一种修正的Tschebotarioff土压力模型

摘要

本发明公开了一种修正的Tschebotar ioff土压力模型，1）采用固定系数+折减系数方法对Tschebotar ioff土压力模型进行修正，该方法用于北京地区中硬性粘性土、粉质黏土、粘质粉土、粉土等土层在室内物理力学试验中参数差异性大、人为因素干扰性强的条件；2）通过折减系数调整，引入了施工扰动、主动约束条件。本发明在原有Tschebotar ioff（泰西勃特奥夫）土压力模型基础上，创新性的引入折减系数及效应调整计算公式，通过支挡结构上部90%H深度范围内采用折减的Tschebotar ioff土压力模型，支挡结构下部10%H深度范围内，采用修正的Tschebotar ioff土压力模型,良好地实现了主动土压力实测与模型计算曲线数值及规律拟合，确定了土压力折减系数，有助于分析土压力作用下基坑支护体系的工作机理及受力特征。

说明书

技术领域

本发明属于土木建筑技术领域，尤其涉及一种修正的Tschebotarioff土压力模型。

背景技术

随着地上空间的不断开发，建筑行业也逐渐在向地下要空间。基坑支护工程面临巨大挑战，基坑支护深度更深、环境更复杂、难度越来越大。

基坑市场主要面临的问题：以常规的土压力理论模型为设计主导、理论与实际相差较大、理论研究严重滞后于行业发展、技术人员对土压力随意折减。上述种种问题导致了基坑事故频发，造成了大量的人员及财产损失。

常规采用的土压力模型为朗肯土压力理论模型。朗肯土压力理论模型具有概念明确、计算简单、使用方便、可直接适用于粘性土及无粘性土等优点，因此，在实际工程中得到广泛使用。除了朗肯土压力理论模型以外，不同国家和地区为了适应本地区的情况，对朗肯土压力理论模型进行了调整，推出了很多其他土压力模型，其中，泰西勃特奥夫是日本推荐采用的一个模型。

不论是朗肯土压力理论模型、或泰西勃特奥夫理论模型，在实际工程应用的时候，发现计算出的土压力数值比实际情况要大很多，由于土压力数值大，则土压力对护坡桩产生很大压力，那就需要更多的护坡桩去挡土，使得工程偏保守，而造成很大的浪费。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种修正的Tschebotarioff土压力模型，目的在于解决现有技术的土压力模型计算出的数值比实际情况要大很多，使得工程偏保守，而造成很大的浪费的问题。

本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案

本发明设计了一种修正的Tschebotarioff土压力模型，其特点是：

1)采用固定系数+折减系数方法对Tschebotarioff土压力模型进行修正，该方法用于北京地区中硬性粘性土、粉质黏土、粘质粉土、粉土等土层在室内物理力学试验中参数差异性大、人为因素干扰性强的条件；

2)通过折减系数调整，引入了施工扰动、主动约束条件。

进一步地，所述对Tschebotarioff土压力模型进行修正，具体为：支挡结构上部90％H深度范围内，采用折减的Tschebotarioff土压力模型；支挡结构下部10％H深度范围内，采用修正的Tschebotarioff土压力模型,H为支挡结构高度(m)，所述支挡结构包括护坡桩。

进一步地，所述折减的Tschebotarioff土压力模型，该土压力模型＝K*0.5 γz，其中，K为折减系数，K＝0.5～0.7，γ为土体重度(kN/m)，地下水位以下采用饱和重度，z为自地面开始向下、压力曲线折点以上的计算点深度(m)。

进一步地，所述修正的Tschebotarioff土压力模型，该模型＝0.45KγH- γh,其中h为自压力曲线折点向下、支挡结构底端以上的计算点深度(m)。

进一步地，所述K＝0.5～0.7，当基坑开挖前期，土体扰动较为剧烈且主动约束较弱时，K选择大值0.7；当基槽开挖接近槽底,主动结构约束较强时， K选择较小值0.5。

