基坑水土压力.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流基坑水土压力.精品文档.城市地下工程读书报告授课老师: 邓 涛 学生姓名: 许茂坤 专 业: 岩土工程 学 号: 100520004 2011 年 12月 20 日基坑工程中的水土压力1、引言在基坑工程的设计中,为了维护基坑开挖的边坡稳定,常常需要设置临时性或半永久性的支护工程。土压力是作用在支护工程上的主要荷载,特别在大型的基坑工程中,准确估算土压力大小对确保基坑顺利开挖具有重要意义。2、土压力理论土压力是土与支护结构相互作用的结果。传统土压力仅考虑几种极限的状态,即主动、被动与静止土压力。对于无支撑基坑,土压力可考虑为主动土压力;而对于有
2、支撑基坑,其土压力可能为静止土压力和主动土压力之间。静止土压力是墙体无侧向变位或侧向变位微小时,土体作用于墙面上的土压力。如建筑物地下室的外墙,由于横墙与楼板的支撑作用,墙体变形很小,可以忽略。则作用于墙上的土压力可认为是静止土压力。主动土压力是墙体在墙后土体作用下发生背离土体方向的变位(水平位移或转动)达到极限平衡时的最小土压力。支护结构在土压力的作用下,将向基坑内移动或绕前趾向基坑内转动。墙体受土体的推力而发生位移,土中发挥的剪切阻力可使土压力减小。位移越大,土压力值越小,一直到土的抗剪强度完全发挥出来,即土体已达到主动极限平衡状态,以致产生了剪切破坏,形成了滑动面,这时土压力处于最小值,
3、称为主动土压力,通常用Ea表示。进入主动土压力状态的位移量一般是比较小的被动土压力是墙体在外力作用下发生向土体方向的变位(水平位移或转动)达到极限平衡时的最大土压力。基坑支护结构上部在向基坑内移动或绕前趾向基坑内转动时,基坑支护结构下部分,由于结构向坑内的可能位移。结构受外力被推向土体,使土体发生变形,土中发挥的剪切阻力可使土对墙的抵抗力增大。墙推向土体的位移越大,土压力值也越大,直到抗剪强度完全发挥出来,即土体达到被动极限平衡状态,以致产生了剪切破坏,形成了另一种滑动面,这时土压力处于最大值,称为被动土压力,通常用Ep表示。2.1 静止土压力计算静止土压力可根据半无限弹性体的应力状态求解。在
4、土体表面以下任意深度z处M点取一单元体,作用在该单元体上的力有两个:(1) 竖直方向土的自重应力式中,土体的重度;由土体表面算起至M点的深度。(2)侧向压应力,是由于挡土墙约束了土体的侧向变形,所以土体会对挡土墙有一个侧向压应力,这就算静止土压力。设,由广义胡克定律:式中,E弹性模量,泊松比。由于挡土墙的侧限作用,=0,对于平面应变问题=0。同时该单元体是出于半无限弹性体的应力状态,所以。将以上条件带入前述三式得令,半无限体在无侧移条件下,其侧向压力与竖直方向压力之间的关系可表示为上述K0为静止土压力系数,其值与土的种类有关,而同一种土的K0还与其孔隙比、含水量、加压条件、压缩程度有关。常见的
5、K0值:粘土为0.50.7,砂土为0.340.45。也可根据半经验公式计算。静止土压力示意如图1。图1 静止土压力墙后土体为水平时,静止土压力按三角形分布,静止土压力合理合力作用点即三角形形心,位于离墙踵H/3处。2.2 朗金土压力理论朗金土压力理论是由英国科学家郎金从弹性半无限空间的应力出发,由土的极限平衡理论推导而得。他作出如下基本假定: 挡土墙墙背竖直、光滑; 墙后土体表面水平并无限延长。因此,土体内任意水平面与墙背均未主平面,作用于两平面上的正应力均为主应力。2.2.1 主动土压力计算现在研究挡土墙后土体表面以下深度z处M点的土体单元的应力状态。竖直方向的应力为z,侧向水平应力为K0z
6、,两者均处于主应力。此时应力圆与土的强度包络线不相切,如图2,墙后土体处于弹性状态。图2 朗金土压力计算图式当挡土墙在土压力作用下,离开土体向前位移,作用于单元体上竖向应力仍为z,但侧向水平应力逐渐减小。如果墙的位移达到一定数值,墙后土体就处于极限平衡状态,此时,应力圆(O2)与土的强度包络线相切,作用在单元体上的两个主应力,一个为z,另一个pa就是所求主动土压力强度。要求解pa,可通过图2的几何关系求得以下结果式中,为主动土压力系数,图3 郎金主动土压力分布图3表示郎金主动土压力的分布。图(b)为无粘性土的主动土压力分布,图(c)则为粘性土的主动土压力分布。若墙后土体为无粘性土,则作用于三角
