地基稳定性问题分析

第十一章地基稳定性问题的工程地质分析 1涵义和研究内容一 涵义地基 直接承托建筑物基础的那部分岩土体 任何建筑物都不可能是无根的空中楼阁 它们必须以岩土体做支撑点 这就引来了地基稳定问题 工程建筑要求安全稳定 正常使用 经济实效 地基不稳定就谈不上正常使用与经济实效了 建筑物地基失稳 与地基所处的岩土体的强度和变形有关 地基的强度不够 会引起地基土向基础两侧滑移挤出 甚至使建筑物倾覆破坏 地基土的压缩引起建筑物沉陷 地基的不均匀沉降引起建筑物倾斜 产生裂缝 地基稳定性不足造成建筑物破坏的事例很多 如新建大楼倒塌 刚建成的小水坝冲毁 桥梁垮塌 高速公路路面一经使用路面坑洼很多 地基与基础 了解地基与基础的区别 地基基础的分类 地基 由建筑物荷载引起岩土体内部应力变化的地层叫地基 基础 位于建筑物的下部 又叫下部结构 是建筑物的一部分 其作用是把整个建筑物的重量和作用在建筑物上的所有荷载传给地基 起着承上传下的作用 地基与基础1基础 2基础砌置深度 3地基 概况 长59 4m 宽23 5m 高31 0m 共65个圆筒仓 钢混筏板基础 厚61cm 埋深3 66m 1911年动工 1913年完工 自重20000T 事故 1913年9月装谷物 10月17日装了31822 谷物时 1小时竖向沉降达30 5cm24小时倾斜26 53 西端下沉7 32m东端上抬1 52m上部钢混筒仓完好无损 强度问题典型事例 加拿大特朗斯康谷仓的地基破坏情况 绪论 处理 事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩 使用388个50t千斤顶以及支撑系统 把仓体逐渐纠正过来 其位置比原来降低了 米 原因 地基土事先未进行调查 据邻近结构物基槽开挖取土试验结果 计算地基承载力应用到此谷仓 1952年经勘察试验与计算 地基实际承载力小于破坏时的基底压力 因此 谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动 比萨斜塔 目前 塔向南倾斜 南北两端沉降差1 80m 塔顶离中心线已达5 27m 倾斜5 5 1360 再复工 至1370年竣工 全塔共8层 高度为55m1272 复工 经6年 至7层 高48m 再停工1178 至4层中 高约29m 因倾斜停工1173 动工 原因 地基持力层为粉砂 下面为粉土和粘土层 模量较低 变形较大 1590 伽利略在此塔做落体实验 变形问题典型事例 1838 1839 挖环形基坑卸载1933 1935 基坑防水处理基础环灌浆加固1990年1月 封闭1992年7月 加固塔身 用压重法和取土法进行地基处理目前 已向游人开放 处理措施 绪论 九江大堤决口 溃口原因 堤基管涌 又过20分钟 防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞 5m宽的堤顶随即全部塌陷 并很快形成一宽约62m的溃口 渗流问题典型事例 绪论 长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图 砂环 管涌口 粘性土 砂性土 渗水 杂填土 管涌 在渗流作用下 无粘性土体中的细小颗粒 通过土的孔隙 发生移动或被水流带出的现象 堤基管涌 二 地基稳定性问题的研究内容 一 承受垂直荷载建筑物的地基稳定性1 房屋地基主要问题是强度和变形 二级以下建筑屋在保证强度的前提下可不进行变形的验算 2 罐 仓 塔等构筑物的地基受垂直方向集中荷载 对地基不均匀沉降敏感 对倾斜的允许值有较严格的要求 3 铁路 高速公路 高等级公路路基路基基底变形为主要工程地质问题 4 桥墩台的地基由于桥墩台多位于河道 沟谷 阶地等特殊的地貌单元 经常遇到地基强度不一 软弱或软硬不均的现象 因而主要研究内容是合理确定承载力 二 承受斜向荷载 含垂直与水平荷载 1 松软土坝基局部滑动 坝坡坍滑问题及渗透稳定性问题 2 岩石坝基重力坝坝基滑移稳定性问题 2房屋地基稳定性分析一 多层房屋1 地基强度用地基岩土体的承载力表示 指在保证地基不产生剪切破坏失稳的同时 建筑物的沉降量不超过允许值的条件下 地基所能承受的最大荷载 建筑物的基底压力不得超过地基的允许承载力 确定地基承载力的方法 理论计算法 原位测试法 按规范查表 2 地基变形沉降计算主要用地基规范推荐的公式计算 粘性土地基的沉降比较缓慢 需计算沉降与时间的变化 用土力学渗透固结理论法等 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 二 高层建筑1 天然地基稳定性评价 地基均匀性 地基承载力 地基变形 高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72 20042 桩基稳定性评价 单桩承载力 群桩承载力 