《擋土結(jié)構(gòu)與基坑工程》第二章土壓力理論培訓(xùn)

擋土結(jié)構(gòu)與基坑工程

木林隆博士巖土大樓820室65982005第二講土壓力理論概述基坑工程中土壓力計(jì)算原理土壓力的分算與合算幾種特殊情況下的土壓力概述靜止土壓力：若擋墻在土壓力作用下墻本身不發(fā)生變形和任何位移（移動(dòng)或滑動(dòng)），墻后填土處于彈性平衡狀態(tài)，則此時(shí)作用在擋墻上的土壓力成為靜止土壓力。以E0表示。E0主動(dòng)土壓力：若擋墻在墻后土壓力作用下向前位移時(shí)隨位移增大，墻后土壓力漸減小。當(dāng)位移達(dá)某一數(shù)值時(shí)，土體內(nèi)出現(xiàn)滑裂面，墻后土達(dá)極限平衡狀態(tài)，此時(shí)土壓力稱為主動(dòng)土壓力，以Ea表示。Ea-Δ滑裂面被動(dòng)土壓力：若擋墻在外力作用下墻向墻背向移動(dòng)，隨位移增大，墻所受土的反作用力漸增大，當(dāng)位移達(dá)一定數(shù)值時(shí)，土體內(nèi)出現(xiàn)滑裂面，墻后土處被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，此時(shí)土壓力稱為被動(dòng)土壓力，以Ep表示。+Δ外力Ep滑裂面土壓力類型古典土壓力理論經(jīng)典土壓力計(jì)算理論主要有朗肯理論和庫(kù)侖理論，后者已有200多年的歷史，前者也有100多年，均稱古典土壓力理論。它們都是按極限平衡條件導(dǎo)出的。在許多文獻(xiàn)中，人們不斷地發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)的結(jié)果與理論不符，也經(jīng)常聽到對(duì)經(jīng)典土壓力理論的批評(píng)。但是經(jīng)典的土壓力理論依然是實(shí)用計(jì)算公式的基本形式，許多關(guān)于土壓力計(jì)算的討論常常是環(huán)繞著如何修正經(jīng)典公式來開展的，經(jīng)典公式的局限性是明顯的，但至今尚沒有看到超越他們的新的理論公式問世。概述庫(kù)侖土壓力理論庫(kù)侖理論假設(shè)土的粘聚力為零；優(yōu)點(diǎn)是考慮了墻與土體間的摩擦力作用，并能考慮地面及墻面為傾斜面的情況；缺點(diǎn)是對(duì)于粘性土必須采用等代摩擦角，即取粘聚力c＝0而相應(yīng)增大土的內(nèi)摩擦角值；等代內(nèi)摩擦角與許多因素有關(guān),隨意等代，誤差較大。對(duì)于層狀土尚要簡(jiǎn)化等代為均質(zhì)土才能計(jì)算。此外，當(dāng)有地下水，特別是有滲流效應(yīng)時(shí)，庫(kù)侖理論是不適用的。概述朗肯土壓力理論朗肯理論不論砂土或粘性土、均質(zhì)土或?qū)訝钔辆蛇m用，也適用于有地下水及滲流效應(yīng)的情況。它假設(shè)地面為水平，墻面為豎直，符合深基坑工程情況。假設(shè)墻與土體之間不存在摩擦力，使計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大，被動(dòng)土壓力偏小，因此它的計(jì)算結(jié)果是偏于保守的。也正因?yàn)檫@個(gè)原因，故在等值梁法中，采用了將被動(dòng)土壓力加以提高修正的計(jì)算方法。概述經(jīng)典土壓力評(píng)述經(jīng)典的土壓力理論并不能解決我們所面臨的所有技術(shù)問題，它只給出了某些特定條件下的結(jié)果；

經(jīng)典土壓力理論給出的是極限值；

經(jīng)典土壓力理論只能計(jì)算剛性界面上的接觸壓力：即將擋墻作為完全剛性的，只考慮擋墻的平移或轉(zhuǎn)動(dòng)等剛性位移。

經(jīng)典土壓力理論是在平面應(yīng)變條件下的解答：實(shí)際的工程條件總是有限長(zhǎng)的，使實(shí)際土壓力小于按平面問題計(jì)算的結(jié)果。

