浅议非饱和土基坑无支护开挖深度的确定

长安大学学报（地球科学版）（<）+%,-./&%012/.4/.5.678-96:/-:2=>68.>8$%&’!\"(%’#=8’!))#@

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浅议非饱和土基坑无支护开挖深度的确定

!，阎长虹A陆秋生A，

（江苏南京!；山东岩土工程勘察总公司，山东济南!）A’南京大学地球科学系，A))*#!’\"))AB

［摘要］在C’D’E-8?&,.?等的非饱和土抗剪强度理论及其延伸的F/.G6.8土压力公式以及国内学者

卢肇钧等近年来的研究成果（用膨胀力代替基质吸力来刻画非饱和土的抗剪强度）的基础上，推导了含膨胀力的非饱和土竖直边坡临界高度的计算公式，初步探讨了非饱和土基坑无支护开挖深度的确定方法。

［关键词］非饱和土基坑；膨胀力；基质吸力；无支护开挖

［中图分类号］H（）5BIA’I［文献标识码］J［文章编号］A))IK**\"\"!))#)#K))\"!K)B［作者简介］陆秋生（，男，江西横峰人硕士研究生，高级工程师，现从事工程地质研究工作。A*LLK）

我国北方许多城市地下水位较深，加之年降雨量偏少，地表以下A)M范围内土体大多处于非饱和状态，对于带A基础埋深多!!层地下室的建筑，

在\"\"!#\"$\"%&’()*+(抗剪强度公式!A)M，对这类数量众多的基坑，按照饱和土!

强度理论计算，一般均会首先考虑支护开挖。根据C’D’E-8?&,.?等A*IN年提出了非饱和土抗剪C’D’E-8?&,.?等的非饱和土理论，非饱和土竖直边坡的临界高度随土体基质吸力的提高有相当大的

［］A增加，换言之，非饱和土基坑的无支护开挖深度

［］A强度公式：

AC’D’E-8?&,.?理论和公式

(（（#!!\"#$\"%#:/.#$:/.&）&%#’）$$（）A

有可能是较大的。虽然工程技术人员定性地知道基

［］!质吸力的存在会增大粘性土的凝聚力，但苦于基

式中：\"#为有效粘聚力；\"为破坏面上的总法向应

力；（称\"K#&为孔隙气压力；’为孔隙水压力；&）##为净法向应力；，（有关的内摩擦角，\"K##是与&）$一般被认为是土的有效内摩擦角；（#称为基&K’）#质吸力的量测技术过于繁杂，难以实测而又没有具体量的概念，因此在实际工程中非饱和土理论一直未被采用。近几年来，国内不少学者对非饱和土开

(是与（#有关的摩擦系数；式质吸力；:/.$&K#’）

［］

展了研究#!\"，特别是卢肇钧等对压实性膨胀土进（(）中等号右边第三项（A:/.&K’）##$被称为吸附强行了研究，发现非饱和土的吸附强度与膨胀力有线度（用!。因包含（和（#两个应\"K#)表示）&）&K’）#性关系，这样就可以用膨胀力来刻画基质吸力，而力变量，故式（）又被称为双应力变量强度理论。A

膨胀力的测定则较容易，避开了量测基质吸力的难!\",非饱和土的-.+/0+’土压力公式题，为采用非饱和土理论分析具体工程问题提供了鉴于本文所涉及问题的性质，仅介绍主动土压思路。

从C’D’E-8?&,.?等的双应力变量强度理论及

［］A力公式。图A表示一个无摩擦力的竖直挡墙插入

无限深土体中。任意深度处的非饱和土单元作用有假设地面是水平的，两竖向压力\"*和水平压力\"+，个力作用的平面为主平面，则竖向力和水平力也就是主应力。若挡墙向离开土体的方向移动，则墙后土体进入主动土压力状态，水平压力为小主应力，竖向压力为大主应力，每种压力均采用孔隙气压力作）并考虑主动土压力状态下的土体塑为基准，据式（A

其延伸的F在卢肇钧等的/.G6.8土压力理论出发，研究成果基础上，推导出用膨胀力表达的非饱和土竖直边坡临界高度的计算公式，初步讨论了非饱和土基坑无支护开挖深度的确定方法。

