粘土基坑支挡结构水土压力研究(宋磊).pdf

粘土基坑支挡结构水土压力 研究 Study of water and earth pressures on retaining structures around clay foundation pits 申请清华大学工学硕士学位论文 院（系、所） 水利水电工程系 专 业 岩土工程 研 究 宋 磊 指 导 教 师 温 庆 博 副教授 二零零三年六月 密级公开 关于论文使用授权的说明 本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定涉密的学位论文在解密后应遵守此规定 签 名 导师签名 日 期 中 文 摘 要 I 摘 要 粘土基坑中的孔隙水压力分布难于确定，土体的应力路径、强度及孔 隙水压力对支挡结构上的水土压力都有极大的影响。如何对粘土基坑支挡 结构上的水土压力进行正确的计算，是支护结构设计中的关键问题。 论文进行了粘土中孔隙液体压力的传递和分布试验。试验表明粘土 中的结合水阻滞孔隙水压力的传递，使孔隙水压力的传递产生折减。当 粘性土体中的水绝大部分以结合水的形式存在时，在自重作用下土体中 并没有建立沿高程线性分布的静止水压力。 论文同时进行了模拟基坑开挖的水土压力模型试验。试验表明基坑 外侧进入主动状态土体的应力路径与减压试验的应力路径相似，减压三 轴试验和基坑开挖过程中形成的超静孔隙水压力变化规律基本一致。支 挡结构上的水压力等于土体中的孔隙水压力，支挡结构上的水土压力计 算时不需要对孔隙水压力进行折减。 论文采用了带摩擦修正的极限平衡法对模型试验的水土压力进行数 值模拟计算，在试验和计算的基础上对采用有效应力强度指标的水土分 算法（SE 法），采用总应力强度指标的水土分算法（ST 法）和采用总应 力强度指标的水土合算法（TT 法）进行了全面的研究和讨论。研究表明 ⑴采用 SE 法符合有效应力原理，计算精度很高，但在粘土基坑中难于采 用。⑵粘土基坑中的静止孔隙水压力分布与粘土土性有关，当存在沿深 度线性分布的静止水压力，宜采用 ST 法计算水土压力；当不存在沿深度 线性分布的静止水压力时，宜采用 TT 法计算水土压力。⑶计算基坑开挖 期间的主动土压力时，采用减压三轴总强度指标的计算结果小于采用常 规三轴总强度指标的计算结果，且更切合实际。 关键词模型试验，孔隙水压力，土压力，水土分算与合算 英文摘要 II ABSTACT Pore water pressure in clay foundation pits is hard to estimate; earth and water pressures on the retaining structure depend on stress paths, soil strength and pore water pressure. Correctly estimating water and earth pressures on the retaining structure is important for retaining structure design. In this paper, experiments of fluid pressure transfer and distribution in clay are conducted. It has been found that adsorbed water impedes pore water pressure transferring and hydraulic pressure is decreasing during transfer. When most of the pore water in clay exists as adsorbed water, hydraulic pressure produced by gravity doesn’t distribute linearly with depth. Model tests simulating excavation of clay foundation pits have also been conducted in this study. It has been found that stress paths in the model tests are similar to those in reduced triaxial compression tests and the variation of the excess pore water pressure in the tests is also similar to that in reduced triaxial compression tests. The water pressure rted on supporting structures is equal to pore water pressure in soil. There is no need to discount pore water pressure in estimating water and earth pressures on supporting structures. The of limit equation with fiction correct is employed to estimate the earth and water pressures in the tests. On the base of the numerical calculation and the model tests, the of estimating