土压力与水压力.docx

第一章土压力与水压力9.3.1 支护结构的作用效应包括以下各项：1 . 土压力；2 .静水压力、渗流压力；3 .基坑开挖影响范围以内的建（构）筑物荷载、地面超载、施工荷载及邻近场地施工的影响；4 .温度变化及冻胀对支护结构产生的内力和变形；5 .临水支护结构尚应考虑波浪作用和水流退落时的渗流力；6 .作为永久结构使用时建筑物的相关荷载作用；7 .基坑周边主干道交通运输产生的荷载作用。9.3.2 主动土压力、被动土压力可采用库仑或朗肯士压力理论计算。当对支护结构水平位移有严格限制时， 应采用静止土压力计算。9.3.3 作用于支护结构的土压力和水压力，对砂性土宜按水土分算计算；对黏性土宜按水土合算计算；也可 按地区经验确定。9.3.4 基坑工程采用止水帷幕并插入坑底下部相对不透水层时，基坑内外的水压力，可按静水压力计算。9.3.5 当按变形控制原那么设计支护结构时作用在支护结构的计算土压力可按支护结构与土体的相互作用原 理确定，也可按地区经验确定。条文说明9.3 土压力与水压力自然状态下的土体内水平向有效应力，可认为与静止土压力相等。土体侧向变形会改变其水平应力状 态。最终的水平应力，随着变形的大小和方向可呈现出两种极限状态（主动极限平衡状态和被动极限平衡状 态），支护结构处于主动极限平衡状态时，受主动土压力作用，是侧向土压力的最小值。按作用的标准组合计算土压力时，土的重度取平均值，土的强度指标取标准值。库仑土压理论和朗肯土压理论是工程中常用的两种经典土压理论，无论用库仑或朗肯理论计算土压力， 由于其理论的假设与实际工作情况有一定的出入，只能看作是近似的方法，与实测数据有一定差异。一些 试验结果证明，库仑土压力理论在计算主动土压力时，与实际较为接近。在计算被动土压力时，其计算结式中：Ms、Mr分别为对于危险滑弧面上滑动力矩和抗滑力矩(kN-m);Kr整体稳定抗滑平安系数。Ms计算中，当有地下水存在时，坑外土条零压线(浸润线)以上的土条重度取天然重度，以下的土条取 饱和重度。坑内土条取浮重度。验算整体稳定时，对于开挖区，有条件时可采用卸荷条件下的抗剪强度指标进行验算。4.基坑底隆起稳定性验算，实质上是软土地基承载力缺乏造成，故用=0的承载力公式进行验算。当桩底土为T殳黏性土时，上海市基坑工程技术规范DG/TJ 08-61提出了适用于一般黏性土的抗隆 起计算公式。板式支护体系按承载能力极限状态验算绕最下道内支撑点的抗隆起稳定性时(图56),应满足式(8)的要 求：MrlkMslk S ( 8 )Krl+ qkD'h 'o + £ (仇 + ?'o )D" asin a + y sin2acos aj j+ ZD，3 J + l cos3 A J J+ tan 外亳(<?k + #'o)D" + 7D，3 -y.2 sin a+jcosa-r.2 sin a+jcosa-r关a) sin2acos a + a D'/i；+D”(兀a)Mslka +ZD” (Dz D) cos2a6b+ (qk + »'o)D"(9)式中：Mrik抗隆起力矩值(kN m/m);Mslk隆起力矩值(kN m/m);a如图56所示目II度);Y围护墙底以上t也基土各土层天然重度的加权平均值(kN/m3);D围护墙在基坑开挖面以下的入土深度(m);D ,最下一道支撑距墙底的深度(m);Ka主动土压力系数；Ck、佻一滑裂面上地基土的黏聚力标准值(kPa)和内摩擦角标准值。的加权平均值；ho '最下一道支撑距地面的深度(m);qk坑外地面荷载标准值(kPa);Krl抗隆起平安系数。