岩土勘察深基坑支护及桩基工研讨会讲.ppt

岩土勘察、深基坑支护及桩基工 程新技术研讨会,研讨内容,一、地基勘察方法及瑞利波检测 二、地基基础设计理论与荷载 三、地基承载力 四、软弱土地基处理 五、 工程地质勘察 六、 地基基础工程的现状 及发展综述,一、 地基勘察方法及瑞利波检测,工业与民用建筑工程的设计分为可行性研究、初步设计和施工图三个阶段。 为了提供各设计阶段所需的工程地质资料，勘察工作也相应分为可行性研究勘察、初步勘察和详细勘察三个阶段。,1、勘探工作 勘探是地基勘察过程中 查明地质情况的一种必要手段，它是在地面的工程地质测绘和调查所取得的各项定性资料的基础上，进一步对场地的工程地质条件进行定量的评价。 勘探工作包括坑探、钻探、触探和地球物理勘探等。,1.触探 触探是通过探杆用静力或动力将金属探头贯入土层，并测得能表征土对触探头贯入的阻抗能力的指标，从而间接地判断土层及其性质的一类勘探方法和原位测试技术。,作为勘探手段，触探可用 于划分土层；作为测试技术， 则可估计地基承载力和土的变形指标等。 a.静力触探试验 用静力将一个内部装有阻力传感器的圆锥形探头均匀压入土中，测定土层对探头的贯入阻力，以此来间接判断分析地基土的物理力学性质。与常规的勘探手段比较，静力触探有其独特的优越性。它能快速、连续地探测土层及其性质的变化。,单桥探头可以测得包括锥尖阻力和侧壁摩阻力在内的总贯入阻力P（kN），通常用比贯入阻力ps（kPa）表示。 双桥探头可以分别测得锥尖总阻力Qc（kN）和侧壁总摩阻力Pt（kN），通常以锥尖阻力qc（kPa）和侧壁摩阻力fs（kPa）表示。根据锥尖阻力qc （kPa）和侧壁摩阻力fs （kPa），可以计算同一深度处的摩阻比Rs。,静力触探成果的应用 1、划分土层 2、估算土的物理力学指标 3、确定浅基础的承载力 4、预估单桩承载力 5、判定饱和砂土和粉土的液化势,静力触探具有测试连续、快速、效率 高、功能多的特点，兼勘探与测试双 重作用。适用于粘性土、粉土、砂土 ，但对碎石类土难以贯入。,地基的承载力取决于地基土本身的力学性质，而静力触探所测得的比贯入阻力等指标在一定程度上也反映了土的某些力学性质。根据静力触探资料可间接地按地区性的经验关系估算地基的承载力、土的压缩性指标和单桩承载力等。,b.动力触探 动力触探一般是将一定 质量的穿心锤，以一定的落距自由下落，将探头贯入土中，然后记录贯入一定深度所需的锤击次数，并以此判断土的性质。 动力触探包括标准贯入试验和轻便触探两种方法。,动力触探试验(dynamic sounding),圆锥动力触探试验（DPT） 标准贯入试验（SPT） 其共同点是利用一定的锤击动能，将一定规格的探头打入土中，根据每打入土中一定深度所需的能量来判定土的性质，并对土进行分层。,标准贯入试验设备主要是由贯入器、贯入探杆和穿心锤三部分组成的, 锤重63.5kg，在76cm的自由落距下，通过圆筒型的贯入器，贯入土层15cm，再打入30cm深度，以后30cm的锤击数称为标贯击数，用N63.5来表示，一般写作N。,标准贯入试验成果的应用,1划分土的类别或土层剖面； 2判断砂土的密实度及地震液化问题； 3判断粘性土的稠度状态及C、值； 4评定土的变形模量E0和压缩模量ES； 5确定地基承载力；,由标准贯入试验测得的 锤击数N，可用于确定地基 的承载力、估计土的抗剪强度和粘性土的变形指标、判别粘性土的稠度和砂土的密实度以及估计地震时砂土液化的可能性。 应用轻便触探试验测得的锤击数N10，可确定粘性土地基和素填土地基的承载力，并可按不同位置的值的变化情况判定地基土层的均匀程度。,载荷试验 (Loading test) 在一定面积的承压板上向地基逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基变形特性，从而评定地基的承载力，计算地基的变形模量并预测基础的沉降量。,十字板剪切试验（VST）,十字板剪切试验是用插入软粘土中的十字板头，以一定的速率旋转，测出土的抵抗力矩，然后换算成土的抗剪强度。,2.地球物理勘探 地球物理勘探（物探） 是一种兼有勘探和测试双重功能的技术。物探之所以能够被用来研究和解决各种地质问题，主要是因为不同的岩石、土层和地质构造往往具有不同的物理性质，通过专门的物探仪器的量测，就可区别和推断有关地质问题。,对地基勘探的下列方面 宜应用物探： a.作为钻探的先行手段，了解隐蔽的地质界限、界面或异常地带，为经济合理确定钻探方案提供依据； b.作为钻探的辅助手段，在钻孔之间增加地球物理勘探点，为钻探成果的内插、外推提供依据；,c.测定岩土体某些特性 参数，如波速、动弹性模量等。 常用的物探方法主要有电阻率法、声波法、波速测试等。,瑞利波勘探技术及应用,岩土工程勘察规范第10.10.1、10.10.4表明面波法是地基动力测试的重要手段。,国内外现状及简要说明,铁道部研究院于1992年在首次运用瑞利波于京沪线路路基床质量评估，取得良好的效果，中国铁路工程总公司对京秦、京九等四条干线总长20km左右进行了实测，另外，河北地球物理勘察院研制了SM98瑞雷波探测仪，该探测仪自动化程度高、轻便，已用于京沪高速公路等工程，每天最多可测六百点，提高了公路路面强度和路基压实度的检测效率；,主要技术原理及关键技术,瑞利波勘探技术是建立在测试地层内应力波传播特性基础上的。理论和实践均表明，土体的密实程度（密实度）、承载能力（K30及地基承载力等指标）以及土物理力学性质指标（E、G、等）的大小均与土中应力波的传播特性存在极大的相关性。