建筑基坑侧壁主动土压力计算原则

杜云晶，王荣菊 ，朱文喜

（1.山东聊城市佳汇施工图审查有限公司，山东 聊城252000；2.山东华科规划建筑设计有限公司，山东 聊城252000）

1 基坑侧壁土压力研究现状

1.1 经典土压力理论的局限性

库仑土压力和朗肯土压力在计算基坑侧壁主动土压力时均需进行基本假定。以朗肯土压力理论为例，其假定墙背光滑，然而实际墙背与土体间必然会产生摩擦力作用；类似地，库仑土压力理论假定墙体的位移模式为平移模式，但实际工程中墙体可能出现转动。其次，库伦土压力和朗肯土压力理论均是在二维平面内进行研究，然而基坑结构往往具有明显的三维效应。此外，库仑和朗肯土压力均是基于回填重塑土形成的重力式挡土墙为研究对象，然而实际基坑施工往往是在原状土中成桩扩孔而成，同时，当前所研究土样的加载形式均是以竖向大主应力增加的形式进行考虑，然而基坑开挖引起的卸载模式为侧向及竖向应力均减小[1-2]。

1.2 基坑土体室内试验的局限性

当前受地勘及设计水平的制约，试样往往会发生扰动或破坏，在该条件下开展的土样力学及变形研究均无法准确反映原状土的性状。与此同时，常规三轴试验中所施加的围压均显著大于地层中原状土所受的实际围压，在固结过程中土体的强度便有可能已经发生破坏。因此，为更为合理地开展基坑设计工作，可从试验手段入手，对土体的强度参数进行修正，从而较为合理地预测基坑土压力变化。

2 影响基坑土压力的因素分析

2.1 微观结构影响

土体微观结构对基坑土压力的影响主要体现在结构性、吸力及黏聚力3 方面[3-4]。首先，对于原状土而言，其内部均存在一定的架空孔隙结构，即具备一定强度的结构性，结构性的存在一方面能够提高土体的强度，另一方面当土体结构性发生破坏时往往会发生较为显著的变形。通常在勘察、施工过程中，原状土体的结构性均会发生不同程度的扰动或破坏，势必造成土体强度的降低。其次，原状土常处于非饱和状态，在该阶段土体中的吸力变化相应的会造成土体强度也发生变化，然而在基坑支护结构计算时往往会忽略吸力的影响。对于原状土而言，其往往具备一定黏聚力，且随着压力的增大而增大，这也直接将土体的抗剪强度增大。综上所述，土体的微观结构能够从结构性、吸力以及黏聚力方面对土体强度和变形产生一定程度的影响，但实际工程中往往只考虑土体的宏观力学性能，忽略了土体微观力学性状。

2.2 应力状态及应力路径影响

对于基坑开挖而言，土体中的应力状态往往能够具有三维特征，在基坑开挖过程中，主应力对土体强度具有显著的影响。试验中通常所施加应力状态与实际工程中原状土的受力特征有明显区别，受沉积环境及应力历史作用，原状土往往具备显著的各向异性，但是通常开展的室内三轴试验忽略了土体的各向异性影响。此外，对于正常固结地基而言，当进行基坑开挖后，基坑内部土体的应力状态由于发生卸载呈现出超固结特性，在这种情况下建筑基坑侧壁处的主动土压力往往较正常固结状态下偏小。

2.3 孔隙水压力影响

孔隙水压力对基坑侧壁土压力的影响主要体现在以下4个方面。（1）建筑基坑的开挖往往会对周边土体造成挤压变形，这会导致土体的孔隙水无法及时排出从而形成超静孔隙水压力，相应的会造成建筑基坑侧壁上的压力增大；（2）由于土体毛细饱和区的存在，对于非黏性土或黏性较弱的土体，在该区域内通常会形成非固有黏聚力，其存在能够削弱基坑侧壁上的土压力；（3）施工过程中一般需对地下水进行处理，地下水的渗透方向以向下或向外为主，此时基坑侧壁的主动土压力也会减小；（4）在基坑施工过程中采用坑内排水措施时，会产生一定的渗透力这也会对基坑侧壁土压力造成一定的影响。

2.4 边界条件影响

基坑的边界条件影响主要体现在以下3 个方面。（1）同基坑应力状态类似，基坑支护结构也存在明显的三维效应，这主要是因为基坑结构的上下部位置被固定不会产生相应的横向变形，但基坑中部土体受周边土压力释放作用的影响会逐渐向坑内移动。与此同时，基坑支护结构所形成的框架结构也在一定程度上限制了支护结构的变形。（2）土体与基坑支护结构间存在一定摩擦力，这在一定程度上也减少了侧壁主动土压力。（3）土体层间存在相互的摩擦力导致不同土层间的水平位移也不尽相同，但总体上提升了基坑的稳定性。