设计等级为甲级的基坑工程取2.5 ;乙级的基坑工程取2.0 ;丙级的基坑工程取175桩、墙式支护结构的倾覆稳定性验算，对悬臂式支护结构，在附录V中采用作用在墙内外的土压力引起的力矩平衡的方法验算，抗倾覆稳定性平安系数应大于或等于130。sf送狼七昼旗图56坑底抗隆起计算简图对于带支撑的桩、墙式支护体系，支护结构的抗倾覆稳定性又称抗踢脚稳定性，踢脚破坏为作用与 围护结构两侧的土压力均到达极限状态，因而使得围护结构（特别是围护结构插入坑底以下的局部）大量地向 开挖区移动，导致基坑支护失效。本条取最下道支撑或锚拉点以下的围护结构作为脱离体，将作用于围护 结构上的外力进行力矩平衡分析，从而求得抗倾覆分项系数。需指出的是，抗倾覆力矩项中本应包括支护 结构的桩身抗力力矩，但由于其值相对而言要小得多，因此在本条的计算公式中不考虑。果与实际相比，往往偏大。静止土压力系数(ko)宜通过试验测定。当无试验条件时，对正常固结土也可按表24估算。表24静止土压力系数k。土类坚硬土硬-可塑黏性土、粉质黏土、砂土可-软塑黏性土软塑黏性土流塑黏性土k00.20.4040.50.50.60.750.8对于位移要求严格的支护结构，在设计中宜按静止土压力作为侧向土压力。高地下水位地区土压力计算时，常涉及水土分算与水土合算两种算法。水土分算采用浮重度计算土的 竖向有效应力，如果采用有效应力强度理论，水土分算当然是合理的。但当支护结构内外土体中存在渗流 现象和超静孔隙水压力时，特别是在黏性土层中，孔隙压力场的计算是比拟复杂的。这时采用半经验的总 应力强度理论可能更简便。本规范对饱和黏性土的土压力计算，推荐总应力强度理论水土合算法。在基坑工程场地范围内，当会出现存在多个含水土层及相对隔水层的情况，各含水层的水头也常存在差 异，从区域水文地质条件分析，也存在层间越流补给的条件。计算作用在支护结构上的侧向水压力时，可 将含水层的水头近似按潜水位水头进行计算。作用在支护结构上的土压力及其分布规律取决于支护体的刚度及侧向位移条件。刚性支护结构的土压力分布可由经典的库仑和朗肯土压力理论计算得到，实测结果说明，只要支护结构 的顶部的位移不小于其底部的位移，土压力沿垂直方向分布可按三角形计算。但是，如果支护结构底部位 移大于顶部位移,土压力将沿高度呈曲线分布，此时，土压力的合力较上述典型条件要大10%15% ,在 设计中应予注意。相对柔性的支护结构的位移及土压力分布情况比拟复杂，设计时应根据具体情况分析，选择适当的土压 力值,有条件时土压力值应采用现场实测、反演分析等方法总结地区经验，使设计更加符合实际情况。第二章9.4设计计算9.4.1 基坑支护结构设计时，作用的效应设计值应符合以下规定：1 .基本组合的效应设计值可采用简化规那么，应按下式进行计算：式中：Sd基本组合的效应设计值；Sk一标准组合的效应设计值。2 .对于轴向受力为主的构件，Sd简化计算可按下式进行：Sd = 135Sk （9.4.1-2）9.4.2 支护结构的入土深度应满足基坑支护结构稳定性及变形验算的要求,并结合地区工程经验综合确定。 有地下水渗流作用时，应满足抗渗流稳定的验算，并宜插入坑底下部不透水层一定深度。9.4.3 桩、墙式支护结构设计计算应符合以下规定：1 .桩、墙式支护可为柱列式并版、板桩、地下连续墙、型钢水泥土墙等独立支护或与内支撑、锚杆组合 形成的支护体系，适用于施工场地狭窄、地质条件差、基坑较深或需要严格控制支护结构或基坑周边环境 地基变形时的基坑工程。