基坑支护结构上水土压力分算与合算的结果差异与适用范围毕业论文.docx

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基坑支护结构上水土压力分算与合算的结果差异与适用范围毕业论文

本科生毕业论文（设计）

题目:

基坑支护结构上水土压力分算与合算的结果差异与适用范围

目录

摘要2

关键词2

Abstract2

Keywords2

1绪论2

1.1研究背景及研究意义2

1.2国内外研究现状3

1.2.1水土压力的影响因素3

1.2.2水土压力的计算方法3

1.2.3水土压力分算与合算的适用范围4

1.2.4工程实例的研究5

2水土压力分算与合算计算5

2.1水土压力分算与合算计算思路5

2.2水土压力分算与合算计算模型5

2.3理正深基坑6.0软件介绍7

2．4总结水土分算与水土合算的计算公式8

2．5参数输入8

3水土压力分算与合算计算结果分析8

3.1支护结构受力分析与变形分析8

3.2支护工程安全系数和沉降量分析12

3.3结果差异原因15

4水土压力分算与合算适用范围分析16

4.1水土分算与水土合算计算思路的差异16

4.2　一般情况下水土分算适用范围16

4.3一般情况下水土合算16

4.4粉土水土压力计算的选择16

4.5其他因素的影响16

4.6水土压力分算与合算的不足17

5结论17

参考文献17

致谢18

基坑支护结构上水土压力分算与合算的结果差异与适用范围

工程管理专业学生周攀

指导教师高新南

摘要：

在基坑支护工程中支护结构主要受两种力的作用：

一种是水压力；另一种是土压力。

基坑工程中的土压力、水压力计算，根据不同的土性和施工条件，分为水土分算和水土合算两种方法。

由于水土分算和水土合算的计算结果存在差异，要根据水土特性和工程经验确定。

在综合国内外研究现状的基础上，重点讨论了存在争议比较多的粉土，通过软件和手算，比较两种模型在水土分算法与水土合算法的结果差异，寻找结果差异原因，确定水土分算与合算的适用范围，以在确保基坑工程安全性的基础上，提高其投资的合理性。

关键词：

水土分算；水土合算；结果差异；适用范围

SupportingStructureofFoundationSoilPressureResultsandEconomicalDifferencesandApplicableScope

StudentmajoringinprojectmanagementZhoupan

TutorGaoxin-nan

Abstract：

Infoundationpitsupportingstructureismainlyaffectedbytwoforces:

oneisthewaterpressure;theotheroneissoilpressure.Accordingtothedifferentsoilandconstructionconditions,therearetwokindsofmethodstocalculatethesoilpressureandwaterpressureinthefoundationengineering.Thetwomethodsareestimatingwaterandearthseparatelyandestimatingwaterandearthtogether.Becauseofwaterandsoileconomicaldifferencesbetweentheresultsofcalculation,accordingtothesoilcharacteristicsandengineeringexperience.Basedoncurrentresearchathomeandabroad,discussesthemorecontroversialsilt.Throughthesoftwareandmanualcalculation,comparisonoftwokindsofmodeldifferencesinwaterandsoilalgorithmalgorithmresults,findthereasonsofthedifferences,definedthescopeofsoilandwaterisgood.Wedothisinordertoensurethatthefoundationexcavationengineeringsecurity,improvetherationalityofitsinvestment.

Keywords:

estimatingwaterandearthpressuresseparately;estimatingwaterandearthpressurestogether;thedifferenceofresults;scopeofapplication

1绪论

1.1研究背景及研究意义

根据《中国经济周刊》报道，目前中国正在建设的摩天大楼总数超过200座，未来3年，平均每5天就有一座摩天大楼在中国封顶。

5年后中国的摩天大厦将超过800座，中国正进入摩天时代。

与之相对应地，基坑支护的设计与施工也越来越成为不能忽视的技术难题。

而在基坑设计与施工过程中离不开水土压力的计算和分析。

在工程界，填土、粘土统一采用水土合算方法，砂土统一采用水土分算方法。

而对于介于透水和不透水之间的粉土，究竟采用水土分算方法还是水土合算方法争议较大。

确定粉土计算方法有利于在保证基坑工程质量的基础上，提高基坑工程投资的合理性。

水土压力的分算与合算问题已成为世界各国研究的重要课题。

国内外很多研究机构和人员提出了水土压力的计算方法，如Biot固结理论和有限元分析程序等计算方法。

近年来基坑支护结构上的水土压力计算多采用专门的计算程序。

本文采用理正深基坑软件对模型的水土压力进行分析，比较2种不同模型之间计算结果的差异，并分析结果差异的主要原因，为基坑支护工程在设计和施工过程中提供理论支持。

1.2国内外研究现状

基坑支护工程上水土压力的计算最早可以追溯到1776年的库伦土压力理论。

1776年库伦（Coulomb）根据研究挡土墙墙后滑动土楔体的静力平衡条件，提出了计算土压力的理论。

1857年英国学者朗肯（Rankine）从研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极限平衡理论，得出计算土压力的方法。

