基坑支挡结构上的水土压力清华大学 岩土工程研究所李广信目录1.设计理论与荷载组合；2.基坑工程中土水压力的特点；3.墙体的位移与土压力；4.墙后土压力的计算与分布；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。岩土工程的不确定性基坑工程具有更多的不确定性。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。上海工程建设规范基坑工程设计规范（DG/TJ09-61-2010） RH 抗力分项系数；s作用分项系数，取作用分项系数，取1.01.0；这实际上与安全系数等效；不能将一个随机变量的不确定性，放入另一个随机变量之中；安全系数：包含所有的不确定性。同样数值的安全系数与抗力分项系数所表现的安全度是无法相比的。其中差一个荷载分项系数。（1）它所支挡的原状土，不是重塑土，存在着结构强度，非饱和土的吸力；结构强度，非饱和土的吸力；（2）天然土层在空间的变化很大空间的变化很大；（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。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土压力与挡土结构变形之间的耦合，与刚性挡墙不同，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；应力路径复杂；（6）基坑工程是一个复杂的系统工程：是过程的设计而非简单的状态设计；具有很强的时空效应；时空效应；（7）与地基与其他土工构造物相比，基坑的三维三维效应更为突出：平面上的凸、凹、阳角，两侧不效应更为突出：平面上的凸、凹、阳角，两侧不平衡荷载与边界等使问题进一步复杂化平衡荷载与边界等使问题进一步复杂化。()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；渐进破坏；（9） 经验的不可替代作用。3. 墙体的位移与土压力-极限状态后的土压力-E密砂松砂峰值强度滑动面残余强度滑动面密砂主动土压力的发展极限状态以后的形状密实砂土与强超固结黏土；饱和松土的液化与流滑；高灵敏度黏土；E事故的发生与发展时间变形抗力缓慢发展期缓慢发展期（预警值）快速发展期事故险情正常施工挡土墙后砂土的液化杭州地铁灵敏性土坑内扰动后土体静探锥尖阻力最小值仅为原状土的35%， 事故后勘察的灵敏度地层层序外围土无侧限抗压强度qu/灵敏度St坑外12-1216-16剖面线扰动区无侧限抗压强度qu/灵敏度St坑内土无侧限抗压强度qu/灵敏度St-247.9/6.637.5/4.8-358.2/3.838.4/2.4-151.9/9.140.3/6.445.0/7.5-260.5/11.547.5/8.054.2/8.0-176.0/8.061.2/6.828.5/3.74. 土压力的计算与分布主动土压力与被动土压力；朗肯与库伦土压力理论；任意位移状态下的土压力计算；局部超载下的土压力。朗肯土压力理论（砂土）HKaHz朗肯土压力理论（黏土）z0HKaH2cKazz0HKaH2cKaz无地面超载有地面超载q三角形梯形库伦土压力理论RWE WRE-=+-砂土黏土地面超载q建筑边坡工程技术规范（GB 50330-2002)墙后地面上的局部荷载弹性力学解（布辛尼斯克解）：其他计算方法paqpaqbb1zpaq45bb145土压力的分布不同墙体运动形式的土压力分布(a)绕墙底旋转；(b)平移；( c) 绕墙顶旋转。太沙基的土压力分布砂土软粘土中-硬粘土太沙基土压力分布的说明管路基坑，浅层支撑：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。目前已经有很大不同。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。5.1非饱和土的吸力原状砂土的竖直无支护开挖。5.2 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前坑底土层中卸载而生成负的超静孔压生成负的超静孔压，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墙后土体的小主应力减少，也会在饱和黏土中产生负孔压，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加载瞬时完全固结一段时间以后sat=19kN/m3=30, 各类土的孔压系数A的数值范土类孔压系数 A高灵敏度土0.75-1.5正常固结黏土正常固结黏土0.5-1.00.5-1.0轻超固结黏土0-0.5重超固结黏土-0.5-0(A=2/3)墙后土的应力路径与的负孔隙水压力墙后土的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。pqpMMcu墙后土体的减载应力路径h=30总应力路径有效应力路径取样后的三轴试验K0线墙前土的应力路径的影响zzABpqa0a1a2a aK0b0b1b2bb常规压缩三轴(CU)试验超固结土的强度线q正常固结土的强度线au1.体积不变，其有效应力路径为a0a1a2，b0b1b2, 2.完全排水固结应力路径为a0aa，b0bb ，成为超固结土；3.常规三轴的压缩试验应力路径：aau,bbu。bu考虑墙后负孔压的水土压力分布图 50kPa-5kPa16.6kPa61.6kPa(a)静水压力 (b)超级孔压 (c)主动土压力(d)总压力5m=19kN/m3, c=0kPa,30，B=1.0, A=2/3。地下水渗流对水土压力的影响砂土分算黏性土合算砂土黏性土k=100k=1.0砂土k=100静 水 压力黏性土黏性土k=2砂土k=2000水压力线坑内排水对挡土结构物上的水土压力的影响水压力分布(a)达不透水层(b)均匀水头损失(c)不计渗流(d)开挖很快，非稳定渗流(e)用流网计算水、土压力墙上水土压力计算表计算方法水压力kN土压力kN总压力kN被动侧(左)Ewp主动侧(右) Ewa被动侧(左)Ep主动侧(右) Ea被动侧(左)Ep主动侧(右) Ea方法方法122.3422.679.4460.3201.7882.9方法153.4579.348.6422.5202.01001.8方法153.4579.354.3400.5方法153.4579.3156.3353.5305.0305.0919.5919.5方法：水土合算 ；方法：渗流的平均水力梯度为方法：通过绘制流网确定沿墙壁各点的水力梯度ii，用朗肯土压力理论计算有效土压力 方法：绘制流网，根据库伦土压力理论方法：绘制流网，20，根据库伦土压力理论。 