2 .桩、墙式支护结构的设计应包括以下内容：1）确定桩，墙的入土深度；2）支护结构的内力和变形计算；3）支护结构的构件和节点设计;4）基坑变形计算，必要时提出对环境保护的工程技术措施；5）支护桩、墙作为主体结构一局部时，尚应计算在建筑物荷载作用下的内力及变形；6）基坑工程的监测要求。根据基坑周边环境的复杂程度及环境保护要求，可按以下规定进行变形控制设计，并采取相应的保护 措施：1 .根据基坑周边的环境保护要求，提出基坑的各项变形设计控制指标；2 .预估基坑开挖对周边环境的附加变形值，其总变形值应小于其允许变形值；3 .应从支护结构施工、地下水控制及开挖三个方面分别采取相关措施保护周围环境。9.4.5 支护结构的内力和变形分析，宜采用侧向弹性地基反力法计算。土的侧向地基反力系数可通过单桩水 平载荷试验确定。9.4.6 支护结构应进行稳定验算。稳定验算应符合本规范附录V的规定。当有可靠工程经验时，稳定平安 系数可按地区经验确定。9.4.7 地下水渗流稳定性验算，应符合以下规定：1 .当坑内外存在水头差时，粉土和砂土应按本规范附录W进行抗渗流稳定性验算；2 .当基坑底上部土体为不透水层，下部具有承压水头时，坑内土体应按本规范附录W进行抗突涌稳定性验算。条文说明9.4设计计算结构按承载能力极限状态设计中，应考虑各种作用组合，由于基坑支护结构是房屋地下结构施工过程 中的一种围护结构，结构使用期短。本条规定，基坑支护结构的基本组合的效应设计值可采用简化计算原 那么，按下式确定：Sd = XfS （ £ G,k + £ Qjk）式中：Yf-作用的综合分项系数；Gk第i个永久作用的标准值；Qk第j个可变作用的标准值。作用的综合分项系数Yf可取1.25，但对于轴向受力为主的构件，Yf应取135。9.4.1 支护结构的入土深度应满足基坑支护结构稳定性及变形验算的要求，并结合地区工程经验综合确定。 按当上述要求确定了入土深度，但支护结构的底部位于软土或液化土层中时，支护结构的入土深度应适当 加大，支护结构的底部应进入下卧较好的土层。9.4.4 基坑工程在城市区域的环境保护问题日益突出。基坑设计的稳定性仅是必要条件，大多数情况下的主 要控制条件是变形，从而使得基坑工程的设计从强度控制转向变形控制。1.基坑工程设计时，应根据基坑周边环境的保护要求来确定基坑的变形控制指标。严格地讲，基坑工程 的变形控制指标（如围护结构的侧移及地表沉降）应根据基坑周边环境对附加变形的承受能力及基坑开挖对 周围环境的影响程度来确定。由于问题的复杂性，在很多情况下，确定基坑周围环境对附加变形的承受能 力是T牛非常困难的事情，而要较准确地预测基坑开挖对周边环境的影响程度也往往存在较大的难度，因 此也就难以针对某个具体工程提出非常合理的变形控制指标。此时根据大量已成功实施的工程实践统计资 料来确定基坑的变形控制指标不失为一种有效的方法。上海市基坑工程技术规范DG/TJ 08-61就是采 用这种方法并根据基坑周围环境的重要性程度及其与基坑的距离，提出了基坑变形设计控制指标（如表25 所示），可作为变形控制设计时的参考。表25基坑变形设计控制指标环境保护对象环境保护对象与 基坑距离关系支护结构 最大侧移坑外地表 最大沉降优秀历史建筑、有精密仪器与设备的厂房、其他 采用天然地基或短桩基础的重要建筑物、轨道交 通设施、隧道、防汛墙、原水管、自来水总管、煤气总管、共同沟等重要建（构）筑物或设施s<H H<s<2H 2H<s<4H0.18%H 0.3 %H 0.7%H0.15%H0.25%H0.55%H较重要的自来水管、燃气管、污水管等市政 管线、采用天然地基或矩桩基础的建筑物等s<H H<s<2H0.3%H0.7%H0.25%H0.55%H注：1. H为基坑开挖深度，s为保护对象与基坑开搭边线的净距；2.