因此，如果已知地层弹性波的波速VP、VS或VR，即可直接计算土的其它力学性质指标（诸如E、G、等）。,瑞利波检测是通过测试不同土层或填土的瑞利波速，并依据瑞利波速值大小与填土的物理、力学参数（诸如密度、剪切模量、压缩模量、泊松比等）、填土的承载能力等指标有着密切相关关系的基本原理，通过现场试验建立起VR与土体有关强度指标的相关关系，从而实现对路基填土施工质量的快速评价。,理论基础,瑞利波特性及波速与土物理力学性质指标间的关系 K30指标(类同地基反应模量）及与土的物理力学性质指标间的关系 半无限均质材料K30指标与波速的相关关系,瑞利波速与土物理力学性质指标间的关系,纵波和横波的波速与介质的物理力学性质指标密切相关。 在半无限空间的表面，由于自由边界的作用，P波和S波的干涉将形成被称为瑞利波R的表面波。 瑞利波速与剪切波速具有以下关系,填土内瑞利波波速VR的变化直接反映出被测土层物理性质指标的大小及力学强度指标的强弱，两者之间有着密切的相关关系。,K30 指标与土的物理力学性质指标间的关系,在半无限均匀介质表面作用有局部的均布荷载、且荷载P与载荷板的沉降量s之间近似呈直线关系时，按照弹性力学的基本理论，可以得到如下计算土体变形模量关系式：,K30指标同VR值一样，与土的物理力学参数之间亦有着密切的相关关系。进而可得出VR与K30之间亦有密切相关关系的结论。,半无限均质材料K30 指标与波速的相关关系,土体的动弹性模量要大于变形模量,令其比值为(1),即:,K30指标与剪切波速、土体密度间的关系式为：,半无限均质材料K30 指标与波速的相关关系,K30与瑞利波速VR的理论关系为：,理想半无限弹性体材料的K30与瑞利波速VR平方的理论比值与值（介质的动弹性模量与变形模量之比）的大小呈线形相关关系，这进一步从理论上证明K30与瑞利波速VR乃至值间的相关性十分密切。,瑞利波测试技术与方法,测试原理 工作过程 应用原理 基本配置 主要性能及特点 与国内外同类型产品的比较,1 测试原理,2 工作过程,该仪器的工作过程如下：由锤击产生的振动信号同步启动仪器，使仪器进入工作状态，同时振动信号通过被检测的土层传递到检波器，检波器将接收到的振动信号转换为电模拟信号后，传递到仪器的前置放大部分进行固定增益放大，再传输到主放大器进行可变增益放大，并由电子转换开关将两道并行的已放大的模拟信号进行逐次采样，变为一路串行的离散脉冲信号，此脉冲信号被放大到A/D转换器要求的幅度范围内，经A/D转换器转换为相应的数字信号，这些信号由仪器内的单片机统一控制，经逻辑控制电路实现各种功能的选择与控制，并将数字化的数据按规定格式存入硬盘内，同时在显示屏进行显示并进行相应的处理和分析。存储的数据亦可通过仪器的通讯接口实现与计算机的数据传输。,3 应用原理,x1、x2两点处瑞利波的垂直位移方程可分别简写为：,由于x1、x2处的振动是由同一振源引起的，所以后者是前者迟某一段时间后的重复，延迟时间为： t=（x2-x1）/ VR,把u2n加以延迟时间后考察两信号的相似性，即计算两信号的相关系数：,如果在0达到最大值则：VR=（x2-x1）/0,4 基本配置,5 主要性能及特点,带 宽：10HZ3KHZ； 输入阻抗： 4K； 增 益：060db； 采样间隔：10s； 扫描时延：09999ms； 存储容量：510组测试曲线； 数据传输：RS232C口； 液晶显示：240128 ； 充电电池：连续工作10小时以上； 相对湿度：95%； 环境温度：-1040。 重量轻，体积小，操作方便；,6 与国内外同类型产品的比较,仪器全重仅5Kg左右，便于携带，无须任何运输及配重设备； 检测速度快，每点检测时间仅需3分钟左右； 可实现检测数据的自动接收与存储，从而可减少人工操作、记录与计算带来的误差； 整个试验仅需两人即可进行； 仪器具有较好的检测精度，因此对大面积填土区（例如：铁路站场、水利堤坝、机场等），通过多点快速测试，评价整个场地压实的均匀程度； 仪器具有良好的实用性和对环境的适应性，直观、简便的中文菜单使得操作人员只要经过简单的训练即可熟练操作，良好的性能价格比有利于该仪器的普及与推广；,六、使用及测试结果,现场测试方案 操作流程 对比试验结果 西南交通大学室内测试结果 K30与VR间的相关统计关系,1 现场测试方案,2 操作流程,3 对比试验结果,检波器与地表不同耦合方式的对比测试试验分为三组进行：A组检波器（下设金属垫）置于路基表面；B组检波器（下设金属锥）插入路基4厘米左右；C组检波器（下设金属锥）插入路基8厘米左右。 通过对细粒土、粗粒土、碎石土、级配碎石进行3组波形分析计算，测试结果完全相同。这表明不同耦合方式对测试结果没有影响，实际应用时可对于不同土类、不同压实效果选用简单、方便的方式。 不同含水量的对比测试主要对细粒土进行。试验表明，含水量的大小与波速测试值密切相关，同时，含水量、K30值与波速值均具有较好的相关关系，含水量高，K30值低，相应波速值也低，K30值与波速值具有一致性。