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三、作用于支护结构上的荷载问题：•作用于支护结构上都有哪些荷载？•这些荷载有什么特点？•如何确定或计算这些荷载大小和分布？1、荷载情况•通常情况下，作用于支护结构上的荷载有：土压力、水压力、施工荷载、结构自重、支撑预压力、温度变化和周围建筑物引起的侧向压力，当围护结构作为主体结构的一部分时还应考虑人防和地震荷载等，此外，还应考虑其它不利于基坑稳定的荷载。•土压力是指土体作用在围护墙上的侧向土压力，在基坑工程问题中是一个重要的设计参数。通常是由土的自重和地面荷载产生的。土压力的大小与土的密度、土的抗剪强度、支护结构侧向变形的条件以及墙与土界面上的摩擦力等因素有关。根据桩墙的变位情况，作用在围护墙墙背上的土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。1、荷载情况•由于库仑和朗肯土压力理论只能计算极限平衡状态下的土压力，而在基坑支护中，当结构的变形不能使土体处于极限平衡状态时，其土压力值可相差30～70％。由此可见，简单地采用勘察报告中的强度指标，笼统按库仑或朗肯土压力理论确定土压力值，将会导致作用在支护结构上的荷载不合理，当几种不利作用同时出现时，可以使荷载产生成倍的出入。•因此，确定作用在支护结构上的荷载时，要按土与支护结构相互作用的条件确定土压力，采用符合土的排水条件和应力状态的强度指标，按基坑影响范围内的土性条件确定由水土产生的作用在支护结构上的侧向荷载。荷载特点•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。•而支护结构的主要荷载是地层中水土的水平压力，水土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的合理与否直接影响到水平荷载的确定，水平荷载的精确度又直接影响到支护结构内力与变形的计算结果。2、基坑土压力的分布模式•设计时应根据挡土结构的实际工作条件，主要是墙身的位移情况，决定采用哪一种土压力作为计算依据。•一般基坑围护结构的上部分由于受到墙后土的作用和地基变形，总要转动向前移动，这些微小的转动或移动将足以使足以在墙背上的土压力接近于主动土压力，所以设计时多按主动土压力计算。•与此同时基坑围护结构的下部分由于结构向坑内的可能位移，使土体处于被动受压状态，产生被动土压力以维持结构的平衡作用。2、基坑土压力的分布模式•土压力的分布模式是一个复杂的问题，工程经验表明，支护结构的刚度、支撑的刚度、施工的时空效应、土体性质对土压力的分布和变化起着控制作用。•但是土压力的计算不是由精确的理论来保证其正确可靠，而应通过现场测试和室内模型试验为基础，提出简单实用而尽可能合理的土压力计算模式。•大量工程实践结果表明，在基坑支护结构中，当结构发生一定位移时，可按古典土压力理论计算主动土压力和被动土压力。所以，规范目前还是采用古典土压力理论分布模式。即朗肯、库仑土压力理论。2、基坑土压力的分布模式•这两种古典土压力理论，已有一二百年的历史。•它们都是按极限平衡条件导出的。•库仑理论假设土的粘聚力为零，其优点是考虑了墙与土体之间的摩擦力作用，并能考虑地面及墙面为倾斜面的情况；其缺点是对于黏性土必须采用等代摩擦角，即取粘聚力c=0而相应增大土的内摩擦角值。•等代摩擦角与许多因素有关。随意等代，误差较大。•对于层状土尚要简化等代为均质土才能计算。•此外，当有地下水，特别是渗流效应时，库仑理论是不适用的。2、基坑土压力的分布模式•而朗肯理论则不论砂土或黏性土、均质土或层状土均可适用，也适用于有地下水及渗流效应的情况。•朗肯理论假设地面为水平，墙面为竖直，符合深基坑工程情况。•但假设墙与土体之间不存在摩擦力，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小，因此它的计算结果是偏于保守的。