Separately using Effective stress strength parametersSE, the of estimating Separately using Total stress strength parametersST, and the of estimating Together using Total strength parametersTT have been discussed thoroughly. It shows that⑴ ST is based on effective stress theory and the results are precise, but this is not practical in 英文摘要 III the design of clay foundation pits . ⑵Distribution of static hydraulic pressure in clay foundation pits is related to soil behavior. When hydraulic pressure produced by gravity distributes linearly with depth, ST should be adapted, otherwise, TT should be used. ⑶The active water and earth pressures estimated by using reduced triaxial total strength parameters are smaller than these by using conventional triaxial total strength parameters and are in better accordance with the fact. Keywords model tests， water pressure， earth pressure, estimating water and earth pressures together and separately 目 录 IV 目 录 摘要 ....................................................................................................... Ⅰ Abstract（英文摘要） .......................................................................... Ⅱ 目 录 ................................................................................................... Ⅳ 第一章 概 述 ...................................................................................... 1 1.1 绪言............................................................................................1 1.2 土中水及其对土性的影响研究综述..........................................6 1.2.1 土中水的形态 ......................................................................7 1.2.2 土中孔隙水压力传递 .........................................................11 1.3 土压力试验及理论研究 ..........................................................14 1.3.1 土压力的理论研究.............................................................14 1.3.2 土压力的试验研究.............................................................15 1.3.3 土压力研究讨论 ................................................................18 1.4 论文研究的内容 .......................................................................18 第二章 粘土中的孔隙液体压力传递和分布试验 ........................ 