1、滲透對基坑水土壓力的影響（李廣信 劉早云 溫慶博）時間： 2002年9月17日08:34 來源：水利學報2002-5 放大縮小打印摘 要：基坑地基土中水的滲流不但可能引起滲透破壞，引起水壓力，而且也對其土壓力有重大影響，從而決定抗滑穩定性。本文作者針對有上層滯水、一般自由滲透、有承壓水、基坑內排水與基坑外降水以及有超靜孔壓等情況對基坑支護結構物上的水土壓力進行計算分析，結果表明：水土壓力大小及分布與靜水時的明顯不同。且此時較宜于用庫倫土壓力理論。在有上層滯水情況下，用水土合算大體上是可以接受的。在有承壓水情況下，其作為抗力的被動土壓力可能喪失殆盡。基坑外人工降水與基坑內排水相比，更有利于基坑的

2、穩定。正的超靜孔壓大大提高了土壓力，負的超靜孔壓明顯減少土壓力。在很多有滲流的情況下，不宜用朗肯土壓力計算土壓力，而應當用庫侖土壓力理論的圖解法來搜索可能滑裂面。關鍵詞：基坑；水壓力；土壓力；滲流；滲透力基金項目：國家自然科學基金委員會和長江水利委員會聯合資助項目(50099620)隨著我國大規模建筑基坑和地下工程的發展，支護結構設計計算中的許多問題逐步凸現出來。支護結構水土壓力計算得到越來越多的重視和討論13。基坑水土壓力計算常常采用朗肯和庫倫土壓力理論，其中朗肯理論由于其簡便而被廣泛使用。土中水的問題是土壓力計算的難點，簡單的水土合算與分算并不能解決實際工程中的復雜問題。土中水的存在狀態有

3、多種，而地下水存在的形態又有上層滯水、潛水和承壓水4。在基坑開挖過程中，基坑的水常常處于流動狀態。由于朗肯理論要求墻后土應力狀態為一維情況，這樣，在一些土中水為靜水壓力或者水壓力為一維滲流情況下適用，但有平面滲流的情況就不適用。庫倫土壓力理論由于考慮土楔體的極限平衡，因而更為適用在有滲流的情況下計算水土壓力11。當擋土墻墻后水為二維滲流時，由于滲透力方向不全是豎直方向的，故朗肯理論不適用。這時朗肯理論與庫倫理論計算的結果有很大的不同。水土壓力的分布還受不同土層滲透系數的影響，當土層的滲透系數由大到小，或者由小到大，考慮滲透影響，其水土壓力分布有很大的不同，這點在北京某些地區含地下水的土中表現特

4、別明顯。此外，滲透力方向的不同，將影響基坑的水土壓力。擋土結構后面的土中存在二維分布的超靜孔壓時，此時不宜用朗肯理論而應用庫倫土壓力理論。楊曉軍、李廣信等5-8對基坑有滲流情況的水土壓力進行了一些分析，本文將通過對基坑的幾種工況和不同方法的計算，對朗肯、庫倫土壓力理論在有滲流情況下的適用性進行分析和比較，對滲透系數不同的土層水土壓力進行了計算，考慮到不同滲流方向，對同一個基坑采用基坑內外降水（輕型井點和明溝降水）對板樁墻水土壓力的影響進行分析，并對擋土結構后面的土中存在二維分布的超靜孔壓的情況進行了計算和分析。1 一維垂直滲流的水土壓力計算北京東部土層中往往有3層水，即潛水、滯水和承壓水，由不

5、同的土層組合而形成，基坑及基礎常涉及到這3層水，由于不同土層組合，3層水的組合常常使水土壓力的分布與靜水時相比有所不同，有時甚至出現管涌流土現象。算例1，各土層的sat均為18kN/m3，摩擦角為30，C值近似取為0，各土層垂直向下一維滲流，土層分布如圖1所示，其中滲透系數k為相對值。考慮滲透力，土壓力用朗肯土壓力理論計算，計算基坑水土壓力隨深度變化如圖2所示(圖中實線為水壓力，長劃線為土壓力，短劃線為為水土總壓力).在圖2（a）中，粉土層中采用水土分算，但由于垂直下滲，計算結果與水土合算相同。從圖2（b）可見，不同滲透系數土層的分布導致水土壓力的不同分布。可見在這種上層滯水情況下，簡單地水土

