水土合算与水土分算

1 水土分算的概念与原理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 挡土墙背竖直 墙面光滑 不计墙面和土层之间的摩擦力 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 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 z Z 1 x K0 Z 2 在朗金主动土压力状态下 最大主应力为 1 Z 最小主应力为 3 Pa Pa Ztg2 45 2 2ctg 45 2 3 在朗金被动土压力状态下 最大主应力为被动土压力 1 Pp 最小主应力为竖向压力 3 Z Pp Ztg2 45 2 2ctg 45 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 2 5 Kp tg2 45 2 6 将式 5 式 6 分别代入式 3 式 4 得 Pa ZKa 2c Ka 7 Pp ZKp 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 内摩擦角 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 pw hw w 9 式中 pw 侧向静水压力的强度值 hw 水头高度 即地下水位到计算点的垂直距离 w 水的重度 在基坑内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 尽管基坑内外存在很大的地下水位差 但不考虑 地下水渗流的影响 于是基坑内 外侧均按静水压力考虑 如图 1 中虚线所示的三角形 考 虑到基坑内外侧 B 点以下到 C 点以上 墙体内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 但不再计入基坑内侧的水压力 该计算图式是有缺陷的 在挡土结构底端 C 点 基 坑内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 且基坑内预先不进 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 基坑内外侧水压力平衡 因此整个水压力图形分为两部分 以墙背面 与基坑内地下水位相等处的 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 w hw 值减去 pw1 计算 即 pw1 ia w hw 10 式中 pw1 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 7 hw H w1 hw1 hw2 hw 基坑内 外侧地下水位之差 hw1 hw2 分别为基坑内 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 w hw减去 pw2 计算 即 pw2 ia w hw1 ip w hw2 11 式中 pw2 基坑开挖面处水压力修正值 ip 基坑内被动区的近似水力坡度 ip 0 7 hw hw2 hw1 hw2 2 水土合算的概念与原理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 ihi Ka 2c Ka 12 Pp ihi Kp 2c Kp 13 式中 Pa 主动土压力强度 Pp 被动土压力强度 i 各层土的天然重度 Ka 主动土压力系数 Ka tg2 45 2 Kp 被动土压力系数 Kp tg2 45 2 c 分别为土的粘聚力和内摩擦角 2 经验系数法 土的物性参数 c 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 某一地区范围内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 上海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 上海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 人工填土 2 灰黄色粘土 3 1 灰色粘质粉土 3 2 灰色砂质粉土 灰 色淤泥质粘土 1 1 灰色粘土 2 灰色砂质粉土 其中 3 1 3 2 及 2 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 3 1 3 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 围护结构计算按二级基坑控制变形 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 围护结构计算内容包括从基坑开挖到回筑主体结构各主要工况 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 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 依据上海市标准 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 上海市某地铁车站基坑工程所处地层从上至下依次为 人工填土 2 灰黄色粉质粘土 18 7kN m3 c 15 0kN m2 22 0 灰色淤泥质粉质粘土 18 1kN m3 c 17 0kN m2 18 4 灰色淤泥质粘土 17 3kN m3 c 17 0kN m2 10 7 1 1 灰色粘土 18 1kN m3 c 19 0kN m2 14 4 暗绿色粘土 20 0kN m3 c 33 0kN m2 19 0 1 1 草 黄色砂质粉土 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 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 层粉性土 砂土为上海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 围护结构计算按一级基坑控制变形 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 围护结构计算内容包括从基坑开挖到回筑主体结构各主要工况 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 609 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 尤其是在上海地区应用很多 工艺成熟 施工经验丰富 采用上海地区经 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