12.4 土水壓力的計算方法
12.4.1 作用于支擋結(jié)構(gòu)上的土壓力
(一)概述
作用在擋土支護結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力包括土壓力、水壓力、冰荷載(寒冷地區(qū))、地震力及地面荷載所產(chǎn)生的側(cè)壓力等。土壓力是作用于擋土支護結(jié)構(gòu)的主要荷載，特別是在大型深基坑工程中若能較準(zhǔn)確地估算土壓力，對于確保深基坑工程的順利進行具有十分重要的意義。
從廣義來說，土壓力是土作用在擋土支護結(jié)構(gòu)上的或作用在被土體所包圍的結(jié)構(gòu)物表面上的壓力及其合力。這些壓力(及合力)是由土的自重、土所承受的恒載和活載所產(chǎn)生的，其大小由土的物理與力學(xué)性質(zhì)、土和結(jié)構(gòu)之間的物理作用、絕對位移、相對位移以及變形值與特性所決定。水壓力、冰荷載、地震力及地面荷載等均是通過土這一載體作用于擋土支護結(jié)構(gòu)上，因此，均屬于廣義土壓力，也可稱為特殊情況下的土壓力。
【例題17】在下列各項中，屬于廣義土壓力的是( )。
A、水壓力；
B、地震力；
C、冰荷載；
D、地面荷載；
答案：A、B、C、D
(二)影響土壓力的因素
作用在擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力受以下因素制約：
1不同土類中的側(cè)向土壓力差異很大。采用同樣的計算方法設(shè)計的擋土支護結(jié)構(gòu)，對某些土類可能安全度很大，而對另一些土類則可能面臨倒塌的危險。因此在沒有完全弄清擋土支護結(jié)構(gòu)土壓力的性能之前，對不同土類應(yīng)區(qū)別對待。
2 土壓力強度的計算及其計算指標(biāo)的取值與基坑開挖方式和土類有關(guān)。當(dāng)剪應(yīng)力超過土的抗剪強度時，背側(cè)土體就會失去穩(wěn)定，發(fā)生滑動。由于基坑用機械開挖，一般進度均較快，開挖卸荷后，土壓力很快形成，為與其相適應(yīng)采用直剪快剪或三軸不排水剪是合理的。但剪切前是否要固結(jié)，則根據(jù)土的滲透性而定。滲透性弱的土，由于加荷快、來不及固結(jié)即可能剪損，此時宜采用不固結(jié)即進行剪切；反之，滲透性強的土，宜固結(jié)后剪切。
【例題18】對于側(cè)壁為飽和粘土的基坑，宜采用( )三軸試驗確定其抗剪強度指標(biāo)。
A、固結(jié)排水剪；
B、固結(jié)不排水剪；
C、不固結(jié)不排水剪；
D、不固結(jié)排水剪；
答案：C
3土壓力是土與擋土支護結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果，它與結(jié)構(gòu)的變位有著密切的關(guān)系，從而導(dǎo)致設(shè)計土壓力值的不確定性。如經(jīng)典的庫侖土壓力和朗肯土壓力理論僅考慮主動與被動狀態(tài)；在擋土支護結(jié)構(gòu)變形很小時，要采用靜止土壓力(其值無統(tǒng)一求法)；對于作用于多支點擋土支護結(jié)構(gòu)的土壓力則按彈塑性理論進行計算。
4 土壓力強度的大小與擋土支護結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。當(dāng)基坑深度及地層土質(zhì)等條件均相同的情況下，作用在重力式擋土支護結(jié)構(gòu)和柔性擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力顯然不同，這是由于兩者剛度相差太大所致。
