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摘要：随着我国大规模建筑基坑和地下工程的发展，支护结构设计计算中的许多问题逐步凸现出来，支护结构水土压力计算得到越来越多的重视和讨论。但由于受到多个因素的影响，我国的基坑支护结构上的水土压力在计算和控制手段上还存在很多不足，寻求科学合适的计算方法，以保证基坑支护结构的稳定性，是相关工程人员越来越关注的话题。
关键词：基坑支护结构；水土压力；计算
引言
基坑支护结构主要受两种力的作用：一种为水压力，另一种为土压力。正确、合理地进行水、土压力的计算是进行其他各项工作的前提和基础。对砂土、碎石土按水土压力分算，粘性土按水土压力合算，基本上达成共识。从土的有效应力理论出发，水土分算的根据比较合理，但实际操作困难比较大，而水土合算在理论上又存在严重缺陷。下文笔者围绕基坑支护结构上的水土压力的计算方法和控制措施展开探究。
1.基坑支护结构上的水土压力概述
支护结构主要承受侧向压力，包括水土压力及地面荷载、邻近建筑物基底压力、相邻场地施工荷载等引起的附加压力，以水土压力为主。土压力是基坑周围一定范围内的土体与支护结构之间相互作用的结果。传统的支护设计理论是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的“对立面”，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进行支护设计，称此类支护为被动支护。事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力，可以将它用作支护材料的一部分，源于这一观点的支护设计是设法充分发挥和提高基坑周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，称此类支护为主动支护。
2.土水压力的计算
2.1传统深基坑侧土压力计算理论与方法的分析
传统深基坑侧土压力的计算理论主要以朗肯理论和库仑理论为基础，这两种理论无论在基本假设上，还是在计算原理上都存在一些缺陷。主要表现为：
（1）实际深基坑工程围护墙通常不满足古典土压力理论的假设条件；
（2）古典土压力理论没有考虑围护墙的变形过程，而仅以墙体位移达到使墙后土体出现极限状态的平衡条件为计算依据。实际上围护墙变形通常达不到使土体出现极限平衡状态的位移值，且其变形是随开挖的深入而变化的，土压力也随着变化；
（3）没有考虑两端壁处存在的空间效应。因此，所计算的侧土压力只是近似的，有时误差甚至很大。目前随着水压计算技术的发展以及深基坑工程中环境效应问题的日益突出，考虑围护墙与土体共同作用来计算侧土压力，并在设计中预先估计围护墙位移的方法，例如弹性地基梁法（土抗力法）和有限元法等日益受到重视。
此外，传统深基坑侧土压力的计算方法没有顾及深基坑坑内外通常存在较大水位差的实际情况，忽视了渗流效应对土压力的影响等问题。
2.2影响支护结构上水土压力的因素
基坑开挖中，支护结构上的土压力与经典的朗肯、库仑土压力理论及其方法比较，在应力路径、参数取值及边界条件方面有很大的不同。造成实际结构内力比理论计算值小得多的原因可能有以下一些。
2.2.1土体的应力状态和应力路径的影响
（1）中主应力的影响。常规三轴应力中σ2=σ3，在基坑支护结构之后的土体应力状态是三维的，中主应力对强度的影响是显著的。
（2）小围压情况下土的强度指标。研究表明在小围压情况下土的强度指标偏高许多。在地表以下10m范围内，土的实际围压小于l00kPa，而室内的试验常用的围压都在l00kPa以上，這样低估了土的强度指标。
（3）土的超固结。如果地基土是正常固结土，在开挖减压后由于其平均主应力与围压减少而变成超固结状态的土。在围压不大时，强度包线提高，减少了主动土压力，增加了被动土压力。
（4）基坑内土体中的残余应力。一般计算土压力时，基坑内的垂直应力是从坑底算起的自重应力，实际上，由于基坑开挖面积是有限的，基坑以下土体的垂直向应力应当是从原地面算起的自重应力加上由于开挖引起的“负附加应力”。
2.2.2孔隙水压力的影响
（1）开挖引起的负超静孔压。在基坑内逐层开挖时，造成土体卸载，围压减少，支护结构前移，支护结构后土体侧胀，基坑下土体向上回弹，这将在土体中形成负压使各部分土体均有膨胀的趋势。这将在土体中形成负超静孔隙水压力，对于渗透系数较小土层，这种负孔压将持续长时间，它改变了支护结构上的荷载和抗力的大小和分布，快速的施工有利于利用这种负孔压。
（2）墙后土体中的毛细饱和区。处于地下水位以上的毛细饱和区内其孔隙水压力也是负值，是一种吸力.对于粉细砂、粉质粘土和粉质砂土这个区域是比较厚的，它将形成“假粘聚力”明显减少了墙后土压力。
（3）人工降低地下水位产生的渗透力。在人工降水的情况下，渗透力主要是向外向下的，有利于减少主动土压力和增加被动土压力。