3 建筑基坑结构上土压力计算方法分析

3.1 水土分算

建筑基坑支护结构上的主动土压力采用水土分算计算时，通常以有效应力原理为基础，将土骨架应力和孔隙水压力分开计算，一般可细分为考虑渗流作用和不考虑渗流作用两种形式。当不考虑土中渗流作用时，土体重度选用浮重度γ′，水压力以静水压力计算，最后通过二者相加便可得到最终基坑侧壁主动土压力强度Pa，其表达为：

当考虑渗流作用时，进行基坑支护侧壁主动土压力计算需要将一部分静水压力以渗流力的形式施加在土骨架上，从而实现对渗流力的考虑，剩余的静水压力P2以常见的孔隙水压力进行考虑[5]。针对渗流力P1的计算一般认为其为体积力形式，因此通常按最短的渗流路径对其进行计算，具体形式可表示为：

式中，H1、H2分别为地下水位以上和地下水位以下的土层厚度。

对于基坑侧壁主动土压力而言，渗流力的方向为下，计算示意图如图1 所示。此时基坑侧壁主动土压力强度可表示为：

图1 基坑侧壁主动土压力计算示意图

3.2 水土合算

水土合算法主要是计算饱和黏土中的土压力。由于土体处于饱和状态，孔隙水完全充满土体孔隙结构，此时可将土体和孔隙水视为一个整体。仅需以土体的饱和重度γsat进行考虑，即可求得地下水位以下建筑基坑侧壁的主动土压力强度，其具体表达式为：

3.3 适用条件讨论

水土分算法以太沙基饱和土理论为背景将土体分为土骨架结构和水进行单独考虑，其概念较为明确。由于其假定了土体颗粒渗透性强，孔隙结构完全连接且孔隙水保持流动。此时，孔隙水压力可视为等向应力形式。当不考虑渗流力影响时，计算的基坑侧壁主动土压力往往偏大，且用于水土分算的土体有效强度指标难以准确获得。相关研究表明，三轴固结不排水剪切试验所得的土体强度参数与水土分算的有效强度指标相差较小，因此一般采用三轴固结不排水剪切试验所得的土体强度参数替换水土分算的有效强度指标。表1 给出了不同地区规范或标准在计算基坑侧壁主动土压力时所采用的方法和土体强度指标参数。现行的规范和标准除冶金部行业标准外均采用朗肯土压力理论对基坑侧壁主动土压力进行计算，具体的计算指标由于水土分算和水土合算对土体强度指标参数的要求不同而不同。由于水土合算法计算简单，强度参数获取简便，往往被用于工程实践。但由于地表浅层位置的水头差很大，相应的土体渗流作用也很明显，当采用水土合算时往往会产生较大的误差。一般而言，在使用阶段基坑侧壁主动土压力时应采用考虑渗流作用的水土分算法；为了考虑施工期间其他因素对基坑侧壁压力的影响，需要对土压力系数进行进一步修正，通常采用水土合算较为合理。

表1 各类规范中对于基坑侧壁土压力计算参数的规定

4 实例分析

以某一深度为6 m 的基坑为例，基坑水位以上为粉质黏土，其下部为黏土。相关基坑侧边主动土压力计算参数如下：z=5.0 m，hw=1.0 m，H1=6.0 m，H2=4.0 m。土性参数依次为：粉质黏土，土体重度γ1=18 kN/m3，黏聚力c1=15 kPa，内摩擦角φ1=20°，土粒相对密度GS1=2.71；黏土，土体重度γ1=19 kN/m3，黏聚力c1=20kPa，内摩擦角φ2=25°，土粒相对密度GS2=2.68。按照本文前述提及的不考虑渗流作用的水土分算、考虑渗流作用的水土分算以及水土合算方法计算出基坑支护结构侧壁主动土压力结果依次为91.66 kN、68.33 kN 以及37.3 kN。由此可以看出，不考虑渗流作用的水土分算结果偏大，水土合算结果偏小，考虑到渗流作用的水土分算的理论基础更强也能符合基坑的实际应力状态，因此，可认为算例中考虑渗流作用的水土分算结果更符合实际情况。

5 结论

现行规范及标准均未给出统一的基坑支护结构侧壁主动土压力计算方法，但大体可分为水土分算和水土合算两类。对于设计过程中如何选取计算方法需要从施工的地质及水文条件出发，并结合工程实践经验确定。考虑渗流影响的水土分算法具有较强的理论基础，但土体强度参数难以准确获取，而水土合算法虽然简单方便但缺乏理论支撑。因此，有必要针对考虑渗流作用的水土分算方法进行进一步优化研究更便于实际工程的应用。