5 對于多支點擋土支護結(jié)構(gòu)，其土壓力大小及分布又因支點(錨桿或支撐)的位置及反力大小而變化。
6 壓力參數(shù)的選取因深基坑擋土支護結(jié)構(gòu)及施工工藝而不同。對于懸臂式擋土支護結(jié)構(gòu)，取卸荷參數(shù)即可；而多層錨桿擋土支護結(jié)構(gòu)則因其對土體的作用是一個不同深度上的多次卸載—加載—卸載的過程，故對土體來說，既要考慮卸載的又要考慮加載的土壓力參數(shù)。
7 土支護結(jié)構(gòu)土壓力有顯著的空間效應(yīng)。不少的深基坑開挖實測資料表明，基坑周邊向坑內(nèi)發(fā)生的水平位移呈現(xiàn)出中間大、兩邊小的規(guī)律；而且深基坑邊坡失穩(wěn)坍塌，多數(shù)實例也是從長邊的居中位置開始發(fā)生的。上述現(xiàn)象說明深基坑開挖的一個空間問題。
8 土支護結(jié)構(gòu)土壓力有顯著的時間效應(yīng)。按經(jīng)典的極限平衡原理(庫侖—朗肯土壓力理論)進行的深基坑擋土支護設(shè)計屬于靜態(tài)設(shè)計，而開挖后的土體是處于動態(tài)平衡狀態(tài)。一是開挖后的土體處于一種松弛過程，隨時間增長，土體強度逐漸下降；二是開挖后長時期內(nèi)基坑 環(huán)境也會有所變化，例如由于多種原因造成土體含水量增加，也促使土體強度下降。以上的時間效應(yīng)在設(shè)計時應(yīng)予以考慮。
9 定土壓力計算參數(shù)時要考慮施工效應(yīng)。降水是深基坑開挖中經(jīng)常采用的措施，由于 排水，土體發(fā)生固結(jié)，使c、φ值有所提高。當(dāng)基礎(chǔ)樁采用擠土式樁時，由于擠土效應(yīng)也可使c、φ值有所提高。當(dāng)然還要避免擠土樁的負(fù)面效應(yīng)。
10 土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力是隨著開挖過程逐步形成的。特別是多支點擋土支護結(jié)構(gòu) 上的土壓力又隨著支撐或錨桿的設(shè)置及每步開挖施工參數(shù)的差異而產(chǎn)生受力狀態(tài)的改變，因 此其土壓力的分布與一般擋土墻存在著差異。 11 擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力因上、下端支點及結(jié)構(gòu)變位情況而差異甚大。
12 土壓力計算參數(shù)(γ、c、φ等)帶有一定的隨機性。土層物理力學(xué)參數(shù)選擇正確與否是 擋土支護設(shè)計能否符合實際的重要環(huán)節(jié)。但是實踐中，不少的建設(shè)單位在深基坑工程招標(biāo)時 往往是僅提供主體建筑物的初步勘察報告，未能提供適應(yīng)于深基坑工程的專門勘察報告，而投標(biāo)單位為了急于中標(biāo)，就在初勘資料的基礎(chǔ)上，選擇計算參數(shù)，未經(jīng)深思熟慮，草率地進行土壓力計算，這就帶來較大的隨機性和危險性。正確的做法應(yīng)是，根據(jù)深基坑的等級，進行補充的巖土工程勘察，在深基坑擋土支護設(shè)計人員的配合下，按設(shè)計要求，確定勘察范圍、基坑周邊勘探點間距以及勘探點間距，并選擇合適的試驗方法，這樣的勘察資料就具有針對性，設(shè)計人員也能做到心中有數(shù)。
13 地下水是影響土壓力值的一個重大因素。當(dāng)上層滯水治理不妥(例如，上下水設(shè)施破 損而漏水，基坑頂及坡體未作防水處理致使雨水及地表水等滲入背側(cè)土體，坑周排水系統(tǒng)堵塞或暴雨后坑周水位急劇上升等)，致使背側(cè)土體的含水量增高，土的力學(xué)指標(biāo)向不利方向變化(c、φ值降低)，主動土壓力隨之增大，導(dǎo)致深基坑倒塌。類似事故在全國各地區(qū)已屢見不鮮。
