岩土工程技术标准与土力学原理(高大钊).ppt

岩土工程技术标准与土力学原理 同济大学高大钊 内容 1 技术标准与土力学的关系2 两种标准化体系的不同处理方法3 我国技术标准的特点4 理论在工程实践中的重要作用5 概念上容易混淆的几个土力学问题6 一些值得推广的测试项目 技术标准与土力学的关系 岩土工程技术标准的理论基础是土力学 制订技术标准时要充分地依据土力学原理 经验规则必须符合土力学原理 执行技术标准时仍然需要以土力学原理为指导 技术标准不符合实际情况时应以土力学原理为指导来解决工程问题 两种标准化体系的不同处理方法 在市场经济条件下形成的技术标准以原导性为主 各个不同的事务所的解决方法都可用有知识产权的knowhow 负有法律责任 但有特殊的经济利益 在计划经济条件下形成的技术标准是没有知识产权的公共知识 用了出事故谁也没有法律责任 在现实条件下 技术标准的编制遇到了知识产权的尴尬 很多单位不愿意公开自己的knowhow 非改革不可了 我国技术标准的特点 我国技术标准中不准讲原理性内容 只能订入经过局部实践使用过的经验 再加上目前技术标准的管理中存在的问题 工程实践中只能使用落后的技术 工程技术的进步非常艰难 理论在工程实践中的重要作用 土力学的基本规律对工程建设是管用的 违背了土力学的基本规律就要受到自然的惩罚 土力学并不是十分高深和奥秘的理论 途径 可靠的指标 简单的计算 量测反馈 经验判断 观察法 上海展览馆的教训 总高九十六米一九五四年五月开工当年年底平均沉降六十厘米一九五七年六月实测最大沉降一百四十六厘米最小沉降一百二十二厘米最终沉降一百八十厘米 箱形基础高度 基础平面尺寸 7m46 5m 46 5mm埋置深度 基础底面总压力 0 5m130kPa 1953年10m浅孔剖面第一层填土 0 24 0 5m第二层黄褐色粉质粘土 坚硬至可塑 0 96 1 16m第三层棕黄色粘土 可塑 1 60 2 60m第四层灰色粉质粘土 可塑 2 2 6 3m第五层灰色粘土 可塑 未钻穿 为什么沉降那么大 基础底面压力大 土中应力水平高基础面积大 压缩土层相对较薄 应力沿深度衰减比较慢软弱下卧层应力水平过高 可能发生局部的水平挤出 基础底面附加压力124kPa至主要压缩层底处 附加应力还有70kPa在软弱下卧层顶面处 附加应力仍有120kPa 远大于该层的承载力 几栋大楼数据的比较展览中心46 5 46 50 5012418002 24胸科医院45 9 18 45 50573502 01华盛大楼57 6 14 35 65592402 16四平大楼50 0 9 805 20941405 06康乐大楼65 0 14 15 50851605 44 事后诸葛亮如果当时计算了沉降就不敢这么做了 只由持力层承载力控制 第3层土的地基承载力没有满足要求 过大沉降是由超大面积的基底荷载引起的 沉降验算的重要性 超大面积荷载必然引起超量的沉降 一些事故引起的思考南山的滑坡 加载 填方太快 不设排水措施上游引水工程 卸载 挖方太深坡度1 3长基坑的端头滑坡 卸载 为什么放了1 3的坡还要滑坡 为什么开挖到坑底不马上滑动 而在过一段时间后才滑动 引水工程的基本数据 4孔箱涵 单孔尺寸为3 25m 3 60m 总长75m地面标高 4 2 4 7m 设计基坑底面标高 5 33m 开挖深度近10m按三级放坡 从上至下依次为1 1 5 1 2和1 3 变坡处留1 0m宽的马道二级轻型井点降水采用水冲法施工 泥浆沉淀池设置在基坑顶部南北两侧 距基坑外缘12m 15m 10m高的土坡滑动 滑坡发生在挖到基坑底面 浇筑垫层后 正在绑扎箱涵的钢筋时 没有进行任何的位移观测 因此没有发现滑坡的预兆 突发性的事故 塌入基坑中的土方5000立方米 泥面涌高6m 第一级井点向基坑中移动13m 事故分析 1 10m的高差形成的压力差超过了软土的承载能力 2 由于坡面非常平缓 滑动的形式是深层滑动 以中点圆的形式破坏 3 卸载引起负的孔隙水压力 产生强度较高的假象 随着负压的消散 土的抗剪强度降低 滑坡并不发生的开挖的同时 而滞后一定的时间 4 没有进行监测的教训 加载与卸载的比较 焦化厂配煤房倾斜事故 在47 5m 10 8m筏形基础上5个直径8m高31m的储煤斗5天装煤215吨最大27mm d 45mm d15天倾斜2 7 14 1 2年倾斜达24 焦化厂配煤房 荷载与地基承载力地基极限承载力 