6、分算，即用計算土壓力加上靜水壓力，和簡單的水土合算都是不合適的。 圖1 土層的一維滲流情況(算例1)算例2，如圖3一維滲流的情況，設飽和容重sat均為18.5kg/m3，摩擦角均為30，粘土的粘聚力為5kPa.由于粘土上下均為滲透性較大的砂土，所以計算時可以考慮為沿板樁墻的垂直滲透。從圖中可以看出，當上、下土層滲透系數如圖所示，基坑的被動土壓力將會顯著的減小，抗力大大小于荷載，且被動側很容易發生流土破壞（(-iw)/w=0.533），這將對基坑的穩定極為不利。圖2 不同土層的水土壓力分布(算例1)圖3 一維滲流水土壓力分布2 二維滲流情況下基坑水土壓力的計算算例3，一基坑擋土結構如圖4所示，該

7、土層為正常固結土，飽和容重sat=18.5kN/m3，粘聚力C=0，內摩擦角=30，水頭差H=10m，基坑內排水，計算墻左側每延米所受的總壓力E左(E左=被動土壓力PP水壓力EW1)和墻右側所受的總壓力E右（E右=主動土壓力Pa+水壓力Ew2）。采用如下幾種方法計算：(1)用朗肯土壓力理論，忽略板樁與土間摩擦力。假設沿板樁墻水頭均勻損失，即假定沿板樁墻背各點的水力坡降相等。以這種簡化方法計算擋土墻所受的力。(2)用朗肯理論計算，但是滲透力用流網來計算。用有限元程序計算基坑的等勢線圖，再手動繪制流線進行計算。(3)不考慮板樁墻與土間的摩擦力，用水土合算的方法，即直接取飽和容重用朗肯土壓力理論計算

8、作用于板樁墻上的總壓力。(4)用庫倫理論對板樁墻進行滑裂面計算。墻右側土壓力E右的計算如圖5.取土水混合體作為滑動的楔體，楔體自重用飽和容重計算。取直線滑裂面，在滑裂面上除作用著土體支承反力R外，還有垂直于滑裂面上的水壓力PW，PW根據滑裂面切割到的流網網格疊加進行計算，其大小隨滑裂面的位置變化而變化。板樁墻對土楔體的作用力E包括水壓力Ew和土壓力Pa（或Pp）。另一方法是滑動楔體取其骨架（浮容重）為隔離體，此時需根據一個個有限元小塊計算滲流力，進行疊加計算，這將非常繁瑣，結果應當是一致的。圖4 板樁墻流網示意(算例3)圖5 板樁墻主動土壓力計算(算例3) 上述4種計算方法計算結果列于表1，其

9、中方法4（2）和方法4(1)的板樁墻與土間的摩擦角分別為20、0，總壓力為水土壓力的矢量合成，取方法4（2）為比較基準。表1 板樁墻土壓力計算結果(算例3)方法4（1）的主動滑裂面角為35，被動滑裂面角為60，方法4(2)主動滑裂面角為37，被動滑裂面角為60；且方法4(2)的主動和被動總土壓力與板樁墻的外法線夾角均為20，總水土壓力與板樁墻的外法線方向夾角分別為7.6、10.1。從表1可以看出，在考慮板樁墻與土摩擦力的情況下，方法3的主、被動總壓力偏差都較大，達1/3以上，說明此時這種用朗肯理論水土合算已不適用。方法1和方法2的被動總土壓力偏差較大，接近1/3，主動總壓力偏差較小，較為符合。