14 擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力還和土體與墻(樁)背的摩擦角有關(guān)，而后者又與背側(cè)土體性 質(zhì)、墻(樁)背粗糙程度、排水條件、背側(cè)土體表面輪廓及有無地面荷載等有關(guān)。
15 土壓力的大小和分布是超靜定問題。一是因為位移和變形的作用，二是由于各單個顆 粒產(chǎn)生的壓力以及顆粒間作用力的絕對值仍然不清楚。
16 土壓力的大小還和土體應(yīng)力水平有關(guān)。在正常壓密狀態(tài)的同一種土體，不同開挖深度 的土體應(yīng)力水平是不同的，它的c、φ不是同一值。
綜上所述，土壓力的計算具有以下特點：復(fù)雜性(影響因素太多)，不確定性，多樣性(計算和試驗方法多樣)，隨機性，變異性(施工效應(yīng)、結(jié)構(gòu)型式效應(yīng)、時間效應(yīng)、空間效應(yīng)及地下水影響等)以及超靜定性等。
目前工程中應(yīng)用的土壓力計算理論，由于理論的假設(shè)與實際情況有一定的出入，加以在 理論中也不可能對影響土壓力大小和其分布規(guī)律的各種因素及其相互作用加以全面考慮和概括，所以只能看作是近似的方法，與實測數(shù)據(jù)也有一定的距離，有時甚至差得很大?？梢哉f，深基坑擋土支護與開挖問題對經(jīng)典土力學(xué)理論提出了新的挑戰(zhàn)，需建立以釋放變形為核 心的土壓力理論。深基坑開挖與支護的應(yīng)力、變形分析將把不可忽視的卸載問題、應(yīng)力路徑問題及其引發(fā)出的土體應(yīng)力、強度、變形性質(zhì)和變化及其影響因素提上巖土工程師的議事日程、提出需要深人研究的課題。總之，土壓力理論還有待于進一步研究，在實踐中不斷予以完善。
12.4.1 作用于支擋結(jié)構(gòu)上的土壓力
(一)概述
作用在擋土支護結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力包括土壓力、水壓力、冰荷載(寒冷地區(qū))、地震力及地面荷載所產(chǎn)生的側(cè)壓力等。土壓力是作用于擋土支護結(jié)構(gòu)的主要荷載，特別是在大型深基坑工程中若能較準(zhǔn)確地估算土壓力，對于確保深基坑工程的順利進行具有十分重要的意義。
從廣義來說，土壓力是土作用在擋土支護結(jié)構(gòu)上的或作用在被土體所包圍的結(jié)構(gòu)物表面上的壓力及其合力。這些壓力(及合力)是由土的自重、土所承受的恒載和活載所產(chǎn)生的，其大小由土的物理與力學(xué)性質(zhì)、土和結(jié)構(gòu)之間的物理作用、絕對位移、相對位移以及變形值與特性所決定。水壓力、冰荷載、地震力及地面荷載等均是通過土這一載體作用于擋土支護結(jié)構(gòu)上，因此，均屬于廣義土壓力，也可稱為特殊情況下的土壓力。
【例題17】在下列各項中，屬于廣義土壓力的是( )。
A、水壓力；
B、地震力；
C、冰荷載；
D、地面荷載；
答案：A、B、C、D
(二)影響土壓力的因素
作用在擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力受以下因素制約：
1不同土類中的側(cè)向土壓力差異很大。采用同樣的計算方法設(shè)計的擋土支護結(jié)構(gòu)，對某些土類可能安全度很大，而對另一些土類則可能面臨倒塌的危險。因此在沒有完全弄清擋土支護結(jié)構(gòu)土壓力的性能之前，對不同土類應(yīng)區(qū)別對待。
