对与基坑工程有关的规范的几点讨论修改稿.doc

对与基坑工程有关的一些规范的讨论(2)李广信(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)摘要：本是对与基坑有关的规范系列讨论的第二部分，结合基坑工程土的应力路径问题讨论了不同强度指标与计算方法的适用性。针对目前勘察报告对于一层土只给出一个或一组强度指标的情况，指出应重视取样及现场测试深度；认为对于支挡结构前后土体应进行不同围压的三轴试验；讨论了基坑工程中墙前后土体的应力路径与室内试验应力路径的区别，讨论了应力路径对于不同强度指标以及水土压力计算的影响。并特别指出，支挡结构物前、后土体的平均主应力或者某些方向的主应力常常是减少的，对于饱和黏性土的固结不排水三轴试验，可能产生负的超静孔隙水压力，从而会影响土的抗剪强度指标。关键词：围压；取样深度；应力路径；强度指标；水土合算 中图分类号：TU 47 The discussion on some codes concerned with building foundation pit (2)LI Guangxin(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract: This is the second part of a series of discussion papers. Through the research of stress path of soil on both side of retaining structure, the applicability of strength parameters and calculation methods is discussed. It is pointed that the depth of sampling and site test of soil is important for strength parameters used in calculation of earth pressure. In the triaxial test of soil in front and behind of retaining structure, different confining pressures are necessary. In behind of wall, the vertical stress (maximum principal stress) is constant and lateral stress (minor principal stress) decreases continuously, that is same as RTC test (reduced triaxial compression test) and different from CTC test (conventional triaxial compression test). In pit engineering, the decrease of principal stress results at negative excess hydrostatic pore water pressure and increase of shear strength. Key words: confining pressure; depth of sampling; stress path; strength parameter; estimating water and earth pressures together.0引言 本文为对与基坑有关的规范系列讨论文章的第二部分，针对目前勘察报告对于一层黏性土土只给一套强度指标的问题，指出对于UU强度指标，应当给出取样，或者现场测试的深度，在验算的不同问题中，选择合理深度的土样。对于固结不排水强度试验，墙后土体应在试验中，施加大于有效原位应力的围压进行试验，给出相应的强度指标；对于墙前土体可以在试验中施加小于有效原位应力的围压进行试验。文章分析了基坑支挡结构前后土体的应力路径，对于其代表性的应力路径进行了分析。