20 2.1 孔隙压力传递试验..................................................................20 2.1.1 试验设备及试验方法 .........................................................20 2.1.2 试验土样和试验孔隙液体 .................................................21 2.1.3 孔隙压力传递试验结果及分析 ..........................................22 2.2 孔隙水压力分布模型试验 ........................................................25 2.2.1 试验设备及试验方法 .........................................................25 2.2.2 试验土样............................................................................26 2.2.3 模型试验结果及分析 .........................................................26 2.3 小节..........................................................................................29 第三章 模拟基坑开挖的水土压力模型试验 ............................... 30 3.1 实验装置和实验方法 ..............................................................30 3.1.1 实验装置............................................................................30 目 录 V 3.1.2 模型试验方法 ....................................................................32 3.2 模型试验土样的土工性能试验.................................................33 3.2.1 三轴试验............................................................................33 3.2.2 饱和粘土与边壁及挡板间的摩擦角...................................41 3.3 模型试验的结果及分析............................................................43 3.2.2 试样的固结........................................................................43 3.2.3 试样的剪切........................................................................45 3.2.4 超静孔隙水压力的消散及卸载 ..........................................50 3.3 试验总结 ..................................................................................52 第四章 考虑摩擦修正的极限平衡土压力计算方法..................... 53 4.1 极限平衡理论 .........................................................................53 4.1.1 土的静力平衡微分方程 .....................................................53 4.1.2 土的极限平衡条件和平面极限微分方程 ...........................54 4.1.3 特征线方程极其解法 .........................................................56 4.2 挡土墙主动土压力计算............................................................62 4.2.1 主动区 OA 边界条件 .........................................................62 4.2.2 被动区 OD 上的边界条件..................................................63 4.2.3 过渡区的边界条件.............................................................63 4.3 考虑摩擦修正的墙上主动土压力计算......................................64 4.3.1 摩擦体力............................................................................65 4.3.2 考虑摩擦体力的主动土压力计算 ......................................67 4.3.3 考虑边壁摩擦的试验结果分析 ..........................................69 4.4 结论..........................................................................................72 第五章 基坑支护结构上水土压力的计算................................... 