趙明華，霍 然，羅 宏，張 銳

（湖南大學(xué) 巖土工程研究所，長沙 410082）

1 引 言

隨著我國城市化的發(fā)展，大量高層、超高層建筑拔地而起，城市地鐵建設(shè)方興未艾，其建設(shè)過程中不可避免地涉及大深度、大面積基坑工程的設(shè)計計算。準(zhǔn)確計算作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向土壓力對合理設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)意義重大，我國現(xiàn)行規(guī)范[1]規(guī)定，對于地下水位以下的砂質(zhì)粉土和砂土采用水土壓力分算原則，水壓力不需要乘以折減系數(shù)，對于地下水位以下的黏土和粉質(zhì)黏土采用水土壓力合算原則，將水壓力和土壓力一并乘以相應(yīng)的主動或者被動土壓力系數(shù)。然而水土壓力合算的做法并不符合有效應(yīng)力基本原理，因此，廣大工程人員及學(xué)者對是采用水土壓力合算準(zhǔn)則還是水土壓力分算準(zhǔn)則更為合理這一問題上進(jìn)行了相應(yīng)研究，并產(chǎn)生了較大的爭議。

楊曉軍等[2]認(rèn)為，在軟黏土地區(qū)臨時性開挖基坑支護(hù)中采用水土壓力合算方法更為接近實測結(jié)果。陳愈炯等[3]總結(jié)了國內(nèi)各種常用計算方法，認(rèn)為黏性土在施工期采用分算方法并不成熟。李廣信[4]總結(jié)了影響支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的若干因素，指出一定條件下的水土壓力合算具有一定的微觀基礎(chǔ)。姚秦[5]、胡其志[6]針對黏性土水土壓力計算分別提出了考慮其塑性指數(shù)和液性指數(shù)影響的計算方法，但都缺乏可靠的理論依據(jù)。李興高等[7]利用自制試驗箱進(jìn)行了3種墻體主動位移模式下的水土壓力測試研究，得出土壓力及水壓力大小及作用點所在位置與擋墻位移模式相關(guān)，但未對黏土情況進(jìn)行研究。劉國彬等[8－9]通過對上海軟土基坑工程的大量實測工作，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)對土中的水壓力進(jìn)行折減，水土壓力分算時水壓力應(yīng)當(dāng)乘以水壓力折減系數(shù)。張彬[10]通過試驗證明，無論砂土還是黏土，都能夠傳遞孔隙水壓力，但孔隙水壓力的傳遞程度和速度存在差異。崔巖等[11]則通過試驗得出了相反的結(jié)論，認(rèn)為黏性土中的孔隙水壓力也是可以完全傳遞的，水土壓力分算在黏性土中完全適用。

以上學(xué)者均對水土壓力分算與合算問題進(jìn)行了深入的研究，但忽視了規(guī)范中所強(qiáng)調(diào)的土的性質(zhì)對水土壓力分布特性的影響。判定水土壓力分算還是水土壓力合算更為合理的核心在于判定土中孔隙水壓力的傳遞情況。如果孔隙水壓力可以無損失的傳遞，不必乘以主動或者被動土壓力系數(shù)，那么采用水土壓力分算準(zhǔn)則計算也就毋庸置疑。滲透性是土的一項重要物理性質(zhì)，對研究土中孔隙水壓力傳遞有著重要意義。因此，本文考慮通過采用3種不同滲透性的土樣在試驗槽中進(jìn)行水土壓力實測試驗，觀測其水土壓力分布特征和變化規(guī)律，并根據(jù)試驗結(jié)果探討在不同滲透性土層中水土壓力分算和合算的合理性，以期得到一些有益的結(jié)論，為工程實踐提供參考。

