12.4.1 土水壓力的計(jì)算
(一) 計(jì)算方法
在一般地基基礎(chǔ)工程計(jì)算中，建筑物的自重以及作用于建筑物上的各種荷載通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基。無(wú)論是建筑物的自重或是其他豎向活荷載都具有由其自重導(dǎo)出的特點(diǎn)，荷載大小明確，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果基本接近。而支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要荷載是地層中水土的水平壓力，水土壓力是由定值的豎向水土壓力按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為水平壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上。支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載與上部結(jié)構(gòu)荷載的根本區(qū)別在于它不是僅與土的重量有關(guān)，還與土的強(qiáng)度、變形特性和滲透性有關(guān)，具有很大的不確定性。由于作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載主要是水平荷載，而這種水平荷載具有間接得出的特點(diǎn)，因此，由水土豎向壓力轉(zhuǎn)化為水平壓力的計(jì)算方法的合理與否直接影響到水平荷載的確定，水平荷載的精確度又直接影響到支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的計(jì)算結(jié)果。
目前，工程上常采用的土壓力計(jì)算方法有朗肯土壓力、庫(kù)侖土壓力和各種經(jīng)驗(yàn)土壓力確定方法。在水土分算時(shí)，水壓力的計(jì)算方法有：按靜水壓力計(jì)算的方法、按滲流計(jì)算確定水壓力分布的方法等。而水土合算時(shí)不需單獨(dú)考慮水壓力作用。
關(guān)于土壓力的各種基本理論、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力形成的條件、各種土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)方法和分類，可參考有關(guān)土力學(xué)教科書，本處不在詳述。
1 水土分算和水土合算方法的適用條件
基坑支護(hù)工程的土壓力、水壓力計(jì)算，常采用以朗肯土壓力理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，根據(jù)不同的土性和施工條件，分為水土合算和水土分算兩種方法。由于水土分算和水土合算的計(jì)算結(jié)果相差較大，對(duì)基坑擋土結(jié)構(gòu)工程造價(jià)影響很大，故需要非常慎重的舍取，要根據(jù)具體情況合理選擇。
地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應(yīng)力原理分析時(shí)，水壓力與土壓力應(yīng)分開(kāi)計(jì)算。水土分算方法概念比較明確。但是在實(shí)際使用中有時(shí)還存在一些困難，特別是對(duì)黏性土，水壓力取值的難度大，土壓力計(jì)算還應(yīng)采用有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在實(shí)際工程中往往難以解決。因此，在很多情況下黏性土往往采用總應(yīng)力法計(jì)算土壓力，即將水壓力和土壓力混合計(jì)算，也有了一定的工程實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。然而，這種方法亦存在一些問(wèn)題，可能低估了水壓力的作用。
(1) 水土分算
水土分算是分別計(jì)算土壓力和水壓力，以兩者之和為總的側(cè)壓力。水土分算適用于土孔隙中存在自由的重力水的情況或土的滲透性較好的情況，一般適用于碎石土和砂土，這些土無(wú)黏聚性或弱黏聚性，地下水在土顆粒間容易流動(dòng)，重力水對(duì)土顆粒中產(chǎn)生孔隙水壓力。對(duì)于砂土、粉性土和粉質(zhì)黏土等滲透性較好的土層，應(yīng)該采用水土分算的原則來(lái)確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力。側(cè)向土壓力通常可按朗肯主動(dòng)壓力和被動(dòng)壓力公式計(jì)算。地下水無(wú)滲流時(shí)，作用于擋土結(jié)構(gòu)上的水壓力按靜水壓力三角形分布計(jì)算。地下水有穩(wěn)定滲流時(shí)，作用于擋土結(jié)構(gòu)上的水壓力可通過(guò)滲流分析計(jì)算各點(diǎn)的水壓力，或近似地按靜水壓力計(jì)算，水位以下的土的重度以下的土的重度應(yīng)采用浮重度，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)宜取有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。
(2)水土合算
地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應(yīng)力原理分析時(shí)，水壓力與土壓力應(yīng)分開(kāi)計(jì) 算。水土分算方法概念比較明確，但是在實(shí)際使用中有時(shí)還存在一些困難，特別是對(duì)黏性土，水壓力取值的難度大，土壓力計(jì)算還應(yīng)采用有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在實(shí)際工程中往往難以解決。因此，在很多情況下黏性土往往采用總應(yīng)力法計(jì)算土壓力，也有了一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