979.8747207.7388 6.土压力计算与土的抗剪强度指标有效应力强度指标对于砂土和碎石土；支护结构延续的时间很长时间很长，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)，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。pqK0Mp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偏低不扰动取样过程在有效自重压力下预固结的不排水强度 qPpoMK0A总应力路径B CDD有效应力路径 AD(D) ：不扰动取样过程；DAC：三轴CU试验；预固结D某基坑土的强度指标土层1和2层土的不同试验的强度指标土层三轴不固结不排水无测限抗压强度十字板试验快剪固结快剪固结不排水cu(kPau qc（kPa）cu（kPa）cqqccqcqccucu211.00.225.34(47.9)28.4(23.71)8.16.1(3.2)15.811.917.19.719.00.424.06(51.9)34.1(32.42)7.18.3(3.3)13.813.617.813.2不排水强度指标 cu土层1和2层土的平均平均不排水强度指标 cu（kPa）在有效自重压力下的预固结不排水强度在有效自重压力下的预固结不排水强度 土层三轴不固结不排水无测限抗压强度十字板试验快剪经预固结后固结快剪经预固结后固结不排水2110.412.317.732.833.631.2十字板剪切试验在基坑中的应用十字板剪切试验在基坑中的应用 zcuba17.基坑水土压力计算的分算与合算采用不固结不排水强度指标，u=0；竖直向下渗流黏性土层：滞水，下部含水层人工降水；分层潜水的隔水层；u=0计算情况对饱和黏性土采用不排水强度u=0计算情况z0不同;(c)太沙基算法(a)水土合算(b)水土分算(e)美国基础工程手册(d)太沙基算法竖直向下渗流考虑越层渗流砂土黏土砂土黏土砂土黏土潜水潜水承压水水压力u主动土压力pah1h2h3h4h5wh10wh3hcwhcw(hc+h5)Pa1=1h1 Ka1pa2上pa2下pa3上pa3下pa4上pa4下pa5上pa5下1.砂层中，可以按静水计算水压力；按浮重度计算土压力；2.对黏土采用简单的水土合算，不计任何水压力，计算总主动压力偏小，尤其对于承压水的上下黏土层。但总的结果是可以接受的。各层土中的水土压力计算表土层层面孔压u(kPa)水力梯度i自重应力z(kPa)主动土压力pa(kPa)分算总压力p(kPa)自重应力z(kPa)黏土的合算p(kPa)砂土上000000 0下3030104040304040黏土上302304.234.234.2601919下012048.348.348.312048.348.3砂土上001204040401204040下301505080801508080黏土上30i4= 1/315063939318077.777.7下5019082.6132.6132.6240117117砂土上50019063.3113.3113.3240130130下8022073.3153.3153.3300180180黏土上8022097.3177.3177.3380176176分算与合算分算得到的层土水土总压力为E=1974/,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，但误差不大。黏土层中的竖向渗流的影响 m 黏土k=110m砂土k=1000砂土k=100010mABCD水压力主被动土压力水土总压力如果黏土按照水土合算，其主动土压力偏小（1608kN1286kN），被动土压力相差较很大(462kN804kN).所以在有承压水的情况下，作为抗力的被动土压力用水土合算可能会高估抗力，造成失事的危险。 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。 目前基坑水土目前基坑水土压力力计算影响因素的分析算影响因素的分析总结影响因素有利因素不利因素原状地基土的结构性及结构强度对于欠固结土使用固结不排水或固结快剪强度指标非饱和土的基质吸力对于地面超载q，使用固结不排水或固结快剪强度指标平面应变情况下土的较高的内摩擦角对于承压水的上下黏土层采用水土合算计算主动土压力基坑平面尺寸的三维拱效应对于有向上渗流的墙前坑底土采用水土合算计算被动土压力墙后土体的小主应力3减小的应力路径，可能产生的负孔压对于振动反复荷载下，地基土可能的损伤，渐进破坏墙前坑底以下土的超固结性：粘聚强度与负孔压在降雨、管道漏水条件下，排水不畅对地基土的损伤和破坏作用坑外人工降低地下水及竖直向下渗流的地下水基坑平面的不规则：阳角、外凸、两侧土质基坑平面的不规则：阳角、外凸、两侧土质及荷载不平衡及荷载不平衡。坑底加固措施9朗肯土压力理论计算主动土压力偏大，被动土压力偏小事故发生地段地下软土层底面深度的等值线NNEEN-N土层断面图 (北距=31651.44m) E-E土层断面图 (东距=31689.06m) 基坑阳角阳角阳角局部浸水基坑工程中尚待解决的岩土工程课题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。墙后土的应力路径pqpMMcu墙后土体的减载应力路径h=30总应力路径有效应力路径取样后的不排水(RTC)三轴试验总应力路径K0线屈服面考虑墙后负孔压的水土压力分布图 50kPa-5kPa16.6kPa61.6kPa(a)静水压力 (b)超级孔压 (c)主动土压力(d)总压力5m=19kN/m3, c=0kPa,30，B=1.0, A=2/3。墙前土的应力路径的影响zzHHzz墙前土的应力路径的影响zzABpqa0a1a2a aK0b0b1b2bb常规压缩三轴(CU)试验超固结土的强度线q正常固结土的强度线au1.体积不变，其有效应力路径为a0a1a2，b0b1b2, 2.完全排水固结应力路径为a0aa，b0bb ，成为超固结土；3.常规三轴的压缩试验应力路径：aau,bbu。bu