桩基沉降 建筑桩基技术规程 JGJ94 20083 复合地基评价 建筑地基处理技术规范 JGJ79 20024 基坑工程评价 建筑基坑支护技术规程 JGJ20 1999 3各类坝的特点及其对工程地质条件的要求坝因其用材和结构型式不同 可以划分为很多类型 如按筑坝材料分为土坝 堆石坝 干砌石坝 混凝土坝等 按坝体结构分为重力坝 拱坝和支墩坝 按坝高 H 分为低坝 H70m 不同类型的坝 其工作特点及对工程地质条件的要求是不同的 下面讨论几类常见坝的特点及其对工程地质条件的要求 一 混凝土重力坝该坝采用混凝土作为坝身材料 其结构简单 施工方便 是一种整体性较好的刚性坝 中 高坝常用这种坝型 目前最高混凝土重力坝达285m 重力坝可以做成实体坝身 实体坝重量大 耗料多 易产生过大扬压力 为此 通常将坝身做成宽缝式或空腹式 混凝土坝示意图 a 实体重力坝 b 空腹重力坝 1 宽缝 2 空腹 坝体通常承受库水的静水推力 地下水扬压力 风浪压力 泥沙压力等 前两者是主要的 这些力连同坝体自身重量通过坝体结构一起传至坝基 在岩体内部产生复杂的应力状态 如图示 坝体依其自重与坝基间产生摩擦力来维持自身的稳定 坝体受力示意图 混凝土重力坝要求坝基岩体有足够的强度和一定的刚度 例如30 70m以上的高坝要求岩体饱和抗压强度大于3000 6000kPa 因而一般大于30m的中 高坝都应建在坚硬 半坚硬的岩基上 坝基岩体刚度最好与坝体刚度相近 否则容易在坝踵处产生过大拉应力或坝趾处产生过大压应力 要求岩体完整性好 透水性弱 坝址处不宜存在缓倾角软弱结构面 否则可能导致坝体沿结构面滑移破坏以及产生渗漏并引起扬压力 此外 要求坝址区两岸山体稳定 地形适中 有足够建坝的天然建筑材料 砂 砾石料 二 拱坝拱坝是用钢筋混凝土等建造的凸向上游的空间壳体挡水结构 平 剖面上呈弧形 坝体较薄 坝底厚度一般只有坝高的10 40 如图示 其体积小 重量轻 典型的薄拱坝比重力坝节省混凝土用量80 左右 这种坝具有较强的超载和抗震能力 但对地质条件及施工技术要求高 通过拱的作用把大部分外荷传到两岸山体内 剖面上由于 悬臂梁 作用把少部分外荷及自身重量传至下部坝基 拱坝示意图 上述结构及受力特点决定了它对地质条件的要求 拱坝必须建在坚硬 完整 新鲜的基岩上 要求岩体有足够的强度 不允许产生不均匀变形 为了充分发挥拱的作用 地形上最好为 V 形峡谷 两岸山体浑厚 稳定以及有良好的对称性 三 土坝土坝是利用当地土料堆筑而成的一种广泛采用的坝型 其结构简单 施工方便 对地质条件适应性强 属于一种坝底面宽大的重力坝型 按其筑坝材料和防渗结构不同 可以分为若干类型 如下图所示为几种典型的结构型式 土石坝类型 均质土坝 心墙土石坝 斜墙土石坝 土坝是一种大底面的柔性坝体 因而对坝基强度及变形适应性强 无论山区 平原区或岩体 土体均可建坝 要注意高压缩性土和性质特殊的土体产生较大沉陷及不均匀沉陷而导致坝体拉裂破坏 坝基透水性要小 以免产生渗漏和渗透变形 此外 建坝区有足够优质的土石料及适于修建溢洪道的地形 除上述三种基本坝型以外 尚有堆石坝 支墩坝等其他坝型 它们的基本特点及对地质条件的要求与上述有许多共同之处 在此不一一介绍 无论哪种坝型 共同存在两类工程地质问题 一是坝基稳定性问题 二是坝区渗漏问题 稳定性问题包括荷载作用下的坝基岩土体变形破坏以及渗透稳定性和扬压力作用问题 4坝基稳定性分析拦河大坝是水利工程中最主要的挡水建筑物 坝基稳定性研究至关重要 包括坝基压缩变形 坝基抗滑稳定和坝基渗透变形三个方面 一 坝基压缩变形土石坝的松散土体坝基 强度较低 易压缩变形 尤其高压缩性土和非均质土地基 往往产生过大的沉陷和不均匀沉陷 需对坝基土体的强度和变形进行验算 坚硬完整的岩石坝基 具有较高的承载力 一般可不考虑压缩变形 但建于基岩上的坝多为刚性结构的混凝土坝 它们对不均匀沉陷非常敏感 坝基不均匀变形产生的原因 坝基岩层软硬相差悬殊 坝基岩体内存在软弱夹层 较大断裂破碎带 岩溶洞穴等 鉴于不均匀沉陷能对坝体稳定性造成较大的危害 在初勘阶段应尽可能地进行坝基选择 在不致产生过大不均匀沉陷的部位 如果不能完全避开 也应采取相应的措施 例如预留沉陷逢等 以减少式消除不均匀沉陷对坝体稳定的影响 岩性不均一的坝基面横剖面图1 含砾粘土岩 2 砂砾石 3 花岗片麻岩 4 沉陷及裂缝 岩性不均一的坝基纵剖面1 砂岩 2 页岩 3 断层岩 二 岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定性问题1 岩石坝基滑动破坏的形式 特点和发生条件试验研究的资料表明 由于坝基岩体特征不同 重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有表面 浅部和深部滑动三种类型 表面滑动图示 1 表面滑动沿混凝土基础与基岩接触面发生的剪切滑动 