,4 西南交通大学室内测试结果,细粒土的波速值K30关系曲线,细粒土的波速值含水量关系曲线,5 K30与VR间的相关统计关系,细粒土： K30=0.0048 VR2.0076 可靠度系数 R2=0.9496 粗粒土： K30= 0.029 VR1.6345 可靠度系数 R2=0.9501 碎石土： K30=0.0135 VR1.7846 可靠度系数 R2=0.9416 级配碎石： K30=0.0135 VR1.8194 可靠度系数 R2=0.9647,图一 细粒土波速与K30关系曲线,图二 粗粒土波速与K30关系曲线,图三 碎石土波速与K30关系曲线,图四 级配碎石波速与K30关系曲线,时速200公里新建铁路质量标准,依据“时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定“所规定的地基系数建议标准，可给出LJY-1路基施工质量监测仪检测的质量标准区间如下：,七、工程测试实例及结语,工程实例 优点 存在的问题 发展前景及今后的发展方向,工程实例,1、烟台开发区砂及碎石垫层承载力评价； 2、 陇海线郑徐段既有路基质量检测；,3、福州某场地拟建20层楼房地基多道瞬态瑞利波检测。面波测试采用12道，道间距为2米，振源采用18磅大锤敲击地面，采样间隔为10ms，采样点数为1024点，拾振器为25Hz垂直检波器，接收和处理仪器为SWS面波仪处理软件采用KSW20面波处理系统。,二、地基基础设计理论与荷载确定 （岩土工程勘察规范第14.1.4表明岩土工程计算应采用可靠度设计理论）,满足如下要求：安全性、适用性及耐久性 1、承载力 2、变形 3、稳定 4、基础本身（强度、刚度、耐久性、抗裂）,设计基本原则,两种极限状态设计,承载能力极限状态：是指结构或构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形的状态。 正常使用极限状态：是指结构或构件达到适用性能或耐久性能的某项规定限值（地基的变形、裂缝等）的极限状态。有时间接通过应力控制（例如最大塑性深度的限制容许承载力）,地基基础设计的设计思想,可靠度理论：以概率理论为基础的极限状态设计方法；是不确定性理论方法；其结果是破坏的概率或者工程的可靠度。 定值设计法：所有参数和条件是定值，所有不确定性由一个安全系数K包括。,一、地基基础承载力设计理论,1、容许承载力理论 2、极限承载力理论安全系数法 3、极限承载力理论分项系数法,重要性系数,分项系数,分项系数,1、容许承载力理论,承载力：塑性区开展范围：Pcr，P1/4,，s/b=0.01-0.02（载荷试验）、计算公式 荷载：标准值（组合）,F,塑性区,1、容许承载力理论,在载荷试验中可以由其比例界限确定； 按一定沉降比人为规定，例如s/b0.002 在理论计算中可以由塑性区发展理论中的临塑荷载pcrp1/4、 p1/3确定。 按容许承载力理论确定的承载力，其沉降一般也会满足要求，常常不需进行沉降验算。 在这种设计中，工程的安全性和可靠性是无定量的概念的。因而是一种经验的设计方法。 其设计荷载可取为标准值或标准组合。,2、极限承载力理论安全系数法,承载力：极限承载力公式、平板载荷试验的极限值/安全系数（23） 荷载采用标准值（组合）,2、极限承载力理论安全系数法,在这一理论方法中，其安全程度用单一的安全系数K表示，但这一安全系数反映多大的失事概率是不得而知的。,对于地基承载力问题，单一安全系数法的一般表达式为：,3、极限承载力理论分项系数,承载力：采用标准值除以承载力分项系数 荷载：荷载效应组合的代表值分项系数设计值S（基本组合）,3、极限承载力理论分项系数,基于可靠度理论的分项系数设计方法也是一种极限状态设计方法。 由于工程中的荷载和抗力都是随机变量，有多少可能使荷载大于抗力而失事是一个随机事件， 破坏的概率（可能性）决定于两个随机变量的均值（众值，中值及某个分位值）及其标准差。,结构功能函数z=R-S=g(R,S),其平均值及标准差为,可靠度,这种设计理论能够明确地给出安全与失效的概率，然后通过经济、社会、技术的风险分析，给出最合理的设计值。所以是一种最科学合理的设计理论与方法，为国内外工程设计所广泛采用。我国颁布的建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）规定，对于各种结构设计应遵循该理论方法。,岩土工程的不确定性,土层剖面与边界的不确定性 现场与实验室岩土指标的不确定性 现场应力与孔隙水压力的不确定性 外加荷载及其分布的不确定性 计算理论和方法的不确定性 应力变形的机理不清楚。,基本设计理论,可靠度设计 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）规定遵循可靠度设计理论及方法； 规范规定：地基基础设计时，所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定： 1、按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。 2、计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形允许值。,二、 荷载计算,1 极限状态：结构或者结构的一部分超过某一特定状态，而不能满足设计规定的某一功能要求时，这一特定状态为结构对于该功能的极限状态。 （1）承载能力极限状态：一般是以结构的内力超过其承载能力为依据； （2）正常使用极限状态：一般是以结构的变形、裂缝、振动参数等超过设计允许的限值为依据。