［收稿日期］万方数据!))!KA)K#)

第(期

陆秋生等：浅议非饱和土基坑无支护开挖深度的确定

’(

性平衡，则有：

!!（（!!’(\"\"\"$!\"\"#）%\"\"#）&#&!#*!（\"\"#$%#\"\")）#&!#上的超载/（图(），1为土的,/0，0等于上覆压力1-重度，假定裂缝与大气相通，土体均处于大气压力状），则任意深度,处（自,的主态下（\",#+-处起算）动土压力按式（）计算：&

!（1!,\"・(\"-\"\"2#$#\"\")）\"-&#&&!!##（）\"（）(

式中

(!\"

$%&’+\"#$#

&\"#（）/,0*#$%3#!\"（.\",）&-#度的分布如图&。

［］（）&

主动土压力可分为&个部分，各组成部分沿深

图!非饱和土\"#$%&$’主动平衡状态(&*!+,’-#.#$/’01\"#$%&$’#/2&3’’#42,54’6674’)

设土层中的竖向张拉裂缝深度为,地下水埋-，深.，裂缝底端的基质吸力为（\"从裂缝底#))）-，\"端沿深度至地下水位处基质吸力符合典型的“*”分布（图\"），开裂深度,-以上的土视为加在下卧土层

图<墙后土体中有张拉裂缝情况的诸变量

(&*<+,’3#4&#-.’6&$:&/#2&$#..2’$6&0$/4#/%60$2,’=#..))=

令式（&）中总水平应力为,，则张拉区深度,4可按式（）计算：’

*（#\"\"-(!&#$%&\")）-0#!#3\"\"#\"/,4$*（\"#$%#\"\")）-#13\"!&#（.\",）-）（’

\"卢肇钧的研究成果

图8基质吸力沿深度“9”分布

(&*8+,’:&624&-72&0$01;#424&/67/2&0$3’4676:’2,)5

［］\"卢肇钧等对压实性膨胀土进行了研究，土源

分别来自广西南宁和山东潍坊。通过大量室内试验资料发现非饱和土的吸附强度$20与膨胀力0存在

图>土中有张拉裂缝、基质吸力沿深度线性减小（“9”分布）情况下主动土压力各组成部分的分布

万方数据(&*>?&624&-72&0$01#/2&3’’#42,54’6674’=&2,2’$6&0$/4#/%6#$:#424&/67/2&0$=,&/,4’:7/’6.&$’#4.&2,:’2,)@=5

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长安大学学报（地球科学版）

第()卷

良好的线性关系，并提出了用!\"描述!\"的关系式：

据基坑顶部是否发育张拉裂隙，无支护开挖的深度

（）按以下两种情况考虑：!!\"#%$!\"#$\"\"（，）当土层上部未出现张拉裂缝时，令,与土的种类有关。进一步式中：&,$为膨胀力系数，1/（,计算得0边坡无支护开挖深度0*研究会发现式（）可以用一更直接简便的式（%）表代入式,）$1，取01。

（）（）当土层上部有张拉裂缝时，应同时根据式!%(!\"#&\"）和作用于滑动面上的法向力和平行力（图$），其中：资料统计结果为&。关于式（,,&为常数，’’()

边坡无支护开挖深度0*，（）分别计算0（）对于其他地方的膨胀土是否也通用，卢肇钧认为按式,(%1，

有必要进行更广泛的研究。根据非饱和土对吸附强取两者的小值且不能大于张拉区深度,-的,倍。

［］$示：

度!\"的定义有：

+（#!!\"#!\"#&\"#()#*）\"（）*

+无支护开挖深度的确定

从张拉区的计算深度可以求出竖直边坡的临界高度（图)）。

图4具有张拉裂缝的无支撑竖直边坡\"#%45’36.2-(78(2-#1,+3+.(9#-0-(’3#.’12,1:3$***

按图$和式（）计算时，假设边坡的破坏面为,(／并在抗剪强平面，破坏面与水平面成’%80\"(角，)度中考虑膨胀力的作用，分析时可以认为破坏面与张拉裂隙相通，孔隙气压力按处于大气压力状态考虑（即#），根据作用于滑坡楔体上的力的平衡，&(/则有：

