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专业文献综述题 目: 基坑支护结构上水土压力分算与合算 的结果差异与适用范围研究综述 姓 名: 周攀 学 院: 工学院 专 业: 工程管理 班 级: 工程管理03 学 号: 31410318 指导教师: 高新南 职称: 讲师 2014年 3月 6 日南京农业大学教务处制基坑支护结构上水土压力分算与合算的结果差异与适用范围研究综述 作者：周攀 指导教师：高新南摘要：在基坑支护工程中支护结构主要受两种力的作用：一为水压力；另一个为土压力。然而对于水土压力的计算这一关键性问题,目前工程界的认识还不一致。合理计算作用于支护结构上的荷载大小是基坑工程设计的核心内容之一，也是事关基坑工程安全性及投资合理性的重要前提。本文在综合国内外研究现状的基础上，介绍了各个学者及研究机构对于水土分算合算方法的结果差异与适用范围的研究。通过综述相关学者的研究，发现对于水土分算水土合算具体计算方法仍争议颇多，水土分算合算的适用范围也不能统一意见。关键词： 水土分算；水土合算；适用范围 Experimental Study on the Parameter sensitivity in the Design of Deep Foundation Pit Supporting Structure Name: Zhou Pan Tutor: Gao Xin-nanAbstract：Water and earth pressures are important on the supporting structure around afoundation pit.But there are different views in geoteehnique field about estimating the water andearth pressures.Calculating the value of load on the bracing structure rationally is one of the keycontents of designing the foundation pit,as well as the important premise of safety andinvestment rationality of foundation pit.In this paper, based on current research at home and abroad, introduceing the research on water is worthwhile differences in the results of the methods and scope of application of various scholars and research institutions.Through the review of relevant scholars, found in soil is soil economical calculating methods are still controversial, water is applicable range of cost-effective cannot agree.key words: estimating water and earth pressures separately;estimating water and earth pressures together;scope of application 0 引言随着目前大量高层、超高层建筑的兴建以及城市地下空间的开发，支护挡土墙结构及地下连续墙结构越来越广泛地被应用，相应地，支护结构上的水土压力的计算也越来越多地被重视和讨论。基坑工程数量、规模的急剧增加，水土压力的计算是选择分算法还是合算法，各方一致存在争议。一方面，计算方法选择错误使得基坑事故频频出现。另一方面，由于保守设计使得在基坑中的投资过大。这些都造成了严重的经济损失，引起了岩土工程界各方面的重视。 