74 5.1 水土压力的不同计算方法.......................................................74 5.2 模型试验支挡结构上的水土压力计算......................................75 5.3 考虑静止水压力的基坑模型支挡结构上的水土压力计算........78 5.3.1 基坑模型设计 ....................................................................78 目 录 VI 5.3.2 基坑模型计算参数.............................................................79 5.3.3 基坑模型计算结果分析 .....................................................81 5.4 硬粘土基坑模型支挡结构上的水土压力计算 ..........................85 5.4.1 基坑模型............................................................................85 5.4.2 基坑模型计算结果分析 .....................................................86 5.5 小节..........................................................................................89 结 论 ......................................................................................... 90 参考文献 .................................................................................... 92 致谢、声明 ................................................................................ 95 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文 ..................... 96 第一章 概 述 − 1 − 第一章 概 述 1.1 绪言 基坑的开挖和支护是岩土工程领域的一个传统课题，同时也是一个具 有时代特点的综合性难题。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时 代。人类的土木工程活动促进了基坑工程的发展。特别是到了 20 世纪， 随着高层建筑与地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，基坑 护壁不仅要保证基坑内能够正常安全作业，而且要防止基底和坑外土体移 动，保证基坑附近建筑物、道路管线的正常运行，这都促使工程技术人员 用新的眼光去审视基坑工程这一古老课题，许多新的经验和理论研究方法 出现并走向成熟，同时也提出了一些新的课题。 基坑工程在我国进行广泛的研究始于 80 年代初，随着基础建设的飞 速发展，高层建筑与地下工程大量出现，使深基坑开挖日益普遍。据文献 记载，1988 年北京市深 10m 以上的基坑就达 34 个，最深的达 23.5m。到 了 90 年代，许多城市进入大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区进行基 坑开挖对开挖支护技术提出了更高的要求。这促进了基坑开挖技术的研究 和发展，出现了很多先进的设计计算方法，很多新的施工工艺得以应用， 有很多成功的工程实例。而且通过对基坑支护设计、施工经验的总结，已 组织编制了基坑支护的设计施工规范。 但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 的许多问题也逐步凸现出来。支护结构上的水土压力计算得到越来越多的 重视和讨论[1][2]。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。另一方面，还有许多基坑事故频繁发生。基坑中支护结构 的设计是按一定理论计算作用在它上面的水土压力，按照支护结构材料强 度及抗力确定支护结构的几何尺寸。如果计算是符合实际的，则支护结构 上的实测应力应接近设计应力。可是大量的实测结果表明，护坡桩和地下 连续墙中的钢筋实测内力远小于钢筋强度。清华大学的李广信等人对北京 第一章 概 述 − 2 − 几个深基坑支护结构进行实际观测，其中钢筋最大拉应力仅为 20-30MPa。 何颐华[3] 对北京和深圳等十余处深基坑护坡桩的进行了测试，结果表明除 了软土地基上的深圳国商地下车库护坡桩中钢筋应力达到 200MPa 外，其 余的护坡桩中钢筋应力一般在 20－40MPa 范围内，这就造成了很大的浪 费。而造成钢筋应力远低于设计值的原因主要是计算设计的水土压力远远 大于实际水土压力。特别是在粘土基坑中，由于粘土的渗透系数小，孔隙 水压力分布难于确定，固结缓慢，稳定渗流场形成缓慢，有效应力难于确 定；同时，粘土的应力历史，开挖的应力路径对土体的强度都有极大的影 响，这些因素给设计和施工都带来了极大的困难。实践工程也表明，粘土 基坑工程失事除了设计、勘探原因外，很大一部分原因是跟土中水有关。 