,2 荷载种类：,永久荷载（恒荷载） ： （1）不随时间变化(自重）；（2）变化与均值比可忽略（设备）；（3）单调变化并趋于极值（正常水压力）：结构及基础自重、固定设备重量、土压力、正常稳定水位的水压力 可变荷载（活荷载1） ：变化与均值比不可忽略：屋面、楼面、吊车、雪、风荷载 偶然荷载（特殊荷载、活荷载2） ：在结构使用期间不一定出现，一旦出现其值很大，持续时间很短：地震、撞击、爆炸、,3荷载的代表值,（1）标准值：基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（如：均值、众值、中值） （2）组合值：对于可变荷载，组合超越概率与其出现概率相同（等于标准值）。如：1台风设防地震最大楼面荷载 （3）频遇值：对于可变荷载，超越概率为规定的较小比率； （4）准永久值：对于可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。（人群活荷载沉降）,p,S：荷载,R：抗力,标准值,荷载与抗力的取值,4荷载与承载力的设计值,荷载S代表值分项系数（大于1） 抗力R代表值/分项系数（大于1）,5 荷载效应：指在一定的外荷载作用下，在一定设计对象中的作用：轴力、水平力、力矩,基础上荷载及荷载效应,上部结构F、M、H：结构自重 屋面荷载 楼面荷载 活荷载 基础自重G：设计地面高程（内外地面平均值）,F M,F,F H,F M,H,一般为前两种情况，横向力不大，只做校核,基础上荷载及荷载效应,6 荷载组合：按极限状态设计时，为保证结构的可靠性对于同时出现的各种荷载设计值的规定。,基本组合：承载能力极限状态设计时，永久作用与可变作用的组合；（分项系数） 偶然组合：承载能力极限状态设计时，（永久作用）（可变作用）（一个偶然作用）的组合；（大于基本组合） 标准组合：正常使用极限状态设计时，采用标准值，（或组合值）为荷载代表的组合； （频遇组合）：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载，采用频遇值（或准永久值）为荷载代表的组合：（永久组合标准值）（主导可变荷载频遇值）（伴随可变荷载的准永久值） 准永久组合：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载，采用准永久值为荷载代表的组合,（1）基本组合荷载效应组合的设计值,（1）由可变荷载控制时： SQ1k: 在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,（2）由永久荷载控制时：,组合值系数c,（2）标准组合荷载效应组合的设计值,SQ1k: 在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,组合值系数c,（3）准永久组合荷载效应组合的设计值,准永久值系数q,民用建筑楼面均布活荷载的各种代表值,规范GB5007-2002中的规定,（一）按地基承载力确定基础底面积及埋深，传至基础底面上的荷载应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合 。承载力采用特征值。,组合值系数c,（二）计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下的荷载效应的准永久组合。不应计入风荷载和地震荷载。相应的限值应为地基变形的允许值。,准永久值系数q,（三）在确定基础或承台高度、支挡结构高度、计算它们的内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，采用承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。,（1）由可变荷载控制时：,组合值系数c,（2）由永久荷载控制时：,组合值系数c,（3）对于由永久荷载控制的基本组合，也可采用简化规则：,R:结构构件抗力的设计值 Sk:荷载效应的标准组合值,（四）计算挡土墙、地基或斜坡稳定基滑坡推力时，荷载效应，按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1：,组合值系数c,GB50007-2002的设计理论应用,地基承载力容许承载力 稳定分析单一安全系数 结构计算可靠度的分项系数,几种荷载组合的应用,地基承载力标准组合 稳定分析基本组合，分项系数1，（单一安全系数法） 结构设计基本组合 沉降计算准永久组合,三、 地基承载力,地基承载力是指地基土单位面积上承受荷载的能力，以kNm2或kPa计。在建筑工程中，必须使建筑物基础底面压力不超过规定的地基承载力，以保证地基土不致破坏，即丧失稳定性。同时也要使建筑物不会产生建筑物不容许的沉降和沉降差，以满足建筑物的使用要求。,地基承载力和边坡稳定 性问题在本质上是一致的。 它们都是考虑土中的剪应力与土的抗剪强度之间的关系。 地基基础设计首先必须保证在荷载作用下的地基对土体产生剪切破坏而失效方面，应具有足够的安全度。为此，建筑物浅基础的地基承载力验算均应满足下列要求：,式中 pk相应于荷载效应标准组合时， 基础底面处的平均压力值； fa修正后的地基承载力特征值。,1.当轴心荷载作用时,式中 pkmax相应于荷载效应标准组合时， 基础底面边缘处的最大压力值； fa修正后的地基承载力特征值。,2.当偏心荷载作用时 除了应满足上式外，还应满足,地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、公式计算并结合工程实践经验等方法综合确定。 