10、方法4(1)與方法4(2)比較，可以發現，考慮板樁墻與土間摩擦力，被動總壓力偏差較大，主動總壓力偏差較小。值得說明的是當板樁墻與土間摩擦角較大時，用庫侖土壓力理論計算被動土壓力(即方法4(2)也有較大的誤差。3 輕型井點降水與明溝降水的二維滲流計算當地下水位比較高時，常常需要采取降水措施，當降水在6m以內，土體滲透系數較小，可以采用一級輕型井點降水8或者明溝降水。下面通過對兩者的水土壓力對比計算，分析不同方向滲流下水土壓力的計算特點。算例4，某一工程進行輕型井點降水，基坑深5m，板樁墻深7m，有錨桿，坑外坑內水位與地面平，不透水層距原地面13m，井點設計采用干式真空泵輕型井點，井點管埋深7m，

11、距基坑板樁墻1m.基坑地層為正常固結粘土為主，飽和容重sat為18.2 kN/m3，摩擦角為30，C值近似取為0，土與板樁墻的摩擦角=0.6。 圖6 輕型井點降水流網等勢圖設基坑內外水位不變，參考文獻810，通過對真空區和重力區分析，鵲水管進水處水位為-6m，設自由水面不變，用有限元分析，計算等勢線如圖6.計算時采用庫侖土壓力理論，對土楔體進行受力平衡分析。板樁墻左右側墻面所受的水壓力分別為EW1、EW2，總壓力分別為a、P，計算同上例方法4（2）。 同上工程，采用明溝排水。在基坑內側挖溝深0.3m，寬0.4m，每隔3040m處或基坑角處挖一集水井。設基坑上和坑底水位不變，通過有限元分析，計算

12、方法同上例方法4(2).無滲流的情況水壓力按靜水計算，采用庫倫土壓力理論進行計算。計算結果如表2所示。表2 輕型井點與明溝降水水土壓力計算(算例4)從表2可以看出，由于滲流的作用，輕型井點降水能夠降低板樁墻的總主動水土壓力，提高板樁墻的總被動土壓力，從而提高基坑支護結構的穩定性。從計算中可以看出，由于滲透力的作用，庫倫土壓力理論計算的土楔體，其主動土楔體的開裂角度為38，大于45-/2=30，被動土楔體的開裂角度為72，大于45+/2=60；明溝排水的主動開裂角為38，被動土楔體開裂角為68；無滲流靜水時，主動開裂角為33，被動開裂角為70。對照表1也發現主動開裂角為37(30），被動開裂角為

13、60。這說明滲透力對主動開裂角影響較大，對被動開裂角影響較小。其原因是被動區范圍較小，基坑內外土的滲透力除了有豎直方向的分量，還有水平向基坑內方向的分量。4 二維超靜孔壓力分布的土壓力計算11在某些砂石材料缺乏的地方，擋土結構后面的填土常常不得不采用當地的殘積土作為填土。對于這種粘性填土，當其完全飽和或飽和度較高時，常常會遇到土中存在超靜孔隙水壓力的情況。這種超靜孔壓力一般不是線性分布，當墻面是排水結構時，它又是二維分布的，且它的大小和分布也是隨時間變化的。具有二維分布的超靜孔壓的填土，朗肯土壓力理論將不再適用。這時應該根據庫侖理論用圖解法來計算。此時二維超靜孔壓力分布可以通過分解成兩個一維固

14、結問題分別計算。圖7 有頂蓋時摻氣濃度分布(Q=0.33m3/s) 算例5，墻面不排水的5m高擋土墻后填土是粘性土，上下邊界都是排水層。飽和度Sr=90%，容重=20kN/m3，滲透系數k=1.010-6cm/s，有效應力強度指標C=5kPa，=30，初始孔隙比e0=0.5，壓縮系數a=0.2MPa-1。分10層填筑，每層施工8h.填土完成后，在墻后填土表面一次施加均布荷載q=20kPa，再過24h后墻后填土中 計算的孔壓分布如圖7(a)所示。它是二維問題，不能用朗肯土壓力理論計算，只能用庫倫理論的圖解法進行計算，其滑裂面與水平方向夾角不是45+/2=60，而是53，得到的滑裂面上的超靜孔壓，