这种情况表明，我们对于在原状土开挖工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远不够透彻和深入。对于这样一个有着巨大实 际工程意义和学术意义的课题，进行深入系统的研究是土力学和岩土工程 界的迫切任务。 基坑支护结构设计的前提就是合理地确定作用在其上的荷载，即合理 地确定基坑支护结构上的土压力和水压力。过高的估计水土压力荷载，会 增加造价；而基坑工程的造价又十分巨大，造价的增加会使设计、施工单 位在竞争中处于不利位置， 导致不必要的浪费。 过低的估计水土压力荷载， 从而采取偏于危险的工程支护等措施，势必会导致安全上的问题，严重时 甚至发生基坑坍塌等事故，造成巨大的损失，并严重影响工程进度。 作用在支挡结构上的土压力，主要取决于 1．支挡结构的运动方向及位移大小。支挡结构的运动方向决定了是 主动还是被动性质土压力，而位移的大小则决定了是否会发展为主动或被 动土压力。当支挡结构向土体方向运动，则该被动侧的土压力大小随着该 运动方向位移变大而变大，直至达到最大值，即被动土压力；反之，支挡 结构被土体推动， 则支挡结构主动侧的土压力， 其大小随位移增大而减小， 直至达到最小值，即主动土压力，如图 1－1 所示。对于密砂或中密砂， 当/ HΔ＝0.001～0.005， 达到主动土压力状态； 而/ HΔ＝－0.01～0.05 时， 达到被动土压力状态[4]。在基坑的设计中，我们一般认为支护墙前的土体 第一章 概 述 − 3 − （基坑内）处于被动土压力状态，支护墙后的土体（基坑外）处于主动土 压力状态。但实际上支护墙的位移并没有达到主动或被动所需的位移，土 压力也可能介于主动土压力与被动土压力之间。 2．支挡结构后土的强度和刚度。支挡结构后的土体强度越高，相应 的主动土压力就越小，被动土压力就越大；土质压缩性越小，达到主（被） 动土压力的支挡结构位移就越小。 3．支挡结构与土体间的摩擦系数和粘聚力。支挡结构与土的摩擦角δ 大小由三个因素决定⑴取决于接触面的刚度和土的物性。⑵取决于接触 面处相对剪切位移的发展程度。⑶取决于平衡方程中力多边形的平衡条 件。 4．支挡结构的形状。常用的土压力理论都是建立在支挡结构和土体 截面的二维分析上。 Ovesen1964[5]对短结构进行了一系列试验，结果表 明短结构上的被动土压力比通用的理论计算的结果大得多，并且这差别十 分明显。 5．支挡结构后水的影响。土中水是影响水土压力一个很重要的因素， 它不仅影响着水压力，而且影响着支挡结构上的有效土压力[6]。对于砂土 基坑，由于砂土的渗透系数大，容易形成稳定的渗流场，孔隙水压力可以 根据渗流场方便的求出；但对于粘土基坑，由于粘土的渗透系数小，超静 图 1－1 墙体位移与土压力关系图 第一章 概 述 − 4 − 孔隙水压力消散缓慢，孔隙水压力分布难于确定，从而导致有效土压力也 难于确定。 目前常用的水土压力计算方法分两大类一类是水土分算，采用固结 排水有效强度指标（ c和ϕ）；另一类是土水合算，水土合算根据其采用 的强度指标可以分为两种，一种采用固结不排水强度指标（ cu c 和 cu ϕ）， 另一种采用不固结不排水强度指标（ u c 和 u ϕ）。 1．采用有效强度指标（ c和ϕ）的有效应力分算法 按照有效应力原理，土骨架压力和水压力应该分别考虑 200 45/22 45/2 av ptgc tguσϕϕ−−− 20 45/22 45/2 pv ptgc tguσϕϕ 式中， a p是主动土压力， p p是被动土压力， c和ϕ为有效应力指标， v σ为竖向有效应力，u为孔隙水压力。 2．采用固结不排水强度指标（ cu c 和 cu ϕ）的合算法 我国1999年的建筑基坑支护技术规程[7][8]规定 主动土压力 aaa KcKp2−σ 被动土压力 2 ppp pKc Kσ 其中zγσ，γ在地下水位以下用饱和容重， ap cKK、、，用固结不 排水强度指标 cucu c、ϕ计算所得。不再计及任何孔隙水压力。 3．采用不固结不排水强度指标（ u c 和 u ϕ）的合算法 对于基坑板桩支护情况，国外一直存在着水土合算法。美国的基础 工程手册及国外其他的一些专著[9][10]建议对于粘土、粉土 主动土压力 chpa2−⋅γ 被动土压力 2 p phcγ⋅ 式中γ用饱和容重，c采用不固结不排水强度指标 u c ，在一定条件 下，也可以采用快剪强度指标。 此时，对饱和粘土，0 u ϕ，1 0 KKK pa 。水土分算和水土合算 的形式基本一致。而且基础工程手册还指出，随时间延续，应该采用 有效应力原理进行水土分算。 对于 2，3 两种“水土合算法”分别采用了两种不同的强度指标，美 第一章 概 述 − 5 − 国基础工程手册给出的方法，采用的是不固结不排水强度指标；我国 的建筑基坑支护技术规程规定的方法，采用的是固结不排水强度指标。 两者的共同点是都绕开了孔隙水压力这一因素。 水土分算法是基于太沙基的有效应力原理，概念清晰，采用有效应力 指标进行计算；但是由于粘土基坑中的孔隙水压力分布难于确定，在实 际工程中难于应用。水土合算法不单独计算静水压力和超静孔压，采用 固结不排水强度指标或者是不固结不排水强度指标进行水土压力计算， 在工程上得到广泛的应用；但其概念比较模糊，将静水压力乘以小于 1 的 a K 系数或大于 1 的 p K系数，但水压力是各向相等的，导致用水土合算 时主动土压力偏小，被动土压力偏大。也正是由于上述原因，岩土界对 水土压力的合算和与分算展开了激烈的讨论，讨论的焦点主要是 1．传统的水土合算法将静水压力乘以一个系数 a K p K，与水压力各 向相等不符，在合算时是否需要将静水压力单独提出进行计算。 魏汝龙[11]认为粘性土中的水土压力计算，应该单独计算静止水压力， 推荐采用总应力强度指标的水土分算法。 