当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正：,式中 fa修正后的地基承载力特征值； fak地基承载力特征值； b、d基础宽度和埋深的地基承载力修 正系数； b基础底面宽度（m），当基宽小 于3m按3m考虑，大于6m按6m考 虑；,m基础底面以上土的加 权平均重度，地下水 位以下取浮重度； d基础埋置深度（m），一般自室外地面标高算起。,当地基受力层范围内有软 弱下卧层时，应按下式验算：,式中 pz相应于荷载效应标准组合时，软 弱下卧层顶面处的附加应力值； pcz软弱下卧层顶面处土的自重应力 值； faz软弱下卧层顶面处经深度修正后 的地基承载力特征值。,按地基载荷试验确定地基 的承载力特征值： 在现场通过一定尺寸的载荷板对扰动较少的浅部地基土体直接加荷，所测得的成果一般能反映相当于12倍载荷板宽度的深度以内土体的平均性质。,按载荷试验成果确定 地基承载力特征值,p,s,0,承载力特征值的确定： 1.当ps曲线上有比例界限 时，取该比例界限所对应的荷载值； 2.当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半； 3.当不能按上述二点确定时，如压板面积为0.250.50m2，可取s/b=0.010.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。,同一土层参加统计的试验点 不应少于3点，各试验实测值的 极差不得超过其平均值的30%，取此平均值作为该土层的地基承载力特征值fak。,四、 软弱土地基处理,第1节 概述 第2节 夯实法及碾压法 第3节 换土垫层法 第4节 排水固结预压法 第5节 挤密法和振冲法 第6节 强夯法 第7节 深层搅拌法 第8节 高压喷射注浆法,第1节 概 述,软弱土系指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。由软弱土组成的地基称为软弱土地基。 淤泥、淤泥质土在工程上统称为软土，其具有特殊的物理力学性质，从而导致了其特有的工程性质。,软土：指在静水或非常缓慢 的流水环境中沉积，经生物化学 作用下形成的软弱土。,物理力学特性软土的,天然孔隙比大： e1,天然含水量高：wwl,压缩系数高,渗透系数小,抗剪强度低,灵敏度高,具有明显的流变性,淤泥：e1.5,淤泥质土：1.5 e1.0,软土,工程特性 软土地基的,地基承载力低,建筑物的沉降和差异沉降较大,建筑物沉降历时长,流变：在应力不变的情况下， 土体的剪应变和体应变仍随时间 而增长的现象。,由于软土地基的上述工程 特性，所以在软土地基上修建 建筑物，必须重视地基的变形和稳定问题。由于软土地基的承载力较低，如果不做任何处理，一般不能承受较大的建筑物荷载。因此在软土地基上建造建筑物，要求对软土地基进行处理。,地基处理的目的主要是改 善地基的工程性质，包括改善 地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度等。,地基处理的原则：地基处 理有许多方法，各种方法都有 各自的特点和作用机理。没有哪一种方法是万能的，对于每一个工程都必须进行综合考虑，通过几种可能采用的地基处理方案的比较，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种地基处理方法的综合。,第2节 夯实法及碾压法,通过夯锤或机械，夯击或碾压填土、疏松土层，使其孔隙体积减少、密实程度提高，这种作用称为压实。压实能降低土的压缩性、提高其抗剪强度、减弱土的透水性，使经过处理的表层弱土成为能承担较大荷载的地基持力层。,一、土的压实原理 大量工程实践和试验研究 表明，控制土的压实效果的主要因素是：土的含水量，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。,1.最优含水量 对粘性土，当压实功能和 条件相同时，土的含水量过大或过小，土体都不易压实，只有把土的含水量调整到某一适宜值时，才能收到最佳的压实效果。 在一定压实机械的功能条件下，土最易于被压实，并能达到最大密度时的含水量，称为最优含水量wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax。,w,d,0,dmax,wop,试验统计表明：最优含水量 wop与土的塑限wp有关，大致为 wop=wp+2%。土中粘土矿物含量大，则最优含水量大。 2.压实功能 对于同类土，随着压实功能的变化，最大干密度和最优含水量也随之变化。当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小，对应的最优含水量则较大；反之，干密度较大，对应的最优含水量则较小。,第3节 换土垫层法,当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部荷载对地基的要求时，常采用换土垫层法来处理软弱土地基，即将基础下一定深度内的土层挖去，然后回填以强度较高的砂、碎石或灰土等，并夯至密实。,实践证明：换土垫层可以 有效地处理某些荷载不大的建 筑物地基问题。换土垫层按其回填的材料可分为砂垫层、碎石垫层、灰土垫层等。 砂垫层的主要作用： 1.提高浅基础下地基的承载力； 2.减少沉降量； 3.加速基底下软弱土层的排水固结； 4.