2 試驗?zāi)Ｐ图安牧?/h2>

2.1 試驗槽及試驗擋墻

試驗利用湖南大學(xué)工程試驗樓地下室自砌砌體試驗槽進(jìn)行，試驗槽內(nèi)尺寸為 160 cm×50 cm×200 cm（長×寬×高），并預(yù)留一個30 cm開口，如圖1所示。內(nèi)墻和底面抹平，為防止土中水滲出槽外，在槽內(nèi)鋪設(shè)3層塑料膜，并在每層塑料膜間涂抹潤滑油，這對于消除試驗槽內(nèi)墻、擋墻與土樣間的摩擦力十分有效。在試驗槽后部設(shè)15 cm的砂礫層作為緩沖層，試驗時由此處加水，可以避免直接加水對表層土樣的沖刷。

擋墻采用尺寸為200 cm×50 cm×4 cm（長×寬×厚）的剛性板加工而成，在與土樣接觸一面預(yù)定位置處加工出圓形凹槽，將土壓力盒粘貼在凹槽內(nèi)，并用石膏將擋墻與土壓力盒間的縫隙抹平，擋墻尺寸和土壓力盒分布情況如圖2所示。

由于擋墻上水土壓力分布情況隨擋墻位移模式變化而變化[7]，必須控制擋墻發(fā)生的位移屬于同一模式。本試驗選擇繞墻底轉(zhuǎn)動的位移模式進(jìn)行試驗，實現(xiàn)方法為，在墻底設(shè)一根直徑為2 cm的PVC管，內(nèi)部填充水泥砂漿，保證其在水泥砂漿硬化后能夠達(dá)到剛度要求，上部設(shè)一塊厚度為2 cm的墊板，待試驗開始后將上部的墊板抽走，即可保證擋墻發(fā)生繞墻底轉(zhuǎn)動的主動位移。在擋墻頂端用兩只由磁性支座固定 10 mm百分表來觀測擋墻的位移變化情況，參考圖1。

圖1 試驗槽示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing tank

圖2 擋墻尺寸及土壓力盒布置（單位：cm）Fig.2 Dimensions of retaining wall and layout of earth pressure cells (unit: cm)

2.2 試驗土樣

本試驗使用了3種不同滲透性的土樣，經(jīng)顆粒分析試驗和界限含水率試驗認(rèn)定為砂土、黏土和粉質(zhì)黏土，各土樣級配情況如圖3所示。

圖3 土樣顆粒級配曲線Fig.3 Particle size distribution curves of soil sample

試驗所用3種土樣的物理和力學(xué)參數(shù)如表1、2所示。

表1 土樣物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of soil samples

表2 土樣力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of soil samples

3 試驗步驟

由于試驗條件和時間有限，作者只進(jìn)行了繞墻底轉(zhuǎn)動發(fā)生主動位移條件下的土壓力試驗，其具體試驗步驟如下：

（1）將塑料膜間涂抹潤滑油后鋪設(shè)在試驗槽內(nèi)部，將擋墻、PVC管、墊板和百分表裝入預(yù)定位置，土壓力盒和孔隙水壓力傳感器調(diào)零。

（2）將風(fēng)干土樣按計算得出的質(zhì)量均勻填入土槽內(nèi)部，并壓實至15 cm，共計12層，土樣高度為1.8 m。填土過程中在土壓力盒圓心同一深度處埋入孔隙水壓力傳感器，土壓力傳感器的布置情況參考圖2。

（3）在試驗槽后部預(yù)留的砂礫層中注水，直至試驗槽內(nèi)土樣飽和。

（4）試驗中擋墻上的水土壓力、孔隙水壓力和墻頂位移分別由土壓力盒、孔隙水壓力傳感器和墻頂?shù)陌俜直頊y得。讀取各土壓力盒及孔隙水壓力傳感器讀數(shù)，待水土壓力值穩(wěn)定后將上部墊板拔出，模擬擋墻在墻后水土壓力作用下繞墻底轉(zhuǎn)動，記錄一定時間后土壓力盒、孔隙水壓力傳感器和百分表的讀數(shù)，直至各項數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