2.2.3边界条件的影响
（1）基坑支护的三维效应。基坑中的长、宽、高之比一般不是很大，也不完全是平面应变问题。如果坑壁中部的土体向外位移，两端的土体基本固定不动，土层间将产生摩擦力，这种拱效应对于增加被动土压力特别明显。另一方面，三维的基坑支护结构形成框架结构，将横向力转化成轴向力，这大大约束了支护结构的变形，减少其中弯矩及钢筋拉应力。
（2）支护结构与土间的摩擦力。支护结构与土间的摩擦主动土压力减少、墙前被动土压力增加，考虑这一因素，对于板桩和砂土，其前部的被动土压力的提高是显著的。
（3）土层间的约束作用。在墙后土体中不同土层间的水平位移不同，土层间也存在着摩擦力和拱效应。这增加了整体稳定性，尤其是在浅层粘性土与砂土互层情况。
3.地下水对基坑支护工程的影响
（1）在支护结构的设计中，无论是采用规范中的水土合算或水土分算的方法，地下水的存在和状态都会影响水平荷载的取值大小。对水压力的估计不当，可能直接造成支护结构的失效或过大的位移。
（2）地下水可能引起锚杆或土钉与周围土体之间握裹力的降低，从而降低抗拔力；
（3）地下水的存在可能造成施工的困难；
（4）地下水的存在可能降低支护体系的整体稳定性；
（5）地下水控制不当可能造成基坑侧壁土体的流失，造成潜蚀，严重时造成体积很大的“老虎洞”，威胁体系的整体稳定性；
（6）对坑底土质为粉土或砂类土时，可能达成基底的管涌或基底抗隆起失效；
（7）可能由于施工降水不当，造成基坑侧面变形过大，引起邻近建筑、道路或地下设施的破坏。
4.结语
综上所述，许多工程事故都和地下水有关，因而支护结构上的水土压力计算得到越来越多的重视和讨论。据统计，由于水引发的工程事故约占21.4%。另一方面，大量的实测结果表明：支护结构上的实际内力远小于计算值。尽管人们一再降低安全系数，或者将荷载打折，往往实测应力还是偏小。在这种情况下，说明我们对于在原状土开挖过程中的土与结构的共同作用和水土相互作用机理的认识还远不够透彻和深入。
参考文献：
[1]姚秦.基坑工程的水土压力混合算法[J].岩石力学与工程学报，2001，20（1）：134-135
[2]魏汝龙.基坑内外的水压力和渗流力[J].岩土工程师，1998，10（2）：23-25.
[3]陈愈炯，温彦锋.基坑支护结构上的水土压力[J].岩土工程学报，1999，21（2）：139-143.
[4]高会.考虑渗流的基坑支护结构上的水土压力计算[J].岩土工程.城市建设理念研究.2012年第12期.
[5]宋磊，温庆博.基坑支护结构上的水土压力试验及计算.《清华大学学报（自然科学版）》.2003年11期.
关键词：基坑支护结构；水土压力；计算
引言
基坑支护结构主要受两种力的作用：一种为水压力，另一种为土压力。正确、合理地进行水、土压力的计算是进行其他各项工作的前提和基础。对砂土、碎石土按水土压力分算，粘性土按水土压力合算，基本上达成共识。从土的有效应力理论出发，水土分算的根据比较合理，但实际操作困难比较大，而水土合算在理论上又存在严重缺陷。下文笔者围绕基坑支护结构上的水土压力的计算方法和控制措施展开探究。
1.基坑支护结构上的水土压力概述
支护结构主要承受侧向压力，包括水土压力及地面荷载、邻近建筑物基底压力、相邻场地施工荷载等引起的附加压力，以水土压力为主。土压力是基坑周围一定范围内的土体与支护结构之间相互作用的结果。传统的支护设计理论是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的“对立面”，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进行支护设计，称此类支护为被动支护。事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力，可以将它用作支护材料的一部分，源于这一观点的支护设计是设法充分发挥和提高基坑周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，称此类支护为主动支护。
2.土水压力的计算
2.1传统深基坑侧土压力计算理论与方法的分析
传统深基坑侧土压力的计算理论主要以朗肯理论和库仑理论为基础，这两种理论无论在基本假设上，还是在计算原理上都存在一些缺陷。主要表现为：
（1）实际深基坑工程围护墙通常不满足古典土压力理论的假设条件；
（2）古典土压力理论没有考虑围护墙的变形过程，而仅以墙体位移达到使墙后土体出现极限状态的平衡条件为计算依据。实际上围护墙变形通常达不到使土体出现极限平衡状态的位移值，且其变形是随开挖的深入而变化的，土压力也随着变化；