墙后的土体的应力路径接近于减压的三轴压缩试验(RTC: reduced triaxial compression test)。这时竖向应力为大主应力s1，并在试验过程中保持为常数。侧向应力s3逐渐减小直到达到极限应力状态，亦即从K0应力状态达到主动土压力Ka应力状态。由于Ds30。对于深层的土，其强度可能偏低，对于浅层的土其强度则会偏高。正确的做法是：在主动区（墙后）使用过原点的包线；被动区（墙前）使用sp前的包线，或者包线。并使用固结不排水强度指标计算墙前后的土压力，进行整体稳定分析等，这样处理比较合理。2墙前土体的应力路径H正常固结土的强度线q超固结土的强度线bz墙前的土体也应考虑其应力路径问题。图3中，墙前被动区土体，开挖前其有效应力处于静止土压力状态，即竖向有效应力=，水平有效应力 = 。随着基坑的开挖，逐渐减少，而水平向土压力增加，并向被动土压力转化，最后达到被动极限平衡应力状态=，。其中，z为从坑底计算的深度，Kp为朗肯被动土压力系数。otau常规压缩三轴(CU)试验bb2b1b0K0aa a2a1a0pBAz图3 墙前土的有效应力路径以墙前的两个饱和土单元A，B为例，在开挖前，应力状态分别用K0固结线上的点a0和b0表示，如果开挖的速度很快，土内保存有负的残余孔隙水压力，则在整个开挖工程中土体不排水，体积不变，在卸载时有效平均主应力p也就不变，有效应力路径分别为a0a1a0a2和b0b1b0b2，这时也可能产生负的孔隙水压力。如果开挖过程慢，或者开挖后较长时间，超静孔隙水压力充分消散，成为了超固结土。在坑底较浅处的土单元A，平均主应力p减少，其应力路径为a0aa，而对较深处的土单元B，由于水平主应力的增加，平均主应力p增加，其有效应力路径为b0bb。由于目前的固结压力小于历史上（开挖前）的有效固结压力gz，墙前的土体变成超固结土，亦即其强度线为超固结土的强度线，比正常固结土强度提高。A、B的原状土是在有效自重应力gz下固结的，而在设计中用gz与固结不排水强度指标计算被动土压力，这是偏小的。如果将土单元沿着Oa路径等向固结后，不排水进行常规三轴压缩试验，则其有效应力路径为aau，可见明显低估了土的实际抗剪强度。墙前土体的应力路径实际上很复杂，随着深度增加，大小主应力会比原位土提高，超固结度也随之减少，很难用一种应力路径近似。但总体来讲，墙前土体的总应力路径更接近于p为常数的三轴伸长试验(TE: triaxial extension test)1。3墙后土体的应力路径基坑开挖前，土体水平位移都为0，墙后土体的水平应力sh0与竖直应力sv的关系为，这时，sv和sh0分别为最大及最小主应力(s1，s3)。当土体发生水平向伸长的位移时，小主应力s3逐渐减小，当它减小到使土体达到极限状态时，亦即莫尔圆与土的强度包线相切时，s3成为s3f，也就是朗肯主动土压力强度pa，其应力路径如图4中的OA。这种情况十分接近于三轴减压的压缩试验(RTC，Ds30，Ds1 = 0)1，stojs1 =sv = gzs3f = pap0 = s3 = K0svcAO图4 墙后土体的总应力路径开挖使墙体前移，饱和黏土在不排水条件下，墙后的土体中可产生负的超静孔压，这有利于基坑的稳定。在正常固结饱和原状地基土中，基坑开挖前土处于K0应力状态，即 (1)当开挖基坑时，墙向前移动，土内产生超静孔隙水压力Du，如果墙后土体达到主动应力状态，则 (2)式中：为朗肯主动土压力系数；为土的浮重度；为自地面起算的深度。根据Skempton超静孔隙水压力公式： (3)在墙前移过程中，墙后土体的应力状态发生了变化，其变化值见表1，这与减压的三轴压缩试验(RTC)的应力路径是一致的。从而可以得出： (4)式中：A，B都是孔隙水压力系数。饱和土开挖前、后墙后土体的应力状态表1应力或孔压应力状态开挖前开挖后ugwzgwz +Dus1gsatzgsatzs3(K0g+gw)z(Kag+gw)z+(1Ka) Dus1gzgzDus3K0gzKa(gzDu)Ds10Ds3(KaK0)gz+(1Ka) DuD(s1s3)(K0Ka)gz(1Ka) Du注：表中：Du为超静孔压，Ds1和Ds3分别为竖向与水平向总主应力增量，gw为水的重度，gsat为土的饱和重度。从式(4)可见,由于KaK0，一般Du0)给出的强度指标则明显偏小。