按固结快剪指标为202kPa按不固结不排水剪指标为135kPa建筑物恒载38000kN 产生基底压力76kPa 装煤21500kN 产生基底压力44kPa活载与恒载之比0 57基底总压力120kPa 安全度分析如果不快速加煤 用固结不排水202kPa 安全系数1 68 实际快速加煤 故安全系数低于1 68 不考虑施工期的排水固结 用不排水剪135kPa 安全系数1 13 实际安全系数介于1 13 1 68之间 两种极限状态 缺一不可 不能将沉降控制绝对化 历史和实践证明 单纯凭经验而忽视理论的倾向有害的 很多工程在技术标准中找不到现成的答案 是非标的工程 概念上容易混淆的几个土力学问题 1 地基承载力2 深层平板载荷试验的模量3 桩端阻力与地基承载力的关系4 不固结不排水强度cuu是天然强度而不是强度指标 地基承载力 极限承载力容许承载力 极限承载力除以安全系数承载曲线上的第一拐点以压板宽度的某一百分率沉降对应的压力值 两种不同的载荷试验 深宽修正公式的来源及应用 1 深宽修正公式并不是理论公式 而是一种经验的方法 2 提出的目的是为了将载荷试验的结果用之于实际的基础条件 3 如果已知基础的条件和抗剪强度指标 就应当直接用理论公式计算 如果用小尺寸计算后再进行深宽修正的方法是不合适的 用地基承载力公式计算的结果 是不可以修正的 理由有两点 一是用承载力公式计算得到的是浅基础的地基承载力 深层土的应力水平不同 它的承载机理不同于浅基础 二是深宽修正方法的数据依据 计算方法的可信度和理论层次都低于用承载力公式计算的方法 用低一层次的方法去校正高一层次的方法 是不合适的 规范中的术语矛盾 第2 1 3条 地基承载力特征值 指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值 其最大值为比例界限值 第5 2 4条 fa 修正后的地基承载力特征值 fak 地基承载力特征值 第5 2 5条 fa 由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值 关于深宽修正的讨论 1 这0 5和3是什么意思 2 为什么对软土 b 0而 d 0 3 如果 d 0 将会出现怎样的结果 4 fak是什么概念 是b 3 d 0 5时的承载力 怎么求得的 关于深大尺寸基础的承载力 基础宽度10m 埋深10m 如何用抗剪强度指标评价其地基承载力 1 对10m处的土层用小尺寸 例如d 2m b 1 5m 进行计算 2 然后将计算的结果进行深宽修正到实际的尺寸 3 用实际尺寸计算 宽度按最大6m计 埋深按10m计 承载力 讨论 1 用小尺寸载荷试验结果加深宽修正的方法求深大尺寸基础的承载力是不适合的 2 可以用实际尺寸进行计算 其中 宽度的限制6m是一种经验处理 为什么对深度没有加以限制 这种方法是否合适 对不同深度的土层都采用统一假定的基础埋深和宽度 用规范的公式计算了地基承载力 并分层地在勘察报告中给出 不论是临界荷载公式或极限荷载公式 推导公式时都有假定的基本条件 计算的条件应当与假定条件基本相符 现在将一个埋藏在几十米深度处的土层 假想为在地面处 用浅基础的地基承载力公式计算 条件相差悬殊 其结果是没有任何物理意义的 深层平板载荷试验的模量 在压板尺寸一定的条件下 压板底面深度越深 所测得的变形模量越小 有认为土的深度越深 固结压力越大 土越密实 因而模量应当越大才对 上述命题是否正确 基本分析 1 土的深度越深 固结压力越大 土越密实 因而模量越大 是从地质学的观点得出的结论 2 作为一个地质单元划分出来 将土的性质均匀化了 用一个模量来描述 3 在一个地质单元中 测定的模量不应随随深度而异 也不应随方法 用浅层或者深层载荷试验 而异 在同一个平面上 压板面积相同 荷载相同 1 测定的模量应当相同 2 比较压板的沉降是否相等 3 由于压板底面以上土的作用 使s1 s2 深度越大 相差越大 4 在模量相同的条件下 系数必然随深度而减小 s1s2 桩端阻力与地基承载力的关系 1 规范的桩端阻力经验值与地基承载力值有什么关系 2 能否用地基承载力的数值加深宽修正求桩端阻力 3 桩端阻力的测定 4 端阻力的发挥 浅基础和深基础的比较 最小埋置深度 深基础地基承载的特点 滑动面不延伸到地面 不会发生整体剪切破坏 由于土拱的作用 埋置深度范围内的土柱重量不可能全部作用于被动侧的滑动土楔的面上 