位于轨道交通设施、优秀历史建筑、重要管线等环境保护对象周边的基坑工程，应遵照政府有关文 件和规定执行。不同地区不同的土质条件，支护结构的位移对周围环境的影响程度不同，各地区应积累工程经验，确定 变形控制指标。2.目前预估基坑开挖对周边环境的附加变形主要有两种方法。一种是建立在大量基坑统计资料基础上的 经验方法，该方法预测的是地表沉降，并不考虑周围建（构）筑物存在的影响，可以用来间接评估基坑开挖引 起周围环境的附加变形。上海市基坑工程技术规范DG/TJ 08-61提出了如图54所示的地表沉降曲线 分布，其中最大地表沉降可根据其与围护结构最大侧移6hm的经验关系来确定，一般可取6Vm = 0.86hm。另一种方法是有限元法，但在应用时应有可靠的工程实测数据为依据，且该方法分析得到的结果宜与经 验方法进行相互校核，以确认分析结果的合理性。采用有限元法分析时应合理地考虑分析方法、边界条件、 土体本构模型的选择及计算参数、接触面的设置、初始地应力场的模拟、基坑施工的全过程模拟等因素。d!H图54围护墙后地表沉降预估曲线bv/bm一坑外某点的沉降/最大沉降；d/H一坑外地表某点围护墙外侧的距离/基坑开挖深度；a一主影响区域；b一次影响区域关于建筑物的允许变形值，表26是根据国内外有关研究成果给出的建筑物在自重作用下的差异沉降与 建筑物损坏程度的关系，可作为确定建筑物对基坑开挖引起的附加变形的承受能力的参考。表26各类建筑物在自重作用下的差异沉降与建筑物损坏程度的关系建筑结构类型6L（L为建筑 e1 一般转墙承重结构，包括有内框架的结构，建筑物长高比小于10；有圈梁；天然地基 （条形基础）22一般钢筋混凝土框架结构22达3高层刚性建筑（箱形基础、班基）4有桥式行车的单层排架结构的厂房；天然地基或桩基达5有斜撑的框架结构26一般对沉降差反响敏感的机器基础达3基坑工程是支护结构施工、降水以及基坑开挖的系统工程，其对环境的影响主要分如下三类：支护结 构施工过程中产生的挤土效应或土体损失引起的相邻地面隆起或沉降；长时间、大幅度降低地下水可能引 起地面沉降，从而引起邻近建(构)筑物及地下管线的变形及开裂；基坑开挖时产生的不平衡力、软黏土发生 蠕变和坑外水土流失而导致周围土体及围护墙向开挖区发生侧向移动、地面沉降及坑底隆起，从而引起紧 邻建(构)筑物及地下管线的侧移、沉降或倾斜。因此除从设计方面采取有关环境保护措施外，还应从支护结 构施工、地下水控制及开挖三个方面分别采取相关措施保护周围环境。必要时可对被保护的建(构)筑物及管 线采取土体加固、结构托换、架空管线等防范措施。支护结构计算的侧向弹性抗力法来源于单桩水平力计算的侧向弹性地基梁法。用理论方法计算桩的变 位和内力时，通常采用文克尔假定的竖向弹性地基梁的计算方法。地基水平抗力系数的分布图式常用的有： 常数法、"k"法、"m"法、"c”法等。不同分布图式的计算结果，往往相差很大。国内常采用"m" 法，假定地基水平抗力系数K)随深度正比例增加，即Kx = mz , z为计算点的深度，m称为地基水平抗力 系数的比例系数。按弹性地基梁法求解桩的弹性曲线微分方程式，即可求得桩身各点的内力及变位值。基 坑支护桩计算的侧向弹性抗力法，即相当于桩受水平力作用计算的"m"法。