进一步地，当所述z＝0.9H时，该模型为支挡结构顶端的土压力模型： K*0.5*0.9Hγ＝K*0.45*γH。

进一步地，当所述h＝0.1H时，该模型为支挡结构底端的土压力模型0.45K γH-0.1γH。

本发明的优点效果

1、本发明在原有Tschebotarioff(泰西勃特奥夫)土压力模型基础上，创新性的引入折减系数及效应调整计算公式，通过支挡结构上部90％H深度范围内采用折减的Tschebotarioff土压力模型，支挡结构下部10％H深度范围内，采用修正的Tschebotarioff土压力模型,通过它们之间的相互支持和相互依赖，良好地实现了主动土压力实测与模型计算曲线数值及规律拟合，确定了土压力折减系数，有助于分析土压力作用下基坑支护体系的工作机理及受力特征，有助于设计施工中做到安全适用、保护环境、经济合理、确保工程质量，提高设计有效性，提高我院岩土工程设计施工水平，最终使我院提交的成果具有良好的技术性和经济性，达到在北京市场占据优势的目的。

2、本发明解决了长期以来岩土工程技术领域，以国外经验为设计主导、理论与实际相差较大、理论研究严重滞后于行业发展、技术人员对土压力随意折减、导致了基坑事故频发，造成了大量的人员及财产损失的技术难题，创新地提出了基于固定系数+折减系数方法，从而对Tschebotarioff土压力模型进行了修正。

3、本发明从现有技术公开的宽范围中，有目的的提到现有技术未提到的折减系数K＝0.5～0.7的窄范围，这个窄范围带来了预料不到的技术效果。当土体扰动较为剧烈时对土压力影响明显，K值采用0.7，当基槽开挖接近槽底、主动结构约束较强时，K值采用0.5，从而解决了实测值与理论值差异很大的问题。

附图说明

图1为本发明修正的Tschebotarioff土压力模型；

图2（1）为土压力实测数据与计算模型分析对比1；

图2（2）为土压力实测数据与计算模型分析对比2。

具体实施方式

本发明设计原理

一、土压力分析成果

(1)基坑在开挖过程中，土压力较大、随开挖过程压力逐渐衰减并趋于稳定，分析及结论如下：

土体在开挖前期扰动最为强烈，土体由无限体状态向一侧限应力减小至半无限体状态变化，应力重分布、土体抗剪强度降低，土体结构变化最剧烈，土压力较大；

随着开挖深度加大，土体逐渐形成新的新的结构、应力平衡，并且由于护坡桩、预应力锚索等刚性支撑体的作用，土体结构逐渐趋于稳定，结构变化较前期平缓，土压力数据逐渐减小并趋于稳定。至开挖至基槽底部后，土体结构经结构及应力重分布后基本稳定，压力值基本稳定。

根据上述分析结果，可认为：土体结构性对土压力影响较大，在开挖前提扰动最为剧烈，土压力出现大值；护坡桩、预应力锚索等结构对土体结构约束有明显作用。

(2)实测主动土压力分布形式呈上下小中间大的三角形，最大值出现在第三部预应力锚索至基坑槽底以下2.0m；认为形成该规律的原因如下：由于预应力锚索的作用，使锚索附近的土压力增大，而护坡桩底部的土压力较小。

(3)与理论土压力成果分析结论

1)与朗肯土压力结果比较

根据测试成果与朗肯土压力计算曲线对比图分析可知，朗肯土压力与实测结果差异较大：①支挡结构上部区域规律性比较一致，基本呈三角形增加，而压力理论值与实测值差异较大；②支挡结构底部，规律及数值均不一致。

朗肯土压力理论模型如图2（1）、图2（2）所示，横坐标为土压力值，纵坐标为埋深值，以支挡结构上部区域为例，当埋深10米时，本发明测试3条曲线的测试土压力值为20-30kPa，该3条曲线为开挖至第一道锚索、开挖至第二道锚索、开挖至第三道锚索的曲线，而朗肯土压力计算模型的压力至接近120kPa；在支挡结构底部，3条测试曲线是向回收拢的趋势、由直线变为折线，而朗肯土压力仍然是一条直线。

结论：在实际计算中，北京地区常规粘性土地层如采用朗肯土压力理论进行设计计算，势必造成工程浪费。

2)与泰西勃特奥夫土压力结果比较

根据测试成果与朗肯土压力计算曲线对比图分析可知，泰西勃特奥夫土压力与实测结果从规律上比较一致，可近似认为为上下小、中间大的三角形分布曲线；从数值上来看，支挡结构上部90％深度范围内，土压力数值差异较大，下部10％深度范围内，数值比较接近实测值。