在随后几百年的漫长岁月中，经过一代又一代的学者和研究机构对水土压力理论不断地研究，水土压力理论得到了进一步的发展和完善。

现有的水土压力理论，经过了不同条件和难度的工程实例的检验，被证明是有一定合理性的。

但是随着我国经的济高速发展、综合国力的不断提高以及城市化进程的不断加快，我国建筑行业突飞猛进，现有的水土压力理论仍显得捉襟见肘。

水土压力理论还需要更多的后来者继续努力、不断进行完善。

1.2.1水土压力的影响因素

水土压力理论不仅涉及岩土工程理论,也涉及结构工程理论，其中所涉及的岩土工程理论不仅包含典型的强度与稳定问题，还包含了变形问题以及土体与结构的共同作用问题，如支护结构的土压力分布就是一个相当复杂的问题，它与水、土力学参数和支护体水平位移有关，而水、土力学参数具有较大的不确定性和离散性，支护体水平位移又与支护体系中的墙体刚度，支撑的刚度和位置、土体作用、土体开挖的方式和开挖速度等因素有关。

李广信[1]就原状土深基坑支护结构上实测土压力远小于经典土压力理论计算值这一情况进行了分析，并得出：

基坑支护上的水土压力的大小受诸多因素的影响：

土的微观结构、应力历史和应力路径、孔隙水压力特征以及基坑的边界条件。

1.2.2水土压力的计算方法

基坑支护结构承受的侧向荷载主要包括土压力、水压力，其他一些荷载如周边建筑物的垂向荷载、施工荷载等也都是通过水、土体以侧压力的形式作用于支护结构上，因此水、土压力的计算是支护结构荷载取值的关键。

基坑支护结构设计阶段，首先要确定的就是水、土压力，它是支护结构安全稳定的关键。

合理计算作用于支护结构上的荷载大小是基坑支护工程的核心内容之一，也是事关基坑工程安全性及投资合理性的重要前提。

对于这一关键性问题，学术界及工程界的认识并不统一，紧紧围绕“水土分算”及“水土合算”问题而展开的学术讨论非常激烈，这一问题涉及到经典土压力计算理论的适用性、水土压力共同作用机理、土中孔隙水压力的作用方式、水土压力计算时强度指标的合理选择等方方面面。

“水土分算”在于有效应力原理，理论上是完备的，但计算结果与实测值间存在较大差异，且计算指标不好获取；“水土合算”的计算结果更接近于实测值，但存在明显的理论缺陷。

（1）固结理论阶段

建立三维固结理论要考虑土体三个方向的排水和变形。

太沙基固结理论只在一维情况下是准确的，对二三维都不够准确。

太沙基固结理论的重大局限在于假定固结过程中土体的总应力分布不变。

荷载不可能瞬时施加，实际情况是往往具有一定的加荷历史，固结过程中土体的应力分布在不断变化，因而常被称为准三维（拟三维）固结理论。

Biot（比奥）[2]1840年从连续介质的基本方程出发，推到能准确反映空隙压力消散与土体骨架变形相互关系的三维固结方程，建立了Biot固结理论，一般称为真三维固结理论。

Biot理论直接从弹性理论出发，满足土体的平衡条件、弹性应力—应变关系和变形协调条件，此外还考虑了水流连续条件，在理论上较准三维理论严格，但求解复杂。

只有几种情况能获得精确解，故它多用于有限元的计算中。

（2）有限元分析阶段

Finno[3]在Biot固结理论的基础上，利用有限元分析方法，建立了渗流和固结变形的耦合分析模式，分析了基坑开挖的渗流问题。

Borja[4]新建了分线性有限元程序，采用固结变形耦合分析，分析了基坑开挖中的渗流问题，且得出：

地下水渗流作用对基坑水土压力值影响明显，特别是在坑角附近处，由于渗流力相对集中，土体发生屈服，塑性变形增加，土压力发生变化。

（3）完善阶段

王洪新[5]进一步完善了水土压力计算公式，新建了一个水压力比率，将土的界限含水量、孔隙比等物理参量加入到水土压力计算公式中，并且有效应力强度指标和总应力强度指标也被统一放入一个强度公式中。