概述圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式基坑工程中土壓力計(jì)算原理擋土墻位移墻后土壓力與位移的關(guān)系作用在墻后的靜止土壓力，因墻前移而減少，隨著位移的增大，土壓力將逐漸降低，當(dāng)墻后土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，土壓力達(dá)到一個(gè)最小值，此時(shí)的土壓力稱為主動(dòng)土壓力。如果墻后土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)后，位移仍繼續(xù)增大至某一定值，則土體的抗剪強(qiáng)度將自峰值強(qiáng)度降至殘余強(qiáng)度，對(duì)于粘性土，強(qiáng)度降低十分顯著，因此此時(shí)的土壓力又將增大?；庸こ讨型翂毫τ?jì)算原理剛性擋土墻土壓力與位移基坑工程中土壓力計(jì)算原理土類應(yīng)力狀態(tài)位移型式所需位移砂土主動(dòng)平移或繞基底轉(zhuǎn)動(dòng)0.001H被動(dòng)平移0.05H被動(dòng)繞基底轉(zhuǎn)動(dòng)0.1H粘土主動(dòng)平移或繞基底轉(zhuǎn)動(dòng)0.004H被動(dòng)——注：表中H為墻高。(引自H?F?溫特科恩、方曉陽《基礎(chǔ)工程手冊(cè)》)剛性擋土墻產(chǎn)生主動(dòng)和被動(dòng)土壓力所需的墻頂位移剛性擋土墻土壓力與位移基坑工程中土壓力計(jì)算原理發(fā)揮土壓力所需的位移值規(guī)范名稱主動(dòng)土壓力被動(dòng)土壓力水平位移轉(zhuǎn)動(dòng)水平位移轉(zhuǎn)動(dòng)歐洲規(guī)范第7卷基礎(chǔ)工程0.001H0.0020.05D0.100.0050.02加拿大巖土工程手冊(cè)密實(shí)砂土0.0010.02松散砂土0.0040.06堅(jiān)硬粘性土0.0100.02松軟粘性土0.0200.04土壓力試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果該圖表明，當(dāng)墻身繞墻底轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)測(cè)土壓力的數(shù)據(jù)隨深度增大，并接近于直線分布；基坑工程中土壓力計(jì)算原理土壓力試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果該圖所示，當(dāng)墻身平移或繞墻頂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力的分布與直線分布偏離比較大，其分布特點(diǎn)是墻身上部大于理論值，下部小于理論值。同時(shí)還可以看出，當(dāng)墻底部繞墻頂?shù)奈灰屏颗c平移量相等時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的總土壓力大于平移的土壓力，且平移時(shí)更偏離于理論值?；庸こ讨型翂毫τ?jì)算原理土壓力試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果該圖說明當(dāng)墻身的高寬比為1時(shí)，實(shí)測(cè)土壓力隨深度增加而增大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在理論分布線兩側(cè)波動(dòng)，靜止條件下的實(shí)測(cè)土壓力最大，隨著位移的增大，土壓力減小。基坑工程中土壓力計(jì)算原理土壓力試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果該圖為墻身的高寬比為1.5時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果，分布曲線偏離理論直線比較大，在墻的上半部實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力值大于庫(kù)侖理論值，下部則相反，出現(xiàn)在工程實(shí)測(cè)時(shí)通常出現(xiàn)的R形分布?；庸こ讨型翂毫τ?jì)算原理土壓力試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果該圖是五種不同的寬高比(0.5,0.6,1.0,1.5,2.0)的墻體試驗(yàn)結(jié)果，說明墻身剛度越小，實(shí)測(cè)的主動(dòng)土壓力分布越偏離庫(kù)侖理論值?；庸こ讨型翂毫τ?jì)算原理土壓力試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果墻后主動(dòng)土壓力沿深度并不完全符合直線，而是呈近似的R形分布，即在淺層呈線性，在一定的深度以下土壓力變小，如圖所示。對(duì)于墻后主動(dòng)土壓力沿深度并不完全符合直線分布的原因，還不能解釋得非常清楚，盡管意見并不一致，但都接受了這一觀測(cè)到的客觀事實(shí)?；庸こ讨型翂毫τ?jì)算原理土壓力分布在實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了各種經(jīng)驗(yàn)分布的圖式，如圖所示。圖(a)所示的呈直線分布的土壓力經(jīng)驗(yàn)分布適用于水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)或懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻頂位移大于墻底位移的情況；圖(b)所示的土壓力在基坑開挖面以上隨深度增加呈線性增大，在開挖面以下為常量分布，墻前被動(dòng)區(qū)未達(dá)到極限被動(dòng)土壓力，按經(jīng)驗(yàn)的動(dòng)用土壓力計(jì)算。這種模式適用于有支撐的板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。墻身的側(cè)向位移呈頂、底兩端小，中部開挖面附近大的特征，動(dòng)用的被動(dòng)側(cè)土壓力常用側(cè)向彈性地基反力法計(jì)算；圖(c)所示的是具有拉錨的板樁墻，在板樁墻底端以上有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)以下在墻的外側(cè)出現(xiàn)被動(dòng)土壓力?；庸こ讨型翂毫τ?jì)算原理土壓力分布⑴懸臂無支撐擋墻，其壓力分布為主動(dòng)土壓力，是三角形分布，被動(dòng)土壓力也是三角形分布。被動(dòng)土壓力主動(dòng)土壓力⑵多支撐或多拉錨的擋墻背面上的土壓力分布圖形砂土為梯形，粘土土壓力分布圖是稍復(fù)雜的三角形。TEa1Ea2EP基坑工程中土壓力計(jì)算原理土壓力計(jì)算參數(shù)