如图示 主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度 且岩体完整 无控制滑移的软弱结构面的条件下 此时 混凝士基础与基岩接触面的摩擦系数值 是控制重力坝设计的主要指标 坝体必须具有足够的重量 以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力 这个接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验资料 考感到坝区的工程地质 水文地质条件的特点 并参照国内外已建的类似工程的经验数据确定的 2 浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时 剪切破坏往往发生在浅部岩体之内 造成浅层滑动 坝甚岩体的岩性软弱 岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面 故在库水推力作用下 易于沿表层岩体的内部发生如图所示的剪切破坏 近水平产出的薄层状岩层 特别是夹有软弱层者 组成的坝基 在库水推力作用下 产生如图示的滑移弯曲 这类变形破坏的产生主要是因为薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低 在平行于层理方向的荷载作用下 易于产生突向临空面方向的弯曲变形 故在水平荷裁作用下 坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力 于是促进了坝基整体滑动的发生 浅层滑动图示 水平层状地基的滑移弯曲 3 深层滑动在工程应力条件下岩体的深层滑动主要是沿已有的软弱结构面发生 因此 只有当地基岩体内存在有软弱结构面 且按一定组合能构成危险滑移体时 才有发生深层滑动的可能 能够构成危险滑移体的软弱结构面 通常可分为滑移控制面和切割面 水平 横向 两类 它们与一定的临空面组合就构成了深部滑移的边界条件 滑移控制面通常是由缓倾角的软弱结构面构成 岩体深部滑动示意图 2 坝基岩体抗滑稳定性的评价 1 分析确定坝基滑移破坏的基本模式 2 确定可能滑移体的形态及规模根据所查明的岩体结构特征 分析确定坝基内的主要沿移控制面及与之相配合的切割面和临空面 从而判明可能的滑移体的形态及规模 3 正确选定各种计算参数 关于坝基的受力条件在稳定计算时应区分出正常受力和非正常受力下的受力条件 正常受力条件下 主要考虑坝体重力 正常洪水位时的库水推力及扬压力 非常受力条件 除考虑坝体重力 还考虑非常洪水时的库水推力和扬压力以及地震力的作用 一般按正常受力条件设计 按非常受力条件校核 扬压力的确定坝基混凝土与岩石接触面上的扬压力等于浮托力W1与渗透力Wt之和 其中渗透压力随防渗帷幕及排水孔的设置而降低 在上游面其值为H1 H2 通过帷幕线后降为a1 H1 H2 在通过排水孔后降为a2 H1 H2 a1和a2是两个系数 取决于帷幕灌浆的深度和排水设计的情况 一般情况下a1 0 4 0 5 a2 0 2 0 3岩体深部滑移面上的空隙水压力 扬压力 可近似地根据岩石接触面上的扬压力 并考虑滑移面埋深而选用 即假定上游基岩内的裂隙在水平推力 的作用下可能张裂到计算的深层面 故该处的空隙水压力值等于库内水头与该深层面埋深y之和 地震力的考虑在地震波的水平惯性力作用下 挡水坝除了承受原有的静水压力外 还要承受附加的水平惯性力的作用 此附加水平惯性力拟等于坝体本身的水平惯性力Q与水体的水平惯性力0 55 wH2之和 在垂直惯性力的作用下 方向向上的地震力使建筑物的重量减轻Q 从而降低了它的抗滑稳定性 须从总垂直荷载中减出这一数值 关于抗剪指标的确定各类抗剪指标通常由地质 设计和试验人员共同研究确定 对于高坝 抗剪指标的确定应有野外大型试验的资料做依据 对于低坝 则可仅根据室内试验资料 参照类似工程的实际经验分析采用 关于抗滑安全系数的选取按摩擦公式计算时 正常受力条件下k通常取1 05 1 1 非常受力条件下取1 1 05 按抗剪断公式计算时 为避免累进性破坏的发生 k值通常取3 4 4 但也有些工程采用k值高于或低于此值 4 坝基抗滑稳定性计算 极限平衡原理 一 坝基接触面或浅层的抗滑稳定 以稳定系数为评价指标 式中 垂直作用力之和 包括坝基水压 水平力之和 摩擦系数 C 接触面上的粘结力或混凝土与岩石面间的粘结力 A 底面积 KS选用较大值 美国垦务局推荐 在坝工上采用的稳定系数为4 以作为最高水位 最大扬压力与地震力的设计条件 二 岩基深层抗滑稳定 一 单斜滑移面倾向下游 图 a 式中 U 坝底扬压力 C 粘结力 二 单斜滑移面倾向上游 图 b 各种滑移面分布形式的抗滑稳定计算图 三 双滑移面 图 c R 抗力 根据受力图 d e 按力的平衡原理求得 f1 f2 为AB及BC滑移面上的摩擦