水土压力分算与合算的统一算法

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第30卷第5期岩石力学与工程学报Vol.30No.52011年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay,2011收稿日期:2011–01–07;修回日期:2011–03–07作者简介:王洪新(1973–),男,博士,1995年毕业于上海铁道大学铁道工程专业,现任高级工程师,主要从事基坑工程、盾构法隧道等方面的研究工作。E-mail:tjwanghongxin@163.com水土压力分算与合算的统一算法王洪新(上海第二市政工程有限公司,上海200065)摘要:以土中孔隙水特征为基础,假定土体中的黏性土颗粒吸附的结合水会抵消一部分土中孔隙,昀终把土的孔隙比、界限含水量、颗粒分析等物理参数引入土水压力计算,提出一个可以采用土层物理指标计算的水压力比率,给出通过土体渗透系数试验测定值的方法,通过该参数可以把有效应力强度指标与总应力强度指标统一在一个强度公式中。同时,给出一个可以统一水土分算和合算的算法,实现水土压力分算和合算结果之间的过渡,为解决水土压力分算和合算结果的跳跃提供一个新思路。根据理论分析,渗透系数–孔隙比实测曲线应该沿e轴正向平移,土体中黏粒成分含量越高,平移量越大,相关文献的试验数据可证实这点;含有黏粒成分的砂性土采用水土分算偏于保守,而孔隙比较大的黏性土采用水土合算偏于不安全;围护结构上的水土压力计算不但与土体分类有关,还与孔隙比直接相关。关键词:土力学;水土压力;有效应力原理;孔隙水压力;渗透系数;界限孔隙比中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:1000–6915(2011)05–1057–08UNIFIEDMETHODOFSEPARATEANDCOMBINEDCALCULATIONOFWATERANDEARTHPRESSURESWANGHongxin(ShanghaiNo.2MunicipalEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200065,China)Abstract:Applyingcombinedcalculationofwaterandearthpressuresforclayleadstoaresultwhichismoreclosetothefieldmeasurementvalue,however,obviouslyviolatestheprincipleofeffectivestress.Basedoncharacteristicsoftheporewaterinsoil,itisassumedthattheboundwaterabsorbedbytheclayparticlesinthesoiloffsetspartofsoilpore,andfinallyphysicalparameterssuchasvoidratio,boundarywatercontent,particleanalysis,etc.areintroducedtocalculationofwaterandearthpressuresonretainingstructurestoproposeacoefficientwhichcanbecalculatedthroughphysicalparametersofsoilandtoprovidethemethodofmeasuringthevalueofthroughpermeabilitytests.Withthecoefficient,theeffectivestressintensityindexandtotalstressintensityindexareintegratedinonestrengthformula.Anewcalculationmethodtounifytheseparatecalculationandcombinedcalculationofwaterandearthpressuresisproposedtocarryoutthetransitionbetweenresultsofthetwoconventionalcalculationmethodsandprovideanewideaforsolvingthejumpproblembetweenthetworesults.Accordingtothetheoryanalysisofthispaper,themeasuredpermeabilitycoefficient-voidratiocurvewillhaveatranslationalmoveinaforwarddirectionalonge-axis.Themoreclayparticlesthatsoilcontainswillhavethelargertranslation,whichhasbeenverifiedbyexperimentaldataofrelatedliteratures.Separatecalculationofwaterandearthpressuresistooconventionalforsandsoilcontainingclayparticleswhilecombinedcalculationofwaterandearthpressuresforclaywithhighvoidratiocantguaranteethesafety.Water•1058•岩石力学与工程学报2011年andearthpressuresonretainingstructurearerelatednotonlytothesoilcategories,butalsothevoidratio.Keywords:soilmechanics;waterandearthpressures;effectivestressprinciple;porewaterpressure;permeabilitycoefficient;limitvoidratio1引言水土压力计算问题长期困扰岩土工程界,曾经引起很大争论。