不同深度處土的內(nèi)聚力C不是一個(gè)常數(shù)，它與土的上覆荷重有關(guān)，一般隨深度的加大而增大，對(duì)于暴露時(shí)間長(zhǎng)的基坑，土的內(nèi)聚力可由于土體含水量的變化和氧化等因素的影響而減小甚至消失。φ、C值是計(jì)算側(cè)向土壓力的主要參數(shù)，但在工程樁打設(shè)前后的φ、C值是不同的。在粘性土中打設(shè)工程樁時(shí)，產(chǎn)生擠土現(xiàn)象，孔隙水壓力急劇升高，對(duì)φ、C值產(chǎn)生影響?；庸こ讨型翂毫τ?jì)算原理不同三試驗(yàn)三指標(biāo)三的影三響開挖三卸荷三使擋墻三前后三的土三層處三于不三同的三應(yīng)力三歷史三狀態(tài)，通三常在三計(jì)算三墻前三被動(dòng)三土壓三力和三墻后三主動(dòng)三土壓三力時(shí)三采用三相同三的抗三剪強(qiáng)三度指三標(biāo)，三忽略三了不三同應(yīng)三力歷三史對(duì)三抗剪三強(qiáng)度三指標(biāo)三的影三響。三現(xiàn)有三的總?cè)龖?yīng)力三和有三效應(yīng)三力強(qiáng)三度理三論都三不能三考慮三應(yīng)力三歷史三的影三響。在基三坑開三挖時(shí)三，墻三后土三體豎三向的三自重三應(yīng)力三保持三不變?nèi)?，隨三著開三挖深三度增三加，三水平三應(yīng)力三逐步三減小三，直三至主三動(dòng)土三壓力三狀態(tài)三。這三個(gè)變?nèi)^三程在三三軸三儀上三，采三用三軸三壓縮的方三法來三確定三（保三持軸三向壓三力不三變而三減少三側(cè)壓三力，三直至三試樣三破壞三）；三在基三坑底三面以三下的三土層三，基三坑開三挖引三起豎三向應(yīng)三力減三小，三由于三圍護(hù)三結(jié)構(gòu)三的擠三壓，三水平三應(yīng)力三增大三，這三可以三采用三軸三拉伸的方三法來三確定三（軸三壓減三小的三同時(shí)三增大三側(cè)壓三）。基坑三工程三中土三壓力三計(jì)算三原理靜止三土壓三力系三數(shù)由于K0是水三平向三有效三壓應(yīng)三力與三豎向三有效三壓應(yīng)三力之三比，三又因三它是三在側(cè)三向無三位移三條件三下的三壓應(yīng)三力，三故稱三有效三靜止三土壓三力，三其中三不包三括水三壓力三。正三因?yàn)槿@個(gè)三緣故三，故K0大多三在0.三5左右三，這三個(gè)概三念必三須弄三清，三不可三混淆三。基坑三工程三中土三壓力三計(jì)算三原理砂性三土K0＝1－si三n’粘性三土K0＝0.三95－si三n’K0僅為’三的函數(shù)三，靜三止土三壓力三系數(shù)三值變?nèi)⑷淮笕?。三一般三砂土?30三°~三40三°；粘三性土’=20三°三~3三5三°。