2)经验系数法
土的物性参数c、φ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。某一地区围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,地区实测水土压力的总的侧压力系数为0.55～0.75之间;而天津地铁基坑设计过程中,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
市某地铁车站基坑工程所处场区地势平坦,地面高程在3.21～3.46之间。车站穿越地段从上至下依次为:①人工填土;②2灰黄色粘土;②3-1灰色粘质粉土;②3-2灰色砂质粉土;④灰色淤泥质粘土;⑤1-1灰色粘土;⑤2灰色砂质粉土。其中②3-1、②3-2及⑤2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0.5～0.7m。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。②3-1、②3-2为粉性土层,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
①围护结构计算按二级基坑控制变形;
②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;
③围护结构计算容包括从基坑开挖到回筑主体结构各主要工况;
④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;
⑤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;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。
(3)入土深度及整体稳定性分析
依据市标准《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1.82>1.25;抗倾覆安全系数KQ=1.28>1.2;抗渗透安全系数KS=4.32>2.0;抗隆起安全系数KL=3.84>2.5;围护结构地基承载力安全系数
KWZ=3.0>2.5,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
市某地铁车站基坑工程所处地层从上至下依次为:①人工填土;②2灰黄色粉质粘土,γ
=18.7kN/m3,c=15.0kN/m2, =22.0°;③灰色淤泥质粉质粘土,γ=18.1kN/m3,c=17.0kN/m2,
=18.4°;④灰色淤泥质粘土,γ=17.3kN/m3,c=17.0kN/m2, =10.7°;⑤1-1灰色粘土,γ
=18.1kN/m3,c=19.0kN/m2, =14.4°;⑥暗绿色粘土,γ=20.0kN/m3,c=33.0kN/m2, =19.0°;⑦1-1草黄色砂质粉土,γ=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80～100kPa;砂质土层一般为:中密,不均匀,中压缩性。该站主要涉及③、④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。
(2)水文地质
经实测地下水位埋深0.6～0.9m。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。⑦层粉性土、砂土为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续墙方案。
(1)设计原则与方法
①围护结构计算按一级基坑控制变形;
②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;
③围护结构计算容包括从基坑开挖到回筑主体结构各主要工况;
④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Υ609,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,抗倾覆稳定性系数KP=1.23>1.2;抗渗安全系数KS=2.59>2.0;抗隆起安全系数KL=2.53>2.5;围护墙底地基承载力系数KWZ=3.76>2.5,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。
