建筑基坑側壁主動土壓力計算原則

杜云晶，王榮菊 ，朱文喜

（1.山東聊城市佳匯施工圖審查有限公司，山東 聊城252000；2.山東華科規劃建筑設計有限公司，山東 聊城252000）

1 基坑側壁土壓力研究現狀

1.1 經典土壓力理論的局限性

庫侖土壓力和朗肯土壓力在計算基坑側壁主動土壓力時均需進行基本假定。以朗肯土壓力理論為例，其假定墻背光滑，然而實際墻背與土體間必然會產生摩擦力作用；類似地，庫侖土壓力理論假定墻體的位移模式為平移模式，但實際工程中墻體可能出現轉動。其次，庫倫土壓力和朗肯土壓力理論均是在二維平面內進行研究，然而基坑結構往往具有明顯的三維效應。此外，庫侖和朗肯土壓力均是基于回填重塑土形成的重力式擋土墻為研究對象，然而實際基坑施工往往是在原狀土中成樁擴孔而成，同時，當前所研究土樣的加載形式均是以豎向大主應力增加的形式進行考慮，然而基坑開挖引起的卸載模式為側向及豎向應力均減小[1-2]。

1.2 基坑土體室內試驗的局限性

當前受地勘及設計水平的制約，試樣往往會發生擾動或破壞，在該條件下開展的土樣力學及變形研究均無法準確反映原狀土的性狀。與此同時，常規三軸試驗中所施加的圍壓均顯著大于地層中原狀土所受的實際圍壓，在固結過程中土體的強度便有可能已經發生破壞。因此，為更為合理地開展基坑設計工作，可從試驗手段入手，對土體的強度參數進行修正，從而較為合理地預測基坑土壓力變化。

2 影響基坑土壓力的因素分析

2.1 微觀結構影響

土體微觀結構對基坑土壓力的影響主要體現在結構性、吸力及黏聚力3 方面[3-4]。首先，對于原狀土而言，其內部均存在一定的架空孔隙結構，即具備一定強度的結構性，結構性的存在一方面能夠提高土體的強度，另一方面當土體結構性發生破壞時往往會發生較為顯著的變形。通常在勘察、施工過程中，原狀土體的結構性均會發生不同程度的擾動或破壞，勢必造成土體強度的降低。其次，原狀土常處于非飽和狀態，在該階段土體中的吸力變化相應的會造成土體強度也發生變化，然而在基坑支護結構計算時往往會忽略吸力的影響。對于原狀土而言，其往往具備一定黏聚力，且隨著壓力的增大而增大，這也直接將土體的抗剪強度增大。綜上所述，土體的微觀結構能夠從結構性、吸力以及黏聚力方面對土體強度和變形產生一定程度的影響，但實際工程中往往只考慮土體的宏觀力學性能，忽略了土體微觀力學性狀。

2.2 應力狀態及應力路徑影響

對于基坑開挖而言，土體中的應力狀態往往能夠具有三維特征，在基坑開挖過程中，主應力對土體強度具有顯著的影響。試驗中通常所施加應力狀態與實際工程中原狀土的受力特征有明顯區別，受沉積環境及應力歷史作用，原狀土往往具備顯著的各向異性，但是通常開展的室內三軸試驗忽略了土體的各向異性影響。此外，對于正常固結地基而言，當進行基坑開挖后，基坑內部土體的應力狀態由于發生卸載呈現出超固結特性，在這種情況下建筑基坑側壁處的主動土壓力往往較正常固結狀態下偏小。

2.3 孔隙水壓力影響

孔隙水壓力對基坑側壁土壓力的影響主要體現在以下4個方面。（1）建筑基坑的開挖往往會對周邊土體造成擠壓變形，這會導致土體的孔隙水無法及時排出從而形成超靜孔隙水壓力，相應的會造成建筑基坑側壁上的壓力增大；（2）由于土體毛細飽和區的存在，對于非黏性土或黏性較弱的土體，在該區域內通常會形成非固有黏聚力，其存在能夠削弱基坑側壁上的土壓力；（3）施工過程中一般需對地下水進行處理，地下水的滲透方向以向下或向外為主，此時基坑側壁的主動土壓力也會減小；（4）在基坑施工過程中采用坑內排水措施時，會產生一定的滲透力這也會對基坑側壁土壓力造成一定的影響。

2.4 邊界條件影響

基坑的邊界條件影響主要體現在以下3 個方面。（1）同基坑應力狀態類似，基坑支護結構也存在明顯的三維效應，這主要是因為基坑結構的上下部位置被固定不會產生相應的橫向變形，但基坑中部土體受周邊土壓力釋放作用的影響會逐漸向坑內移動。與此同時，基坑支護結構所形成的框架結構也在一定程度上限制了支護結構的變形。（2）土體與基坑支護結構間存在一定摩擦力，這在一定程度上也減少了側壁主動土壓力。（3）土體層間存在相互的摩擦力導致不同土層間的水平位移也不盡相同，但總體上提升了基坑的穩定性。