靜止土壓力系數(shù)土的類別液限wL%塑性指數(shù)IpK0飽和松砂--0.46飽和密砂--0.36干的密砂--0.49干的松砂--0.64壓實(shí)的殘積粘土-90.42壓實(shí)的殘積粘土-310.66原狀的有機(jī)質(zhì)淤泥質(zhì)粘土74450.57原狀高嶺土61230.64~0.70原狀的海相粘土37160.48靈敏粘土34300.52ABCEHF不考三慮滲三流情三況土壓三力的三分算三與合三算ABCDEF有穩(wěn)三態(tài)滲三流時(shí)一般三按靜三水壓三力考三慮水壓三力滲流三效應(yīng)三的三三點(diǎn)說三明滲流三效應(yīng)三有兩三個(gè)方三面；三一方三面使三作用三在圍三護(hù)墻三后的三水壓三力減三小使三墻前三的水三壓力三增大三，這三是有三利的三；另三一方三面，三水在三土三中滲三流時(shí)三將對(duì)三土的三顆粒三骨架三產(chǎn)生三滲透三力，三在墻三后，三滲透三力基三本上三沿豎三向而三下，三使豎三向的三土自三重應(yīng)三力增三大，三因而三也就三增大三了墻三后的三土壓三力；三在墻三前，三滲透三力基三本上三是向三上的三，使三豎向三的土三自重三應(yīng)力三減小三，因三而墻三前的三土壓三力將三減小三，這三些又三都是三不利三的。滲流三效應(yīng)三對(duì)有三效土三壓力三的影三響只三能在三土壓三力的三計(jì)算三中來三研究三。滲三流效三應(yīng)對(duì)三水壓三力的三影響三大于三對(duì)有三效土三壓力三的影三響。三總的三說來三，考三慮滲三流效三應(yīng)是三有利三的。如何三確定三墻后三與墻三前的三水位三：由三于基三坑設(shè)三計(jì)應(yīng)三從最三不利三條件三出發(fā)三。例三如基三坑施三工時(shí)三期，三一般三應(yīng)考三慮到三暴雨三的可三能性三，故三對(duì)于三墻后三水位三，以三工程三勘察三為依三據(jù)，三坑內(nèi)三水位三即使三采取三降水三方案三，要三求降三水達(dá)三到坑三底以三下0.三5~三1.三0m，但三計(jì)算三中仍三宜取三與坑三底齊三平?？紤]三滲流三的墻三后水三壓力三計(jì)算流網(wǎng)三法圍護(hù)三墻上三的水三壓力考慮三滲流三的墻三后水三壓力三計(jì)算本特-漢森三法考慮三滲流三的墻三后水三壓力三計(jì)算經(jīng)驗(yàn)三法水壓三力和三土壓三力水壓三力和三土壓三力的三分算三或合三算，三目前三均采三用。一般三情況三下，三由于三粘性三土中三水主三要是三結(jié)合三水，三宜合三算;在砂三性土三中土三顆粒三之間三的孔三隙中三充滿三的是三自由三水，三受重三力作三用，三為靜三水壓三力作三用，三宜分三算。合算三時(shí)，三地下三水位三以下三土的三重力三密度三采用三飽和三重力三密度三；分算三時(shí)，三地下三水位三以下三土的三重力三密度三采用三浮重三力密三度；另外三單獨(dú)三計(jì)算三靜水三壓力三，按三三角三形分三布考三慮。土壓三力的三分算三與合三算水土