防止冻胀； 5.消除膨胀土的胀缩作用。,第4节 排水固结预压法,排水固结预压法是利用地基土排水固结的特性，通过施加预压荷载，并增设各种排水条件（砂井和排水垫层等排水体），以加速饱和软粘土固结发展的一种软土地基处理方法。,c,e,a,b,c,e0,e,b,a,e,土层的排水固结效果和它 的排水边界条件有关。当土层 厚度相对于荷载宽度比较小时，土层中孔隙水向上下面透水层排出而使土层发生固结，称为竖向排水固结。根据固结理论，粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比。因此，为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。,竖向排水情况,砂井地基排水情况,排水固结预压法主要适用 于处理淤泥、淤泥质土及其他 饱和软粘土。对于砂类土和粉土，因其透水性良好，无需用此法处理。 一、堆载预压法 二、砂井堆载预压法 三、真空预压法,第5节 挤密法和振冲法,在砂土中，通过机械振动挤压或加水振动可以使土密实。挤密法和振冲法就是利用这个原理发展起来的两种地基加固方法。,一、挤密法 挤密法的加固机理主要靠 桩管打入地基中，对土产生横向挤密作用，在一定挤密功能作用下，土粒彼此移动，小颗粒填入大颗粒的空隙，颗粒排列紧密，孔隙体积减少，地基土的强度也随之增强。所以挤密法主要是使松软土地基挤密，改善土的强度和变形特性。,二、振冲法 振冲法是利用一个振冲器， 在高压水流的作用下边振边冲，使松砂地基变密；或在粘性土地基中成孔，在孔中填入碎石制成一根根的桩体，这样的桩体和原来的土构成复合地基。 在砂土中和粘性土中振冲法的加固机理是不同的。在砂土中主要是振动挤密和振动液化作用；在粘性土中主要是振冲置换作用，置换的桩体与土组成复合地基。,第6节 强夯法,强夯法是用几吨至几十吨的重锤从高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。这种强大的夯击力在地基中产生动应力和振动，从夯击点发出纵波和横波，向地基纵深方向传播，使地基浅层和深处产生不同程度的加固作用。,第7节 深层搅拌法,深层搅拌法（Deep Mixing MethodDMM）是一种化学加固地基的方法。它通过特制机械各种深层搅拌机，沿深度将固化剂（水泥浆、水泥粉或石灰粉，外掺一定的添加剂）与地基土强制就地搅拌，利用固化剂自身及其与地基土之间所产生的一,系列物理、化学反应，使地基 土硬结成为具有整体性、水稳 定性、较低渗透性和一定强度的复合土桩（体），或与地基土构成复合地基，从而提高软土地基的承载力、减小地基的变形。,(a)定位 (b)喷浆(粉)搅拌下沉 (c)搅拌上升 (d)重复喷浆(粉)搅拌下沉 (e)重复搅拌上升(完毕),(a),(b),(c),(d),(e),深层搅拌法按固化主剂的 不同可分为水泥系深层搅拌法 和石灰系深层搅拌法；按施工工艺又可分为浆体喷射深层搅拌法和粉体喷射深层搅拌法。 水泥系深层搅拌法所形成的固化土称为水泥土（水泥加固土），影响水泥土强度的主要因素有： 1.水泥掺入比,水泥土的无侧限抗压强度随水泥掺入比的增大而增大。当aw5%时，由于水泥与土的固化反应过弱，对于提高地基土的强度效果不明显。工程上常用的aw约为725%。,水泥土的强度增长率在不 同的掺入量区域、不同的龄期 时段内是不相同的，而且原状土不同，水泥土的强度增长率也不同。,2.龄期 水泥土的无侧限抗压强度随着龄期的增长而增大，其强度增长规律不同于混凝土，一般在T28d后强度仍有较大增长。直到90d后其强度增长率逐渐变缓。所以，以龄期90天作为标准强度。,3.地基土的含水量 当水泥掺入比相同时，水 泥土的无侧限抗压强度随着含水量的降低而增大。含水量的降低使水泥土的密实性得到增强，从而提高了强度。 4.水泥标号 水泥土的强度随水泥标号的提高而增大。在水泥掺入比相同的条件下，水泥标号每提高100号，水泥土的无侧限抗压强度约增大2030。,5.添加剂 不同的添加剂对水泥土强度 有着不同的影响，选用合适的添加剂可以提高水泥土强度或节省水泥用量。在水泥系深层搅拌法中，常选用木质素磺酸钙、石膏和三乙醇胺等添加剂。添加剂对水泥土强度的影响程度可通过试验来确定。,6土中的有机质含量 由于有机质使土壤具有较大 的水容量和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土壤具有酸性，这些因素都会阻碍水泥水化反应的进行，影响水泥土的固化，从而降低水泥土的强度。因此，有机质含量的增高将会明显地降低水泥土的强度。,第8节 高压喷射注浆法,高压喷射注浆法（High Pressure Jet Grouting）是利用高压射流技术，喷射化学浆液，破坏地基土体，并强制土与化学浆液混合，形成具有一定强度的加固体，来处理软弱地基的一种方法。,按注浆喷射形式的不同， 加固体的形状不同。喷射形 式主要有： 1.旋转喷射注浆； 2.定向喷射注浆； 3.摇摆喷射注浆。,高压喷射注浆法在工程上 的应用主要有两方面： 1.加固地基，提高建筑物地基的承载力，改善地基的变形性质，既可应用于拟建建筑物的地基处理，又可应用于已建建筑物的事故处理。 2.地基或土体的防渗处理，形成防渗帷幕，防止渗流破坏、流土或管涌。