（5）取出所填試驗土樣，采用其他試驗土樣重復(fù)步驟（1）～（4）的工作。

試驗現(xiàn)場如圖4、5所示。

圖4 填土和擋墻Fig.4 Filling soil and retaining wall

圖5 水土壓力量測現(xiàn)場Fig.5 Measurement site of water and earth pressures

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 水土壓力理論值和實測值對比分析

當(dāng)前，國內(nèi)水土壓力計算方法中應(yīng)用較為廣泛的有以下幾種[2]（以靜水條件下飽和土的主動土壓力為例）。

（1）總應(yīng)力水土壓力合算法

式中：γsat為土體的飽和重度；h為計算點深度；為三軸固結(jié)不排水強(qiáng)度。

（2）有效應(yīng)力水土壓力分算法

式中： γ′為土體的有效重度； Ka′ = tan2(π/4-φ′/2)；γw為水重度；c′、φ′為有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度。

（3）總應(yīng)力水土壓力分算法

式（1）為典型的水土壓力合算方法，抗剪強(qiáng)度參數(shù)易于獲得，在工程中有著廣泛應(yīng)用；式（2）是根據(jù)有效應(yīng)力原理得到的水土壓力分算公式，物理意義明確，有堅實的理論基礎(chǔ)；由于土中的超孔隙水壓力難以通過測定和計算準(zhǔn)確獲得，有研究人員提出，將超孔隙水壓力作為土壓力的一部分，采用式（3）將總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)代入水土壓力分算公式的方法進(jìn)行估算。

1#～3#土樣根據(jù)式（1）～（3）計算得出的水土壓力理論值和移開墊板后1、12、34 d后水土壓力實測值如圖6～8所示。

圖6 1#土樣土壓力理論值及實測值對比Fig.6 Comparison between calculated and measured earth pressures of soil sample #1

圖7 2#土樣土壓力理論值及實測值對比Fig.7 Comparison between calculated and measured earth pressures of soil sample #2

圖8 3#土樣土壓力理論值及實測值對比Fig.8 Comparison between calculated and measured earth pressures of soil sample #3

通過對圖6～8的比較，可以發(fā)現(xiàn)試驗所用的3種土樣在試驗條件下各個深度處實測得到的結(jié)果均不同程度大于由水土壓力合算式（1）得到的理論值，但對于2#和3#土樣，淺層土壓力與水土壓力合算結(jié)果差距不大，說明水土壓力合算在計算試驗?zāi)M條件下的主動土壓力是有一定價值的。對于滲透系數(shù)最大的1#砂土，無論采用式（2）還是式（3）計算都是合理的，結(jié)果差異不大。對于滲透系數(shù)較小的2#和3#土，其前期（1 d）土壓力值更為接近式（3）結(jié)果，中后期（12、34 d）隨著土壓力的減小，淺層的土壓力值逐漸趨向式（2）結(jié)果，而深層土壓力變化相對較小，仍然采用式（3）計算更為合理，在計算試驗?zāi)M條件下主動土壓力時可以考慮施工期按式（3）計算，營運(yùn)期按式（2）計算。

4.2 孔隙水壓力和水土壓力隨時間變化規(guī)律

1#～3#土樣中孔隙水壓力隨時間的變化情況經(jīng)分析整理，并與水土壓力合算的靜水壓力值γwh和水土壓力分算的靜水壓力值Kaγwh比較，結(jié)果分別如圖9～11所示。

圖9 1#土樣孔隙水壓力隨時間變化Fig.9 Changes of pore water pressure with time of soil sample #1

圖10 2#土樣孔隙水壓力隨時間變化Fig.10 Changes of pore water pressure with time of soil sample #2

圖11 3#土樣孔隙水壓力隨時間變化Fig.11 Changes of pore water pressure with time of soil sample #3

