地下水渗流对基坑侧压力的影响

高红梅, 杜文学

(黑龙江科技学院 建筑工程学院,哈尔滨 150027)

地下水渗流对基坑侧压力的影响

高红梅, 杜文学

(黑龙江科技学院 建筑工程学院,哈尔滨 150027)

为研究地下水渗流对基坑侧压力的影响,针对经典算法结果偏差较大的现象,从理论上分析了地下水渗流对基坑主动区侧压力和被动区侧压力的影响机理,考虑了地下水的渗流作用,采用有效应力原理,提出了计算基坑支护结构侧压力的新方法。实例分析结果表明,新方法的计算结果与实测值相符,更能反应工程实际情况。

地下水渗流;基坑;侧压力

Abstract:This paper describes a study on the influence of groundwater seepage on the lateral pressure during the foundation excavation.The study designed to eliminate defects of conventional analysis method,features a theoretical analysis of the influence mechani sm of groundwater seepage on the lateral pressure both at active and passive area of foundation pit and proposes a new analysismethod considering effect of groundwater seepage,based on the effective stress law.The analysis reveals that the new method,capable of the results consistentwith the measured ones,promises to analyze the lateral pressure of foundation pit.

Key words:groundwater seepage;foundation excavation;lateral pressure

0 引 言

近年来,随着城市发展速度的加快,高层建筑的不断增加以及城市地铁建设的发展,深基坑工程越来越多。由于受到周边环境的影响和限制,基坑往往不能进行放坡开挖。所以,在基坑中只能采用支护结构来实现挡土和止水的目的[1-2]。支护结构上的水土压力计算,直接关系到基坑设计的稳定。目前,基坑水土压力计算存在的主要问题是,按经典土压力理论计算所得的基坑支护结构上的水土压力值和实测值相差很大[3-5],导致基坑事故频繁发生。因此,支护结构水土压力计算得到越来越多学者们的重视。

有些基坑工程,常在地下水位以下含水层中进行施工,在开挖基坑过程中,地下水将在坑内外水头差的作用下发生地下水渗流,尤其在软土地区开挖基坑时渗流更容易出现。开挖卸载将在坑底和周围土体中产生负的超静孔压,这更加剧了坑内外地下水渗流的复杂性。根据大量基坑失稳和变形破坏的实例分析,地下水引发的工程事故约占 30%,这表明,研究原状土开挖过程中的土与结构的共同作用、水土相互作用的机理以及地下水渗流对基坑侧压力计算方法的影响都具有十分重要的现实意义。

1 经典水土压力的计算方法

在基坑工程设计中,作用在支护结构上的经典水土压力计算见图 1。

图 1 经典水土压力计算简图Fig.1 Analysis diagram of typical water and soil pressure

工程上对于黏性土,规范上的水平荷载计算公式是采用“水土合算”的方法,即主动区:

对于砂土及碎石土采用的是“水土分算”的方法,即主动区:

其中,σa表示作用在挡土墙上的主动土应力;σp表示作用在挡土墙上的被动土应力;γ′、γsat、γw分别为土的有效重度、饱和重度和水的重度,γ′=γsat-γw;Ka、Kp分别为主动土压力和被动土压力系数,Ka=tan2(45°-φ/2),Kp=tan2(45°+φ/2);c、φ分别为土的内聚力和内摩擦角。

上述两种方法一般都不考虑地下水渗流发生与否。在此基础上产生的计算图式亦不符合实际情况,根据经典的水土压力计算方法所得的计算结果和实测值相差很大,使该计算方法不再适用。

2 地下水渗流对基坑侧压力的影响

地下水渗流时,主动区水流对土粒给以某种拖曳形成渗透力,同时土粒对水流又有反作用力,消耗了地下水的能量,渗径沿程水头将有所损失。而被动区则正好相反,地下水能力会增加,水头会升高。

图 1为支护结构及基坑剖面,均匀地基地下水位在地面及坑底结构两侧水头差为 H1,最短渗径为H1+2H2,平均水力梯度 i=H1/γw(H1+2H2)。hws表示主动区水头损失,hws=zi,主动区水压力 pwa和被动区水压力 pwp分别为:

根据太沙基有效应力原理,基坑主动区与被动区的土颗粒有效应力σ′a、σ′p分别为:

根据朗肯土压力理论,作用在围护结构上的主动土压力与被动土压力 pea、pep分别是:

作用在围护结构上的主动侧压力和被动侧压力为pa、pp:

式 (1)、(2)即为考虑地下水渗流情况下支护结构主动区与被动区的侧压力计算公式。

同时,根据地下水渗流基本方程和地下水渗流连续性方程,可得

其中,v1、v2分别表示主动区和被动区渗流速度;k1、k2分别表示主动区和被动区土体渗透系数。

3 实例分析

武汉市沙湖一高层住宅楼,开挖深度为 8 m,围护桩长为 16 m,基坑开挖完成后坑内外地下水位面分别在坑底开挖面处和坑外地表处保持不变,基坑开挖剖面见图 2,土层由上而下分布的各层土体及参数见表 1。