水土合算是將土和土孔隙中的水看做同一分析對(duì)象，適用于不透水和弱透水的黏土、粉質(zhì)黏土和粉土。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料的分析，黏性土中實(shí)測(cè)的水壓力往往達(dá)不到靜水壓力值，可認(rèn)為土孔隙中的水主要是結(jié)合水，不是自由的重力水，因此它不易自由流動(dòng)而不單獨(dú)考慮靜水壓力。因?yàn)閷⑼亮Ｅc孔隙水看作一個(gè)整體，直接用土的飽和重度和總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算側(cè)壓力。然而，黏性土并不是完全理想的不透水層，因此在黏性土層尤其是粉土中，采用水土合算方法只是一種近似方法。這種方法亦存在一些問(wèn)題，可能低估了水壓力的作用。
(二) 有關(guān)規(guī)范規(guī)程關(guān)于土壓力計(jì)算的規(guī)定
1) 根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJl20—99)規(guī)定，對(duì)于作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按當(dāng)?shù)乜煽拷?jīng)驗(yàn)確定，當(dāng)缺少經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可按下列規(guī)定計(jì)算：
(1)對(duì)碎石土、砂土等無(wú)黏性土按水土分算原則進(jìn)行計(jì)算。在地下水位以下，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力，等于土壓力與靜水壓力之和。土壓力計(jì)算采用浮重度γ/，和有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c/和φ/計(jì)算。
(2)對(duì)于黏性土和粉土按水土和算原則進(jìn)行計(jì)算。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力，僅考慮土壓力，水土合算時(shí)，地下水位以下的土壓力采用飽和重度γsat和總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ計(jì)算。
【例題21】根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJl20—99)規(guī)定，在進(jìn)行土壓力計(jì)算時(shí)，應(yīng)按水土分算的原則進(jìn)行計(jì)算的是( )。
A、碎石土；
B、粉土；
C、砂土；
D、粘性土；
答案：A、C
(一) 計(jì)算方法
在一般地基基礎(chǔ)工程計(jì)算中，建筑物的自重以及作用于建筑物上的各種荷載通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基。無(wú)論是建筑物的自重或是其他豎向活荷載都具有由其自重導(dǎo)出的特點(diǎn)，荷載大小明確，計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果基本接近。而支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要荷載是地層中水土的水平壓力，水土壓力是由定值的豎向水土壓力按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為水平壓力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上。支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載與上部結(jié)構(gòu)荷載的根本區(qū)別在于它不是僅與土的重量有關(guān)，還與土的強(qiáng)度、變形特性和滲透性有關(guān)，具有很大的不確定性。由于作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載主要是水平荷載，而這種水平荷載具有間接得出的特點(diǎn)，因此，由水土豎向壓力轉(zhuǎn)化為水平壓力的計(jì)算方法的合理與否直接影響到水平荷載的確定，水平荷載的精確度又直接影響到支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的計(jì)算結(jié)果。
目前，工程上常采用的土壓力計(jì)算方法有朗肯土壓力、庫(kù)侖土壓力和各種經(jīng)驗(yàn)土壓力確定方法。在水土分算時(shí)，水壓力的計(jì)算方法有：按靜水壓力計(jì)算的方法、按滲流計(jì)算確定水壓力分布的方法等。而水土合算時(shí)不需單獨(dú)考慮水壓力作用。
關(guān)于土壓力的各種基本理論、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力形成的條件、各種土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)方法和分類，可參考有關(guān)土力學(xué)教科書，本處不在詳述。
1 水土分算和水土合算方法的適用條件
基坑支護(hù)工程的土壓力、水壓力計(jì)算，常采用以朗肯土壓力理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，根據(jù)不同的土性和施工條件，分為水土合算和水土分算兩種方法。由于水土分算和水土合算的計(jì)算結(jié)果相差較大，對(duì)基坑擋土結(jié)構(gòu)工程造價(jià)影響很大，故需要非常慎重的舍取，要根據(jù)具體情況合理選擇。