,五、工程地质勘察,工业及民用建筑工程地质,基础(foundation),场地选择及分区的工程地质论证 按工程地质复杂程度分为： 简单的场地、中等复杂的场地、复杂的场地 按国家标准岩土工程勘察规范分为： 一级场地、二级场地、三级场地 按国家标准建筑抗震设计规范分为： 有利地段、不利地段、危险地段 按地形条件划分为： 山区、平原,避开强烈振动效应的地段。 避开活动性断裂带。 避开不稳定的斜坡地段。 避免孤立突出的地形。 避开地下水位埋深过浅的地段。 避开浅埋的岩溶大溶洞。,选择建筑场地时应注意以下几点：,2、工民建的主要工程地质问题 基础埋深和结构类型问题 (dept and type of foundation) 地基稳定性问题(foundation stability) 建筑物的配置问题(dispose of building) 基础的施工条件问题 (constructional condition) 地下水的侵蚀性问题 (etchity of ground water),基础埋深和结构类型问题 影响基础埋深的因素： 工程因素：建筑物的用途、结构类型、荷载大小和性质、相邻建筑物的基础埋深。 地基土的工程性质：岩性、地层结构、地下水位。地基土冻胀和融陷的影响。 施工条件：施工技术和设备。,理想的持力层(braring stratum)： 岩性均一，结构致密，强度高，层厚大而分布均匀，含水量不大，处在硬塑至可塑的稠度状态，变形量小等非新近沉积的土层。,松散砂砾层：在振动荷载下易发生液 化震陷。常用桩基础。 硬塑状粘性土：有较高的承载能力。 可用各种浅基础。 软土：沉降量大。多层建筑常用片筏 基础、桩基础或人工处理地基。,单层地基,双层地基,上软下硬：一般可用短桩基础或沉井，或用地基处理方法将软土加固。 上硬下软：尽可能利用上层硬土作持力层，以减少基础埋深，并验算下卧软弱层。,多层地基,据地层组合形式采取相应基础，同一建筑物可采用不同的埋深来调整不均匀沉降量。,尽可能将基础砌置于潜水位以上。 对埋藏有承压含水层的地基，应控制埋深。 在季节冻土区，基础埋深冻结深度。,地基稳定性问题 地基强度(strength) 地基变形(deformation),地基的强度 以地基承载力表示。 影响因素有两方面：地基性质，基础特点。 确定方法：理论计算、原位测试、规范表格。 一级建筑物用原位测试结合理论计算。 二级建筑物用理论计算结合原位测试。 三级建筑物用规范查表或根据邻近建筑物经验确定。,2、地基的变形 地基变形特征量： 沉降量 沉降差 倾斜 局部倾斜 均应规范容许变形值.,对于大型重要的建筑物，必须同时进行地基强度和变形验算。,建筑物的配置问题,首先按工程地质条件把建筑场地划分为若干区，然后根据各建筑物的特点和要求以及各区建筑的适宜性，进行合理配置。 工程地质条件是建筑物配置的主要决定因素。,基础的施工条件问题,基坑开挖和支护方式 降排水方式 影响基础施工条件的主要因素： 地基土性质 地下水类型和埋深 建筑周边荷载,地下水的侵蚀性问题,当地下水中某些化学成份(如HCO31、SO42、Cl1、侵蚀性CO2等)含量过高时，会对混凝土具有分解性侵蚀性、结晶性侵蚀性和复合性侵蚀性。,3、工民建工程地质勘察要点,可行性勘察阶段：初步查清几个可能作为建筑场地的工程地质条件，以便选址。 初步勘察阶段：查明建筑场地的稳定性，提出地基基础方案。采用测绘与勘探相结合的办法。 详细勘察阶段：以勘探、原位和室内测试为主，按不同建筑物提出详细的岩土技术参数。 施工勘察阶段：主要解决施工中遇到的地质问题。,工程地质勘察报告(Geological report),任务要求及勘察工作概况； 场地位置、地形地貌、地质构造、不良地质现象及地震设计烈度； 场地的地层分布、岩石和土的均匀性、物理力学性质、地基承载力和其它设计计算指标； 地下水的埋藏条件和腐蚀性以及土层的冻结深度； 对建筑场地及地基进行综合的工程地质评价，对场地的稳定性和适宜性作出结论，指出存在的问题和提出有关地基基础方案的建议。,所附图表： 勘探点平面布置图 钻孔柱状图 地层综合柱状图 工程地质剖面图 土工试验成果表 其它测试成果图表,高层建筑工程地质 高层建筑的特点：荷重大，重心高，基础埋深大，风力和地震力不可忽略。,建筑场地的稳定性问题 (stabilityof construction site) 基础类型选择的工程地质论证 (type of foundation) 深基坑开挖的系列问题 (excavation in deep foundation),高层建筑的主要工程地质问题,建筑场地的稳定性问题,影响因素表现在三个方面： 地形条件 地质构造 场地岩土体的性质,基础类型选择的工程地质论证,高层建筑的基础类型： 土基中: 箱型基础 岩基中: 锚桩基础 桩基础 墩基础 复合基础,箱基特点：基底面积大，埋置深，抗弯刚度大，整体性好，还可利用基础中空部分作为地下室。,与箱基稳定性有关的问题： 地基强度与变形问题 (strength and deformation ) 2. 基底水的浮力问题(uplift pressure) 3. 外墙土压力问题(earth pressure),桩基特点：承载力高，沉降量小，而且不存在基坑边坡稳定性和施工排水等问题。,高层建筑中,多采用大直径钻孔灌注桩,桩基础适用条件: 上伏较厚软弱土、膨胀土等特殊性土的地基; 地下水位较高，采用其它基础型式有困难时； 对沉降要求较高的重要建筑物； 地震区建筑物；,复合基础既具有箱基可作为地下室的优点，而且也兼容桩基承载力高、变形小的特性。