（3）没有考虑两端壁处存在的空间效应。因此，所计算的侧土压力只是近似的，有时误差甚至很大。目前随着水压计算技术的发展以及深基坑工程中环境效应问题的日益突出，考虑围护墙与土体共同作用来计算侧土压力，并在设计中预先估计围护墙位移的方法，例如弹性地基梁法（土抗力法）和有限元法等日益受到重视。
此外，传统深基坑侧土压力的计算方法没有顾及深基坑坑内外通常存在较大水位差的实际情况，忽视了渗流效应对土压力的影响等问题。
2.2影响支护结构上水土压力的因素
基坑开挖中，支护结构上的土压力与经典的朗肯、库仑土压力理论及其方法比较，在应力路径、参数取值及边界条件方面有很大的不同。造成实际结构内力比理论计算值小得多的原因可能有以下一些。
2.2.1土体的应力状态和应力路径的影响
（1）中主应力的影响。常规三轴应力中σ2=σ3，在基坑支护结构之后的土体应力状态是三维的，中主应力对强度的影响是显著的。
（2）小围压情况下土的强度指标。研究表明在小围压情况下土的强度指标偏高许多。在地表以下10m范围内，土的实际围压小于l00kPa，而室内的试验常用的围压都在l00kPa以上，這样低估了土的强度指标。
（3）土的超固结。如果地基土是正常固结土，在开挖减压后由于其平均主应力与围压减少而变成超固结状态的土。在围压不大时，强度包线提高，减少了主动土压力，增加了被动土压力。
（4）基坑内土体中的残余应力。一般计算土压力时，基坑内的垂直应力是从坑底算起的自重应力，实际上，由于基坑开挖面积是有限的，基坑以下土体的垂直向应力应当是从原地面算起的自重应力加上由于开挖引起的“负附加应力”。
2.2.2孔隙水压力的影响
（1）开挖引起的负超静孔压。在基坑内逐层开挖时，造成土体卸载，围压减少，支护结构前移，支护结构后土体侧胀，基坑下土体向上回弹，这将在土体中形成负压使各部分土体均有膨胀的趋势。这将在土体中形成负超静孔隙水压力，对于渗透系数较小土层，这种负孔压将持续长时间，它改变了支护结构上的荷载和抗力的大小和分布，快速的施工有利于利用这种负孔压。
（2）墙后土体中的毛细饱和区。处于地下水位以上的毛细饱和区内其孔隙水压力也是负值，是一种吸力.对于粉细砂、粉质粘土和粉质砂土这个区域是比较厚的，它将形成“假粘聚力”明显减少了墙后土压力。
（3）人工降低地下水位产生的渗透力。在人工降水的情况下，渗透力主要是向外向下的，有利于减少主动土压力和增加被动土压力。
2.2.3边界条件的影响
（1）基坑支护的三维效应。基坑中的长、宽、高之比一般不是很大，也不完全是平面应变问题。如果坑壁中部的土体向外位移，两端的土体基本固定不动，土层间将产生摩擦力，这种拱效应对于增加被动土压力特别明显。另一方面，三维的基坑支护结构形成框架结构，将横向力转化成轴向力，这大大约束了支护结构的变形，减少其中弯矩及钢筋拉应力。
（2）支护结构与土间的摩擦力。支护结构与土间的摩擦主动土压力减少、墙前被动土压力增加，考虑这一因素，对于板桩和砂土，其前部的被动土压力的提高是显著的。
（3）土层间的约束作用。在墙后土体中不同土层间的水平位移不同，土层间也存在着摩擦力和拱效应。这增加了整体稳定性，尤其是在浅层粘性土与砂土互层情况。
3.地下水对基坑支护工程的影响
（1）在支护结构的设计中，无论是采用规范中的水土合算或水土分算的方法，地下水的存在和状态都会影响水平荷载的取值大小。对水压力的估计不当，可能直接造成支护结构的失效或过大的位移。
（2）地下水可能引起锚杆或土钉与周围土体之间握裹力的降低，从而降低抗拔力；
（3）地下水的存在可能造成施工的困难；
（4）地下水的存在可能降低支护体系的整体稳定性；
（5）地下水控制不当可能造成基坑侧壁土体的流失，造成潜蚀，严重时造成体积很大的“老虎洞”，威胁体系的整体稳定性；
（6）对坑底土质为粉土或砂类土时，可能达成基底的管涌或基底抗隆起失效；
（7）可能由于施工降水不当，造成基坑侧面变形过大，引起邻近建筑、道路或地下设施的破坏。
4.结语
综上所述，许多工程事故都和地下水有关，因而支护结构上的水土压力计算得到越来越多的重视和讨论。据统计，由于水引发的工程事故约占21.4%。另一方面，大量的实测结果表明：支护结构上的实际内力远小于计算值。尽管人们一再降低安全系数，或者将荷载打折，往往实测应力还是偏小。在这种情况下，说明我们对于在原状土开挖过程中的土与结构的共同作用和水土相互作用机理的认识还远不够透彻和深入。
参考文献：
[1]姚秦.基坑工程的水土压力混合算法[J].岩石力学与工程学报，2001，20（1）：134-135
[2]魏汝龙.基坑内外的水压力和渗流力[J].岩土工程师，1998，10（2）：23-25.
[3]陈愈炯，温彦锋.基坑支护结构上的水土压力[J].岩土工程学报，1999，21（2）：139-143.
[4]高会.考虑渗流的基坑支护结构上的水土压力计算[J].岩土工程.城市建设理念研究.2012年第12期.
[5]宋磊，温庆博.基坑支护结构上的水土压力试验及计算.《清华大学学报（自然科学版）》.2003年11期.