(4)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,尤其是在地区应用很多,工艺成熟,施工经验丰富,采用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。
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: ①挡土墙背竖直,墙面光滑,不计墙面和土层之间的摩擦力; ②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; ③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处的任意一点的竖向应力和水平应力分别为: σz= γZ(1) σx=K0γZ(2) 在朗金主动土压力状态下,最大主应力为σ1=γZ,最小主应力为σ3=Pa, Pa=γZtg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2) (3)在朗金被动土压力状态下,最大主应力为被动土压力σ1=Pp,最小主应力为竖向压力σ 3=γZ ,Pp=γZtg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/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°- φ/2) (5) Kp=tg2(45°+ φ/2) (6) 将式(5)、式(6)分别代入式(3)、式(4)得: Pa= γZKa-2c Ka(7) Pp= γZKp+2c Kp(8) 用朗金或库仑理论进行土压力计算时,通常要用到土的物性参数:重度γ、摩擦角φ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: p w=h wγw(9) 式中p w———侧向静水压力的强度值; h w———水头高度,即地下水位到计算点的垂直距离;
高等土力学思考题与概念题
思考题 第一章： 1． 对于砂土，在以下三轴排水试验中，哪些试验在量测试样体变时应考虑膜嵌入 (membrane penetration)的影响？HC, CTC, CTE, RTC, RTE, 以及平均主应力为常数的TC TE 试验。 2．对于砂土，在常规三轴固结不排水(CU)压缩试验中，围压σ3为常数，其膜嵌入 (membrane penetration)效应对于试验量侧的孔隙水压力有没有影响，为什么？对于常规三轴固结排水试验对于试验有无影响？ 3．对于砂土，在常规三轴固结不排水(CU)压缩试验中，围压σ3为常数，其膜嵌入 (membrane penetration)效应对于试验的不排水强度有没有影响， 4．在周期荷载作用下饱和砂土的动强度τd (或σd )如何表示？定性绘出在同样围压σ3，不同初始固结比σ1/σ3下的动强度曲线。 5．在一定围压下，对小于、等于和大于临界孔隙比e cr 密度条件下的砂土试样进行固结不排水三轴试验时，破坏时的膜嵌入对于量侧的孔隙水压力有何影响？对其固结不排水强度有什么影响（无影响、偏大还是偏小）？ 6．在土工离心模型试验中进行固结试验，如果模型比尺为100，达到同样固结度，模型与原型相比，固结时间为多少？ 7．举出三种土工原位测试的方法，说明其工作原理、得到的指标和用途。 8．对于粗颗粒土料，在室内三轴试验中常用哪些方法模拟？各有什么优缺点？ 9．真三轴试验仪器有什么问题影响试验结果？用改制的真三轴试验仪进行试验，其应力范围有何限制？ 10． 在饱和土三轴试验中，孔压系数A 和B 反映土的什么性质？如何提高孔压系数B ？ 11． 在p, q 坐标、?σ,?τ坐标和在π平面坐标下画出下面几种三轴试验的应力路径（标出应力路径的斜率）。 （1） CTC （常规三轴压缩试验） （2） p ＝常数，b=0.5＝常数，真三轴试验； （3） RTE （减压的三轴伸长试验）。其中： 22)()()(21 3/)(3 13 12 132********σστσσσσσσσσσσσσ－＝＋＝-+-+-=++=q p
水土压力计算示例