在此基础上更是提出了一个水土分算和水土合算的新算法，将水土分算与水土合算两者计算结果实现过渡，这为解决两者结果对比提供了一个新思路，同时还猜测水土压力的计算与土的孔隙比或许直接相关。

靳雪梅等[6]认为在软土地区，使用经典理论计算出的水土压力值较实测值出入较大，通过对基坑开挖整个过程的跟踪测试，推导出新的土压力系数公式，并得出：

（1）粘性土使用有效应力原理计算土压力会更合理；

（2）软体地区计算土压力时应使用水土分算法。

1.2.3水土压力分算与合算的适用范围

对于考虑渗流条件影响条件下和不考虑渗流影响条件下，水土压力的计算采用水土分算方法还是水土合算方法一直是学术界和工程界有争论的问题。

魏汝龙[11]总结了目前水土合算方法被广泛应用的主要原因：

（1）国内各研究机构由于资金不足、历史遗留等原因并没有广泛使用三轴设备，无法进行有效应力强度的测试；

（2）在弱渗透性粘性土中，水压力对支护结构的影响在短时间内并不大，导致部分人认为有效应力原理不能应用在这类粘性土上；（3）在粘性土不排水时，土体在剪力作用产生超静孔隙水压力，由于这部分水压力不易正确测量和计算，因此最好采用总应力法。

魏汝龙就上述观点提出了自己的看法，并且验证了用总应力强度指标进行水土分算的合理性，建议采用有效容重和固结不排水总应力强度指标计算土压力，水压力为全部静水压力的水土压力计算方法。

杨晓军、龚晓南[12]在总结大量文献的基础上，得出结论：

（1）水土合算并没有可靠的理论依据，其只是一种经验方法；

（2）基坑支护上的土压力应该使用总应力强度指标进行水土分算计算；（3）建议在以抗剪强度指标的计算中加入对超静水压力的影响的考虑，使用以卸载强度为指标的计算中应分开考虑静水压力的影响。

陈国兴和韩爱民[13]对于基坑支护结构上土压力计算提出了多条建议，还对土的渗透性的进行了分析，分别用水土分算和水土合算方法对一处主要为粉质土的土层进行了水土压力计算。

并且得出结论：

水土压力分算方法比较适合于砂土、粉土、粉质粘土和重粉质粘土；而水土合算方法比较适合于粘土。

赵明华等[10]通过对多种渗透性不同的土壤试样进行水土压力实测试验，并且得出结论：

水土压力合算方法适用于粘性土和粉质粘性土的浅层；孔隙水压力与渗透性大小成正比；水土压力合算方法适用于土渗透性低的情况下。

张飞和李镜培[14]认为地下水渗流影响了深基坑围护墙上的水土压力分布，基于这种认识，总结了基坑围护墙上水土压力的计算方法，采用岩土工程有限元分析方法，通过渗流-应变耦合机理来计算渗流条件下的水土压力，结合工程案例，分别用传统水土压力计算方法和有限元计算方法计算，将二者结果与工程实测土压力数值进行比较。

并且得出结论：

（1）对深基坑围护墙上水土压力进行计算时，如果基坑周围土层为分土层时，应考虑水头损失和渗透力，这样才能更好的反映各个土层对水压力和土压力的影响，进一步优化基坑设计条件；

（2）粉质粘土和粘土在计算墙后水土压力值时用水土压力合算法比较适合，不适合计算墙前水土压力；（3）考虑基坑土体的流-固耦合效应时，可以使用岩土有限元PLAXIS程序。

在计算深基坑围护墙上的水土压力时，考虑地下水渗流边界和围护墙结构变形，所计算出来水土合算的值与实测值更加接近。

1.2.4工程实例的研究

基坑支护上水土压力的计算公式来源多是通过工程实例总结而来，通过对比计算结果与工程实测结果差异，可以反过来验证公式的可靠性，进一步完善公式，提高公式的实际应用性。

刘国彬、黄院雄等[7]监测了一地铁车站基坑工程施工过程中，其孔隙水压力随时间、工况变化的规律，并且发现孔隙水压力的实测值与静水压力的理论计算值之间存在较大出入，孔隙水压力实测值要低于静水压力的理论值，分析了问题出现的原因及解决办法。