,基础选型取决于: 建筑物的特点和要求; 建筑场地的地质情况; 施工技术的可能性; 经济的合理性.,高层建筑基础类型选择工程地质论证：,一、软土地基基础类型选择,首先考虑箱型基础、箱桩基础，对于三层以下地下室的高层建筑，也可考虑用地下连续墙施工。若软土不能满足承载力和沉降要求时，要采取地基处理措施，如强夯固结、挤密砂桩、深层石灰搅拌桩。,当场地表层是厚硬土层，房屋的层数不超于10层（高度不超过30m）、无地下室要求，故可考虑选择“宽基浅埋”的条形基础。 若能满足深开挖（有地下室）要求，且基础底面下仍有足够厚度的粘性土层(大于3 5m ）时，首先应考虑采用箱形基础。 深开挖后上部粘性土所剩厚度不足3m时，一般采用桩基，或箱（片筏）加桩的复合基础此时下部砂层作为持力层。 场地地震基本烈度 7度，浅部又存在液化的土层时，宜采用桩基础，将桩穿透液化土层端承在非液化土层中。 上部粘性土层很厚，地下水位埋深浅，粘性土层中又夹有薄层细、粉砂，开挖深基坑降水困难、边坡又不易稳定的条件下，宜采用桩基础或地下连续墙。 上部粘性土层厚薄不均匀，在建筑物范围内厚度相差大，存在较大的地基不均匀沉降时，以选桩基础、复合基础为宜。 若上部为砂层，下部为中、低压缩性的粘性土层，且均可作为持力层时，则箱基础、桩基础及其复合基础均可选择。 对于粘性土和砂层互层，各层厚度又不一致的场地，究竟选择哪种基础类型，主要决定于持力层的位置，若持力层埋深大，以选桩基础为宜。 如果一般土的厚度不大，基岩埋深较浅时，应选择桩基础或墩基础，由基岩来承担上部结构的荷载。,二、一般土地基的基础类型选择,三、湿陷性黄土地基的基础类型选择 宜采用桩基，选择其它基础时应有防水措施。 四、膨胀土地基的基础类型选择 采用箱基，也可采用桩基础。 五、岩石地基的基础类型选择 通常采用锚桩基础或墩基础。,深基坑开挖的系列问题 基坑排水 基坑边坡的稳定及支护 基础施工对周围环境的影响,地下水对建筑工程的影响,影响基础埋深的选择 影响施工排水 软化地基 地下室防水 空心结构物浮起 对基础具侵蚀性,渗透变形(seepage deformation) 管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。 多发生在不均匀的砂砾土中。 流土：一定体积的土粒同时发生移动的现象。 多发生在均质砂土层和粉土层中。,基坑突涌,隔水层的安全厚度：,据,得,若不满足上述厚度，需降水，使基坑中心承压水位降深满足：,则：,基坑排水方法 明沟排水 (drainage ditch) 适用于浅基坑强透水的潜水含水层。,轻型井点降水 (well-point dewatering ) 适用于粉砂、细砂和粉土潜水含水层。,深井排水 (drainage well) 适用于深基坑承压含水层。,基坑止水 (water stop)方法：,基坑失稳的形式： 边坡整体失稳。 坑周或坑底土体产生流动变形。 基坑突涌和流砂变形。 支挡结构的破坏。,2.基坑边坡支护 支护系统由挡土结构和支撑结构组成。,道路与桥梁工程地质 (Geology in road and bridge),一.道路工程地质 道路结构由三类建筑物组成: 路基工程(包括路堤和路堑) 桥隧工程(包括桥梁.隧道.涵洞) 防护建筑物(包括明硐.挡土墙.护坡.排水沟),道路选线的工程地质论证,线路类型及特点: 河谷线 跨谷线 越岭线 山坡线 山脊线,路线方案: 大方案-路线基本走向 小方案-线位,河岸选择 山麓缓坡、低阶地 阳坡 逆向坡 避免断层破碎带 避免山区滑坡等灾害,沿河线:,2.路线高度 高线: 路线曲折,回旋余地小. 低线: 边坡常受洪水威胁,最好利用一级阶地.,越岭线,越岭方案: 路堑 隧道,下列情况可考虑隧道:,缩短路线长度 高寒山区 滑坡.崩塌地段,越岭线布局:,垭口选择: 标高较低的垭口 宽厚的垭口宜浅挖低填;瘠薄的垭口宜深挖 断层破碎带垭口、易风化岩层垭口不宜深挖,2. 展线山坡选择: 坡度平缓切割少的山坡 逆向坡,平原区,应选择: 地势较高处 地下水位较深处 土质较好的地带 砂石材料丰富的地段 强震区远离河岸、水渠,地质条件不良地段的选线原则及防护措施,泥石流区: 以大跨高桥.明硐.或隧道通过。 滑坡区：当线路高时，以不挖不填方式从滑坡顶通过；当线路低时，从滑坡前缘修挡土墙.路堤或用高架桥通过。,岩溶区： 在地表覆盖较厚,岩溶洞穴充填好的地段通过。 沼泽区：采用 压密.挤淤.两侧加反压护道的方法。,风沙区：线路尽可能与盛行风平行，并尽量减少弯道以免积沙。线路以填方低路堤为主。 冻土区: 从热融滑坍体下方通过，从地下冰厚度较小的地带通过，以低路堤形式通过。,工程地质选线实例,路基主要工程地质问题,路基边坡稳定性(stability of slope) 路基基底稳定性(stability of roadbed) 道路冻害(freeze injury in road) 建筑材料(construction material),一. 路基边坡稳定性,路基边坡包括: 天然边坡 半挖半填路基边坡 路堑边坡,破坏形式: 滑坡 崩塌 错落,当剪应力岩土体强度时,发生失稳.,土质边坡稳定性取决于亲水性粘土矿物含量. 影响因素: 土层结构和成因类型 水文地质条件 自然条件 施工方法,岩质边坡稳定性取决于岩体中结构面. 须同时具备临空面、滑动面和切割面。 影响因素： 岩石性质 地质构造 岩体结构类型 水文地质条件 施工条件,二.路基基底稳定性,破坏形式: 整体滑移 挤出变形 路堤塌陷,影响因素: 基底土的力学性质 基底