4.1 基坑围护墙内、外的土压力、水压力计算 4.1.1主动土压力的计算 按照水土分算原则计算土压力时，可采用总应力抗剪强度指标按下式计算主动土压力。 ()a a i i a K C K h q p 2-+=∑γ 式中，a p ——计算点处的主动土压力强度（kPa ），0≤a p 时，取0=a p ； i γ——计算点以上各土层的重度（kN/m 3） ，地下水位以上取天然重度，地下水位以下取水下重度； i h ——各土层的厚度（m ）； a K ——计算点处土的主动土压力系数，() 245tan 2?-= a K ； C 、?——计算点处土的总应力抗剪强度指标。按三轴固结不排水试验或直剪固结快剪试验峰值强度指标取用。 计算式： ①填土 () 33.021045tan 21=-= a K ; 在水位以上 ()1111112a a a K C K h r q p -''+='; m h 01 ='； ())(6.633.0233.002011Kpa p a =?-?+='； m h 5.01 ='； ())(57.933.00233.05.0182012Kpa p a =?-??+='。 在水位以下 ()111111 112a a a K C K h r h r q p -+''+=； m h 01=； ())(57.933.00233.05.0182011Kpa p a =?-??+=； m h 11=； ())(21.1233.00233.0185.0182012Kpa p a =?-??+?+=。 ②褐黄色粉质粘土 () 49.02045tan 22=-= a K ； ()22222111 122a a a K C K h r h r h r q p -++''+=；
水土分算与水土合算
水土分算和水土合算方法的适用条件 一、计算方法概述 在一般地基基础工程计算中，建筑物的自重以及作用于建筑物上的各种荷载通过基础传给地基。无论是建筑物的自重或是其他竖向活荷载都具有由其自重导出的特点，荷载大小明确，计算与实测结果基本接近。而支护结构的主要荷载是地层中水土的水平压力，水土压力是由定值的竖向水土压力按照一定规律转化为水平压力作用于支护结构上。支护结构荷载与上部结构荷载的根本区别在于它不是仅与土的重量有关，还与土的强度、变形特性和渗透性有关，具有很大的不确定性。由于作用在支护结构上的荷载主要是水平荷载，而这种水平荷载具有间接得出的特点，因此，由水土竖向压力转化为水平压力的计算方法的合理与否直接影响到水平荷载的确定，水平荷载的精确度又直接影响到支护结构内力与变形的计算结果。 目前，工程上常采用的土压力计算方法有朗肯土压力、库仑土压力和各种经验土压力确定方法。在水土分算时，水压力的计算方法有：按静水压力计算的方法、按渗流计算确定水压力分布的方法等。而水土合算时不需单独考虑水压力作用。 关于土压力的各种基本理论、主动土压力和被动土压力形成的条件、各种土的抗剪强度指标试验方法和分类，可参考有关土力学教科书，本处不在详述。二、水土分算和水土合算方法的适用条件 基坑支护工程的土压力、水压力计算，常采用以朗肯土压力理论为基础的计算方法，根据不同的土性和施工条件，分为水土合算和水土分算两种方法。由于水土分算和水土合算的计算结果相差较大，对基坑挡土结构工程造价影响很大，故需要非常慎重的舍取，要根据具体情况合理选择。 地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力应分开计算。水土分算方法概念比较明确。但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对黏性土，水压力取值的难度大，土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标，在实际工程中往往难以解决。因此，在很多情况下黏性土往往采用总应力法计算土压力，即将水压力和土压力混合计算，也有了一定的工程实验经验。
【岩土设计】水土分算和水土合算的学习
水土分算和水土合算的学习 一、计算方法概述 在一般地基基础工程计算中,建筑物的自重以及作用于建筑物上的各种荷载通过基础传给地基.无论是建筑物的自重或是其他竖向活荷载都具有由其自重导出的特点,荷载大小明确,计算与实测结果基本接近.而支护结构的主要荷载是地层中水土的水平压力,水土压力是由定值的竖向水土压力按照一定规律转化为水平压力作用于支护结构上.支护结构荷载与上部结构荷载的根本区别在于它不是仅与土的重量有关,还与土的强度、变形特性和渗透性有关,具有很大的不确定性.由于作用在支护结构上的荷载主要是水平荷载,而这种水平荷载具有间接得出的特点,因此,由水土竖向压力转化为水平压力的计算方法的合理与否直接影响到水平荷载的确定,水平荷载的精确度又直接影响到支护结构内力与变形的计算结果. 目前,工程上常采用的土压力计算方法有朗肯土压力、库仑土压力和各种经验土压力确定方法.在水土分算时,水压力的计算方法有：按静水压力计算的方法、按渗流计算确定水压力分布的方法等.而水土合算时不需单独考虑水压力作用. 关于土压力的各种基本理论、主动土压力和被动土压力形成的条件、各种土的抗剪强度指标试验方法和分类,可参考有关土力学教科书,本处不在详述. 二、水土分算和水土合算方法的适用条件
