基坑支护工程中土压力的计算

基坑支护工程中土压力的计算
[摘要]本文针对基坑支护工程中土压力的计算进行了理论探讨，对经典的朗肯土压力理论和库仑土压力理论“水土合算”与“水土分算”进行了分析。

对给出了工程设计计算中主动土压力区和被动土压力区抗剪强度指标的选取原则。

[关键词]土压力；地下水的影响；抗剪强度指标
中图分类号：tu753 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）23-0138-02
基坑支护工程中，主要的荷载为作用于维护结构上的侧向压力，包括土压力和水压力。

工程中侧向荷载的确定一般是依据经典的朗肯土压力理论和库仑土压力理论，但是经典的朗肯土压力理论和库仑土压力理论是在严格的假设条件下得到的，因此土压力与工程实际中得到的数据是有差别的，本文就此问题进行探讨。

1.0.经典的土压力理论
朗肯—库仑土压力理论距今已有一、二百年的历史，现代随着建设规模的发展和扩大，测量技术和计算技术的迅速发展，人们对土压力的性质和土压力的分布与变化规律也有了更深刻的认识，在一些文献中，人们发表了测试结果与理论计算土压力不符合，有的人甚至怀疑经典的土压力理论。

实际上经典的土压力理论是在严格的假设条件下得到的，实际工程中的工况与经典的土压力理论的假设相去甚远，因此我们需要对经典理论的假设条件有个再认识的过程。

1.1 经典的土压力理论给出的是极限值
应用经典的土压力理论进行支护工程的侧压力计算时，得到的是土压力的极限值，即达到主动极限状态或被动极限状态时的接触压力，在实际工程设计时应对此值除以一个合理的安全系数。

当维护结构处于正常的工作状态时，不可能出现这种极限状态，接触压力不是极限值，此时测得的变形、土压力、孔隙水压力等数值一般不能与经典理论的计算结果相比较。

基坑开挖时作用在维护结构墙面上的是静止土压力，此时土体处于完全弹性状态，基坑开挖后土体处于塑性局部发展的过程中，墙后和墙前的土压力都没有达到极限状态。

1.2.经典的土压力理论只能计算刚性接触面上的土压力
经典土压力理论没有考虑挡墙土身的变形，挡墙是绝对刚性的，只考虑挡墙的平动或转动等刚性位移。

实际基坑支护工程中，排桩式和地下连续墙等板式维护结构都是柔性的，产生比较大的变形，在支撑或锚秆的作用下，维护结构的变形非常复杂，目前尚没有解析的方法计算柔性挡墙与土体的接触压力。

因此实际土压力的分布与经典理论的计算结果有一定的差距。

1.3 经典的土压力理论是在平面应变条件下假设的
经典土压力理论是在平面应变条件下得到的，没有考虑到末端的影响。

实际工程中挡墙总是有限长的，在长边方向的中部比较接近于平面应变条件，但在基坑的转角处与平面应变条件相差较远，存在末端效应。

末端效应对维护结构的影响分为两个方面：（1）由于末端土体的制约作用，使实际土压力小于按平面问题计算的结果，这是对维护结构有利的；（2）基坑端部的纵向土压力与横向土压力的共同作用结果，不利于维护结构的稳定，可能会造成工程隐患。

2.0.土压力计算中地下水的影响
土压力计算过程中地下水对基坑维护结构的侧向荷载影响较大，国内存在着两种不同的观点，即水土合算（按有效应力原理）与水土分算（按总应力法），现论述如下：
1.按有效原理计算
根据有效应力原理计算正常固结粘性土的土压力时，应分别计算土的骨架和孔隙水引起的压力，即水土分算，计算公式如下：（1）
（2）
式中----主动土压力
----被动土压力
----土的有效重度；
----水的重度；
----有效的主动土压力系数，
----有效的被动土压力系数，
-----土的有效内摩擦角。

2.按总应力法
在总应力计算法中，土的强度指标采用固结不排水剪试验成果，
计算中不涉及静水压力问题，为了与有效应力法进行比较，忽略固结不排水剪粘聚力的影响，则水土分算的计算公式如下：
（3）
（4）
在实际工程实际中，习惯采用如下水土合算计算公式：
（5）
（6）
式中为饱和重度，。