泰西勃特奥夫土压力模型如图2（1）、图2（2）所示，虽然泰西勃特奥夫土压力的规律与实测结果比较一致：均为三角形分布曲线而非斜线，但支挡结构上部 90％深度范围内，土压力理论值与实测值差异较大，当埋深10米时，本发明测试3条测试土压力值为20-30kPa，而泰西勃特奥夫土压力值接近90kPa；支挡结构下部10％深度范围内，虽然数值比较接近实测值，但规律不一致，泰西勃特奥夫土压力的规律是收回为0，而本发明3条测试曲线的规律是收回不为0。

结论：本发明实施例认为北京地区常见的粘性土地层宜采用适当折减的泰西勃特奥夫土压力模型。

二、本发明创新点

创新性的引入了国内未在工程上进行使用的“Tschebotarioff(泰西勃特奥夫)土压力”模型；在原有模型的基础上，创新性的引入折减系数及效应调整计算公式；良好的实现了主动土压力实测与模型计算曲线数值及规律拟合。创新点具体如下：

1)根据北京地区中硬性粘性土、粉质黏土、粘质粉土、粉土等土层在室内物理力学试验中参数差异性大、人为因素干扰性强等特点，创新性的抛弃了传统计算中依赖抗剪强度指标的土压力系数方法，提出了固定系数+折减系数法，更便于工程技术人员使用及计算；

2)本模型在计算过程中，考虑了施工工况影响，通过折减系数调整，引入了施工扰动、主动约束(锚索等)等条件。

3)针对朗肯土压力和泰西勃特奥夫土压力模型在支挡结构上部，理论值和测试结果相差很大的缺陷，采取了在支挡结构上部90％深度范围内，通过设定折减系数K＝0.5～0.7，折减了Tschebotarioff土压力模型，折减以后，理论值接近测试值；

4)针对泰西勃特奥夫土压力模型在支挡结构下部，土压力收回为0、和测试结果收回不为0存在差异的缺陷，采取了在支挡结构下部10％深度范围内，修正“Tschebotarioff(泰西勃特奥夫)土压力”模型曲线斜率，使得支挡结构下部10％深度范围内的曲线斜率由小变大，由原来收回为0变为收回不为0，如图1所示，当h＝0.1H时，该模型为支挡结构底端的土压力不为0、土压力为：0.45KγH-0.1γH。

基于以上原理，本发明设计了一种修正的Tschebotarioff土压力模型，其特点是：

1)采用固定系数+折减系数方法对Tschebotarioff土压力模型进行修正，该方法用于北京地区中硬性粘性土、粉质黏土、粘质粉土、粉土等土层在室内物理力学试验中参数差异性大、人为因素干扰性强的条件；

2)通过折减系数调整，引入了施工扰动、主动约束条件。

所述对Tschebotarioff土压力模型进行修正，具体为：支挡结构上部90％H 深度范围内，采用折减的Tschebotarioff土压力模型；支挡结构下部10％H深度范围内，采用修正的Tschebotarioff土压力模型,H为支挡结构高度(m)，所述支挡结构包括护坡桩。

所述折减的Tschebotarioff土压力模型，该土压力模型＝K*0.5γz，其中， K为折减系数，K＝0.5～0.7，γ为土体重度(kN/m)，地下水位以下采用饱和重度，z为自地面开始向下、压力曲线折点以上的计算点深度(m)。

所述修正的Tschebotarioff土压力模型，该模型＝0.45KγH-γh,其中h 为自压力曲线折点向下、支挡结构底端以上的计算点深度(m)。

所述K＝0.5～0.7，当基坑开挖前期，土体扰动较为剧烈且主动约束较弱时，K选择大值0.7；当基槽开挖接近槽底,主动结构约束较强时，K选择较小值0.5。

当所述z＝0.9H时，该模型为支挡结构顶端的土压力模型：K*0.5*0.9Hγ＝K*0.45*γH。

当所述h＝0.1H时，该模型为支挡结构底端的土压力模型0.45KγH-0.1 γH。

本发明修正后的Tschebotarioff土压力模型曲线如图2（1）、2（2）所示，本发明采用的是包络法，包络法不一定完完全全拟合，就是近似拟合曲线而不是百分之百拟合曲线，这是因为土压力没有百分之百准确、土压力本身就是模糊科学，本发明通过四个钻孔总结出基本规律，按照基本规律进行近似拟合曲线的模拟。

实施例一：土压力测试试验

本实施例研究主要针对北京地区通过土水压力现场测试技术，对土水压力的分布特征进行分析并描述，因此，现场试验时本课题的重要部分，以下是搜集的关于现场土压力测试技术的几篇文献：