3 建筑基坑結構上土壓力計算方法分析

3.1 水土分算

建筑基坑支護結構上的主動土壓力采用水土分算計算時，通常以有效應力原理為基礎，將土骨架應力和孔隙水壓力分開計算，一般可細分為考慮滲流作用和不考慮滲流作用兩種形式。當不考慮土中滲流作用時，土體重度選用浮重度γ′，水壓力以靜水壓力計算，最后通過二者相加便可得到最終基坑側壁主動土壓力強度Pa，其表達為：

當考慮滲流作用時，進行基坑支護側壁主動土壓力計算需要將一部分靜水壓力以滲流力的形式施加在土骨架上，從而實現對滲流力的考慮，剩余的靜水壓力P2以常見的孔隙水壓力進行考慮[5]。針對滲流力P1的計算一般認為其為體積力形式，因此通常按最短的滲流路徑對其進行計算，具體形式可表示為：

式中，H1、H2分別為地下水位以上和地下水位以下的土層厚度。

對于基坑側壁主動土壓力而言，滲流力的方向為下，計算示意圖如圖1 所示。此時基坑側壁主動土壓力強度可表示為：

圖1 基坑側壁主動土壓力計算示意圖

3.2 水土合算

水土合算法主要是計算飽和黏土中的土壓力。由于土體處于飽和狀態，孔隙水完全充滿土體孔隙結構，此時可將土體和孔隙水視為一個整體。僅需以土體的飽和重度γsat進行考慮，即可求得地下水位以下建筑基坑側壁的主動土壓力強度，其具體表達式為：

3.3 適用條件討論

水土分算法以太沙基飽和土理論為背景將土體分為土骨架結構和水進行單獨考慮，其概念較為明確。由于其假定了土體顆粒滲透性強，孔隙結構完全連接且孔隙水保持流動。此時，孔隙水壓力可視為等向應力形式。當不考慮滲流力影響時，計算的基坑側壁主動土壓力往往偏大，且用于水土分算的土體有效強度指標難以準確獲得。相關研究表明，三軸固結不排水剪切試驗所得的土體強度參數與水土分算的有效強度指標相差較小，因此一般采用三軸固結不排水剪切試驗所得的土體強度參數替換水土分算的有效強度指標。表1 給出了不同地區規范或標準在計算基坑側壁主動土壓力時所采用的方法和土體強度指標參數。現行的規范和標準除冶金部行業標準外均采用朗肯土壓力理論對基坑側壁主動土壓力進行計算，具體的計算指標由于水土分算和水土合算對土體強度指標參數的要求不同而不同。由于水土合算法計算簡單，強度參數獲取簡便，往往被用于工程實踐。但由于地表淺層位置的水頭差很大，相應的土體滲流作用也很明顯，當采用水土合算時往往會產生較大的誤差。一般而言，在使用階段基坑側壁主動土壓力時應采用考慮滲流作用的水土分算法；為了考慮施工期間其他因素對基坑側壁壓力的影響，需要對土壓力系數進行進一步修正，通常采用水土合算較為合理。

表1 各類規范中對于基坑側壁土壓力計算參數的規定

4 實例分析

以某一深度為6 m 的基坑為例，基坑水位以上為粉質黏土，其下部為黏土。相關基坑側邊主動土壓力計算參數如下：z=5.0 m，hw=1.0 m，H1=6.0 m，H2=4.0 m。土性參數依次為：粉質黏土，土體重度γ1=18 kN/m3，黏聚力c1=15 kPa，內摩擦角φ1=20°，土粒相對密度GS1=2.71；黏土，土體重度γ1=19 kN/m3，黏聚力c1=20kPa，內摩擦角φ2=25°，土粒相對密度GS2=2.68。按照本文前述提及的不考慮滲流作用的水土分算、考慮滲流作用的水土分算以及水土合算方法計算出基坑支護結構側壁主動土壓力結果依次為91.66 kN、68.33 kN 以及37.3 kN。由此可以看出，不考慮滲流作用的水土分算結果偏大，水土合算結果偏小，考慮到滲流作用的水土分算的理論基礎更強也能符合基坑的實際應力狀態，因此，可認為算例中考慮滲流作用的水土分算結果更符合實際情況。

5 結論

現行規范及標準均未給出統一的基坑支護結構側壁主動土壓力計算方法，但大體可分為水土分算和水土合算兩類。對于設計過程中如何選取計算方法需要從施工的地質及水文條件出發，并結合工程實踐經驗確定。考慮滲流影響的水土分算法具有較強的理論基礎，但土體強度參數難以準確獲取，而水土合算法雖然簡單方便但缺乏理論支撐。因此，有必要針對考慮滲流作用的水土分算方法進行進一步優化研究更便于實際工程的應用。