1#～3#土樣中的水土壓力隨時間的變化情況如圖12～14所示。

圖12 1#土樣水土壓力隨時間變化Fig.12 Changes of water and earth pressure with time of soil sample #1

圖13 2#土樣水土壓力隨時間變化Fig.13 Changes of water and earth pressure with time of soil sample #2

圖14 3#土樣水土壓力隨時間變化Fig.14 Changes of water and earth pressure with time of soil sample #3

由圖9～11可以看出，對于滲透性最大的1#土樣，其孔隙水壓力幾乎是完全傳遞的，而且在試驗過程中基本保持不變。再參照圖6的對比結(jié)果，可見在較高滲透性的砂土情況下采用水土壓力分算方法是合理的。而對于2#和3#土樣，孔隙水壓力均有一定程度的折減，低于理論值，且滲透系數(shù)大的3#土樣中的孔隙水壓力要高于2#土樣同一深度處的孔隙水壓力，隨著滲透性增大，孔隙水壓力傳遞能力增強(qiáng)。2#土樣和3#土樣孔隙水壓力實測值與理論靜水壓力值γwh的比較如表3所示。

表3 孔隙水壓力理論值與實測值Table 3 Calculated and measured pore water pressures

另一方面，可以明顯地觀察到擋墻發(fā)生主動位移的前期，2#和3#土樣中的孔隙水壓力均有一定程度的降低，這是因為由于擋墻移動導(dǎo)致圍壓減小，進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)值的超孔隙水壓力，隨著負(fù)超孔壓的消散，孔隙水壓力又逐漸恢復(fù)到原來的水平。這種負(fù)超孔壓在滲透性較大的1#土樣中很容易消散，幾乎不能測得，而在滲透性較小的2#和3#土樣中，這種負(fù)超孔壓會持續(xù)一段時間。

將2#和3#土樣的孔隙水壓力實測值和乘以主動土壓力系數(shù)后的水壓力Kaγwh比較，可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定后的孔隙水壓力實測值只是略高于Kaγwh，而在負(fù)超孔壓影響下更是有低于Kaγwh的情況?？梢缘玫揭韵峦普?，如果土體的滲透性進(jìn)一步降低（由本試驗結(jié)果來看滲透系數(shù)至少要低于10-7cm/s），在考慮負(fù)超孔壓影響的情況下，可能在較長一段時間內(nèi)土中孔隙水壓力等于或者小于Kaγwh，這時采用水土壓力合算方法計算是合理的，但這尚需要進(jìn)一步的研究證明。

結(jié)合圖12～14，可以看到土壓力主要的降低時間段也是墻體發(fā)生主動位移的前期，這段時間也是土體圍壓變化較大，產(chǎn)生負(fù)超孔壓的階段，可見這種負(fù)超孔壓在一定程度上改變支擋結(jié)構(gòu)上水土壓力的分布情況，在一定程度上減小了主動土壓力大小，對于支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計是有利的，在設(shè)計中適當(dāng)考慮這種影響可使設(shè)計更為經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié) 論

（1）在試驗條件下，水土壓力合算結(jié)果普遍偏小，但在黏性土和粉質(zhì)黏土的淺層得到的結(jié)果尚可接受，仍有一定參考價值，水土壓力分算方法可以考慮根據(jù)工況選擇。

（2）滲透性對孔隙水壓力的影響體現(xiàn)在兩個方面：一是，在靜水壓力的傳遞上，在滲透系數(shù)足夠大的土樣中，靜水壓力能夠完全傳遞，在滲透系數(shù)較小的土樣中，靜水壓力會有一定的折減；二是，體現(xiàn)在土體中產(chǎn)生的負(fù)超孔隙水壓力的消散時間上，與滲透性較大的土體相比，負(fù)孔壓對滲透性較小的土體影響更大。

（3）根據(jù)試驗結(jié)果可以得到推論，當(dāng)土的滲透性低于一定水平時，水土壓力合算方法是可行的。

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