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 承载能力极限状态 正常使用极限状态； 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 （1）安全系数法、 （2）分项系数法、 （3）容许承载力法。 基坑工程荷载的特殊性 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)的情况。 岩土工程的不确定性 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       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组合，但其分项系数均为1.0。  3.在按承载力计算内支撑立柱的基础面积或按单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的荷载要求分别验算。 土层损失法 杭州地铁湘湖站事故现场  2.基坑工程中土水压力的特点 （1）它所支挡的原状土存在着结构强度，非饱和土的吸力； （2）天然土层在空间的变化很大； （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。 （4）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 （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； （6）施工过程涉及到一个时空效应问题，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。 (８)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。 3. 墙体的位移与土压力-极限状态后的土压力 挡土墙后砂土的液化 4. 土压力分布 太沙基的土压力分布 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。 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 非饱和土的吸力 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，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等； 在饱和黏土中快速开挖，会使墙前坑底土层中卸载而生成负的超静孔压，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 固结不排水（CU)强度指标-应力路径的影响 三轴试验的K0固结与等压减载的固结不排水试验。  考虑墙后负孔压的水土压力分布图  地下水渗流对水土压力的影响 坑内排水对挡土结构物上的水土压力的影响 水、土压力  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，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? 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。 基坑中被动区土的应力路径  在有效自重压力下预固结的不排水强度  某基坑土的强度指标 不排水强度指标 cu 十字板剪切试验在基坑中的应用  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; 多层地下水情况 分算与合算 分算得到的５层土总压力为E=1974ｋＮ/ｍ, 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。 基坑的水土压力复杂性 非饱和土的吸力与强度问题； 原状土的结构性问题； 土水压力的流固耦合问题； 不同应力路径下土的强度和土压力计算问题； 结构变形与土压力荷载间的相互作用问题； 不同工况下土的强度指标选用和试验方法问题等。 所以基坑设计施工中经验的作用是非常重要的。 谢谢！ p q K0 M p? 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 z z? A B p? q a0 a1 a2 a? a? K0 b0 b1 b2 b? b? 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 a0?a1?a2?按原位应力等向固结不排水常规三轴试验； a0?a??a??按开挖后应力等向固结不排水常规三轴试验； a0?ak?按原位应力K0固结不排水常规三轴试验； a0?ac?按有效应力排水三轴试验-超固结土。 ak ac q P p? o M K0 A 总应力路径 B  C D D?? 有效应力路径  A?D(D?) ?A ?C，不应按?1=?z等向固结。 土层④1和⑥2层土的不同试验的强度指

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