水土合算与水土分算.doc

1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=K0Z(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=hww(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whw值减去pw1计算,即 pw1=iawhw(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=0.7hw 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whw减去pw2计算,即pw2=iawhw1+ipwhw2(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=0.7hw*hw2+hw1*hw22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=ihiKp+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0.550.75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3.213.46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0.50.7m。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1.821.25;抗倾覆安全系数KQ=1.281.2;抗渗透安全系数KS=4.322.0;抗隆起安全系数KL=3.842.5;围护结构地基承载力安全系数KWZ=3.02.5,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80100kPa;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0.60.9m。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=1.231.2;抗渗安全系数KS=2.592.0;抗隆起安全系数KL=2.532.5;围护墙底地基承载力系数KWZ=3.762.5,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,优化地下连续墙设计对控制工程造价具有重要意义。(5)通过上海地区大量工程类比,认为该站围护结构地层压力采用水土合算原则是安全稳妥的。4结论从以上分析可见,水土压力的计算在土工分析中是一个既重要又复杂的问题,水土压力计算模式的选择不仅与工程所处地层性质有关,还与工程本身特点、施工方法、甚至施工季节都有关系;同时也跟工程重要性、社会影响等社会因素有关。因此,水土压力计算模式的选择不能一概而论,而应针对工程的具体情况,结合各方面的因素,多角度、全方位地进行综合分析论证,既要有科学理论作指导,同时还需要有大量工程实践作验证。