主动土压力2 aaaw pKc Kuσ′⋅− 被动土压力2 appw pKc Kuσ′⋅ z r ⋅ ′ ′γσ；γ为有效容重； w u为静止水压力， ww uzγ⋅ ； ap cKK、、， 由固结不排水强度指标 cucu c、ϕ计算所得。 2．强度指标应用误差问题。浙江大学罗嗣海[12]指出水土合算时，室 内不排水强度指标试验误差比较明显，而且在计算主动土压力时，用固结 不排水强度指标比用不排水强度指标误差要小。 陈愈炯[13][14]认为固结不排 水强度指标适用某一些特定的工况问题；陈环[11]认为固结不排水强度指标 可以适用多种工况。 3． 土的应力路径的影响。 李广信[15]、 浙江大学的杨晓军和龚晓南[16][17] 认为，在基坑开挖过程中，主动侧土体 3 σ减少，可能产生的负超静孔隙水 压力，而常规三轴不排水试验中则是 13 σσ−增加，产生正的超静孔隙水 压力。三轴减压压缩试验的固结不排水的强度指标要大于常规三轴固结不 排水试验的强度指标，计算时应采用减压三轴试验的强度指标。此外，土 第一章 概 述 − 6 − 试样的应力历史[18][19]、性质、结构[20]等都发生了变化，对此种情况下的 强度指标的应用和应力路径的模拟能否相似，是一个值得研究的问题。 4．孔隙水压力的传递和分布问题。砂土中的水都以自由水的形式存 在，孔隙水压力的传递和分布遵循伯努利方程。但在密实度很高的粘性土 中，由于粘土颗粒表面存在结合水膜，对水压力的传递起阻碍作用，只有 在较大的水力坡降下“自由水”才可以传递静水压力。当基坑开挖时，粘 性土膨胀产生负的超静水压力，土中水的补充需要从外部流入，但由于水 力坡降较小，外部的水无法进入土体。从而使土中水不连通，在土体中不 能够建立静止水压力[15]。 5．土中渗流水压力问题。各种水土压力计算方法中的水压力计算问 题、桩底处两侧水压力平衡问题、渗流对水土压力影响 [21][22]等。 专家学者的分歧说明，在原状土基坑支护结构上的水土压力与用经典 土压力理论计算的结果还是有很多的差别，涉及到许多复杂影响因素。但 无论是合算法中的静水水压力是否应该乘以一个系数 a K p K， 还是土体强 度指标的选取，土的应力路径的影响，水压力的传递，土中渗流水压力， 问题的最后都集中在土水相互作用上。 土中水从饱和到不饱和；从结合水、毛细水到重力水；从潜水、滞水 和到承压水等，存在方式众多，从而引起水土压力的计算各不相同。土中 水引起的孔隙水压力，尤其是超静孔隙水压力对水土压力的计算有着重要 的影响。如何考虑这些有水情况的土压力，正确的计算水土压力，合理进 行基坑工程的设计和施工、安全等，是当前岩土工程界最重要也是现实一 个问题，这也是当前岩土工程届讨论得最热烈的问题之一。本文试图通过 室内模型试验和数值计算比较，对土中水压力的传递和分布，水土压力的 计算方法，土体的应力路径对强度指标的影响等问题进行研究。 1.2 土中水及其对土性的影响研究综述 岩土材料实际上是非连续的， 是由多相组成的。 在其孔隙中存在着气、 液相介质，当孔隙连通时，这些流体可在不平衡的势能情况下发生流动。 其中土中水及其运动会引发许多工程和环境问题。岩土中的流体及其运动 第一章 概 述 − 7 − 是一个重要和有实际意义的课题，它和人类生活密切相关；与其有关的工 程领域有水利、建筑、交通、采矿、石油、农业和环境等。 浅层岩土中的水主要来自大气中的降水，随后它在土的孔隙中流动。 土中水可以分为两部分，如图 1－2 所示。地下水位以下的水可分为上层 滞水、潜水和承压水。地下水位以下的土基本是饱和的，孔隙水压力大于 大气压力，可在重力的作用下运动。另一部分水存在于地下水位以上。它 可能是入渗的水，向下运动补给地下水，上层滞水有时也可列入这部分； 也可能是由于毛细作用或者植物根系作用向上运动的水，这些向上运动的 水的孔隙水压力小于大气压。 如图 1－2， 土中各部分的水一般是可运动的； 它们具有不同的饱和度、 不同的势能和不同的运动方向。土中水对于土的工程性质有重要影响。例 如，土中水会影响土本身的强度和变形性质。孔隙水压力改变了土体有效 应力，也进一步影响了土体的强度和变形。水入渗可补给地下水，也可能 将地表污染带入地下水，渗流产生的渗透力可影响土坡的稳定，而渗透力 又可引发土的渗透破坏。这些对于水利和建筑工程均有很大意义。 1.2.1 土中水的形态 20 世纪初，随着人类在物理和化学领域中研究的进展，人们对土中水 的形态开始进行探讨。在认识到粘土矿物的组成和分子间结构以后，对于 粘土颗粒与水间相互作用从微观进行了大量的研究。劳（Low）1901 年给 出了粘土颗粒表面结合水形成的机理；马丁（Martin）1960 年得出了不同 图 1－2 土中水 第一章 概 述 − 8 − 厚度结合水的密度分布，同时也给出了物理模型以说明土的冻胀机理 （1959） 。 米切尔 （Mitchell） 在 1975 年出版的 土性基础 （Fundamentals of Soil Behavior）一书中，对于土中水的形态及其对土性的影响作了较全 面的总结和阐述。 土中水可以呈固态、液态和气态存在。其中固态水主要是以结晶水的 形式存在于固体颗粒的内部；液态水又可分为结合水、毛细水和重力水； 气态水主要是土体内的水蒸气等。不同形态的水对于土的物理力学性质有 重要影响，特别是对于粘土和粉土的影响十分巨大。 1．粘土颗粒表面的双电层与结合水 粘土颗粒表面带有负电荷，带负电的粘土薄片在其周围形成电场，周 围水中的水分子偶极子，以及阳离子，如 Na和 Ca2等，因静电吸引而吸 附于土粒表面，离土粒表面愈近，吸引愈紧。带有负电荷的粘土片和周围 的极化水分子、带有正电荷的阳离子云等组成的扩散层被称为扩散双电 层，简称双电层。土颗粒与水发生物理化学作用，