水土压力研究与应用实例

2016-11-16詹俊华

城市道桥与防洪 2016年4期

关键词：静水压力水土黏性

詹俊华

（郑州市市政工程勘测设计研究院，河南郑州 450052）

水土压力研究与应用实例

詹俊华

（郑州市市政工程勘测设计研究院，河南郑州 450052）

介绍了水土分算、水土合算的概念和作用机理，并结合实际工程，对水土压力计算方法提出自己的一些观点，有关经验可供相关专业人员参考。

地下工程；土压力；水压力；水土分算；水土合算

0　引　言

无论是大规模建筑基坑，还是城市地下铁道、隧道工程和地下车库等地下工程的设计，都离不开水土压力的分析和计算。底层水土压力往往是地下工程设计计算中的控制因素，只有水土压力取值合理，才能确定适宜的支护结构形式，参数以及其它相关结构的设计参数。由此可见在土工分析中，水土压力的分析计算是一项十分重要的工作。而水土压力计算问题长期困扰工程界，曾经引起很大争论[1,3]。文献[2]认为在砂性土时采用水土分算，在黏性土时采用水土合算，但水土合算相当于对水压力进行了折减，不符合有效应力原理，但由于涉及到土力学的基本理论，目前还没有形成定论[4]。且大多数土层既不属于砂性土也不属于黏性土，介于砂性土和黏性土之间，采用土分算还是合算给工程技术人员造成困惑。本文结合工程实例，从水土分算、水土合算概念及作用机理出发，对作用在地下结构物上的水土压力计算提出自己的一些看法。

1　土压力

土压力即挡土结构物后因填土自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。土压力随挡土结构可能位移的方向分为主动土压力，被动土压力和静止土压力。

当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力，用Ea表示。当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力，用Ep表示。

当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土体对墙的压力称为静止土压力，用E0表示。

2　水土分算

水土分算原则，根据有效应力原理，土骨架压力和水压力分别考虑，即分别计算土压力和水压力，两者之和即为总的侧压力。这一原则认为土体颗粒是分散的，土体孔隙中存在自由的重力水，水压力计取的是全部的静水压力，水压力是等向压力，土压力采用浮重度计算。

2.1土压力计算

根据有效应力原理，土层深度为H出的任一点的竖向应力和水平应力分别为：

式中：K为水平土压力系数；γ为土的重度，地下水位以上取自然重度，地下水位以下取有效重度。

引入主动土压力系数Ka、被动土压力系数Kp和静止土压力系数K0。

在朗金土压力状态下，主动土压力、被动土压力和静止土压力分别为：

重度γ、内摩擦角φ和黏聚力c均为土的物理性参数，在各土层中是不同的，计算式可根据工程场地地勘资料选取使用。

2.2水压力计算

因水压力是等向压力，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：

式中：Pw为侧墙静水压力强度值；Hw为水头刚度，即地下水位到计算点的垂直距离；γw为地下水的重度。

2.3水土分算的使用条件

水土分算是分别计算土压力和水压力，以两者之和为总的侧压力。从水土分算原则可以看出，水土分算适用于土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，一般适用于碎石土和砂土，这些土无黏聚性或弱黏聚性，地下水在土颗粒间容易流动，重力水对土颗粒中产生孔隙水压力达到静水压力。

对于砂土、粉性土等渗透性较好的土层，应该采用水土分算的原则来确定支护结构的侧向压力。侧向土压力通常可按朗肯主动压力和被动压力公式计算。地下水无渗流时，作用于挡土结构上的水压力按静水压力三角形分布计算。地下水有稳定渗流时，作用于挡土结构上的水压力可通过渗流分析计算各点的水压力，或近似地按静水压力计算，水位以下的土的重度以下的土的重度应采用浮重度，土的抗剪强度指标宜取有效抗剪强度指标。

3　水土合算

3.1水土合算原理

水土合算的原则是，认为土孔隙中不存在自由重力水，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。

地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力应分开计算。水土分算方法概念比较明确，但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对黏性土，水压力不等于静水压力，水压力取值的难度大，土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标，在实际工程中往往难以解决。

水土合算是将土和土孔隙中的水看做同一分析对象，适用于不透水和弱透水的黏土、粉质黏土和粉土。黏性土中的水压力往往达不到静水压力值，可认为土孔隙中的水主要是结合水，不是自由的重力水，因此它不易自由流动而不单独考虑静水压力。因为将土粒与孔隙水看作一个整体，直接用土的饱和重度和总应力抗剪强度指标计算侧压力。

按朗金土压力理论水土合算公式如下：

式中：γsat为土的饱和重度；c，φ分别为土的黏聚力和内摩察角，采用土的总应力抗剪强度指标。

3.2水土合算的适用条件

从水土合算的原理可以看出，所谓水土合算其实质就是不考虑水压力的作用，认为土孔隙中的水都是结合水，不能自由流动因此形不成水压力。水土合算法理论上讲仅适用于渗透系数为零的不透水层。

文献[2]规定，黏性土宜采用水土合算。然而，黏性土并不是完全理想的不透水层，因此在黏性土层尤其是粉土中，采用水土合算方法只是一种近似方法。这种方法亦存在一些问题，可能低估了水压力的作用。

4　应用实例

以郑州航空港经济综合实验区滨河西路快速化工程（以下简称滨河西路工程）地下隧道引坡段U槽计算为例。

滨河西路工程南起四港联动大道，北至林湾北路，全长约26 km，全线共有12处下穿隧道，因地下水位较高，隧道引坡段均采用U槽结构，并根据抗浮需要设置抗拔桩。工程场地土层为粉土、粉质黏土、粉砂层，水位埋深约在地面以下2 m。U槽竖直墙高10 m，竖直墙厚1.0 m，底板厚1.2 m。γsat= 20 kN/m3，c=0，φ=30°，基床系数m=25 000 kN/m2。

粉质黏土介于砂性土和黏性土之间，采用水土分算还是水土合算，存在争议，为探讨水土分算、合算以及采用主动土压力加载、静止土压力加载对U槽受力的影响，利用有限元计算软件MIDAS程序分析计算，以下四种加载方式下U槽结构的受力。

A：主动土压力，水土分算法；

B：主动土压力，水土合算法；

C：静止土压力，水土分算法；

D：静止土压力，水土和算法。

以上四种加载方式下最大弯矩和最大剪力均出现在侧墙与底板交界处，最大位移出现侧墙顶端。表1为四种加载方式下U槽最大内力和最大位移。