图 2 基坑开挖剖面Fig.2 Excavation section of foundation pit

表 1 基坑土层分布情况Table 1 Soil layer distribution of foundation pit

采用文中的计算方法所得的水压力、土压力和水土压力与经典计算方法计算结果相比较的情况见图 3及表 2。从图 3a中可以看出,在 AB段土体没有地下水渗流影响时,用经典计算方法计算的侧压力和文中计算方法计算的水对支护结构侧压力相同,均为零;但是基坑中有渗流存在时,用经典解法得到的水压力在主动区远远大于文中计算结果,最大偏差达 30.4 kPa,最大偏差率 27.8%。这是因为主动区渗流力作用在土体骨架上,拖拽土体,对土体形成渗透力,导致水头损失。经典计算方法没有考虑水头损失造成的水压力的减小,只是简单的计算静水压力,认为其直接作用在支护结构上。而在被动侧土体中渗流方向向上,水压力增大,因此,在被动区文中计算的水侧压力大于经典的计算结果。从图 3a中还可以看出,BC段土体主动侧土层渗透系数大,水头损失相对较小,CD段土体渗透系数小,而水头损失相对较大。同时,经典水压力计算中会出现结构底端两侧水压力不相等的矛盾,文中计算主动区水压力在 D点和被动区水压力 D1相等,新的计算公式从理论角度解决了这种矛盾。

从图 3b中可以看出,在 AB段土体没有地下水渗流影响时,用经典计算方法计算的侧压力和文中计算方法计算的水对支护结构侧压力相同;经典解法得到的主动区土压力小于文中的结果,最大偏差为 17.48 kPa,最大偏差率 30.0%,这主要是因为渗透水头损失,水压力变小,有效应力变大,使主动区土压力变大;经典解法得到的被动区土压力大于文中的结果,最大偏差为 87.36 kPa,最大偏差率为44%,被动侧土体地下水渗流方向向上,水压力增大,有效应力减小,从而被动区土压力减小。

图 3 基坑各种压力分布比较Fig.3 Comparasion of pressure distribution of foundation pit

表 2 基坑侧压力情况Table 2 Lateral pressure distribution of foundation pit

从图 3c和表 2可见,经典方法计算的水土压力和文中新方法计算得到的结果有明显的不同。主动侧的压力值在经典计算方法中计算结果明显偏大,按此值设计支护结构,不经济;而按文中新方法计算的结果比较适中,按此值设计支护结构,要比传统方法更安全、更经济。然而被动区侧压力在考虑渗流计算后显著减小了,抗力大大小于荷载,且被动侧很容易发生流土破坏,这对基坑稳定非常不利,须考虑采用排水等方法降低地下水水位。通过实际基坑工程发现,设计者经常采取经典的设计方法,认为取主动区侧压力计算结果进行基坑设计偏于安全,而存在地下水渗流时却经常出现基坑事故。究其原因,主要是忽略了被动区抗侧压力减小对基坑的不利影响。综上,文中的计算结果清楚地展现了实测的水土压力值与考虑水土共同作用下新方法的计算结果很相近,证明了它的正确性。

4 结 论

(1)新的计算方法考虑了地下水的渗流作用,采用有效应力原理,概念清晰地推导了支护结构侧压力计算式,解决了经典水压力计算图式会出现结构底端两侧水压力不相等的矛盾。

(2)文中提出的基坑支护结构上水土压力的计算方法,其计算结果与实测压力值相近,能很好的满足工程实际情况。

[1] 崔宏环,张立群,徐永峰,等.渗流作用下的基坑侧压力新算法[J].建筑科学,2010,26(7):47-49.

[2] 李玉岐,周 健,谢康和.基坑开挖卸载诱发的渗流分析[J].岩土工程学报,2006,28(10):1 259-1 262.

[3] 吴建林,龚 静,邹祖绪.渗流作用对基坑支护结构稳定性的影响分析[J].武汉工业学院学报,2009,28(3):90-92.

[4] 麦静怡.基坑降水中渗流对基坑稳定性的影响[J].广东建材,2006,2(1):87-88.

[5] 李广信,刘早云,温庆博.渗透对基坑水土压力的影响[J].水利学报,2002(5):75-79.

(编辑 徐 岩)

Influence of groundwater seepage on lateralpressure in foundation excavation

GAO Hongm ei, DU W enxue
(College of Civil Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TU432

A

1671-0118(2011)01-0053-04

2010-12-20

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11533062)

高红梅 (1978-),女,山西省吕梁人,讲师,硕士,研究方向:流固耦合及环境渗流,E-mail:hm07816@163.com。