勘察中靜止土壓力系數K0的實際應用探討

楊兆兵 夏繼宗

(1.常州市建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 常州 213000； 2.常州市規劃設計院，江蘇 常州 213000)

1 概述

靜止土壓力系數K0是巖土工程中一個十分重要的參數，它表征了土層在無側向變形的情況下，土體水平向應力與垂直向應力的比例關系。地下工程中的地下室、地下管溝、地鐵車站等的側墻計算，以及擋土墻等支擋結構的計算，都需要土體水平土壓力作為荷載。工程實際中，準確測量水平土壓力較為困難，而垂直向土應力則可以根據室內試驗測定的土層重度及埋深計算得到。因此準確測定土層的水平土壓力顯得十分重要。

巖土工程勘察中，通常采用現場原位測試及室內試驗等多種手段確定土層的靜止土壓力系數。測定的對象為地下結構附近原狀土層的參數，而在地下結構施工過程中，垂直支護結構及回填土層都會將原狀土層與地下結構隔離。此時再使用勘察報告中提供的靜止土壓力系數計算土層水平土壓力，則有可能出現土壓力值的偏差。因此分析實際工況下地下結構周邊原狀土層、圍護結構及回填土層之間的靜止土壓力系數的關系，對工程應用有著十分重要的影響。

2 靜止土壓力系數的主要確定方法

作為巖土工程中的一個重要參數，國內外學者對靜止土壓力系數的取值進行了多年的研究。眾多學者從經驗總結、理論分析及原位測試方式方法入手，分析總結得到了大量的靜止土壓力系數的計算公式。某些地區根據當地土層特性，結合多年工程實測數據，總結了適合當地的經驗公式。通過資料搜集，常用的確定方法主要分為以下幾種。

2.1 理論推導+室內試驗

2.2 經驗總結

K0廣泛應用于地下工程結構設計中，多年的工程監測數據可以為K0的經驗公式總結提供大量的可靠數據。而通過工程總結得到的經驗公式，則更能真實反映K0在工程中的實用效果。Jaky通過經驗總結，得到正常固結粘性土的K0與土層有效內摩擦角φ′之間的關系式：K0=1-sinφ′，這一公式也得到了廣泛的應用；Brooker則是對砂性土的K0公式進行了總結推導，得出砂性土K0與有效內摩擦角φ′之間的關系式：K0=0.95-sinφ′。

2.3 原位測試

3 靜止土壓力系數的主要應用

靜止土壓力系數作為巖土工程中的一個重要參數，是勘察工作應重點查明的內容之一。但對于K0在實際工程中的應用，很多年輕的巖土工程師理解的并不清晰。很多人認為該參數是應用在基坑支護設計工程中，甚至有些人將K0與基床系數等參數混淆。通過對工程分析總結，K0在實際工程中主要應用于以下幾方面：

1)地下外墻結構設計。這也是K0在工程應用中最為廣泛的領域。當地下結構施工完畢后，由于土體平衡，地下結構外側土體相對結構體處于靜止狀態，因此外墻受到的土體壓力即為靜止土壓力。結構工程師在進行外墻結構設計時，土壓力作為荷載作用在外墻上。根據地下室埋深、外側土層重度及K0，可以計算得到土壓力，進而進行結構設計。這類設計主要涉及到工業及民用地下室、軌道交通地下車站、公路工程中的擋土墻等。

2)隧道結構設計。公路工程中的山嶺隧道，市政工程中的土層隧道，以及城市軌道交通工程中的盾構隧道，均需對襯砌結構進行結構設計。處于巖土體中的隧道結構，在設計時認為上下受到均布荷載，而兩側則受到線性分布的水平荷載。由于平衡原理，水平荷載同樣為靜止土壓力，利用勘察中提供的K0，即可計算隧道位置的水平土壓力值。

3)基坑圍護結構設計。這是勘察工程師通常認為的K0應用之處。而實際應用中，K0在基坑圍護結構設計中的應用卻是十分少見的。主要原因是如果采用靜止土壓力，那就要要求圍護結構基本不發生水平位移。然而在實際工程中，受到土方開挖及圍護結構整體剛度等因素的影響，基坑圍護結構很難做到不出現水平位移。因此只有在基坑周邊環境條件要求十分嚴格，不允許發生水平位移時，才會選擇采用靜止土壓力對圍護結構進行計算。

4 靜止土壓力系數確定對象探討

勘察工程師在地質勘探過程中，應用多種手段，盡量將土層的K0值查明，以供設計使用。但勘察工程師卻較少關心K0值在設計中到底如何使用。根據常見的工民建地下工程基坑開挖及支護措施，地下室與地下土層之間的土壓力關系有以下兩種情況：

1)自然放坡、土釘墻等支護。當采用放坡或土釘墻支護時，地下室與原狀土之間開挖出了截面為三角形的肥槽。地下室結構施工完畢后，用粘性土分層壓實回填肥槽。此時原狀土與地下室結構外墻之間已經不再直接接觸。此時可以認為作為支護結構的自然坡和土釘墻是穩定的，而回填的土層則變成了作用在地下室外墻上的有限空間土體，這樣與K0值的使用條件已經不一致。所以此時計算地下室結構外墻土壓力時，應考慮回填土層有限空間的土體土壓力計算(如圖1所示)。

2)采用垂直支護。采用垂直支護時，為便于施工，圍護結構與地下室外墻之間一般會留有1 m左右的空間。在地下室結構施工到±0.00后，會將這一空間回填。但作為圍護結構的主體如灌注樁、地下連續墻、攪拌樁等，不會在基坑回填后挖除，僅僅將可回收錨索或支撐等拆除。雖然錨索或支撐等的拆除改變了圍護結構的剛度，但是遺留的灌注樁等較之原狀土層的剛度仍然要大得多，對外側土體依然有支撐作用，因此地下土體的土壓力并未完全作用在地下室結構外墻上。此時如果仍然采用原狀土的K0值計算土壓力，可能會造成地下室結構計算上的浪費(如圖2所示)。

5 結語

K0值作為土壓力計算中的重要參數，如何準確測定其數值十分重要。但在實際工程中，由于基坑肥槽回填、圍護結構的影響等，往往地下結構與原狀土之間并不直接接觸，所以直接采用原狀土的K0計算土壓力，得到的結果可能與實際情況之間有偏差。今后勘察工程中，根據實際工程，測定設計需要的K0值，對于地下工程的結構設計更為重要。