9$#:图!边坡临界高度的说明

\"#%!&’()+,’,-#.’./-0(12#-#1,+0(#0-./-0(3+.($*$*

$（*,4*(）（／）・9%%123’)4(4\"$#1$4

在深度,净水平压力等于&，在小于,-处，-处，土承受拉应力，当边坡高度等于张拉区深度的,倍

%4&!\"#!\"\"$（*,4*(）（／）:#%35#’)4(4\"*,#

63（）\"(#,(（0）),11时，沿全深积分，总的作用于墙上的土压力将等于(（0，即：&,,1)1）1*6#((,-3\"\"（）..-!,#&/#(&（0,1)1）

故竖直边坡的临界高度0$#3）（／%1为%5#’)4(4\"（）式中：0,&,1#(-9:为下滑力；*,，*(为张拉裂$为抗滑力；

假设膨胀力沿深度也线性减小，至地下水位处缝区和三角形区滑坡体自重；为滑动面长度。

$为&，将式（）及式（）同时代入式（）得：)*,&

!

工程实例1%\"3&3(!’\"\"\"\"4(\")5（）0(,,1#2&!\"64(\"3\"（7),1）山东省临沂市图书发行大厦，地上(地下,层，

（实式中：!\"为地表处或张拉裂缝底端处的膨胀力基坑开挖深度为%6，边坡土体主要由,层高,层，

万方数据际工程一般采用浅部土层试样的试验指标代替），根塑性粘土组成，该层粘土为临沂地区典型的膨胀土，

第.期

陆秋生等：浅议非饱和土基坑无支护开挖深度的确定

33

（）为保持挖方边坡（基坑）中土体的膨胀力，应.

整无张拉裂缝。土的有关物理力学指标为：!$%!&采取有效措施保证土体含水量或饱和度在基坑运行

.，，，／，期间不增大，如坡面、坡顶采用喷射混凝土防止雨水’()\"%\"\"*#%!+,\"’-#&’()%$%%/#%!经分析统计临沂地区的大量土工试验数据，系入渗土体。/01；数&%。按当地工程经验此类基坑一般采用&,2\"3最后施工单位采用无支护开挖，坡面、坡%+,0#，

顶采用喷射混凝土防水，直至2个月后地下室施工完毕，基坑自立稳定，无支护开挖获得成功。

（）关于式（）中的&值，各地应根据当地土的24

悬臂钻孔灌注桩或土钉墙支护，按式（）计算得’!!!剪力试验与膨胀力试验结果统计获得。

［

参

考

文

献

］

下伏灰岩，场区稳定地下水位在!上部土体完\"#，

［］5非饱和土力学［C］陈仲颐，等译,北!6789:;8<=，>)?)68AB,,@

京：中国建筑工业出版社，!++4,.2+!.4&,［］余志成，施文华,深基坑工程在北京地区的经验、问题和展望\"

］建筑技术，（增刊）：［D,!++/\"+!.&,［］卢肇钧，张惠明，陈建华，等,非饱和土的抗剪强度与膨胀压力.

［］岩土工程学报，，（）：D,!++\"!2.!!/,

［］沈珠江,广义吸力和非饱和土的统一变形理论［］岩土工程学2D,报，，（）：!++0!!!!!+,［］卢肇钧，吴肖茗，孙玉珍，等,膨胀力在非饱和土强度理论中的3

］岩土工程学报，，（）：作用［D,!++4!+3\"&!\"4,［］张振营,关于“膨胀力在非饱和土强度理论中的作用”一文的探0

］岩土工程学报，，（）：讨［D,!+++\"!\"\"2/,

3结论

（）在非饱和膨胀土地区，可以采用膨胀力来刻!

画基质吸力对竖直边坡临界高度的影响，进而计算确定基坑无支护开挖的深度。

（）对于基坑周边环境无严格的变形限制，地下\"

水低于坑底，开挖深度在3基坑历时!!&#范围内，不太长时，完全可能采用无支护对基坑进行开挖。

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万方数据