基坑支护工程的土压力、水压力计算,常采用以朗肯土压力理论为基础的计算方法,根据不同的土性和施工条件,分为水土合算和水土分算两种方法.由于水土分算和水土合算的计算结果相差较大,对基坑挡土结构工程造价影响很大,故需要非常慎重的舍取,要根据具体情况合理选择. 地下水位以下的水压力和土压力,按有效应力原理分析时,水压力与土压力应分开计算.水土分算方法概念比较明确.但是在实际使用中有时还存在一些困难,特别是对黏性土,水压力取值的难度大,土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标,在实际工程中往往难以解决.因此,在很多情况下黏性土往往采用总应力法计算土压力,即将水压力和土压力混合计算,也有了一定的工程实验经验.然而,这种方法亦存在一些问题,可能低估了水压力的作用. （1）水土分算 水土分算是分别计算土压力和水压力,以两者之和为总的侧压力.水土分算适用于土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,一般适用于碎石土和砂土,这些土无黏聚性或弱黏聚性,地下水在土颗粒间容易流动,重力水对土颗粒中产生孔隙水压力.对于砂土、粉性土和粉质黏土等渗透性较好的土层,应该采用水土分算的原则来确定支护结构的侧向压力.侧向土压力通常可按朗肯主动压力和被动压力公式计算.地下水无渗流时,作用于挡土结构上的水压力按静水压力三角形分布计算.地下水有稳定渗流时,作用于挡土结构上的水压力可通过渗流分析计算各点的水压力,或近似地按静水压
水土压力计算示例
4.1 基坑围护墙、外的土压力、水压力计算 4.1.1主动土压力的计算 按照水土分算原则计算土压力时，可采用总应力抗剪强度指标按下式计算主动土压力。 ()a a i i a K C K h q p 2-+=∑γ 式中，a p ——计算点处的主动土压力强度（kPa ），0≤a p 时，取0=a p ； i γ——计算点以上各土层的重度（kN/m 3），地下水位以上取天然重度，地下水位以下取水下重度； i h ——各土层的厚度（m ）； a K ——计算点处土的主动土压力系数，()245tan 2?-=οa K ； C 、?——计算点处土的总应力抗剪强度指标。按三轴固结不排水试验或直剪固结快剪试验峰值强度指标取用。 计算式： ①填土 () 33.021045tan 21=-=οοa K ; 在水位以上 ()1111112a a a K C K h r q p -''+='; m h 01='； ())(6.633.0233.002011Kpa p a =?-?+='； m h 5.01='； ())(57.933.00233.05.0182012Kpa p a =?-??+='。 在水位以下 ()111111 112a a a K C K h r h r q p -+''+=； m h 01=； ())(57.933.00233.05.0182011Kpa p a =?-??+=； m h 11=； ())(21.1233.00233.0185.0182012Kpa p a =?-??+?+=。 ②褐黄色粉质粘土
()49.022045tan 22=-=οοa K ； ()22222111 122a a a K C K h r h r h r q p -++''+=； m h 02=； ()49.018249.0185.0182021?-??+?+=a p )(07.7Kpa -=； m h 5.12=； ()49.018249.05.16.8185.0182022?-??+?+?+=a p )(75.0Kpa -= ； ③淤泥质粉质粘土夹砂 ()74.025.845tan 23=-=οοa K ； ()3333322111 132a a a K C K h r h r h r h r q p -+++''+=； m h 03=； ()74.05.23274.05.16.8185.0182031?-??+?+?+=a p )(49.3Kpa -=； m h 9.43=； ()74.09.48.75.16.8185.0182032??+?+?+?+=a p 74.05.232?- )(41.18Kpa =； ④淤泥质粘土 ()6.023.1445tan 24=-=οοa K ； ()444443322111 142a a a K C K h r h r h r h r h r q p -++++''+=； m h 04=； )9.909.48.75.16.8185.01820(41?+?+?+?+?+=a p 6.01326.0??-? )(69.37Kpa =； m h 9.94=； ()9.979.48.75.16.8185.0182042?+?+?+?+?+=a p 6.08.926.0?-?