1 水土压力的影响因素基坑支护工程上水土压力的计算不仅涉及岩土工程理论,也涉及结构工程理论，其中所涉及的岩土工程理论不仅包含典型的强度与稳定问题，还包含了变形问题以及土体与结构的共同作用问题，如支护结构的土压力分布就是一个相当复杂的问题，它与水、土力学参数和支护体水平位移有关，而水、土力学参数具有较大的不确定性和离散性，支护体水平位移又与支护体系中的墙体刚度，支撑的刚度和位置、土体作用、土体开挖的方式和开挖速度等因素有关。李广信1就原状土深基坑支护结构上实测土压力远小于经典土压力理论计算值这一情况进行了分析，并得出：基坑支护上的水土压力的大小受诸多因素的影响：土的微观结构、应力历史和应力路径、孔隙水压力特征以及基坑的边界条件。2 水土压力的计算方法基坑支护结构承受的侧向荷载主要包括土压力、水压力，其他一些荷载如周边建筑物的垂向荷载、施工荷载等也都是通过水、土体以侧压力的形式作用于支护结构上，因此水、土压力的计算是支护结构荷载取值的关键。基坑支护结构设计阶段，首先要确定的就是水、土压力，它是支护结构安全稳定的关键。合理计算作用于支护结构上的荷载大小是基坑支护工程的核心内容之一，也是事关基坑工程安全性及投资合理性的重要前提。对于这一关键性问题，学术界及工程界的认识并不统一，紧紧围绕“水土分算”及“水土合算”问题而展开的学术讨论非常激烈，这一问题涉及到经典土压力计算理论的适用性、水土压力共同作用机理、土中孔隙水压力的作用方式、水土压力计算时强度指标的合理选择等方方面面。“水土分算”在于有效应力原理，理论上是完备的，但计算结果与实测值间存在较大差异，且计算指标不好获取；“水土合算”的计算结果更接近于实测值，但存在明显的理论缺陷。2.1 固结理论阶段 建立三维固结理论要考虑土体三个方向的排水和变形。太沙基固结理论只在一维情况下是准确的，对二三维都不够准确。太沙基固结理论的重大局限在于假定固结过程中土体的总应力分布不变。荷载不可能瞬时施加，实际情况是往往具有一定的加荷历史，固结过程中土体的应力分布在不断变化，因而常被称为准三维（拟三维）固结理论。 Biot（比奥）21840年从连续介质的基本方程出发，推到能准确反映空隙压力消散与土体骨架变形相互关系的三维固结方程，建立了Biot固结理论，一般称为真三维固结理论。 Biot理论直接从弹性理论出发，满足土体的平衡条件、弹性应力应变关系和变形协调条件，此外还考虑了水流连续条件，在理论上较准三维理论严格，但求解复杂。只有几种情况能获得精确解，故它多用于有限元的计算中。2.2 有限元分析阶段Finno3在Biot固结理论的基础上，利用有限元分析方法，建立了渗流和固结变形的耦合分析模式，分析了基坑开挖的渗流问题。Borja4新建了分线性有限元程序，采用固结变形耦合分析，分析了基坑开挖中的渗流问题，且得出：地下水渗流作用对基坑水土压力值影响明显，特别是在坑角附近处，由于渗流力相对集中，土体发生屈服，塑性变形增加，土压力发生变化。2.3 进一步完善阶段 王洪新5进一步完善了水土压力计算公式，新建了一个水压力比率，将土的界限含水量、孔隙比等物理参量加入到水土压力计算公式中，并且有效应力强度指标和总应力强度指标也被统一放入一个强度公式中。在此基础上更是提出了一个水土分算和水土合算的新算法，将水土分算与水土合算两者计算结果实现过渡，这为解决两者结果对比提供了一个新思路，同时还猜测水土压力的计算与土的孔隙比或许直接相关。 靳雪梅等6认为在软土地区，使用经典理论计算出的水土压力值较实测值出入较大，通过对基坑开挖整个过程的跟踪测试，推导出新的土压力系数公式，并得出：(1)粘性土使用有效应力原理计算土压力会更合理；(2)软体地区计算土压力时应使用水土分算法。3 结合工程实例的研究 基坑支护上水土压力的计算公式来源多是通过工程实例总结而来，通过对比计算结果与工程实测结果差异，可以反过来验证公式的可靠性，进一步完善公式，提高公式的实际应用性。 刘国彬、黄院雄等7监测了一地铁车站基坑工程施工过程中，其孔隙水压力随时间、工况变化的规律，并且发现孔隙水压力的实测值与静水压力的理论计算值之间存在较大出入，孔隙水压力实测值要低于静水压力的理论值，分析了问题出现的原因及解决办法。 张克意等8监测了江苏润杨长江大桥北锚锭段的基坑工程在各种工况下孔隙水压力的变化，并得出砂土和弱透水性的粘性土都能传递静水压力。王春波和丁文其9监测了上海一地铁车站超深基坑地下连续墙的外侧孔隙水压力，并且得出：当支护结构在隔水层上施工时，支护结构上的水土压力应该采用水土分算法计算，其中的水压力采用静水压力。 