土体对基础侧面的约束作用发挥了相当重要的作用 桩端阻力的测定 在条件允许的情况下 可以用深层载荷试验测定 但没有反映桩侧作用的影响 在试桩时 可以直接测定桩体条件下的端阻力 可以证明长桩的端阻力发挥得很少 对于没有量测条件的试桩 可以用分析的方法将端阻力和侧摩阻力分开 桩端阻力的发挥条件 轴向荷载在克服了侧摩阻力以后才能传递给桩端土层 在同一场地条件 桩越长 端阻力越不能充分发挥 结论 桩端阻力和地基承载力的条件不同 发挥的机理不同 在理论上和实践上都没有相应的关系 深宽修正只适用于浅基础 不能用以计算桩端阻力 不固结不排水强度cuu 不固结不排水强度cuu 是天然强度 不是强度指标 是凝聚材料 不是摩擦材料 强度与法向应力无关 用于计算地基承载力 极限承载力等于5 14cuu 容许承载力等于3 14cuu 承载力将与基础宽度无关 承载力将与基础埋深无关 用于计算土压力的问题 0 c 30kPa 15 c 10kPa 一些值得推广的测试项目 1 孔内渗透试验2 扁铲侧胀仪3 等梯度固结试验这些试验并不是很新的东西 但过去注意得不够 某些条件下可能是适用的 可以补充现有方法的不足 孔内渗透试验boreholepermeabilitytests 孔内渗透试验包括常水头法渗透试验和变水头法渗透试验 常水头法适用于砂 砾石 卵石等强透水地层 变水头法适用于粉砂 粉土 粘性土等弱透水地层 变水头法又可分为升水头法和降水头法 英国标准BS5930 1981CodeofpracticeforSiteinvestigations 常水头法试验时 应向孔内注水至套管顶或某一固定高度 不断补充注水 保持水头稳定 并记录流量 注水至固定水头后 开始按1min 2min 2min 5min 5min 以后均按5min间隔记录一次流量 并绘制流量Q与时间关系曲线 10 3 6根据常水头法渗透试验结果 按下式计算渗透系数k 升水头试验可在孔内抽水至一定深度 测读随时间的水位 直至水位基本稳定 降水头试验可在孔内注水至一定高度 测读随时间的水位 直至水位基本稳定 间隔时间按地层渗透性确定 一般按1min 2min 2min 5min 5min 以后均按5min间隔记录一次 并绘制流量lnH与时间t关系曲线 扁铲侧胀试验 探头长230 240mm 宽94 96mm 厚14 16mm 前缘刃角12 16 探头侧面钢膜片的直径60mm 每孔试验前后均应进行探头率定 取试验前后的平均值为修正值 膜片的合格标准为 率定时膨胀至0 05mm的气压实测值 A 5 25kPa 率定时膨胀至1 10mm的气压实测值 B 10 110kPa 试验方法以2cm s的均匀速率压入 试验点的距离20 50cm 试验时 均匀加压和减压 测定膜片膨胀至0 05mm 1 10mm和回到0 05mm时的压力A B和C值 作消散试验时 测读时间间隔为 1min 2min 4min 8min 15min 30min 90min 以后每90min测读一次 直至消散结束 资料分析 膜片膨胀之前的接触压力膜片膨胀至1 10mm时的压力膜片回到0 05mm时的终止压力 试验结果 1 侧胀模量2 侧胀水平应力指数3 侧胀土性指数4 侧胀孔压指数 固结试验的改进 固结试验每级压力下的稳定标准为24小时 致使固结试验时间很长 由于快速固结法的修正结果没有固结度的概念 国家标准在条文说明中认为快速法缺乏理论依据而没有列入 能否找到一种有理论依据而又可以缩短试验时间的方法 等梯度固结试验是一种可行的方法 已列入试验国标 应该推广使用 等梯度固结试验 应变速率的控制应使底部产生的孔隙水压力为同时施加的轴向荷载的3 20 数据采集时间间隔 10min内 每隔1min 随后1h内 每隔5min 以后 每隔15min或30min采集轴向压力 孔隙水压力和变形数据 等应变速率试验的原理 在e p曲线上的横坐标轴是有效压力 孔隙比是在所施加的压力全部转化为有效压力时的孔隙比 是变形稳定的孔隙比 一般的固结试验的稳定标准是使孔隙水压力充分消散 使所施加的总压力已转化为有效压力 如果能够量测孔隙水压力 那就不必等到孔隙水压力完全消散 试样的有效压力某压力范围的压缩系数某压力范围的压缩指数 任意时刻试样的固结系数某压力范围内试样的体积压缩系数 关于1 e0的讨论 压缩模量的计算 土工试验方法标准 GB T50123 1999 14 1 10条规定正确的计算公式