水土合算和水土分算.doc

1水土分算的概念与原理 1.1基本概念 水土分算原则,即分别计算土压力和水压力,两者之和即为总的侧压力。这一原则适用于土体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,一般适用于砂土、粉土和粉质粘土。 1.2侧压力计算原理 1.2.1土压力计算 侧向土压力通常按朗金主动土压力和被动土压力计算,计算时地下水位以下的土的重度采用浮重度。朗金理论的基本假定为: ①挡土墙背竖直,墙面光滑,不计墙面和土层之间的摩擦力; ②挡土墙后填土的表面为水平面,土体向下和水平方向都能伸展到无穷,即为半无限空间; ③挡土墙后填土处于极限平衡状态。在弹性均质的半空间体中,离开地表面深度为Z处的任意一点的竖向应力和水平应力分别为: σz= γZ(1) σx=K0γZ(2) 在朗金主动土压力状态下,最大主应力为σ1=γZ,最小主应力为σ3=Pa, Pa=γZtg2(45°-φ/2)-2ctg(45°-φ/2) (3)在朗金被动土压力状态下,最大主应力为被动土压力σ1=Pp,最小主应力为竖向压力σ3=γZ ,Pp=γZtg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)(4)引入主动土压力系数Ka和被动土压力系数 Kp,并令: Ka=tg2(45°- φ/2) (5) Kp=tg2(45°+ φ/2) (6) 将式(5)、式(6)分别代入式(3)、式(4)得: Pa= γZKa-2c Ka(7) Pp= γZKp+2c Kp(8) 用朗金或库仑理论进行土压力计算时,通常要用到土的物性参数:重度γ、内摩擦角φ和粘聚力c。而各层土的物性参数是不一样的,在工程应用中一般有两种处理方法。 直接取用各层土物性参数的方法 当地层由多层土组成时,可分别采用各层土的物性参数,分别计算得到各层土的主动土压力强度和被动土压力强度。由于通常各土层是不同的,因此土压力强度图形沿挡土墙深度方向是不连续的;在土压力计算过程中要比单一土层情况复杂些,但计算结果比较符合工程实际。目前基坑支护结构土压力计算多采用专用程序计算,土层的数量几乎不会对计算速度产生影响。因此,该方法在工程实际中得到广泛采用。 (2)取土层物性参数加权平均的方法 该方法一般在地下结构的初步设计阶段,希望采用简单的计算方法来初步确定基坑的支护方案,不需要对土压力进行精确计算。为简化计算,将土层简化成单一均质土层的情况,通常采用土层厚度进行加权平均,算出等效的地层物性参数。 1.2.2土层中水压力的计算 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: pw=hwγw(9) 式中pw———侧向静水压力的强度值; hw———水头高度,即地下水位到计算点的垂直距离; γw———水的重度。 在基坑内外存在水头差的情况下,按照是否考虑地下水渗流的影响,侧向水压力分布存在三种形式,如图1所示。 不考虑地下水渗流影响的水压力分布图式 图1a中,当基坑位于渗透性很小的粘土层中,尽管基坑内外存在很大的地下水位差,但不考虑地下水渗流的影响,于是基坑内、外侧均按静水压力考虑(如图1中虚线所示的三角形)。考虑到基坑内外侧B点以下到C点以上,墙体内外侧静水压力可以抵消,实际计算时可以这样处理:在基坑的地下水位高程B点以上,按静水压力三角形计算;在此高程以下,水压力按矩形分布计算,但不再计入基坑内侧的水压力。该计算图式是有缺陷的:在挡土结构底端C点,基坑内外侧的水压力很不平衡,相差很大,是不合理的。只有基坑开挖很快,且基坑内预先不进行井点降水,地下水的渗流还来不及发生时,方可采用该图式。 (2)地下水稳定渗流时,不考虑挡土墙隔水作用的水压力分布图式　在图1b中,由于渗流的影响,挡土结构底部C点处,基坑内外侧水压力平衡,因此整个水压力图形分为两部分:以墙背面与基坑内地下水位相等处的B点为界,B点以上,按静水压力三角形分布计算;B点以下为三角形,水压力由大到小按线性减少至零值。 (3)地下水稳定渗流时,考虑挡土墙隔水作用的水压力计算图式　图1c中,考虑地下水的稳定渗流,同时考虑挡土墙的隔水作用,挡土墙底部C点处仍有水头差;考虑渗流作用,B点处的水压力小于静水压力。具体计算方法如下: B点处的水压力,由该点处的静水压力γwΔhw值减去Δpw1计算,即 Δpw1=iaγwΔhw(10) 式中Δpw1———基坑开挖面处水压力修正值; ia———基坑外的近似水力坡度, ia=0.7Δhw H w1+hw1 hw2 Δhw———基坑内、外侧地下水位之差; hw1,hw2———分别为基坑内、外侧地下水位至挡 土结构底端的高度。挡土结构底端处的水压力由基坑开挖深度处的静水压力γwΔhw减去Δpw2计算,即 Δpw2=iaγwΔhw1+ipγwΔhw2(11)