1地基水平抗力系数的比例系数m值m值不是一个定值，与现场地质条件，桩身材料与刚度，荷载水平与作用方式以及桩顶水平位移取值 大小等因素有关。通过理论分析可得，作用在桩顶的水平力与桩顶位移X的关系如下式所示：HX =A (5)aEI式中：H作用在桩顶的水平力(kN);A弹性长桩按"m"法计算的无量纲系数；EI桩身的抗弯刚度；拈0a桩的水平变形系数，a = V EI Q/m),其中bo为桩身计算宽度(m)。无试验资料时，m值可从表27中选用。表27三造石类土的比例系数m值表2.基坑支护桩的侧向弹性地基抗力法，借助于单桩水平力计算的"m"法，基坑支护桩内力分析的计算 简图如图55所示。土基地类别预制桩、钢桩m(MN'm4)相应单桩地面处水平位移（mm）m(淤泥、淤泥质土和湿陷性黄土245102.液塑（*>1）、软塑（OVIlWI）状黏性土、 e>0. 9粉土、松散粉细砂、松散填土4. 56. 010可塑（0. 25邸1透0.75）状黏性土、e=0. 9粉土、湿陷性黄土、稍密和中密的填土、稍密细砂6. 010. 0101硬塑（0<七夕.25）和坚硬.0）的黏性土、湿陷性黄土、e<0. 9粉土、中密的中粗砂、密实老黄土10. 022. 0103中密和密实的砾砂、碎石类土IC图55侧向弹性地基抗力法1支护桩图55中，（a）为基坑支护桩，（b）为基坑支护桩上作用的土压力分布图，在开挖深度范围内通常取主动土 压力分布图式，支护桩入土局部，为侧向受力的弹性地基梁（如c所示），地基反力系数取"m"法图形，内 力分析时，常按杆系有限元结构矩阵分析解法即可求得支护桩身的内力、变形解。当采用密排桩支护时，土压力可作为平面问题计算。当桩间距比拟大时，形成别离式排桩墙。桩身变形产生的土抗力不仅仅局限于桩自身宽度的范围内。从土抗力的角度考虑，桩身截面的计算宽度和桩径之间 有如表28所示的关系。表28桩身截面计算宽度b°(m)散回宽度b或直径d(m)圆桩方桩>10. 9(d+l)b+1<10. 9(1. 5d + 0. 5)1. 5b + 0. 5由于侧向弹性地基抗力法能较好地反映基坑开拗口回填过程各种工况和复杂情况对支护结构受力的影响，是目前工程界最常用的基坑设计计方法。基坑因土体的强度缺乏，地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括：支护结构倾覆失稳；基坑内外侧土 体整体滑动失稳；基坑底土因承载力缺乏而隆起；地层因地下水渗流作用引起流土、管涌以及承压水突涌 等导致基坑工程破坏。本条将基坑稳定性归纳为：支护桩、墙的倾覆稳定；基坑底土隆起稳定；基坑边坡 整体稳定；坑底土渗流、突涌稳定四个方面。基坑设计时必须满足上述四方面的验算要求。1.基坑稳定性验算，采用单一平安系数法，应满足下式要求：R> K (6)Sd式中：K各类稳定平安系数；R土体抗力极限值；Sd-承载能力极限状态下基本组合的效应设计值，但其分项系数均为L0，当有地区可靠工程经验时, 分项系数也可按地区经验确定。2 .基坑稳定性验算时，所选用的强度指标的类别，稳定验算方法与平安系数取值之间必须配套。当按附 录V进行各项稳定验算时，土的抗剪强度指标的选用，应符合本规范第条的规定。3 . 土坡及基坑内外土体的整体稳定性计算，可按平面问题考虑，宜采用圆弧滑动面计算。有软土夹层和 倾斜岩面等情况时，尚需采用非圆弧滑动面计算。对不同情况的土坡及基坑整体稳定性验算，最危险滑动面上诸力对滑动中心所产生的滑动力矩与抗滑力 矩应符合下式要求：Ms <Mr (7)