①《基坑支护体系主动区土压力试验研究》(青岛建筑工程学院上木工程学院时伟等)一文中，通过现场试验，围绕基坑工程时空效应理念，研究分析了在深基坑开挖过程中桩锚支护体系的受力特性，得出了主动区土压力随开挖工况而变化的分布规律。

土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它主要取决于支护桩(墙) 体的变位方式、方向和大小，围护结构的刚度和支撑刚度、施工的时空效应对土压力的分布和变化也起着控制作用.目前，在基坑工程设计中广泛应用的计算主动区土压力的方法，有代表性的仍然是利用滑楔理论推导出的库仑土压力理论和由极限平衡理论推导出的朗肯土压力理论。

由于利用古典土压力理论计算出的土压力只能反映极限平衡状态下的土压力，而实际边坡支挡结构上的土压力可能处于静止与极限状态土压力之间的任一状态。从力学的观点来看，利用极限平衡状态的主动土压力计算所得的支护体系位移是不可能正确的，即用极限平衡状态的主动土压力来求解整个墙体位移过程中发生的最大位移是违背土力学原理的。由于环境保护对变位的限制，往往不允许墙土体的变位达到极限状态。

试验方法及工程情况：

基坑支护结构选用“钢筋混凝土灌注桩锚杆”的支护方案，开挖深度为 15m，在离地面2.5，8.5m处设置了两层锚杆，锚杆长为23m，倾角为15。锚杆自由段长度为4.5m，锚固段长度为18.5m，钻孔直径为130mm，水平间距为1.5m，锚杆抗拔力为471.1kN。基坑开挖过程如下：工况一：第一次土方开挖到2.5m深，设第一道锚杆；工况二：第二次土方开挖到8.5m深，设第二道锚杆；工况三：继续向下开挖，直至开挖至设计标高。

桩侧主动区土压力测试在基坑东面的7#桩和南面的11#桩背侧各钻孔埋设了一组土压力盒，土压力盒绑扎于钢筋上，接触面朝土体一侧。测试结果如下：

A主动土压力随开挖工况的变化

a)基坑开挖以后，作用在桩锚支护结构上的主动区土压力强度由开挖前的土压力强度值逐渐减小。随着土方开挖的进行，地表约6m深度以下的主动区土压力强度呈明显减小的趋势。

b)在基坑开挖过程中，开挖面深度范围内主动区土压力强度的减小幅度最大。当基坑开挖深度为8.5m时，地表以下深度为9m处测点实测的土压力强度值由工况一减小幅度为30％；当开挖至设计深度时15m深度处测点实测的土压力强度值由工况二减小幅度为27％。

c)主动区土压力强度值在基坑开挖施工全阶段均小于初始状态的静止土压力强度值。3.6m处的土压力强度变化不大，甚至有增大的现象。分析产生这种现象的原因，主要有两点：一是超载的影响，如施工机械、堆载等；二是支撑的影响，支撑使支护结构的变形有所恢复，引起土压力的重分布。

B主动区土压力随时间的变化

a)对于桩锚支护结构体系，在基坑开挖过程中，随着基坑开挖深度的不断增加，主动区土压力值随着时间的推移而逐渐减小，但整个过程的主动区土压力值均大于朗肯主动土压力值。

b)当施加锚杆支撑或其他施工间隙时，主动区土压力值有所恢复；当开挖结束后，主动区土压力有恢复的趋势；基坑回筑阶段，主动区土压力开始逐渐增大，理论上基坑回筑完成时应恢复到接近未开挖前的静止土压力值。

②《深基坑桩锚支护体系主动区土压力试验研究》(中国科学院地质与地球物理研究所马平、北京市地质工程公司张勇等)一文中，通过深大基坑桩锚支护体系主动区土压力现场试验，依据基坑工程时空效应理念，研究分析了在深大基坑开挖过程中桩锚支护体系的受力特性，得出了主动区土压力随开挖进程发展而变化的分布规律。

该文中选取了某新台址工程进行测试，基坑最大开挖深度27.4m，基坑支护采用土钉墙与桩锚联合支护形式。选择基坑东侧开挖深度 21m处的一根桩作为试验桩，进行主动区桩侧土压力测试。