7、形的形心即距墙踵H/3处。若墙后土体为粘性土,则2.2.2 被动土压力计算当挡土墙在外力作用下,向土体方向位移时,墙后土体被压缩,此时,距土体表面z处单元体,竖向应力仍为z;则水平应力则由静止土压力逐渐增大。当位移达到一定竖直,墙后土体出现滑裂面,土体处于极限平衡状态(图2),应力圆与土的强度包络线相切时,其水平应力为pp,即郎金被动土压力。同样可由几何条件求得pp。被动土压力沿深度z呈直线分布,如图4所示。作用在墙背上的被动土压力的合力可由分布图形的面积求得,其作用点位置分布在图形的形心处。图4 郎金被动土压力分布2.3 库伦土压力理论库伦土压力理论是在滑契极限平衡的基础上推导出来的。他做了
8、以下几点假设:(1) 墙后土体为均质各向同性的无粘性土(2) 挡土墙很长,属于平面变形问题(3) 土体表面为一平面,与水平面成角(4) 滑动破裂面为通过墙踵的平面根据以上几点假设和契体的平衡条件,可求出库伦土压力。计算图式见图5和图6。图5 库伦土压力契体计算图5 库伦被动土压力计算库伦土压力理论是根据无粘性土理论推导出来的,这与实际工程有点不符合。工程上,常使用换算的等值内摩擦角来进行计算。3 土的微观结构及水土共同作用机理计算作用于基坑支护结构上水土压力,应当选取何种土压力计算理论?土中孔隙水压力是以何种机理与土体共同作用?水土压力应当采取“分算”还是采取“合算”,抑或综合考虑两种因素的其
9、他算法?水土压力计算时究竟该选用何种力学指标?这些问题一直是工程界和学术界争论的焦点,也未形成统一的认识。本节将结合粘性土微观特性的研究,探讨水土共同作用的微观机理及孔隙水压力传递规律,为水土合算与分算的选择建立理论基础。3.1 土的微观结构特性3.1.1土结构性的基本概念土的结构是由组构和粒问力组成的,它在某种程度上反映了土的成份和土的历史的所有方面。广义上讲,土都具有结构性;微观上讲,土结构性是指土体颗粒捌孔隙的性状与排列形式及颗粒之间的相互作用。 基于现代结构概念,土的结构特征主要体现在如下4个方面,即:结构单元体特征,包括结构单元体的物质组成、大小、形态、表面特征等:颗粒的排列特征,反
10、映了结构单元体之间的空间位置,包括点一面(PF)形式、面一面(FF)形式、边一边(EE)形式、边一面(EF)形式等;孔隙性,包括孔隙的大小、形状、数量以及连通性等方面;结构连结,指结构单元体之间的相互作用和结合的性质。土结构性研究有三个基本途经,其一是微结构形态学的研究;其二是固体力学研究方法,基于数学力学观点建立能够有效描述土结构性在受力过程中变形及破坏的力学模型,以此推导和反映土的宏观力学行为:其三是土力学的研究方法,研究不同结构性土所独具的力学特性,并针对土的特性提出某些表述参数(如结构强度、先期固结压力、湿限系数、灵敏度、渗透系数及液化度等)。3.1.2土结构性对其工程特性的影响(1)
11、 粘土组构及结构对其物理特性的影响土的组构及结构特征直接影响其物理性质,可将这些影响归结为如下几个方面: 在一定的固结压力下,絮凝(原状土)体系比散凝(重塑土)体系的密实度低;超过前期固结压力时,压力增量引起组构的重新定向,絮凝组构较之散絮组构要大。 相同的孔隙比下,含有不规则定向的颗粒和颗粒群的絮凝体系比散絮体系刚度大;通常情况,散絮(重塑土)体系较之絮凝(原状土)体系的孔隙直径平均值及孔隙大小的范围值都要偏小。 通常情况,作用于颗粒及颗粒群间的应力并非均匀分布,某些“空载”颗粒及颗粒群由于周围组构单元的成拱作用而处于无应力状态;当粘土的结构发生改变时,若土趋于被压缩且排水受阻,则产生正孔隙