张克意等[8]监测了江苏润杨长江大桥北锚锭段的基坑工程在各种工况下孔隙水压力的变化，并得出砂土和弱透水性的粘性土都能传递静水压力。

王春波和丁文其[9]监测了上海一地铁车站超深基坑地下连续墙的外侧孔隙水压力，并且得出：

当支护结构在隔水层上施工时，支护结构上的水土压力应该采用水土分算法计算，其中的水压力采用静水压力。

赵明华等[10]通过对多种渗透性不同的土壤试样进行水土压力实测试验，并且得出：

水土压力合算方法适用于粘性土和粉质粘性土的浅层；孔隙水压力与渗透性大小成正比；水土压力合算方法适用于土渗透性低的情况下。

2水土压力分算与合算计算

2.1水土压力分算与合算计算思路

在工程界，填土、粘土统一采用水土合算方法，在工程中被广泛应用，其计算值与实测值相近，相较水土分算法更合理；[15]砂土统一采用水土分算方法。

而对于介于透水和不透水之间的粉土，究竟采用水土分算方法还是水土合算方法争议较大。

本文通过将土体简化为四层土：

填土、粘土、粉土、砂土。

其中，填土、粘土工程界统一采用水土合算方法，砂土统一采用水土分算方法。

而对于具有争议的粉土，则分别采用水土分算方法和水土合算方法计算，比较结果差异。

本文采用的2种计算模型均为某基坑工程简化后的模型，该工程主要数据：

（1）该基坑工程为排桩支护结构；

（2）基坑安全等级按“二级”考虑，重要性系数Y0=1.0；

（3）地面均布荷载按20KPa考虑；

（4）设计采用钻孔灌注桩加两层砼支撑进行支护，桩顶相对标高为-1.20M，第一层砼支撑轴线相对标高-1.60M，第二层砼支撑轴线相对标高-7.60M。

（5）基坑开挖面相对标高为-12.00M,基坑挖深为12.0米。

考虑到拆撑工况，地下室负一层板面标高暂按-5.50M考虑，地下室底板板面标高暂按-10.50M考虑。

2.2水土压力分算与合算计算模型

本文主要对2个模型进行研究，如下图所示：

计算模型1：

填土、粘土采用水土合算方法；粉土、砂土采用水土分算方法。

4.粗砂

水土分算

水土分算

水土合算

水土合算

图2-1计算模型1

计算模型2：

填土、粘土、粉土采用水土合算方法；砂土采用水土分算方法。

水土分算

水土合算

水土合算

4.粗砂

水土合算

图2-2计算模型2

在对两个模型进行计算时，采用理正深基坑软件计算与公式验算相结合。

在得出正确的数据基础上，比较2种模型的结果差异，寻找结果差异的主要原因，最后总结水土分算与水土合算的适用范围。

2.3理正深基坑6.0软件介绍

理正深基坑支护结构设计软件（F-SPW）是北京理正软件设计研究院研发推出的深基坑工程设计软件。

同时理正深基坑软件6.0是建设部大力推广的“建筑业十项新技术”之一，是《建筑基坑支护技术规范（JGJ120-99）》配套软件。

理正深基坑6.0软件具有以下特色功能：

（1）在国内率先实现了支护构件、内撑、立柱、斜撑与周围土体共同工作，采用基坑工程三维整体有限元分析方法，引进了桩、墙侧向刚度，使计算结果更加符合实际情况；

（2）可以处理平面不封闭内支撑体系、内支撑和锚杆混合体系、无内支撑的连续墙空间计算、加预应力的内支撑体系、上下错层的内支撑体系、不同区域采用不同支护形式的复合支护体系及坑内坑的特殊支护形式等工程难题；

（3）能够提供计算图、施工图、工程量统计和造价统计等功能。

从基坑支护结构的平面布置、内支撑设置，到支护结构的空间分析、配筋计算、构件归并、计算书及施工图的生成，全过程实现了计算机化。

（4）三维整体计算：

二维建模（简单）、三维计算（真实）、三维查看（方便），基坑支护结构的内力、位移的三维云图或曲线显示，可以对任意单构件的计算结果进行查看，并可进行基坑开挖过程位移动画演示。

