岩土工程勘察设计中的综合分析 PPT课件

1 岩土工程勘察设计中的综合分析与综合判断昆明2011 12 2 目录 1综合判断与归纳推理2工程勘察重点和难点的综合分析3地基承载力的综合确定4桩基方案选用的综合分析5地下水问题的综合分析6渐进性破坏的综合分析7事故原因的综合分析8怎样做好综合分析 3 1综合判断与归纳推理 4 演绎推理与归纳推理 演绎推理 从普遍到特殊 归纳推理 从特殊到普遍 演绎推理 只要前题正确 结论可靠 综合分析属于归纳推理 对多因素归纳分析 得出结论 不能精细 结论不一定唯一 5 地质学与力学 岩土工程的两大理论支柱地质学 地层年代 成因类型 断层判断 岩溶分析 滑坡 泥石流分析 以归纳推理为主 工程力学 在牛顿定律 固体力学 弹性力学 塑性力学 流体力学 水力学 静力平衡等基本概念的基础上 结合岩土和工程的具体条件 建立计算模型 代入参数计算 得出结论 演绎推理的典型 欧氏几何学 6 结构与岩土 结构工程设计基于力学分析 注重截面计算 相信定量计算 岩土工程既需要演绎推理 力学计算 也需要归纳推理 综合分析 单纯计算常不可靠 建立经验方程 归纳推理 综合分析 应用经验方程 演绎推理 7 2工程勘察重点和难点的综合分析 8 例1某桥 隧 岛工程勘察 全长24km 海域段长15km 沉管式隧道 特大跨海大桥 人工岛水深在10m以内 初步勘察 第四系上部为淤泥质土 厚约十米 以下为砂土和粘性土互层 底部为残积土 总厚二十余米 基岩为元古代板岩 石灰岩 泥灰岩等 浅部强风化 全风化 顶面起伏较大 局部有陡坎 有断层 可能有溶洞 9 原勘察方案跨海段基本均匀布置 试验项目齐全 按规范执行 注意根据具体条件突出重点和难点不够 评审后全面分析了工程要求和地质条件 在综合分析的基础上做了修改 10 特大桥段 桩基 基岩为持力屋 重点 查明中风化面标高 断层活动性 破碎带位置 性状 溶洞分布和对工程的影响 第四系不是重点 测试可简化 桩的负摩擦和摩阻力 不大 难点 断层活动性判定 破碎带钻进 取芯 工程特性的判定 双层岩芯管 动力触探 波速 溶洞查明 主要在详勘 地震CT 加密钻探 必要时一桩一孔 11 沉管式隧道 挖泥船挖掘海床 拖船将隧道组件拖到预定位置 沉放在地基上 锁紧巩固组件 组件周围填料 放置保护石层 修复海床重点 第四系 开挖深度以上淤泥等土的强度 判定开挖坡度 开挖深度以下土的压缩性 判断沉降变形 钻孔到达基岩了解第四系厚度即可 难点 软土的取样和测试 12 人工岛地下水 开山筑堤 中部填砂 先满足建隧道要求 后期填筑成岛 面积5平方公里重点 第四系 地基变形问题 钻孔到达基岩 了解第四系厚度即可 难点 后期填筑成岛时的沉降变形评估 需作相应的测试 地下水竖向水力联系不畅 各层地下水水质不同 应按深度分层取样试验 评价腐蚀性 13 港珠澳大桥 14 概况 全长49 968公里 其中主体工程 海中桥隧 长35 578公里 桥隧组合方式 抗震8度 抗16级台风 使用寿命120年 总工期计划6年 预计2015年至2016年建成通车 大桥的主航道位置采用隧道 将建两个人工岛提供桥隧转换 人工岛和隧道 沉管式 设计施工是难度最大的核心工程 15 地质条件与桥基础 小断裂分支 破碎带花岗岩 混合花岗岩 片岩 全 强 中 微风化 有深厚强风化深槽覆盖层厚数十至一百米 海相淤泥厚15 43m 沼气建桥基础 钢管复合桩 钢管桩置于砂层中 灌注桩置于中风化岩 嵌岩深度不小于5 0m 中风化埋深很大墩位 强风化作为持力层 16 例2大挖大填工程的勘察 削山填沟造地 围海造陆 山区修筑机场 