常规三轴压缩试验低估了土的强度指标,高估了墙后土压力。这种负孔压会随着施工逐渐消散，RTC试验的jcu也就逐渐接近于有效压力内摩擦角j，但仍比CTC试验的jcu要高。4墙后土体应力路径对强度指标及水土压力的影响对于饱和黏性土，墙后土体独特的应力路径对于固结不排水强度指标有很大的影响。因为在工程勘察中，都是使用常规三轴压缩试验确定土的强度，一般讲有效应力强度指标基本不受应力路径的影响；而只要初始有效应力状态相同，不排水强度cu也与应力路径无关；影响最大的是固结不排水(CU)强度指标。在图1中，假设地基土为正常固结黏土，c=0, j=30,gsat=20kN/m3, 孔压系数B=1.0, 表2为不同土的孔压系数A的数值范围。首先讨论它在不同应力路径下各种强度指标。各类土的孔压系数A的数值范围表2土类孔压系数 A高灵敏度土0.75-1.5正常固结黏土0.5-1.0轻超固结黏土0-0.5重超固结黏土-0.5-0以图1的情况为例，计算在不同应力路径和不同的孔压系数A下,墙后土体的固结不排水强度指标。计算结果见表3。表3中的3种试验的总应力路径的示意图见图5,其中是从K0状态开始，小主应力减小，大主应力不变的RTC试验，它是最接近墙后土体的实际应力路径的；是从K0状态开始，小主应力不变，增加大主应力的CTC试验，亦即K0固结的常规三轴试验，它与墙后土体的实际初始应力状态一致；是从等向压力固结出发的常规三轴试验(CTC)，就是一般勘察报告提供的试验结果。不同应力路径和不同的孔压系数A下的CU强度指标表3编号试验RTC,K0初始状态CTC,K0初始状态CTC，等压初始状态A1/32/31.01/32/31.01/32/31.0ccu(kPa)000000000jcu()41.833.7530.026.424.623.622.017.514.5p,pqK0M02cu图5墙后土体应力路径模拟可见试验得到的jcuj，这是由于超静孔压u0所致，这也符合基坑墙后土的实际情况；试验的初始应力状态与实际情况一致，有效应力路径与试验相同，但是由于产生的是正的孔压，所以jcu0时，饱和土体中的静水压力应与土压力分开计算，亦即水土分算。用固结不排水强度指标计算土的压力，其中包含有超静水压力，但不包括静水压力。上海规范5就规定：“土体作用在围护结构上的侧压力，宜采用水土分算的原则计算”，并建议主、被动土压力按照固结不排水（固结快剪）强度指标计算。这与饱和土体的有效应力原理一致，在理论上是严密的，但是由于等向各向等压固结三轴试验与基坑墙后土体的应力路径的差别，可能会高估总压力（见表5），其误差可达30%，造成较大的浪费。(3) 基坑规程6、深圳规范7 以及冶金部的建筑基坑工程技术规范（YB 9258-97）8对饱和黏性土规定采用固结不排水强度指标的水土合算。这是多年来争论的一个焦点问题。从本文的分析可见（见表5），采用等向各向等压固结的常规三轴压缩试验(CTC)一方面与K0固结的实际墙后土体应力路径(RTC)不同，另一方面又将静水部分乘以不等于1.0的土压力系数，两种经验的做法正负抵消，使计算值反而接近于实际情况，如表5中，其低估了水土压力，误差在10%20%，考虑到原状土的结构性强度，无疑是比用同样指标的分算更接近实际。所以一些规范规定的对黏性土基坑用CTC试验的CU指标进行水土合算也有其经验性的依据。参考文献：1 李广信，高等土力学M. 北京：清华大学出版社，2004.2 建筑地基基础设计规范S.GB 50007-2011, 北京：中国建筑工业出版社，2011.3 天津地方标准, 岩土工程技术规程S, DB 29-20-2000, 天津：中国建筑工业出版社，2000.4 浙江省地方标准建筑基坑规程技术规程S, GB 33/T1008-2000, 杭州：5 基坑工程技术规范S.DG/TJ8612010，上海：上海市城乡建设和交通委员会，2010.6建筑基坑支护技术规程S. JGJ 1202012，北京：中国建筑工业出版社，2012.7深圳市基坑支护技术规范S. JGJ 1202011北京：中国建筑工业出版社，8建筑基坑工程技术规范S. YB 9258-97，北京：冶金工业出版社, 1998图修改后（原图无法修改）其中OA表示的是在p.q坐标中的应力路径。