赵明华等10通过对多种渗透性不同的土壤试样进行水土压力实测试验，并且得出：水土压力合算方法适用于粘性土和粉质粘性土的浅层；孔隙水压力与渗透性大小成正比；水土压力合算方法适用于土渗透性低的情况下。4 水土压力分算合算的适用范围 对于考虑渗流条件影响条件下和不考虑渗流影响条件下，水土压力的计算采用水土分算方法还是水土合算方法一直是学术界和工程界有争论的问题。 魏汝龙11总结了目前水土合算方法被广泛应用的主要原因：(1)国内各研究机构由于资金不足、历史遗留等原因并没有广泛使用三轴设备，无法进行有效应力强度的测试；(2)在弱渗透性粘性土中，水压力对支护结构的影响在短时间内并不大，导致部分人认为有效应力原理不能应用在这类粘性土上；(3)在粘性土不排水时，土体在剪力作用产生超静孔隙水压力，由于这部分水压力不易正确测量和计算，因此最好采用总应力法。魏汝龙就上述观点提出了自己的看法，并且验证了用总应力强度指标进行水土分算的合理性，建议采用有效容重和固结不排水总应力强度指标计算土压力，水压力为全部静水压力的水土压力计算方法。杨晓军、龚晓南12在总结大量文献的基础上，得出结论：(1)水土合算并没有可靠的理论依据，其只是一种经验方法；(2)基坑支护上的土压力应该使用总应力强度指标进行水土分算计算；(3)建议在以抗剪强度指标的计算中加入对超静水压力的影响的考虑，使用以卸载强度为指标的计算中应分开考虑静水压力的影响。 陈国兴和韩爱民13对于基坑支护结构上土压力计算提出了多条建议，还对土的渗透性的进行了分析，分别用水土分算和水土合算方法对一处主要为粉质土的土层进行了水土压力计算。并且得出结论：水土压力分算方法比较适合于砂土、粉土、粉质粘土和重粉质粘土；而水土合算方法比较适合于粘土。赵明华等10通过对多种渗透性不同的土壤试样进行水土压力实测试验，并且得出结论：水土压力合算方法适用于粘性土和粉质粘性土的浅层；孔隙水压力与渗透性大小成正比；水土压力合算方法适用于土渗透性低的情况下。张飞和李镜培14认为地下水渗流影响了深基坑围护墙上的水土压力分布，基于这种认识，总结了基坑围护墙上水土压力的计算方法，采用岩土工程有限元分析方法，通过渗流-应变耦合机理来计算渗流条件下的水土压力，结合工程案例，分别用传统水土压力计算方法和有限元计算方法计算，将二者结果与工程实测土压力数值进行比较。并且得出结论：(1)对深基坑围护墙上水土压力进行计算时，如果基坑周围土层为分土层时，应考虑水头损失和渗透力，这样才能更好的反映各个土层对水压力和土压力的影响，进一步优化基坑设计条件；(2)粉质粘土和粘土在计算墙后水土压力值时用水土压力合算法比较适合，不适合计算墙前水土压力；(3)考虑基坑土体的流-固耦合效应时，可以使用岩土有限元PLAXIS程序。在计算深基坑围护墙上的水土压力时，考虑地下水渗流边界和围护墙结构变形，所计算出来水土合算的值与实测值更加接近。5. 结 语： 对基坑支护工程进行受力分析是如今在地基基础的设计和地下工程开挖过程中的一个重要课题，它已随着地下构筑物的深度和覆盖面积的日趋增大而变得越来越重要只有在保证设计计算的水压力和土压力的值与实际受力情况大致相符，才能有的放矢地进行基坑支护结构的设计，从而在满足安全要求的前提下，尽可能地减少工程造价。因此，一方面，要明确一条水土分算合算合理的计算方法，另一方面，要明确水土分算合算各自的适用范围。参考文献：1李广信.基坑支护结构上水土压力的分算与合算J.岩土工程学报，2000，20(3)：348-352.2Biot M A.General theory of three-dimensional consolidationJ. Joumal of Applied Physics,1941,12（2）：155-164.3Finno,R.J. and Harahap,I.S.Finite element analysis of HDR-4 excavationJ.Geotech.Engrg, ASCE.2001,18(1):185一187.4Borja.Analysis of excavation with coupled finite element formulationsJ. Engineering Geology, 2002,66(20):65-78.5王洪新.水土压力分算与合算的统一算法J.岩石力学与工程学报，2011，30(5)：1057-1064.6靳雪梅等.作用在柔性支护结构上的水