核电厂工程某黄土高原削山填沟造地 最厚填方厚100m 特殊性在于 地面水径流与地下水径流急剧改变 削方处成超压密上 填方处成欠压密土 湿陷性和自重湿陷性因上覆压力的改变而改变 17 大面积高填方造成大尺度沉降 天然土的压缩沉降和填土的压缩沉降 填筑期间沉降和工后沉降 高填方工后沉降大 黄土地区已有超过30cm 厚度不均时沉降差异大 常造成事故 新的应力状态 高应力条件下的指标体系 压缩性 湿陷性 18 勘察方案的针对性 编写勘察纲要犹如制定作战方案 在充分调查地质条件和工程要求的基础上 综合分析 综合判断 配置勘察测试 每一项目都有自己的特殊性 避免一般化 19 3地基承载力的综合确定 20 建筑地基基础设计规范 规定 地基承载力宜根据野外鉴定 室内试验和公式计算 载荷试验和其他原位测试 结合工程要求和实践经验综合确定 野外鉴定 室内试验和公式计算 载荷试验和其他原位测试 各有优缺点 各有适用条件 应综合考虑 相辅相成 21 土质地基承载力综合确定 抗剪强度指标公式计算 有理论根据 与地区经验无关 条件需符合公式假定 抗剪强度指标是关键 勘察不掌握埋深和尺寸 难计算 不应算出基本值再深宽修正 仅从强度角度 尚需满足变形 载荷试验 可靠 费用高 工期长 代表性有限 深层及水位下难做 经验值 与载荷试验建立经验方程 建承载力表 经验方法 有局限 不宜滥用 结合当地工程经验 基础和上部结构要求 综合分析 22 岩石地基承载力综合确定 野外鉴定 初步估计 不宜作为工程设计的依据 单轴抗压强度乘以折减系数 常用方法 粗糙 忽略三向应力状态 偏安全 抗剪强度指标 公式计算 有理论根据 适用完整性较好 结构面忽略不计 的塑性破坏岩体 载荷试验 可靠 费用高 工期长 代表性有限 剪切波速估计 有良好前景 充分考虑当地经验 同类工程的经验和工程要求 综合分析确定 23 4桩基方案选用的综合分析 24 地基与基础的相互作用 云南例 某综合楼 地面以上分4部分 28层筒体塔楼 高109 0m 主体部分26层 副体部分18层 纯地下室 筏基底板长78 6m 宽35 9m 埋深近11 0m 框架剪力墙结构 振动沉管桩 梁板式筏板 桩径500mm 有效桩长21 5m 满堂布置 桩距1 8mx1 8m和1 8mx2 lm两种 单桩承载力标准值1100kN 静载荷试验确定 筏板主梁断面1 40mx2 30m 次梁0 60mx2 18m 筏板厚度筒体部分1 0m 其余0 6m 25 筏基平面及高度分布 刘明振 26 地基条件 70m深度内全部为第四纪沉积物 前期为湖相粘土 泥炭层 中期为湖相粘土及含粉细砂的粉土层 后期为冲洪积粘土 圆砾和粉土层 稳定地下水位埋深1 2 1 6m 筏基座落在粉土层 上 桩端持力层为粘土层 相对软弱 27 事故 主要表现筏基主 次梁及筏板开裂 渗漏 上部结构也有裂缝 筒体附近出现最早 最密集 28 事故原因概念设计严重失误 饱和粘性土中采用挤土桩 桩数多 桩距小 桩尖持力层为软弱土 均匀布桩 筏板太薄 29 荷载不均匀 地基软弱 或加大基础刚度 筏板足够厚或用箱基 或采用变刚度调平设计 对应上部荷载分布布桩 受力明确 荷载传递路径短 减小结构内力 减少结构的变形和次应力 荷载和刚度差异如此之大 采取基本均匀布桩 筏板做得如此之薄 30 北京某CFG桩地基处理的布置 北京某厂办公服务区 地上7层 地下2层 筏板基础 统一地下室 有三个较大绿化天井 CFG桩地基处理 设计要求处理后地基承载力特征值270kPa 天井处180kPa 不合理原设计满堂均匀布桩 改为删去天井下的桩 满堂均匀布桩提高了造价 增加了筏板内力 