2．4总结水土分算与水土合算的计算公式

基坑支护结构在开挖和使用过程中主要受到两种力的作用：

一种是水压力，另一种是土压力。

但是计算水土压力时，工程界分歧较大，计算公式千差万别。

本文主要参考了2009版基坑工程手册中给出的公式。

水土分算公式：

在计算职称结构受力时，按有效应力原理将土骨架压力及空隙水压力分别考虑。

[16]地下水以上部分Pa=rƶKa，地下水以下部分Pa=Ka[rH1+r'（z-H1）]+rw（z-H1）

其中r表示土的深度；r'为土的浮重度；rw为水的浮重度；z计算点的深度；计算Ka应采用土的有效抗剪强度指标c'、φ'。

水土合算公式：

地下水以上部分Pa=rƶKa，地下水位以下部分Pa=Ka'[rH1+rsat（z-H1）]

被动土压力为：

rsat为土的饱和重度；Ka'为水位下土的主动土压力系数。

2．5参数输入

计算模型采用四层土可以根据各层土的土性参数，分别在理正深基坑6.0中输入相关土层参数，数据相关输入如下图所示：

图2-3理正深基坑软件土层参数的输入

3水土压力分算与合算计算结果分析

3.1支护结构受力分析与变形分析

通过理正深基坑6.0软件的单元计算结果，其中蓝色曲线及数字为弹性法得到结果，红色为经典法得到的结果。

本文统一采用弹性法分析。

模型1结果如下图所示：

图2-4理正深基坑软件工况1计算结果

图2-5理正深基坑软件工况3计算结果

图2-6理正深基坑软件工况5计算结果

模型2计算结果如下图所示：

图2-7理正深基坑软件工况1计算结果

图2-8理正深基坑软件工况3计算结果

图2-9理正深基坑软件工况5计算结果

通过对上述数据进行整理分析，得到表2-1所示结果：

支护参数

土压力

位移

弯矩

剪力

分算

合算

分算

合算

分算

合算

分算

合算

工况1-开挖至2.1m

30.28

47.46

1.93

1.14

23.93

37.93

35.43

33.66

工况3-开挖至8.1m

118.24

67.79

12.15

8.9

564.02

394.36

268.37

167.37

工况5-开挖至坑底

170.17

142.56

22.65

18.29

820.64

696

428.66

394.58

表2-1理正深基坑软件各工况分别使用水土分算、水土合算法得出的支护参数对比

所有数据均是用弹性法得到的结果，其中土压力、位移、弯矩、剪力均为各工况最大值。

通过公式计算得出的结果与理正深基坑软件计算得到的计算结果相一致。

（1）采用水土分算法时，土压力计算值增长较快，水土分算土压力计算值比水土合算计算值大得多；

（2）采用水土分算法时，位移计算值增长较快，水土分算位移计算值比水土合算计算值大得多；

（3）采用水土分算法时，弯矩计算值增长较快，水土分算弯矩计算值比水土合算计算值大得多；

（4）采用水土分算法时，剪力计算值增长较快，水土分算剪力计算值比水土合算计算值大得多。

3.2支护工程安全系数和沉降量分析

通过理正深基坑6.0软件计算得到该基坑工程的抗倾覆安全系数和最大沉降量，其中红色线条为三角形法，青色线条为指数法，蓝色为抛物线法。

本文对基坑最大沉降量进行分析时，统一采用三角形法。

模型1得到的计算结果如下图所示：

图2-10理正深基坑软件沉降量计算结果

模型2得到的结果如下图所示：

图2-11理正深基坑软件沉降量计算结果

对简化后的基坑整体稳定性验算采用瑞典条分法和总应力法进行计算。

该基坑条分法中的土条宽度:

0.40m。

整体稳定安全系数Ks=2.401，圆弧半径（m）R=24.011，圆心坐标X（m）X=-3.089，圆心坐标Y（m）Y=10.977。

Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩,对于内支撑支点力由内支撑抗压力

决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

模型1的抗倾覆安全性验算：

工况1：

注意：

锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

序号支锚类型材料抗力（kN/m）锚固力（kN/m）

1锚杆0.0000.000

2锚杆0.0000.000

Ks=5.137>=1.200,满足规范要求。

工况2：

注意：

锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

序号支锚类型材料抗力（kN/m）锚固力（kN/m）

1锚杆321.699286.083

2锚杆0.0000.000

Ks=5.461>=1.200,满足规范要求。

工况3：

注意：

锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

序号支锚类型材料抗力（kN/m）锚固力（kN/m）

1锚杆321.699286.083

2锚杆0.0000.000

Ks=1.768>=1.200,满足规范要求。

工况4：

注意：

锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

序号支锚类型材料抗力（kN/m）锚固力（kN/m）

1锚杆321.699286.083

2锚杆1005.310942.046

Ks=2.39