土压力盒采用的是钢弦式土压力盒，测量仪器为频率仪。当土压力盒的量测膜上受有压力时，薄膜将发生挠曲，使得其上的钢弦拉的更紧。钢弦拉的越紧，它的振动频率也越高。通过频率仪测得土压力盒钢弦的振动频率，通过换算便可得出相应的土压力值。

土压力盒采用挂布法绑扎在护坡桩钢筋笼上，随钢筋笼下入桩钻孔中，土压力盒测压面朝土体一侧。

③《深基坑桩锚支护体系主动区土压力试验研究》((中国科学院武汉岩土力学研究所吴文等)一文中，通过现场试验，研究了深基坑桩锚支护体系主动区土压力的分布规律。结合有限元和离心模型试验，提出了中等硬度粘土的深基坑桩锚支护体系主动区土压力设计计算模式。

基坑中土压力是一个极为复杂的和重要的参数。①经典土压力理论：悬壁桩支护结构的土压力近似为朗肯或库伦土压力的分布形式，基坑上部小下部大的三角形分布，只是在数值的大小上有一定的差异而已；②经验土压力理论：桩或墙与内支撑的支护体系的土压力分布形式有用太沙基一佩克土压力包络线，亦有用泰西勃特奥夫土压力分布形式。

库伦和朗肯土压力理论均为挡土墙而建立的，而与深基坑支护的桩墙是有差别的。经典土压力理论用于深基坑计算存在下列一些问题：

a)库伦、朗肯理论计算公式是针对先有墙，后填土的挡土结构，而深基坑支护则是先在地面打桩或筑墙，存在静止土压力，当基坑内挖土，支护桩有一面临空，随着挖土深度的增加，桩承受的土压力随桩的变形逐渐发生变化，由静止土压力向主动土压力变化；

b)库伦和朗肯土压力理论均假设为墙后填土为均质无粘性土，或有粘性土则看成散粒体，而基坑开挖的土层一般为杂填土、粘土、粉土、砂土等固结的原状土，一般情况下桩土之间存在摩擦力；

c)土压力值与桩侧向变形关系十分密切，一般认为达到主动极限平衡状态所需的位移量很小，为桩开挖高度的1‰～8‰，但桩前达到被动土压力极限平衡状态，需要桩的位移比主动区要多十几倍，一般情况下不易达到；

d)库伦和朗肯土压力理论所解决的问题是按平面问题考虑的，而深基坑实际上应考虑时空效应。实践中对闭合挡土桩测试其位移，证明不是平面现象，基坑的滑动面受相邻边的制约，与挡土墙的边界条件不同，支护桩的位移不但与开挖深度有关，而且与宽度有关。基坑位移监测结果表明，基坑四角的桩顶位移最小或没有，而中部位移最大，说明中部桩受力最大；

e)对于桩锚支护的基坑，库伦和朗肯土压力理论均无法考虑土锚的作用。经验土压力分布是在基坑边开挖边支护板桩和内支撑情况下测定而进行的经验总结。在用到桩锚支护的深基坑土压力计算，将无法考虑土锚的作用及桩的嵌固段的影响。

该文中基坑支护深度12.24～15.44m，采用桩锚支护形式。试验使用的土压力盒是由中国科学院武汉岩土力学研究所研制的DPTS-1型油腔式双膜土压力盒，其量程0.5MPa。土压力盒埋设在监测点正护坡桩后1.0m处，由钻孔开孔，用两根钢筋和圆盒固定土压力盒埋设于钻孔中预定位置，并用干砂回填密实。

分析结果：

a)实测土压力分布形式近似呈上下小中间大的三角形，与泰西勃特奥夫土压力分布相类似，最大值位于三层锚杆的中下部。随后土压力值逐渐减小，最小值位于基底底部附近。

b)在桩锚支护结构中应用朗肯土压力值计算将使下部偏大。在第三层锚杆以下该土压力值与实测值之比达800％以上，误差较大。

c)悬臂桩的实测土压力分布为上小下大的三角形分布。但对于桩锚支护结构中，由于土锚皆为预应力锚杆，锚杆预应力的作用改变了土压力的分布，使锚杆附近处的土压力值增大，基坑底部附近的土压力值减小。

d)护坡桩在悬臂状态下产生位移，形成主动土压力，显然这时的主动土压力一般小于静止土压力。随着土锚施工和土锚预应力的施加，土压力发生明显的变化，形成了上小、下小、中间大的三角形分布的土压力的变化规律。最大值随土锚增加而往下移。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。