勘察中静止土压力系数K0的实际应用探讨

杨兆兵 夏继宗

(1.常州市建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 常州 213000； 2.常州市规划设计院，江苏 常州 213000)

1 概述

静止土压力系数K0是岩土工程中一个十分重要的参数，它表征了土层在无侧向变形的情况下，土体水平向应力与垂直向应力的比例关系。地下工程中的地下室、地下管沟、地铁车站等的侧墙计算，以及挡土墙等支挡结构的计算，都需要土体水平土压力作为荷载。工程实际中，准确测量水平土压力较为困难，而垂直向土应力则可以根据室内试验测定的土层重度及埋深计算得到。因此准确测定土层的水平土压力显得十分重要。

岩土工程勘察中，通常采用现场原位测试及室内试验等多种手段确定土层的静止土压力系数。测定的对象为地下结构附近原状土层的参数，而在地下结构施工过程中，垂直支护结构及回填土层都会将原状土层与地下结构隔离。此时再使用勘察报告中提供的静止土压力系数计算土层水平土压力，则有可能出现土压力值的偏差。因此分析实际工况下地下结构周边原状土层、围护结构及回填土层之间的静止土压力系数的关系，对工程应用有着十分重要的影响。

2 静止土压力系数的主要确定方法

作为岩土工程中的一个重要参数，国内外学者对静止土压力系数的取值进行了多年的研究。众多学者从经验总结、理论分析及原位测试方式方法入手，分析总结得到了大量的静止土压力系数的计算公式。某些地区根据当地土层特性，结合多年工程实测数据，总结了适合当地的经验公式。通过资料搜集，常用的确定方法主要分为以下几种。

2.1 理论推导+室内试验

2.2 经验总结

K0广泛应用于地下工程结构设计中，多年的工程监测数据可以为K0的经验公式总结提供大量的可靠数据。而通过工程总结得到的经验公式，则更能真实反映K0在工程中的实用效果。Jaky通过经验总结，得到正常固结粘性土的K0与土层有效内摩擦角φ′之间的关系式：K0=1-sinφ′，这一公式也得到了广泛的应用；Brooker则是对砂性土的K0公式进行了总结推导，得出砂性土K0与有效内摩擦角φ′之间的关系式：K0=0.95-sinφ′。

2.3 原位测试

3 静止土压力系数的主要应用

静止土压力系数作为岩土工程中的一个重要参数，是勘察工作应重点查明的内容之一。但对于K0在实际工程中的应用，很多年轻的岩土工程师理解的并不清晰。很多人认为该参数是应用在基坑支护设计工程中，甚至有些人将K0与基床系数等参数混淆。通过对工程分析总结，K0在实际工程中主要应用于以下几方面：

1)地下外墙结构设计。这也是K0在工程应用中最为广泛的领域。当地下结构施工完毕后，由于土体平衡，地下结构外侧土体相对结构体处于静止状态，因此外墙受到的土体压力即为静止土压力。结构工程师在进行外墙结构设计时，土压力作为荷载作用在外墙上。根据地下室埋深、外侧土层重度及K0，可以计算得到土压力，进而进行结构设计。这类设计主要涉及到工业及民用地下室、轨道交通地下车站、公路工程中的挡土墙等。

2)隧道结构设计。公路工程中的山岭隧道，市政工程中的土层隧道，以及城市轨道交通工程中的盾构隧道，均需对衬砌结构进行结构设计。处于岩土体中的隧道结构，在设计时认为上下受到均布荷载，而两侧则受到线性分布的水平荷载。由于平衡原理，水平荷载同样为静止土压力，利用勘察中提供的K0，即可计算隧道位置的水平土压力值。

3)基坑围护结构设计。这是勘察工程师通常认为的K0应用之处。而实际应用中，K0在基坑围护结构设计中的应用却是十分少见的。主要原因是如果采用静止土压力，那就要要求围护结构基本不发生水平位移。然而在实际工程中，受到土方开挖及围护结构整体刚度等因素的影响，基坑围护结构很难做到不出现水平位移。因此只有在基坑周边环境条件要求十分严格，不允许发生水平位移时，才会选择采用静止土压力对围护结构进行计算。

4 静止土压力系数确定对象探讨

勘察工程师在地质勘探过程中，应用多种手段，尽量将土层的K0值查明，以供设计使用。但勘察工程师却较少关心K0值在设计中到底如何使用。根据常见的工民建地下工程基坑开挖及支护措施，地下室与地下土层之间的土压力关系有以下两种情况：

1)自然放坡、土钉墙等支护。当采用放坡或土钉墙支护时，地下室与原状土之间开挖出了截面为三角形的肥槽。地下室结构施工完毕后，用粘性土分层压实回填肥槽。此时原状土与地下室结构外墙之间已经不再直接接触。此时可以认为作为支护结构的自然坡和土钉墙是稳定的，而回填的土层则变成了作用在地下室外墙上的有限空间土体，这样与K0值的使用条件已经不一致。所以此时计算地下室结构外墙土压力时，应考虑回填土层有限空间的土体土压力计算(如图1所示)。

2)采用垂直支护。采用垂直支护时，为便于施工，围护结构与地下室外墙之间一般会留有1 m左右的空间。在地下室结构施工到±0.00后，会将这一空间回填。但作为围护结构的主体如灌注桩、地下连续墙、搅拌桩等，不会在基坑回填后挖除，仅仅将可回收锚索或支撑等拆除。虽然锚索或支撑等的拆除改变了围护结构的刚度，但是遗留的灌注桩等较之原状土层的刚度仍然要大得多，对外侧土体依然有支撑作用，因此地下土体的土压力并未完全作用在地下室结构外墙上。此时如果仍然采用原状土的K0值计算土压力，可能会造成地下室结构计算上的浪费(如图2所示)。

5 结语

K0值作为土压力计算中的重要参数，如何准确测定其数值十分重要。但在实际工程中，由于基坑肥槽回填、围护结构的影响等，往往地下结构与原状土之间并不直接接触，所以直接采用原状土的K0计算土压力，得到的结果可能与实际情况之间有偏差。今后勘察工程中，根据实际工程，测定设计需要的K0值，对于地下工程的结构设计更为重要。