廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510080

當(dāng)設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要計(jì)算水土壓力，其原則是黏性土、黏質(zhì)粉土水土合算，砂質(zhì)粉土、砂土和碎石土水土分算[1]。由于土與水作用的微觀機(jī)理復(fù)雜，根據(jù)不同種類的土采用水土合算和分算，是長期工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的結(jié)果，其計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際較吻合。但是，完善統(tǒng)一的水土壓力計(jì)算理論仍然是主要的研究熱點(diǎn)之一[2]。

水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論的研究，均從微觀機(jī)理的探索開始。通過微觀機(jī)理研究，部分水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論被引入水道率計(jì)算理論，推導(dǎo)出統(tǒng)一的水土分算和水土合算算法[3-4]；還有使用電鏡成像手段，對(duì)土中孔隙率進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)有水土壓力計(jì)算理論中引入土顆粒接觸面積影響系數(shù)，得出統(tǒng)一的水土分算和合算理論[5]。

采用不同的研究手段得出的水土壓力計(jì)算理論中，各參數(shù)的物理意義也會(huì)有區(qū)別，但最終影響工程應(yīng)用的是通過各種理論計(jì)算的結(jié)果。因此，有必要采用同時(shí)滿足各計(jì)算理論的條件，得出具體的計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果在工程應(yīng)用中的可靠性。

1 基于有效應(yīng)力原理的水土壓力計(jì)算理論

目前，水土壓力統(tǒng)一計(jì)算的理論均是從有效應(yīng)力的理論中推導(dǎo)出來的，即除了部分土層按照水土合算（基于總應(yīng)力理論）計(jì)算土壓力，統(tǒng)一采用水土分算計(jì)算土壓力，從而在理論和形式上均形成統(tǒng)一。因此，在各種理論的對(duì)比研究中，可將計(jì)算土壓力的土層限定在黏性土、黏質(zhì)粉土的范疇。土壓力均采用朗肯土壓力，且只考慮孔隙靜水壓力。

黏性土、黏質(zhì)粉土等按水土合算，是基于總應(yīng)力理論，主動(dòng)土壓力如下[6]：

式中：γsat為計(jì)算土層飽和重度，kN/m3；z為計(jì)算點(diǎn)土層深度，m；Ka、Kp為主、被動(dòng)土壓力系數(shù)；c為黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，°。

1.1 引入水道率的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論

引入水道率的水土壓力計(jì)算公式，是根據(jù)有效應(yīng)力原理，引入水道率參數(shù)ξ。主動(dòng)土壓力如下：

式中：γsat為計(jì)算土層飽和重度，kN/m3；γw為水重度，kN/m3；z為計(jì)算點(diǎn)土層深度，m；hw為計(jì)算點(diǎn)地下水深度，m，Ka、Kp為主、被動(dòng)土壓力系數(shù)；c為黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；c’為有效應(yīng)力黏聚力，kPa；φ’為有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角，°；cmid為引入水道率有效應(yīng)力黏聚力，kPa；φmid為引入水道率有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角，°。

1.2 考慮土顆粒接觸面積的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論

利用電鏡圖像對(duì)土顆粒接觸面積和孔隙面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，引入平均孔隙面積率。主動(dòng)土壓力如下：

式中：γsat為計(jì)算土層飽和重度，kN/m3；γw為水重度，kN/m3；z為計(jì)算點(diǎn)土層深度，m；hw為計(jì)算點(diǎn)地下水深度，m；Ka、Ka為主、被動(dòng)土壓力系數(shù)；c’為有效應(yīng)力黏聚力，kPa；φ’為有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角，°；n為土體的孔隙率；α為待定參數(shù)，與軟土成分含量和區(qū)域有關(guān)。

2 水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論的對(duì)比研究

黏性土、黏質(zhì)粉土等采用水土合算方法計(jì)算土壓力，其結(jié)果通過工程實(shí)踐證明具有很強(qiáng)的可靠性，亦是規(guī)范的推薦使用方法。因此，在相同條件下，用水土合算的結(jié)果，與水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以確定新理論的實(shí)用性和可靠性。

計(jì)算選用粉質(zhì)黏土的土層參數(shù)，如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

根據(jù)土層參數(shù)，分別計(jì)算主動(dòng)和被動(dòng)土壓力，如表2、圖1、圖2所示。

表2 主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果

圖1 主動(dòng)土壓力結(jié)果對(duì)比

圖2 被動(dòng)土壓力結(jié)果對(duì)比

由表2和圖1、圖2可知，同一土層單位深度的水土壓力，引入水道率ξ的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算方法與傳統(tǒng)的水土合算方法計(jì)算結(jié)果接近。其中，引入ξ的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算方法的主動(dòng)土壓力結(jié)果比水土合算結(jié)果大5.58kPa，結(jié)果差異變化率為159.4%，變化率很大；而比被動(dòng)土壓力結(jié)果小5.81kPa，結(jié)果差異變化率為11.4%，變化率較小。當(dāng)取z=hw=3m和z=hw=6m時(shí)，主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果差異變化率分別為51.8%和41.2%，被動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果差異變化率分別為9.7%和9.2%，即隨著計(jì)算深度增加，主動(dòng)土、被動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果差異變化率均在減小，但減小的幅度逐漸降低。因此，引入ξ的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算方法的主動(dòng)土壓力結(jié)果是偏保守的，而被動(dòng)土壓力結(jié)果差別較小，如果采用此算法，經(jīng)過適當(dāng)修正，可以滿足工程要求。

考慮土顆粒接觸面積的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算方法，其主動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果與水土合算結(jié)果相比先偏大，隨深度增加又偏小，結(jié)果具有不穩(wěn)定性特點(diǎn)；而被動(dòng)土壓力結(jié)果僅為水土合算結(jié)果的0.5倍，偏向不安全。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是該理論通過分析微觀電鏡圖像并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理得到，與復(fù)雜的土體構(gòu)造相比，仍然缺乏普遍性，仍然需要大量樣本進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié)論

（1）引入水道率ξ的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論和考慮土顆粒接觸面積的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論在黏性土、黏質(zhì)粉土等土層范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了水土分算的表達(dá)方式，為實(shí)現(xiàn)水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論奠定了基礎(chǔ)。

（2）引入水道率ξ的水土壓力統(tǒng)一計(jì)算理論中，參數(shù)ξ具有明確的物理意義，同時(shí)可以通過工程試驗(yàn)間接得到ξ值，因此最終計(jì)算結(jié)果與水土合算值接近，具有一定的可靠性。如果進(jìn)行深入研究修正，將更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

（3）考慮土顆粒接觸面積的統(tǒng)一水土壓力計(jì)算理論，最終計(jì)算結(jié)果與水土合算值偏差較大，仍然需要大量樣本進(jìn)行深入研究修正。