2 土壓力強度的計算及其計算指標(biāo)的取值與基坑開挖方式和土類有關(guān)。當(dāng)剪應(yīng)力超過土的抗剪強度時，背側(cè)土體就會失去穩(wěn)定，發(fā)生滑動。由于基坑用機械開挖，一般進度均較快，開挖卸荷后，土壓力很快形成，為與其相適應(yīng)采用直剪快剪或三軸不排水剪是合理的。但剪切前是否要固結(jié)，則根據(jù)土的滲透性而定。滲透性弱的土，由于加荷快、來不及固結(jié)即可能剪損，此時宜采用不固結(jié)即進行剪切；反之，滲透性強的土，宜固結(jié)后剪切。
【例題18】對于側(cè)壁為飽和粘土的基坑，宜采用( )三軸試驗確定其抗剪強度指標(biāo)。
A、固結(jié)排水剪；
B、固結(jié)不排水剪；
C、不固結(jié)不排水剪；
D、不固結(jié)排水剪；
答案：C
3土壓力是土與擋土支護結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果，它與結(jié)構(gòu)的變位有著密切的關(guān)系，從而導(dǎo)致設(shè)計土壓力值的不確定性。如經(jīng)典的庫侖土壓力和朗肯土壓力理論僅考慮主動與被動狀態(tài)；在擋土支護結(jié)構(gòu)變形很小時，要采用靜止土壓力(其值無統(tǒng)一求法)；對于作用于多支點擋土支護結(jié)構(gòu)的土壓力則按彈塑性理論進行計算。
4 土壓力強度的大小與擋土支護結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。當(dāng)基坑深度及地層土質(zhì)等條件均相同的情況下，作用在重力式擋土支護結(jié)構(gòu)和柔性擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力顯然不同，這是由于兩者剛度相差太大所致。
5 對于多支點擋土支護結(jié)構(gòu)，其土壓力大小及分布又因支點(錨桿或支撐)的位置及反力大小而變化。
6 壓力參數(shù)的選取因深基坑擋土支護結(jié)構(gòu)及施工工藝而不同。對于懸臂式擋土支護結(jié)構(gòu)，取卸荷參數(shù)即可；而多層錨桿擋土支護結(jié)構(gòu)則因其對土體的作用是一個不同深度上的多次卸載—加載—卸載的過程，故對土體來說，既要考慮卸載的又要考慮加載的土壓力參數(shù)。
7 土支護結(jié)構(gòu)土壓力有顯著的空間效應(yīng)。不少的深基坑開挖實測資料表明，基坑周邊向坑內(nèi)發(fā)生的水平位移呈現(xiàn)出中間大、兩邊小的規(guī)律；而且深基坑邊坡失穩(wěn)坍塌，多數(shù)實例也是從長邊的居中位置開始發(fā)生的。上述現(xiàn)象說明深基坑開挖的一個空間問題。
8 土支護結(jié)構(gòu)土壓力有顯著的時間效應(yīng)。按經(jīng)典的極限平衡原理(庫侖—朗肯土壓力理論)進行的深基坑擋土支護設(shè)計屬于靜態(tài)設(shè)計，而開挖后的土體是處于動態(tài)平衡狀態(tài)。一是開挖后的土體處于一種松弛過程，隨時間增長，土體強度逐漸下降；二是開挖后長時期內(nèi)基坑 環(huán)境也會有所變化，例如由于多種原因造成土體含水量增加，也促使土體強度下降。以上的時間效應(yīng)在設(shè)計時應(yīng)予以考慮。
9 定土壓力計算參數(shù)時要考慮施工效應(yīng)。降水是深基坑開挖中經(jīng)常采用的措施，由于 排水，土體發(fā)生固結(jié)，使c、φ值有所提高。當(dāng)基礎(chǔ)樁采用擠土式樁時，由于擠土效應(yīng)也可使c、φ值有所提高。當(dāng)然還要避免擠土樁的負(fù)面效應(yīng)。
