水土分算及水土合算理论研究

　　摘要：通过对水土分算及水土合算理论的研究，来解决基坑支护时围护结构上水平荷载计算方法的选择问题。
　　关键词：水土分算；水土合算
　　一、水土分算及水土合算方法概述
　　在一般地基基础工程计算中，建筑物的自重以及作用于建筑物上的各种荷载通过基础传给地基。无论是建筑物的自重或是其他竖向活荷载都具有由其自重导出的特点，荷载大小明确，计算与实测结果基本接近。而支护结构所受的荷载主要是地层中水土的水平压力，水平压力是由定值的竖向水土压力按照一定规律转化为水平压力作用于支护结构上。支护结构荷载与上部结构荷载的根本区别在于它不是仅与土的重量有关，还与土的强度、变形特性和渗透性有关，具有很大的不确定性。由于作用在支护结构上的荷载主要是水平荷载，而这种水平荷载具有间接得出的特点，因此，由水土竖向压力转化为水平压力的计算方法选取的是否合理直接影响到水平荷载的确定，水平荷载的准确度又直接影响到支护结构内力与变形的计算结果。
　　所谓水土分算，简单讲就是分别计算水、土的水平压力，以两者之和为总侧压力。计算土压力时用土的浮重度，计算水压力时按全水头的水压力考虑。这一方法适用于土空隙中存在自由水的情况或土的渗透性较好的情况，
　　所谓水土合算，就是不考虑水压力的作用，认为土空隙中的水都是结合水，没有自由水，因此不形成水压力。土颗粒与其空隙中的结合水是一个整体，直接用土的饱和重度计算土体的侧压力即可。这一方法在理论上讲仅适用于渗透系数为零的不透水层。
　　二、水土分算和水土合算方法的原理研究
　　基坑支护工程的土压力、水压力计算，常采用以朗肯土压力理论为基础的计算方法，根据不同的土性和施工条件，采用水土合算和水土分算两种方法。由于水土分算和水土合算的计算结果相差较大，对基坑围护结构工程造价影响很大，故需要非常慎重的舍取，并根据现场情况合理选择。
　　地下水位以下的水压力和土压力，按有效应力原理分析时，水压力与土压力应分开计算。水土分算方法概念比较明确。但是在实际使用中有时还存在一些困难，特别是对粘性土，水压力取值的难度大，土压力计算还应采用有效应力抗剪强度指标，在实际工程中往往难以解决。因此，在很多情况下粘性土往往采用总应力法计算土压力，即将水压力和土压力混合计算，也有了一定的工程实践经验。然而，这种方法亦存在一些问题，可能低估了水压力的作用。
　　（一）水土分算
　　水土分算是分别计算土压力和水压力，以两者之和为总的侧压力。水土分算适用于土孔隙中存在自由的重力水的情况或土的渗透性较好的情况，一般适用于碎石土和砂土。应该采用水土分算的原则来确定支护结构的侧向压力。侧向土压力通常可按朗肯主动压力和被动压力公式计算。地下水无渗流时，作用于挡土结构上的水压力按静水压力三角形分布计算。地下水有稳定渗流时，作用于挡土结构上的水压力可通过渗流分析计算各点的水压力，或近似地按静水压力计算，水位以下的土的重度应采用浮重度，土的抗剪强度指标宜取有效抗剪强度指标。
　　（二）水土合算
　　水土合算是将土和土孔隙中的水看做同一分析对象，适用于不透水和弱透水的粘土、粉质粘土和粉土。通过现场测试资料的分析，粘性土中实测的水压力往往达不到静水压力值，可认为土孔隙中的水主要是结合水，所以它不易自由流动而不单独考虑静水压力。因此将土粒与孔隙水看作一个整体，直接用土的饱和重度和总应力抗剪强度指标计算侧压力。然而，粘性土并不是完全理想的不透水层，故采用水土合算方法只是一种近似方法。这种方法可能低估了水压力的作用。所以水土合算法仍然是岩土工程界的一个争论问题。
　　三、水土分算和水土合算的适用条件〔1〕
　　根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ1202012）第3。1。14条中的规定，对地下水位以下的粘性土、粘质粉土、可采用土压力、水压力合算方法，土压力计算、土的滑动稳定性验算可采用总应力法；对地下水位以下的砂质粉土、砂土和碎石土，应采用土压力、水压力分算方法，土压力计算、土的滑动稳定性验算应采用有效应力法；土压力、水压力采用分算方法时，水压力可按静水压力计算；当地下水渗流时，宜按渗流理论计算水压力和土的竖向有效应力；当存在多个含水层时，应分别计算各含水层的水压力。
　　但在实际工程中，如碎石土及砂土，土体中的水压力与其空隙中的自由水及其渗透性是密切相关的，而碎石土及砂土的渗透性相差非常大，都统一按全水头的水压力考虑，按水土分算计算，对于大多数土层来说，结果都偏大。
　　而对于水土合算，显然这一方法在理论上讲仅适用于渗透系数为零的不透水层。然而，完全不透水的土层是不存在的，所以水土合算也存在一定的局限性。
　　四、结语
　　根据以上论述可以看出，土体中水平荷载的计算不但跟土的重量有关，还与土的强度、变形性、抗渗性等有关，由于地基土的组成通常比较复杂，所以水平荷载的计算也相应存在很大的不确定性。而基坑支护工程对于整个工程来说往往又比较重要，涉及到整个工程的安全性，故笔者认为，本着安全可靠的原则，对于水土分算和水土合算的选择可以参照以下方法：
　　（一）渗透性好的土一般采用水土分算，如碎石、砂土等。
　　（二）粘性土若按照水土分算，总的水土压力可能偏大，故有实际工程经验时可采用水土合算。
　　（三）粉土等介于二者之间的土，若当地无实际经验，建议按水土分算为宜。
　　参考文献：
　　〔1〕《建筑基坑支护技术规程》（JGJ1202012）。