•库仑土压力理论假定墙后填土破坏时，是沿着通过墙踵的某一平面滑动的，实际它却是个曲面；•朗肯理论假定墙背和填土间无摩擦力，实际上摩擦力是存在的；•土压力理论都假定压力强度随深度呈线性分布，实际是与墙身位移和变形有关，实验表明它是曲线分布。库仑、朗肯理论假定与实际情况的出入•挡土墙是先筑墙后填土，基坑支护是做好桩墙后再开始基坑开挖，从静止土压力后再产生主动、被动土压力；•挡土墙墙后填土的无黏性土或黏性土是散体，而基坑开挖的土是天然土，它们是经过多年自然压实后的土，它们的粘聚力有很大差别；•库仑、朗肯理论的挡土墙是个平面问题，但深基坑开挖是个空间问题；•朗肯理论假定墙与土无摩擦力，实际上都有摩擦力。摩擦桩就是最好的例子，说明摩擦力是存在的。深基坑支护的桩墙与挡土墙的差异•在基坑开挖过程中，作用在支护结构上的土、水压力等荷载是随着开挖的进程逐步形成的，其分布形式除与土性和地下水等因素有关外，还与墙体的位移量及位移形式有关。而位移的性状随着支撑和锚杆的设置及每步开挖施工方式的不同而不同。因此土压力并不完全处于静止和主动状态。如板桩或板桩式（工字钢和横列板）支撑基坑的开挖，是一种柔性结构，因而允许有限的变形。在开挖到一定的深度时，常在顶部进行第一道支撑，此时板的移动不大，继续开挖后，由于主动土压力逐渐增大，而上部已有支撑，所以只能在下部移动，而到基底时，其位移值最大。深基坑支护的桩墙与经典土压力理论的差异•有关实测资料表明：当支护墙上有支锚时，土压力分布一般呈上下小、中间大的抛物线形状或更复杂；只有当支护墙无支锚时，墙体上端绕下端外倾，才会产生一般呈直线分布的主动土压力。•由于实测位移与经典的朗肯土压力理论和库仑土压力理论计算的并不一致，因此，土压力的分布同样也和理论上所估计的不同。在许多的文献中，人们不断发现实测的结果与理论不符。深基坑支护的桩墙与经典土压力理论的差异•经典土压力理论计算的结果是极限值，而当支护结构处于正常的工作状态时的接触压力并不是极限值。因此，在基坑工作状态正常的条件下，实测量测到的变形、土压力、空隙水压力和支撑轴力等变量在原则上不可能与一般的计算结果完全一致，除非基坑已经达到极限状态。因此，经典土压力理论对基坑支护土体的塑性发展过程没有给出解答。目前采用有限元可以进行弹塑性计算模拟实际工作应力状态时的各种反应，但由于计算参数、边界条件处理和接触单元的处理等尚未难以模拟实际的工作条件，在实用化上还有许多工作要做。深基坑支护的桩墙与经典土压力理论的差异•经典土力学理论只能计算刚性界面上的接触压力，而没有考虑实际支护结构本身的变形，特别是柔性支护结构。而且在支撑和锚杆的约束下，支护结构的变形非常复杂。•经典土压力理论是平面应变条件下的解答，而没有考虑末端影响。而实际的工程条件总是有限长的，在长边方向的中部比较接近于平面条件，但在基坑的转角处则与平面问题相去甚远，存在末端的影响。深基坑支护的桩墙与经典土压力理论的差异•以上对经典土压力问题的讨论可以有助于更合理的确定土压力。•目前实用的土压力理论依然是经典计算公式的基本形式，许多关于土压力计算的修正都是基于经典公式展开的。•因此，经典公式有其局限性和实用性。深基坑支护的桩墙与经典土压力理论的差异2、基坑土压力的分布模式•土压力的计算，当不考虑地下水的存在时，比较简单。•但是在地下水位以下，而且基坑内外存在较大的水位差的条件下，问题就复杂的多了。•土压力应包括两部分：即水压力与有效土压力。•当前对土压力的计算问题，有水土压力分算与水土压力合算的分歧。•在国外，对于黏性土常取=0。在=0的条件下，分算法与合算法的计算结果完全一致，而且水位差引起的渗流效应也可以不考虑。•由于取=0的计算方法常偏于保守，因此当前已比较一致的认为可取土的固结不排水剪或固结快剪指标，即0。•对于支护结构上地下水位以下的土体，有“水土合算”和“水土分算”两种方法。