水土分算符合有效应力原理,但是仅在砂性土时与现场实测接近;黏性土采用水土合算与实测较为接近,但相当于对水压力进行了折减,不符合有效应力原理。许多学者对此进行了解释,但由于涉及到土力学的基本理论,目前还没有形成定论[1-3]。一些学者反对黏土的水土合算,认为偏于不安全;也有一些人支持黏土水土合算,认为水土合算可能存在一些微观机制[4-6],但都没有在微观机制上进行定量分析。实际上,水土分算与合算存在许多问题没有解决。在基坑稳定性和变形计算时,往往水土分算不能通过,但合算后马上达到规范要求,2种算法跳跃性很大。另外,还存在一个很大的问题是,如果砂性土采用水土分算,黏性土采用水土合算,那么,介于两者之间的土层如黏质粉土和粉质黏土等,当然应该采用介于水土分算和水土合算之间的算法。由于没有统一的算法,设计时要么把这类土分算使结果过于保守,要么合算使结果偏于不安全。对于这类透水性并不是很强的土,计算时应如何建立与土层性质有关的算法?姚秦[7]提出了一种解决思路,但还没有从土力学的基本原理上解决这类土的水土压力计算问题。为了解决水土压力分算和合算结果的跳跃,实现水土压力分算和合算结果在黏质粉土及粉质黏土时的过渡,本文提出了一种水土压力的统一算法。该方法基于土的孔隙水特征,引进了一个可以采用土层物理指标计算的介于0和1之间的系数,把土的孔隙比、界限含水量、颗粒分析等物理力学参数引入到土水压力计算,本文同时给出了通过渗透系数试验确定的方法。而通常所谓的水土压力合算与分算在统一算法中分别针对纯黏土(0)和纯砂土(1),黏质粉土及粉质黏土等介于两者之间,从而实现了水土压力合算与分算的过渡。2采用土颗粒物理指标计算黏性土颗粒中存在大量结合水。结合水与土颗粒的吸引力大于所受到的重力,这部分水与重力水的形态不同。如果假定土颗粒与结合水共同作用,仅自由水传递在重力作用下的孔隙水压力,以此为基础可以构造一套计算体系统一水土分算与合算2种算法。假定结合水抵消了一部分土中孔隙,如果土体中结合水的含水量为0w,则由于结合水而抵消掉的孔隙比ue为0w0ussw/1/wwe(1)式中:w为水的容重,s为土颗粒的容重。每种土中土颗粒粒径由粗到细,质量分别为s1m,s2m,…sim…,snm;各种粒径颗粒的容重分别为s1,s2,…si…,sn。如果取土颗粒的总体积为1,在这些颗粒中能够产生结合水的只有粉粒和黏粒部分。假设粗粒部分的质量从s1m到smm,细粒部分从s(1)mm到snm。由于土颗粒总体积为1,则sst11sss1nniiiiimgggmm(2)式中:tm为单位体积土颗粒的总质量,ts1niimm;s为土颗粒的平均容重,stmg,g为重力加速度。如果粉粒及黏粒结合水含水量分别为0iw,则土中结合水占据的孔隙比ute可表示为s0ut1wniiimmgwe(3)则孔隙率中剩余的能够产生重力水的有效孔隙比e为s0ut1wniiimmgweeee(4a)由于stmg,式(4a)可变为s0s0ss11wtwtniiniiimimmwmgweeemgm(4b)第30卷第5期王洪新:水土压力分算与合算的统一算法•1059•式(4b)改写可为ss01wtniimmweem(4c)式中:0ws011nniisiimimmwm,为结合水含水率的加权平均值,能够从总体上反映整个土体的结合水状况;st1niimmm为土体颗粒分析中黏粒和粉粒所占的质量比,一般的勘察报告中都能为此项计算提供资料。如果假定在土体的孔隙中并不是所有孔隙都能够在重力作用下产生孔隙水压力,则在重力作用下能够产生水压力的比率可采用下式计算:0eeeee(5)其中,ss010wtniimmwem(6)0e为在重力作用下能够产生孔隙水压力的孔隙比下限,对土水压力计算有重要意义,这里称为界限孔隙比。式(5)的分子、分母同乘ws/可得ssw1100sttwsnniiimimmme(7)式(7)是采用土的含水量表示的计算方法。式(5),(7)中,由于各种土颗粒s比较接近,s比较好确定;式(7)中的0w是土中只存在结合水的含水量界限,精确确定0w还是存在一定困难的,当然可以采用黏性土的塑限pw和塑性指数pI来估算0w。一般认为塑限pw就是土中弱结合水含水量的上限,所以可以取0pww(8)由于目前确定pw的试验方法还是比较粗糙的,直接采用式(8)可能存在较大偏差,一个更好的估计可能是:0ppwwI(9)由于必须满足ppws/wIe≤,则式(9)中,wspp0(/)/ewI≤≤。当然,由于目前精确的试验数据过少,式(8),(9)只不过是解决0w计算的权宜之计,也可以采用下面给出的较为简便的近似算法。目前,砂性土采用水土分算,而黏性土广泛采用水土合算。水土合算时,如果把所有孔隙水都当作结合水,相当于假定式(6)中的s0w/w等于天然孔隙比,则有s0wwe(10)由于式(10)只是估算公式,故采用“”号。此时,式(5)变为s1sst11tt1ninmimiiimimeemmmemm(11)上式说明采用式(10)近似时,可以仅通过土中粗粒成分所占的质量比估算。如果采用式(11)估算,对于纯正砂土,均为粗粒成分,1,正好为水土分算结果;对于纯正黏土,均为细粒成分,0,正好为水土合算结果;对于介于两者之间的土,01<<。这样,可以根据土体颗粒分析成果近似估算出值,建立介于砂性土与黏性土之间土的过渡算法。以上是以界限含水量为基础,采用式(7)估算值的思路;如果以界限孔隙比为基础,采用式(5)估算值,需要借助

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