地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應(yīng)力原理分析時(shí)，水壓力與土壓力應(yīng)分開(kāi)計(jì)算。水土分算方法概念比較明確。但是在實(shí)際使用中有時(shí)還存在一些困難，特別是對(duì)黏性土，水壓力取值的難度大，土壓力計(jì)算還應(yīng)采用有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在實(shí)際工程中往往難以解決。因此，在很多情況下黏性土往往采用總應(yīng)力法計(jì)算土壓力，即將水壓力和土壓力混合計(jì)算，也有了一定的工程實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。然而，這種方法亦存在一些問(wèn)題，可能低估了水壓力的作用。
(1) 水土分算
水土分算是分別計(jì)算土壓力和水壓力，以兩者之和為總的側(cè)壓力。水土分算適用于土孔隙中存在自由的重力水的情況或土的滲透性較好的情況，一般適用于碎石土和砂土，這些土無(wú)黏聚性或弱黏聚性，地下水在土顆粒間容易流動(dòng)，重力水對(duì)土顆粒中產(chǎn)生孔隙水壓力。對(duì)于砂土、粉性土和粉質(zhì)黏土等滲透性較好的土層，應(yīng)該采用水土分算的原則來(lái)確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力。側(cè)向土壓力通常可按朗肯主動(dòng)壓力和被動(dòng)壓力公式計(jì)算。地下水無(wú)滲流時(shí)，作用于擋土結(jié)構(gòu)上的水壓力按靜水壓力三角形分布計(jì)算。地下水有穩(wěn)定滲流時(shí)，作用于擋土結(jié)構(gòu)上的水壓力可通過(guò)滲流分析計(jì)算各點(diǎn)的水壓力，或近似地按靜水壓力計(jì)算，水位以下的土的重度以下的土的重度應(yīng)采用浮重度，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)宜取有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。
(2)水土合算
地下水位以下的水壓力和土壓力，按有效應(yīng)力原理分析時(shí)，水壓力與土壓力應(yīng)分開(kāi)計(jì) 算。水土分算方法概念比較明確，但是在實(shí)際使用中有時(shí)還存在一些困難，特別是對(duì)黏性土，水壓力取值的難度大，土壓力計(jì)算還應(yīng)采用有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在實(shí)際工程中往往難以解決。因此，在很多情況下黏性土往往采用總應(yīng)力法計(jì)算土壓力，也有了一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
水土合算是將土和土孔隙中的水看做同一分析對(duì)象，適用于不透水和弱透水的黏土、粉質(zhì)黏土和粉土。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料的分析，黏性土中實(shí)測(cè)的水壓力往往達(dá)不到靜水壓力值，可認(rèn)為土孔隙中的水主要是結(jié)合水，不是自由的重力水，因此它不易自由流動(dòng)而不單獨(dú)考慮靜水壓力。因?yàn)閷⑼亮Ｅc孔隙水看作一個(gè)整體，直接用土的飽和重度和總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算側(cè)壓力。然而，黏性土并不是完全理想的不透水層，因此在黏性土層尤其是粉土中，采用水土合算方法只是一種近似方法。這種方法亦存在一些問(wèn)題，可能低估了水壓力的作用。
(二) 有關(guān)規(guī)范規(guī)程關(guān)于土壓力計(jì)算的規(guī)定
1) 根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJl20—99)規(guī)定，對(duì)于作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按當(dāng)?shù)乜煽拷?jīng)驗(yàn)確定，當(dāng)缺少經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可按下列規(guī)定計(jì)算：
(1)對(duì)碎石土、砂土等無(wú)黏性土按水土分算原則進(jìn)行計(jì)算。在地下水位以下，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力，等于土壓力與靜水壓力之和。土壓力計(jì)算采用浮重度γ/，和有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c/和φ/計(jì)算。
(2)對(duì)于黏性土和粉土按水土和算原則進(jìn)行計(jì)算。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力，僅考慮土壓力，水土合算時(shí)，地下水位以下的土壓力采用飽和重度γsat和總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ計(jì)算。
【例題21】根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJl20—99)規(guī)定，在進(jìn)行土壓力計(jì)算時(shí)，應(yīng)按水土分算的原則進(jìn)行計(jì)算的是( )。
A、碎石土；
B、粉土；
C、砂土；
D、粘性土；
答案：A、C