水土分算_水土合算
渗透性好的土一般采用水土分算，故对碎石、砂土用水土分算， 而粘性土若按照水土分算，总的水土压力可能偏大，故有实际工程经验时可采用水土合算。 个人认为粉土介于二者之间，若当地并无实际经验，还是建议以分算为宜。 按照有效应力原理分析，水土分算。但粘性土在实际工程中空隙水压力往往难以确定，因此，在许多情况下，往往采用总应力法计算，即水土合算。 对地下水位以下的粉土，砂土，碎石土，由于其渗透性强，地下水对颗粒可形成浮力，故应采用水土分算。水压力可按静水压力计算。 所谓水土分算，其实质就是分别计算水、土压力，以两者之和为总侧压力。计算土压力时用土的浮重度，计算水压力时按全水头的水压力考虑。这一方法适用于土空隙中存在自由水的情况或土的渗透性较好的情况，如：碎石土及砂土。很显然，土体中的水压力与其空隙中的自由水及其渗透性是密切相关的，而碎石土及砂土的渗透性相差非常大，粉、细砂的渗透系数ks一般为1.0m/d左右，卵石层则可高达500m/d，两者相差达数百倍，如此大的差别都统一按全水头的水压力考虑显然是不合适的。工程实践也表明：按水土分算方法计算水压力对于大多数土层来说，其作用都偏大。 所谓水土合算，其实质就是不考虑水压力的作用，认为土空隙中的水都是结合水，没有自由水，因此不形成水压力。土颗粒与其空隙中的结合水是一整体，直接用土的饱和重度计算土体的侧压力即可。显然这一方法在理论上讲仅适用于渗透系数为零的不透水层。然而，完全不透水的土层是不存在的，因此水土合算法仍然是岩土工程界的一个争论问题。持赞同观点者认为：在一些渗透性很差的粘性土层中，水压力几乎为零，再按水土分算法计算水压力会使支护结构的造价大大增加，显然是不合适的；而持反对观点者认为：粘性土虽然渗透性差，但当支护结构本身具有较好的防水性能时（如地连墙结构、有止水帷幕的排桩结构
水土合算、分算之区别
关于水土分算和合算规定不同的原因 问： 在基坑规程JGJ120-99中只要求对碎石、砂土用水土分算，在广州等规程中要求各类土宜按水土分算方法计算侧压力，有经验时，对粘性土、淤泥质土可按水土合算方法计算侧压力。 对这类不同的规定的原因或者依据是什么？ 在设计时怎么执行？ 答： 所谓水土分算，其实质就是分别计算水、土压力，以两者之和为总侧压力。计算土压力时用土的浮重度，计算水压力时按全水头的水压力考虑。这一方法适用于土空隙中存在自由水的情况或土的渗透性较好的情况，如：碎石土及砂土。很显然，土体中的水压力与其空隙中的自由水及其渗透性是密切相关的，而碎石土及砂土的渗透性相差非常大，粉、细砂的渗透系数ks一般为1.0m/d左右，卵石层则可高达500m/d，两者相差达数百倍，如此大的差别都统一按全水头的水压力考虑显然是不合适的。工程实践也表明：按水土分算方法计算水压力对于大多数土层来说，其作用都偏大。 所谓水土合算，其实质就是不考虑水压力的作用，认为土空隙中的水都是结合水，没有自由水，因此不形成水压力。土颗粒与其空隙中的结合水是一整体，直接用土的饱和重度计算土体的侧压力即可。显然这一方法在理论上讲仅适用于渗透系数为零的不透水层。然而，完全不透水的土层是不存在的，因此水土合算法仍然是岩土工程界的一个争论问题。持赞同观点者认为：在一些渗透性很差的粘性土层中，水压力几乎为零，再按水土分算法计算水压力会使支护结构的造价大大增加，显然是不合适的；而持反对观点者认为：粘性土虽然渗透性差，但当支护结构本身具有较好的防水性能时（如地连墙结构、有止水帷幕的排桩结构及复合土钉墙结构），只要假以时日，水压力应该能达到静水压力。完全忽视水压力的作用，可能会造成结构上的工程隐患。 这个问题再简化下，让大家知道其中奥秘主要原因，很多规范或书籍并不给大家秘方，只给结论。 （1）分算、合算取决于工况 对于施工期或短期稳定和计算，一般采用总应力法，即土水合算，来不及排水的情况，采用土的Cu（不排水剪切强度），φ=0；对于长期、远期、永久稳定性和计算问题，考虑有效应力法，即
高等土力学作业