15、墻上的有效主動土壓力pa及水土壓力之和pa的分布如圖8.計算得到主動狀態下總壓力為Ea=155kN.（無孔壓時總主動土壓力/Ea=104.5kN）。值得指出的是，u是滑裂面上的孔壓，墻面上的孔壓為0，所以u實際是通過滲透力引起的土壓力作用在支擋結構物上的孔壓。算例6 土質及荷載與邊界條件與算例5完全相同，問題變成基坑開挖的支護問題。假設支護后原狀土體由于開挖卸載及支護結構位移發生的負超靜孔隙壓力如圖7(b)所示，同樣只能用圖解法來計算，得到的滑裂面與水平夾角為62.6，對應的支護結構上主動狀態下總(水土)壓力Ea=76.5kN，其滑裂面上負超靜孔壓及支護結構上的有效主動土壓力及水土總壓力的分布

16、見圖9。從算例5和算例6可見：(1）對于基坑支護結構，由于負超靜孔隙水壓力，使作用在墻上的總水土壓力明顯減少，只有擋土墻情況的一半。這種負u的影響是用常規三軸不排水試驗所無法表現的。(2）以上例子是針對不完全飽和但具有較高飽和度的情況，在完全飽和情況下，上述兩例都應另外計算靜水壓力。總靜水壓力為125kN，這是水土分算不能反映的。(3）在以上的算例中，決定支護結構上總壓力的是滑裂面上的超靜水壓力，而不是緊靠墻后土體的超靜水壓力。圖8 擋土墻水土壓力分布圖9 支護結構水土壓力分布 5 結論通過算例1、算例2的計算，可以發現，有上層滯水時的水土壓力計算與靜水時有較大的不同。有承壓水時土層滲透系數上

17、小下大時，基坑的被動土壓力將會顯著的減小，且被動側很容易發生流土破壞，這將對基坑的穩定極為不利。通過算例3的分析和計算，可以看出，由于朗肯理論只適用于一維滲流的情況采用，不適合在有平面滲流的情況下采用；采用流網和庫倫土壓力理論，得出的計算結果更可能接近實際。另外，決定基坑擋土墻總壓力不僅僅決定于板樁墻面的水壓力，還決定于滑裂土楔體面的水壓力。通過算例4的計算，可以看出相對于基坑內明溝滲流，基坑外采用輕型井點降水改變了滲流方向，可以顯著地有助于降低水土壓力，提高基坑支護結構的穩定性。通過算例5、算例6的計算，可以看出當擋土結構后面的土中存在二維分布的超靜孔壓時，朗肯土壓力理論不再適用，可用庫倫土

18、壓力理論的圖解法求得主動狀態下的總壓力（包括了滑裂面上超靜孔壓力的水平分量）。這時，滑裂面不再是(45-/2)，對于正孔壓，滑裂面變緩；對于負孔壓，滑裂面變陡。并且實際的滑裂面可能是曲面，它位于用圖解法計算得到的直線滑裂面附近，應盡量切割正孔壓并且盡量避開高負孔壓區。可見，在二維滲流狀態下，不宜使用朗肯土壓力理論，而應采用庫倫土壓力理論。參 考 文 獻：1 魏汝龍。深基坑開挖中的土壓力計算J。地基處理，1998，9（1）：315.2 陳愈炯,溫彥鋒。基坑支護結構上的水土壓力J。巖土工程學報，1999,21（2）：139143.3 李廣信。基坑支護結構上水土壓力的分算與合算J。巖土工程學報，2000,22（3）：348352.4 張在明,孫保衛,徐宏聲。地下水賦存狀態與滲流特征對基礎抗浮的影響J。土木工程學報，2001,34(1). 5 李廣信。關于有滲流情況下的土壓力計算J。地基處理，1998,9(1):5758. 6 楊曉軍,龔曉南。基坑開挖中考慮水壓力的土壓力計算J。土木工程學報，1997,30（4）：5862. 7 魏汝龍。基坑內外的水壓力和滲流力J。巖土工程師，1998,