这主要是针对黏土不排水情况下提出的问题，究竟哪种方法更为合理，存在不同的意见。•有学者认为，从土的有效应力原理这一基本概念出发，对地下水位以下无论何种土均应采用水土分算；•但也有学者认为，水土分算计算结果，主动土压力偏大，被动土压力偏小，且粘聚性土的有效强度指标难以准确获得，从工程实际应用出发，对地下水位以下渗透性较小的粘聚性土可用水土合算。•但是，目前在学术界仍然有不同的看法，近年来在这方面的学术讨论也非常活跃。水土合算与水土分算2、基坑土压力的分布模式•在地表面上有连续超载q的支护结构，其结构与土接触面的水平应力分布可分为三个不同区域；•三个不同区域其水平应力对支护结构内力与变形计算具有截然不同的性质，其水平应力也可按对支护结构内力的影响性质确定为水平荷载（1区、2区）与抗力（3区）；•以下就三和区域的水平应力分别进行讨论。1区3区2区q2、基坑土压力的分布模式（1）基坑开挖面以上的水平荷载•在基坑开挖深度平面上，土体受到开挖面以上水平荷载作用往往产生一定的水平位移，支护结构在基坑开挖面处总要产生转动或向基坑内侧的的移动，这些微小的转动或移动足以使作用在墙背上的土压力接近于主动土压力，所以设计时多按主动土压力计算。1区3区2区q•尽管从理论上要求墙背水平荷载从静止土压力下降到主动土压力需要有一定的位移量限定条件，但此位移量却无已定量结果。2、基坑土压力的分布模式•而根据现有的基坑开挖面以上土压力实测结果或是按此主动土压力计算结果内力的实践经验均证明了以主动土压力系数作为自重应力下的侧压力系数计算基坑开挖面以上的水平荷载是偏于安全的。1区3区2区q2、基坑土压力的分布模式（2）基坑开挖面以下的水平荷载•基坑开挖面以下水平荷载的分布较开挖面以上水平荷载的分布确定无论从理论上或是实践上都更为困难，也是目前基坑支护结构实践争论较大的问题之一。根据工程实践结果证明，以现有的结构计算理论应用传统的经典土压力理论确定支护结构的设计参数显然是偏于保守。1区3区2区q•但经典土压力理论的主动土压力作为其水平荷载似乎又是可能产生水平荷载的最小荷载，因此，依传统经典土压力理论讨论基坑开挖面以下的水平荷载其理论与实践总是难以吻合。•考虑单桩内力与变形计算的基本假定。•在桩顶作用有水平荷载和力矩时，其桩身内力按弹性理论方法确定。•当q0=M=0时，由于沿桩身长度范围内各点土对桩的土压力自动平衡，桩身强度也满足周边土压力强度作用要求，因此，桩身内力这种概念及强度分析方法已在桩基工程中应用多年，证明是安全可靠的。hq0QMq=q0+hQM•考虑在桩两侧同时开挖至标高h深度，则二个小三角形的竖向分布应力就与左图中的应力分布是一样的；•再假如在桩的右侧填土，至厚度h再加地面超载q0，此时由于h厚土重及q0所产生的应力分布则为阴影部分；•也可简化成右图所示的基坑开挖面以下计算简图。hq0QMq=q0+hQM•将基坑开挖面以下支护结构计算简图与单桩水平力计算简图比较可见，两者区别仅在于多了一块由地面超载及开挖深度土重所引起的矩形竖向荷载。hq0QMq=q0+hQM•基坑开挖面以下的支护结构在此地面竖向矩形荷载产生的作用于支护结构的水平荷载、基坑开挖面以上支护结构传至开挖面处的水平力及弯矩三个力作用下，根据弹性理论方法考虑支护结构与基坑内侧土体共同作用即可计算出支护结构内力。•由开挖面以上的矩形荷载产生的作用在支护结构上的水平荷载可近似地以（h+q0）Ka表示。hq0QMq=q0+hQM2、基坑土压力的分布模式（3）基坑开挖面以下的水平抗力•当基坑外侧水平荷载确定后，欲计算结构内力，首先必须确定基坑内侧土体抗力，内侧土体抗力可用不同方法求得。•如按朗肯土压力假定，内侧各点的水平抗力应以被动土压力系数确定的被动土压力值较为合理。1区3区2区q3、基坑规范中土压力的计算方法1.对于碎石土、砂土，支护结构水平荷载标准值（1）当计算点位于地下水位以上时：2aikaikaiiaieKcK（2）当计算