1、什么是水、土压力

水压力就是水在静止时或流动时,在与水接触的建、构筑物或围护桩墙表面产生的法向作用,它的方向始终与作用面垂直并指向作用面,它的取值大小主要与压力管水头相关。 根据地下水流动状态的不同,又可将其分为静水压力和动水压力。对于实际工程,设计一般可简化为静止水压力参与计算。但实际工程尤其是水利工程中,在满足强透水地层、补给水源充足等条件下,水的流动性较强,此时动水压力会改变土体承载模式,对于工程建设活动的影响会更大。但动水压力的计算相对复杂,与土层渗透性,渗流路径,补给水源等因素相关。我们这次主要是谈静水压力的问题,以后有机会可再做专栏和大家聊聊动水压力的问题。 结构及岩土设计中水、土压力的那点事 1 动水对土颗粒的作用 土压力就是土体作用在建、构筑物或围护墙上的力,它的作用方向和墙背摩擦角、墙后的土性有关。目前常用的两种计算理论是朗肯土压力和库伦土压力理论,概括来说力的大小就是侧压力系数乘以土体的竖向应力(其实可以认为静水压力的侧压力系数就等于1.0,我可不管概念对不对)。听起来原理很简单,不过实际操作起来可就一点都不好玩了。所谓的岩土靠经验,其实就是卡在这一环节上。 土压力的大小受到墙体可能的移动方向可分为三种情况:主动土压力(墙被土压力push并往支护内侧移动a)、静止土压力(墙虽被土压力push,但岿然不动c)和被动土压力(墙表示很躁,虽然被土压力push,但还要迎头赶上往土体方向一侧推动b),根据作用力与反作用力原理,这三者的侧压力系数是逐渐增大的,在竖向应力不变情况下,土压力也是逐渐增大的。读到这里,你可能会想“what f?!一个破力还会变,那还怎么算?其实我也想吐槽?作为一门专门的学科,土压力的计算耗死了无数专业人士的脑细胞,光是一堆本构就能让无数博士抓狂,不过作为低端设计狗,我们直接套规范公式就算了,不必深究。 结构及岩土设计中水、土压力的那点事 2 土压力的三种作用模式

2、水土合算or水土分算

水、土压力作为外力直接作用在地下室壁板或围护墙上,水与土作为两种材料,按常理来说应该分别计算。不过由于土的万恶性,它总是会搞出新问题。这里可以举个例子,浆糊和米汤大家应该都知道是啥玩意,两者差不多都是由米和水混合的。但如果同时将他们倒在桌面上,米汤里面的水会立刻流走,最多剩下一些米粒。而浆糊就不同,它会粘成一团耸立在桌面上。作为水土混合物,针对不同性质的土,也会有上述的现象,原因何在呢? 这个就要从土的微观构成来分析了,我这里简要表述下。对于主要由黏粒构成的细颗粒土,可以认为由于电子作用(物理学得好,哈哈),它本身可以吸附水,形成一种类似于浆糊的“合成物”,这样当它对外界产生作用力时,应当将它考虑为一种物质比较合理。而对于主要由散体颗粒形成的粗颗粒土,由于分子间没啥相互作用,它们并不能有效吸附周边的水,就形成了类似于米汤这种“米是米,水是水”的混合物,此时它们对外部的作用应当分别考虑。 结构及岩土设计中水、土压力的那点事          结构及岩土设计中水、土压力的那点事 3 水土分算与水土合算计算图式 在工程应用中,对于粘性土(如粉质粘土、淤泥质土等),考虑到其对水的吸附作用,主要采用水土合算,此时采取土体的饱和重度指标下的竖向应力乘以土体的侧压力系数就是土压力。而对于砂、砾石层,则采用水土分算,此时采取土体浮重度指标下的竖向应力乘以土体的侧压力系数得到土压力,再按水头叠加水压力最终得到合力。不少同志会迷糊这两者的区别,其实两者的主要差别是在“水压力有未考虑侧压力系数上”,鉴于侧压力系数小于1.0,因此,水土分算要比水土合算得到的水土压力要大 对于岩土工程中的土层,要根据具体土体的特性决定采取何种计算模式。有些地区虽然以黏粒土为主,但其中含有较高的粉粒,从安全保守计,也宜采用分算模式。另外,对于岩层的计算模式,业内还存在一定争议。笔者认为具体要视岩层裂隙发育程度及裂隙水的补给情况等综合确定,不能一概而论。

3、水、土压力的组合工况

上述计算得到的都是水、土压力的标准值,需根据不同行业规范采取不懂的分项系数进行组合。如混规和给排水结构规范对于分项系数定义完全不同,这对于结构的配筋影响很大。对于基坑等临时结构,又应该按照基坑规范的分项系数进行组合,以避免过度浪费。 这里需要特别提到的就是地埋式构筑物的结构计算,内水压力一般都按照活荷载进行考虑,而外水压力则视规范的不同有按恒荷载考虑,也有按活荷载考虑的。对于地下水位稳定,常年变化较小的地区,外水压力宜按恒载考虑并参与组合。对于靠近江河,年降雨量大、地下水位频繁变动的地区,则外水压力宜按荷载考虑。 结构及岩土设计中水、土压力的那点事 4 水土荷载参与组合的典型情形 对于埋深较深的构筑物,若外水压力按活荷载考虑,则壁板配筋一般为裂缝控制,此时,外水压力准永久值系数的取值对计算结果影响较大。工程设计中,一般会取为0.50~0.80之间,个人建议取为场区的年平均水位及壁板计算工况中的洪水位(高水位)间的比值,这样能与参数的概念相契合。
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