10 土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力是隨著開挖過程逐步形成的。特別是多支點擋土支護結(jié)構(gòu) 上的土壓力又隨著支撐或錨桿的設(shè)置及每步開挖施工參數(shù)的差異而產(chǎn)生受力狀態(tài)的改變，因 此其土壓力的分布與一般擋土墻存在著差異。 11 擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力因上、下端支點及結(jié)構(gòu)變位情況而差異甚大。
12 土壓力計算參數(shù)(γ、c、φ等)帶有一定的隨機性。土層物理力學(xué)參數(shù)選擇正確與否是 擋土支護設(shè)計能否符合實際的重要環(huán)節(jié)。但是實踐中，不少的建設(shè)單位在深基坑工程招標(biāo)時 往往是僅提供主體建筑物的初步勘察報告，未能提供適應(yīng)于深基坑工程的專門勘察報告，而投標(biāo)單位為了急于中標(biāo)，就在初勘資料的基礎(chǔ)上，選擇計算參數(shù)，未經(jīng)深思熟慮，草率地進行土壓力計算，這就帶來較大的隨機性和危險性。正確的做法應(yīng)是，根據(jù)深基坑的等級，進行補充的巖土工程勘察，在深基坑擋土支護設(shè)計人員的配合下，按設(shè)計要求，確定勘察范圍、基坑周邊勘探點間距以及勘探點間距，并選擇合適的試驗方法，這樣的勘察資料就具有針對性，設(shè)計人員也能做到心中有數(shù)。
13 地下水是影響土壓力值的一個重大因素。當(dāng)上層滯水治理不妥(例如，上下水設(shè)施破 損而漏水，基坑頂及坡體未作防水處理致使雨水及地表水等滲入背側(cè)土體，坑周排水系統(tǒng)堵塞或暴雨后坑周水位急劇上升等)，致使背側(cè)土體的含水量增高，土的力學(xué)指標(biāo)向不利方向變化(c、φ值降低)，主動土壓力隨之增大，導(dǎo)致深基坑倒塌。類似事故在全國各地區(qū)已屢見不鮮。
14 擋土支護結(jié)構(gòu)上的土壓力還和土體與墻(樁)背的摩擦角有關(guān)，而后者又與背側(cè)土體性 質(zhì)、墻(樁)背粗糙程度、排水條件、背側(cè)土體表面輪廓及有無地面荷載等有關(guān)。
15 土壓力的大小和分布是超靜定問題。一是因為位移和變形的作用，二是由于各單個顆 粒產(chǎn)生的壓力以及顆粒間作用力的絕對值仍然不清楚。
16 土壓力的大小還和土體應(yīng)力水平有關(guān)。在正常壓密狀態(tài)的同一種土體，不同開挖深度 的土體應(yīng)力水平是不同的，它的c、φ不是同一值。
綜上所述，土壓力的計算具有以下特點：復(fù)雜性(影響因素太多)，不確定性，多樣性(計算和試驗方法多樣)，隨機性，變異性(施工效應(yīng)、結(jié)構(gòu)型式效應(yīng)、時間效應(yīng)、空間效應(yīng)及地下水影響等)以及超靜定性等。
目前工程中應(yīng)用的土壓力計算理論，由于理論的假設(shè)與實際情況有一定的出入，加以在 理論中也不可能對影響土壓力大小和其分布規(guī)律的各種因素及其相互作用加以全面考慮和概括，所以只能看作是近似的方法，與實測數(shù)據(jù)也有一定的距離，有時甚至差得很大?？梢哉f，深基坑擋土支護與開挖問題對經(jīng)典土力學(xué)理論提出了新的挑戰(zhàn)，需建立以釋放變形為核 心的土壓力理論。深基坑開挖與支護的應(yīng)力、變形分析將把不可忽視的卸載問題、應(yīng)力路徑問題及其引發(fā)出的土體應(yīng)力、強度、變形性質(zhì)和變化及其影響因素提上巖土工程師的議事日程、提出需要深人研究的課題。總之，土壓力理論還有待于進一步研究，在實踐中不斷予以完善。