12、压力,粒问有效应力降低,若土趋于膨胀且排水受阻,则反之。(2)粘土结构性对其渗透特性的影响在粘性土的岩土工程特性中,渗透性受组构的影响很大,土组构的各向异性可直接导致土渗透性的各向异性。基于粘性土微观结构层面,粘粒及粘粒群间存在着与土体内孔隙存在方式及类型对应的三类水,即:粘粒群隙中的水;粘粒群内孔隙间的水;粘粒及粘粒群接触部位的水。一般而言,第三种水主要为结合水;第二种水可能全部,也可能部分为结合水:第一种水,在边缘部分为结合水,中心部分为自由水,二者间的比例取决于孔隙的大小。同种粘土中,上述三类水既有联系,又有区别,共同作用。粒群问的孔隙水占土中水体的主要部分,且相互存在水力联系,对水压反
13、映最为直接、灵敏,直接影响土的渗透特性;粒间接触点水对荷载反应最为直接,对水压反应则较为间接,且互不联系;而粘粒群内孔隙水则以每个集合体为单元构成统一的水力系统,并通过集合体间的孔隙水为媒介与相邻集合体内的孔隙水保持间接联系。原状土体中大量的粘粒群间孔隙,是渗流的主要通道,并且粘粒及孔隙保持着很好的定向性,当土体受到超过其结构屈服应力的外力作用时,土中的絮凝集聚体结构将遭到破坏,原有的大孔隙逐渐消灭而形成孔径更小的组构,此时起主导作用的粘粒群问孔隙水中的结合水将占主体地位,直接导致土体渗透性能的下降。实际中同种土类的原状样与重塑样的渗透性存在很大差异,即是明证。3.2 土中孔隙及水分存在类型3
14、.2.1 土体中的孔隙杨顺安、冯晓腊等(2000)依据压汞测孔资料,结合大量的扫描电镜照片将土中的孔隙按大小分成如下几种类型:大孔隙(d10),包括孤立孔隙和部分连通的粒间孔隙,内含结合水和自由水,后者占绝对主导地位;中孔隙(d=1510),以粒间孔隙为主,包括部分大孔隙压缩转化而来的孔隙,该类孔隙直径大,数量多,连通性好,对土的压缩性及渗透性影响显著,孔隙水以自由水为主,结合水次之;微孔隙(d=0.061.5),主要为粒间孔隙,含部分粒内孔隙以及由上两级孔隙压缩后的孔隙,在土中占主导地位,分布广,连通率高,是渗透固结的主要通道,该孔隙又可分为三个亚类,即一、二、三级微孔隙,其中孔隙水也逐渐由
15、自由水占主导向结合水占主导转化;超微孔隙(d 0.06),主要为粒内孔隙,完全为结合水,对土性质影响不大。随不同外力的作用,土的结构发生破坏,土中孔隙的类型发生显著改变。3.2.2 土体中的孔隙水据粘性土中水分子活动能力的大小,可将粘性土中的水分为4种类型:强结合水(吸附结合水)、弱结合水(渗透吸附水)、毛细水、重力水(自由水)。前苏联学者兹洛切夫斯基卡娅基于结合水的性质和形成机理,将粘性土中的结合水分为吸附结合水和渗透吸附水两大类。图6为饱和粘土孔隙通道不同性质的水分分布情形。该分类方式的特点在于揭示了吸附结合水的固相特性,它不受重力束缚;渗透I吸附水(弱结合水)具有液相性质,它受重力的影响
16、,是土中水渗流的主要载体之一,能传递孔隙水压力。图6 饱和粘土孔隙通道中不同性质的水分布示意图rahensiek(1992) 和Dixox(1992)等研究了上述4类水对应的赋存孔径:当孔径庐O002pm时,一般只赋存强结合水;当o.002 0.08时,以弱结合水为主:当0.08 2.0时,以亚毛细水为主;当2.0 200时,则以重力水为主。因土质类型的差别,土的微观结构存在差异,土中的孔隙通道(有效孔径)形态各异,致使土中水的类型及所占的比例存在差异,图2-8反映了土质差别对土中水的类型及含量的影响。3.3 水土共同作用机理3.3.1 水土共同作用机制Mitchell(1976)基于双电层理
17、论,提出了吸附于粘粒表面的水与粘粒问可能的相互作用机制:氢键联结机制、阳离子水化机制、渗透吸附机制、电场中的偶极定向机制及色散力吸引机制等。水土共同作用是一个系统的概念,基于微观层面地下水可以通过物理、化学、生物等效应对土体固有的微观结构进行破坏和重构,进而影响土体的工程特性;基于宏观层面,地下水通过力学效应可以直接改变土体的渗流及应力场,引起地面沉降、砂土液化、土体渗透破坏、结构物浮力及侧压力改变等工程问题;反过来土体微观结构及宏观力学特性的改变又将直接影响土体中水的存在类型、作用形式等:总的而言,水土共同处于一个复杂的物理化学生物场,二者构成一个动态平衡的共同作用体系。3.3.2 2孔隙水
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