2018级高等土力学作业 1、请用有效应力原理分析一下，为什么填方路基边坡在路基填筑后随时间变化 越来越稳定，而开挖的路堑边坡随时间变化越来越不稳定，由此出现边坡滑塌破坏主要为路堑边坡破坏这一现象。 2、在土压力计算中,当今热议的水土分算法与水土合算法的选择与适用性问题, 谈谈你的看法与认识。 3、为什么对于小型建筑物地基一般是承载力控制；对于大型建筑物地基一般是 沉降控制？ 4、有一个建筑物的地基承载力基本值是120kPa，要求的设计承载力是250kPa， 设计者在原地基上增加了70厘米厚的水泥土垫层（15％水泥与原地基土混合后夯实），经在垫层上的载荷试验得到的承载力已经达到了设计承载力。你对这个设计有什么看法？ 5、简述几种常用弹塑性本构模型的建模特点及适用条件。 6、在地基处理方法中有哪些型式的复合地基桩？说明其适用范围。 7、试用非饱和土原理，分析一下膨胀土边坡易于发生破坏的原因。从破坏原因 分析解决膨胀土边坡破坏的建议方法。 8、在软粘土地基上修建两个大型油罐，一个建成以后分期逐渐灌水，六个月以 后排水加油，另一个建成以后立即将油加满，后一个地基发生破坏，而前一个则安全，为什么会出现这种情况？并绘制二者路基中心处的有效应力路径。 9、周边地下水位较高地区的基坑开挖用板桩墙支护结构，基坑开挖过程中若分 别采用基坑坑内排水或基坑坑外降水两种方案，则开挖过程中，其板桩墙两侧的受力情况及板桩墙的稳定性变化有何不同? 10、你认为砂井地基的排水固结问题可用那些方法进行计算？这几种方法的 主要区别何在？
1、答：对于填方路基边坡在路基填筑过程中，若不计水的排出，填土荷载全部 由孔隙水压力承担，随着填筑的完成，超孔隙水压力不断增大，总应力不断增大，而剪切强度和有效应力保持不变。随着时间的推移，超孔隙水压力不断消散，抗剪强度和有效应力不断增强。因此，边坡稳定性随着时间的推移而逐步增大。对于开挖的路堑边坡随时间的变化，随着时间的推移，土体本身的初始应力释放,有效应力不断减小，边坡稳定性随着时间的推移而逐步降低。 2、答：在水土合算的计算公式中采用总应力指标和和饱和重度计算，但如果将 饱和重度为有效重度与水的重度之和代入公式，水土合算的方法实际上将水压力也乘以土压力系数。对于粘性土，情况比较复杂，从土中水全部是自由水的观点看，水压力打折扣也是不合适的；但如承认粘性土中的水不全部是自由水，则打一定的折扣，也是合适的，这就和粘性土中考虑浮力的方法相似。总之计算土压力时，当地下水面以下，土体如果是粘性土时，计算土压力用水土合算；当地下水面以下土体，如果土体是非粘性土时，计算土压力用水土分算，计算水压力值，此时总压力等于土压力与水压力之和。在土压力计算中，渗透性好的土一般采用水土分算法，故对碎石、砂土采用土水分算；而粘性土若按照土水分算，总土压力可能偏大，故有实际经验时可采用土水合算；个人认为粉土是介于二者之间，若当地并无实际经验还是建议采用水土分算为宜。按照有效应力原理分析，粘性土在实际工程中空隙水压力往往难以确定，因此，在许多情况下，往往采用总应力法计算，即土水合算。 在水土合算的计算公式中采用总应力指标和和饱和重度计算，但如果将饱和重度为有效重度与水的重度之和代入公式，进行比较后发现，水土合算的方法实际上将水压力也乘以土压力系数。在砂土中，这个计算方法显然是不合适的；对于粘性土，情况比较复杂，从土中水全部是自由水的观点看，水压力打折扣也是不合适的；但如承认粘性土中的水不全部是自由水，则打一定的折扣，也是合适的，这就和粘性土中考虑浮力的方法相似。
水土压力计算示例
4.1 基坑围护墙内、外的土压力、水压力计算 4.1.1主动土压力的计算 按照水土分算原则计算土压力时，可采用总应力抗剪强度指标按下式计算主动土压力。 ()a a i i a K C K h q p 2-+=∑γ 式中，a p ——计算点处的主动土压力强度（kPa ），0≤a p 时，取0=a p ； i γ——计算点以上各土层的重度（kN/m 3），地下水位以上取天然重度，地下水位以下取水下重度； i h ——各土层的厚度（m ）； a K ——计算点处土的主动土压力系数，()245tan 2?-=οa K ； C 、?——计算点处土的总应力抗剪强度指标。按三轴固结不排水试验或直剪固结快剪试验峰值强度指标取用。 计算式： ①填土 () 33.021045tan 21=-=οοa K ; 在水位以上 ()1111112a a a K C K h r q p -''+='; m h 01='； ())(6.633.0233.002011Kpa p a =?-?+='； m h 5.01='； ())(57.933.00233.05.0182012Kpa p a =?-??+='。 在水位以下 ()111111 112a a a K C K h r h r q p -+''+=； m h 01=； ())(57.933.00233.05.0182011Kpa p a =?-??+=； m h 11=； ())(21.1233.00233.0185.0182012Kpa p a =?-??+?+=。 ②褐黄色粉质粘土 ()49.022045tan 22=-=οοa K ； ()22222111 122a a a K C K h r h r h r q p -++''+=；