将其代入上式得：
（7）
（8）
通过公式推导，比较（3）、（7）式，发现水土合算法中将水压力也乘以一个土压力系数，在砂土中，显然是不正确的；对于粘性土，比较复杂，假设土中水是全部自由的，水压力进行折减也是不合理的；如果粘性土中水不全部是自由的，进行一定折减也是可以接受的。

但从土的抗剪强度理论来分析，水土合算是不合理的。

工程实际中为了避免估算孔隙水压力的强度，将水和土作为一个整体来考虑，不必考虑孔隙水压力的作用机理，实际上是一种带有经验成分的分析方法。

如果考虑到粘性土的固结不排水剪试验指标存在粘聚力，情况更加复杂。

在实际工程设计中采用水土分算时，往往采用简化的方法，即采用有效重度，强度指标采用总应力指标，这种算法物理概念不明确，
但是现有的岩土工程勘察报告，难于给出土的有效指标，这种算法也是勉强可以的。

总应力法内摩擦角虽然小于有效内摩擦角，但是粘聚力较大，可在一定程度上补偿，其结果是相当的。

3.0.主动土压力与被动土压力的计算
3.1 主动土压力
关于主动土压力的计算，国内各规范大多采用朗肯理论计算，在考虑到土中水对侧向压力的作用时，对于砂土或粉土大多采用水土分算的原则，对粘性土采用水土合算的原则。

3.2 被动土压力
被动土压力的计算，国内各规范对与考虑土中水作用的计算方法和抗剪强度指标的规定与主动土压力相同。

但是考虑到主动极限状态与被动极限状态的发挥所需的位移不同，在主动土压力达到极限状态时，被动土压力远远未达到极限状态，因此不可能充分发挥被动土压力，因此需要对被动土压力进行经验调整，乘以一个小于1的调整系数，作为动用土压力。

4.0抗剪强度指标的选取
4.1 主动区强度指标的选取
基坑开挖后，墙前土被挖除，如果维护结构无位移产生，则应力状态不变，作用在支护结构上的土压力是静止土压力。

但是一般情况维护墙总会产生向坑内的位移，在此条件下，认为保持不变，而逐渐降低，直至达到极限平衡状态。

的降低过程实际上就是剪应力增长的过程，对于一般基坑开挖工期较短，对于粘性土，剪应力引
起的孔隙水压力来不及消散，即来不及固结。

这种应力路线和直剪仪固结快剪试验基本上是一致的。

因为实验过程中也是让土样在侧限条件下固结，而在剪切时是接近于不排水的。

因此在计算主动区由于土自重引起的土压力时，采用固结快剪实验或固结不排水剪的实验指标是合理的
固结不排水剪的指标可以用总应力法强度指标、表示，也可以用有效强度指标、表示。

在计算土压力时也有总应力法和有效应力法之分，应注意强度指标与选用的计算方法想匹配。

计算主动区由地面临时荷载而产生的土压力时，墙后的粘性土来不及固结，此时计算时应采用不排水剪或快剪强度指标。

对于砂性土，由于排水固结较快，可以采用慢剪指标或用固结不排水剪经孔隙水压力修正后的、来计算土压力。

4.2 被动区强度指标的选取
墙前被动区土的强度指标一般采用固结快剪或固结不排水剪强
度指标，当采用水土分算计算有效被动土压力时，也要采用有效强度指标，但是目前工程设计中仍然采用固结快剪指标，这是不合理的。

基坑开挖后，墙前被动区土的应力路线与应力历史不同于墙后的主动区。

开挖后，坑底下土体，因上覆压力减小，处于超固结状态，此时土的强度高于正常固结的强度，忽略这种作用时，计算的被动土压力偏小，偏于保守。

超固结作用对无粘性土影响不大，因此当墙前被动区为砂土时，
仍然采用有效内摩擦角。

结束语
本文针对经典土压力理论在基坑支护设计应用中易出现的混淆问题进行了探讨。

沈阳地区中大部分为砂土层，在基坑支护设计计算中应采用水土分算的方法，同时应选取合适的抗剪强度指标。