勘察中靜止土壓力系數(shù)K0的實際應(yīng)用探討

楊兆兵 夏繼宗

(1.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213000； 2.常州市規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 常州 213000)

1 概述

靜止土壓力系數(shù)K0是巖土工程中一個十分重要的參數(shù)，它表征了土層在無側(cè)向變形的情況下，土體水平向應(yīng)力與垂直向應(yīng)力的比例關(guān)系。地下工程中的地下室、地下管溝、地鐵車站等的側(cè)墻計算，以及擋土墻等支擋結(jié)構(gòu)的計算，都需要土體水平土壓力作為荷載。工程實際中，準(zhǔn)確測量水平土壓力較為困難，而垂直向土應(yīng)力則可以根據(jù)室內(nèi)試驗測定的土層重度及埋深計算得到。因此準(zhǔn)確測定土層的水平土壓力顯得十分重要。

巖土工程勘察中，通常采用現(xiàn)場原位測試及室內(nèi)試驗等多種手段確定土層的靜止土壓力系數(shù)。測定的對象為地下結(jié)構(gòu)附近原狀土層的參數(shù)，而在地下結(jié)構(gòu)施工過程中，垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)及回填土層都會將原狀土層與地下結(jié)構(gòu)隔離。此時再使用勘察報告中提供的靜止土壓力系數(shù)計算土層水平土壓力，則有可能出現(xiàn)土壓力值的偏差。因此分析實際工況下地下結(jié)構(gòu)周邊原狀土層、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及回填土層之間的靜止土壓力系數(shù)的關(guān)系，對工程應(yīng)用有著十分重要的影響。

2 靜止土壓力系數(shù)的主要確定方法

作為巖土工程中的一個重要參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對靜止土壓力系數(shù)的取值進(jìn)行了多年的研究。眾多學(xué)者從經(jīng)驗總結(jié)、理論分析及原位測試方式方法入手，分析總結(jié)得到了大量的靜止土壓力系數(shù)的計算公式。某些地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)赝翆犹匦裕Y(jié)合多年工程實測數(shù)據(jù)，總結(jié)了適合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗公式。通過資料搜集，常用的確定方法主要分為以下幾種。

2.1 理論推導(dǎo)+室內(nèi)試驗

2.2 經(jīng)驗總結(jié)

K0廣泛應(yīng)用于地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多年的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為K0的經(jīng)驗公式總結(jié)提供大量的可靠數(shù)據(jù)。而通過工程總結(jié)得到的經(jīng)驗公式，則更能真實反映K0在工程中的實用效果。Jaky通過經(jīng)驗總結(jié)，得到正常固結(jié)粘性土的K0與土層有效內(nèi)摩擦角φ′之間的關(guān)系式：K0=1-sinφ′，這一公式也得到了廣泛的應(yīng)用；Brooker則是對砂性土的K0公式進(jìn)行了總結(jié)推導(dǎo)，得出砂性土K0與有效內(nèi)摩擦角φ′之間的關(guān)系式：K0=0.95-sinφ′。

2.3 原位測試

3 靜止土壓力系數(shù)的主要應(yīng)用

靜止土壓力系數(shù)作為巖土工程中的一個重要參數(shù)，是勘察工作應(yīng)重點查明的內(nèi)容之一。但對于K0在實際工程中的應(yīng)用，很多年輕的巖土工程師理解的并不清晰。很多人認(rèn)為該參數(shù)是應(yīng)用在基坑支護(hù)設(shè)計工程中，甚至有些人將K0與基床系數(shù)等參數(shù)混淆。通過對工程分析總結(jié)，K0在實際工程中主要應(yīng)用于以下幾方面：

1)地下外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。這也是K0在工程應(yīng)用中最為廣泛的領(lǐng)域。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)施工完畢后，由于土體平衡，地下結(jié)構(gòu)外側(cè)土體相對結(jié)構(gòu)體處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此外墻受到的土體壓力即為靜止土壓力。結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，土壓力作為荷載作用在外墻上。根據(jù)地下室埋深、外側(cè)土層重度及K0，可以計算得到土壓力，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。這類設(shè)計主要涉及到工業(yè)及民用地下室、軌道交通地下車站、公路工程中的擋土墻等。

2)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計。公路工程中的山嶺隧道，市政工程中的土層隧道，以及城市軌道交通工程中的盾構(gòu)隧道，均需對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。處于巖土體中的隧道結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時認(rèn)為上下受到均布荷載，而兩側(cè)則受到線性分布的水平荷載。由于平衡原理，水平荷載同樣為靜止土壓力，利用勘察中提供的K0，即可計算隧道位置的水平土壓力值。

3)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。這是勘察工程師通常認(rèn)為的K0應(yīng)用之處。而實際應(yīng)用中，K0在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用卻是十分少見的。主要原因是如果采用靜止土壓力，那就要要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生水平位移。然而在實際工程中，受到土方開挖及圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度等因素的影響，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)很難做到不出現(xiàn)水平位移。因此只有在基坑周邊環(huán)境條件要求十分嚴(yán)格，不允許發(fā)生水平位移時，才會選擇采用靜止土壓力對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。

4 靜止土壓力系數(shù)確定對象探討

勘察工程師在地質(zhì)勘探過程中，應(yīng)用多種手段，盡量將土層的K0值查明，以供設(shè)計使用。但勘察工程師卻較少關(guān)心K0值在設(shè)計中到底如何使用。根據(jù)常見的工民建地下工程基坑開挖及支護(hù)措施，地下室與地下土層之間的土壓力關(guān)系有以下兩種情況：

1)自然放坡、土釘墻等支護(hù)。當(dāng)采用放坡或土釘墻支護(hù)時，地下室與原狀土之間開挖出了截面為三角形的肥槽。地下室結(jié)構(gòu)施工完畢后，用粘性土分層壓實回填肥槽。此時原狀土與地下室結(jié)構(gòu)外墻之間已經(jīng)不再直接接觸。此時可以認(rèn)為作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的自然坡和土釘墻是穩(wěn)定的，而回填的土層則變成了作用在地下室外墻上的有限空間土體，這樣與K0值的使用條件已經(jīng)不一致。所以此時計算地下室結(jié)構(gòu)外墻土壓力時，應(yīng)考慮回填土層有限空間的土體土壓力計算(如圖1所示)。

2)采用垂直支護(hù)。采用垂直支護(hù)時，為便于施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地下室外墻之間一般會留有1 m左右的空間。在地下室結(jié)構(gòu)施工到±0.00后，會將這一空間回填。但作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體如灌注樁、地下連續(xù)墻、攪拌樁等，不會在基坑回填后挖除，僅僅將可回收錨索或支撐等拆除。雖然錨索或支撐等的拆除改變了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，但是遺留的灌注樁等較之原狀土層的剛度仍然要大得多，對外側(cè)土體依然有支撐作用，因此地下土體的土壓力并未完全作用在地下室結(jié)構(gòu)外墻上。此時如果仍然采用原狀土的K0值計算土壓力，可能會造成地下室結(jié)構(gòu)計算上的浪費(如圖2所示)。

5 結(jié)語

K0值作為土壓力計算中的重要參數(shù)，如何準(zhǔn)確測定其數(shù)值十分重要。但在實際工程中，由于基坑肥槽回填、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響等，往往地下結(jié)構(gòu)與原狀土之間并不直接接觸，所以直接采用原狀土的K0計算土壓力，得到的結(jié)果可能與實際情況之間有偏差。今后勘察工程中，根據(jù)實際工程，測定設(shè)計需要的K0值，對于地下工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為重要。