水土分算与合算的研究
1.从经验实用层面上看，计算土压力时一般不考虑开挖引起的孔隙水压力的变化，也不考 虑渗透的作用，“水土分算”是计算全部的静水压力，并用浮重度计算土压力；“水土合算”是采用天然重度或饱和重度计算土压力，不再计算静水压力；从数值来看，前者大于后者，对于粗粒土，用“水土分算”基本没有分歧，主要是对粘性土，争议非常大； 水土分算和水土合算方法的适用条件 基坑支护工程的土压力、水压力计算，常采用以朗肯土压力理论为基础的计算方法，根据不同的土性和施工条件，分为水土合算和水土分算两种方法。由于水土分算和水土合算的计算结果相差较大，对基坑挡土结构工程造价影响很大，故需要非常慎重的舍取，要根据具体情况合理选择。 地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力应分开计算。水土分算方法概念比较明确。但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对黏性土，水压力取值的难度大，土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标，在实际工程中往往难以解决。因此，在很多情况下黏性土往往采用总应力法计算土压力，即将水压力和土压力混合计算，也有了一定的工程实验经验。然而，这种方法亦存在一些问题，可能低估了水压力的作用。 (1) 水土分算 水土分算是分别计算土压力和水压力，以两者之和为总的侧压力。水土分算适用于土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，一般适用于碎石土和砂土，这些土无黏聚性或弱黏聚性，地下水在土颗粒间容易流动，重力水对土颗粒中产生孔隙水压力。对于砂土、粉性土和粉质黏土等渗透性较好的土层，应该采用水土分算的原则来确定支护结构的侧向压力。侧向土压力通常可按朗肯主动压力和被动压力公式计算。地下水无渗流时，作用于挡土结构上的水压力按静水压力三角形分布计算。地下水有稳定渗流时，作用于挡土结构上的水压力可通过渗流分析计算各点的水压力，或近似地按静水压力计算，水位以下的土的重度以下的土的重度应采用浮重度，土的抗剪强度指标宜取有效抗剪强度指标。 (2)水土合算 地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力应分开计算。水土分算方法概念比较明确，但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对黏性土，水压力取值的难度大，土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标，在实际工程中往往难以解决。因此，在很多情况下黏性土往往采用总应力法计算土压力，也有了一定的工程实践经验。水土合算是将土和土孔隙中的水看做同一分析对象，适用于不透水和弱透水的黏土、粉质黏土和粉土。通过现场测试资料的分析，黏性土中实测的水压力往往达不到静水压力值，可认为土孔隙中的水主要是结合水，不是自由的重力水，因此它不易自由流动而不单独考虑静水压力。因为将土粒与孔隙水看作一个整体，直接用土的饱和重度和总应力抗剪强度指标计算侧压力。然而，黏性土并不是完全理想的不透水层，因此在黏性土层尤其是粉土中，采用水土合算方法只是一种近似方法。这种方法亦存在一些问题，可能低估了水压力的作用。 (二) 有关规范规程关于土压力计算的规定 1) 根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJl20—99)规定，对于作用于支护结构上的水平荷载标准值应按当地可靠经验确定，当缺少经验时，可按下列规定计算： (1)对碎石土、砂土等无黏性土按水土分算原则进行计算。在地下水位以下，作用于支护结构的侧压力，等于土压力与静水压力之和。土压力计算采用浮重度γ/，和有效应力抗剪强度指标c/和φ/计算。