产生附加的弯矩和剪力 31 变刚度调平设计理念 32 均匀布桩缺陷 均布荷载 均匀布桩 碟形沉降 内力增加 33 均匀布桩的缺陷 等桩距 等桩长 等桩径产生碟形沉降 增加筏板内力 产生上部结构次应力 框剪框筒筒中筒最明显原因 土中应力和位移迭加 使中心沉降大 边角小 措施 增加基础刚度增加板厚 配筋增加桩数 桩长 桩径效果 用减小总沉降减小沉降差刚度冗余 大面积不易处理 34 变刚度调平设计原则 目标控制桩筏基础沉降差降低筏板内力降低上部结构次应力减少板厚和配筋 措施调整 桩的布置桩长桩距桩径外疏内密均匀沉降 35 调平设计原理示意 沉降 36 两种设计思想比较 37 调平设计步骤 根据建筑性质 荷载 土性 初定板厚 布桩 地基 基础 上部结构 共同作用分析 绘沉降等值线图 调整基础刚度 沉降大处加桩 小处减桩 迭代计算 直至沉降差最小 38 例3群桩还是一柱一桩 海南例 39 海南某工程 A B C三座综合楼 每座高层部分地上16层 高51m 框架结构 荷载100kPa 不设地下室 地基土 填土 中粗砂 粉质粘土 粉质粘土含砂卵石 上部薄层胶结 稳定水位深3 5 5 9m 除局部含腐植质土外 各层土的物理性指标较好 天然密度为2 01 2 07 孔隙比为0 50 0 54 压缩模量为8 6 14 0MPa 40 原设计及其问题 高层用预制管桩 外径500mm 引孔直径550mm 按高层建筑埋深要求 加深承台 底层与承台间填土2 4m 填土浪费建筑空间 又增加了承台荷载 如承合标高上加一防水板 取消填土 多一层地下室的使用面积 土质条件较好 本可用天然地基 但勘察报告给的承载力偏小 不能满足 如用桩基 预制桩不合理 因土质硬 浅部有胶结层 须引孔 既提高投资 延长工期 还损失侧阻力 41 建议方案 采用灌注桩 可以根据荷载大小 设计为一柱一桩 通过改变桩径 桩长适应荷载要求 不必验算承合的弯矩和冲切 板厚可降至400mm 必要时可加暗梁 大大减少混凝土工程量 节约投资 但需保证桩的施工质量 42 两方案比较示意 43 一柱一桩的问题 受力明确 简化承台 但必须保证每根桩质量 否则可造成严重后果 下列条件不宜 一定深度内无稳定的桩尖持力层 存在不易探明的溶洞 缺少有经验的施工单位和负责任的专业监理单位 选定设计方案 除技术可行性和经济的合理性外 应兼顾 勘察数据的可信程度 设计计算的可靠程度 施工的难易程度 质量的可控程度 发生事故的危害程度等因素 答案不一定唯一 44 5地下水问题的综合分析 45 基坑降水计算问题 1假设的稳定流和实际的非稳定流2假设平缓的水力梯度与实际的大降深3影响半径的逻辑矛盾4弱透水层的阻隔和渗出面问题水文地质计算并非完全可靠 46 稳定流与非稳定流 富水性强 补给条件好 降深不大 降水初期基坑外侧为非稳定流 后期逐渐稳定 达到抽水与补给的平衡 成为稳定流 富水性弱 补给条件差 降深大 可能直到工程结束仍未稳定 始终处于非稳定流状态 基坑内侧 封闭降水 因无补给 始终都是非稳定流 47 平缓水力梯度与实际的大降深 潜水面以下流线弯曲 等势面不垂直 只有在水力梯度较小的条件下才成立 只在降深与含水层厚度之比较小情况下才基本符合公式假定 抽水井降深越大 偏差越大 基坑降水无法限制抽水井降深 水位降到离潜水层底面很近时仍用裘布衣公式 没有实际意义 48 潜水井的流线 49 影响半径的逻辑矛盾 裘布衣影响半径 独立参数 在离抽水井半径为R的圆周断面上存在一个常水头 是虚拟参数 库萨金公式计算 随水位降 渗透系数 含水层厚度而变的参数 抽水试验实测 不仅与s k h有关 还与含水层分布 补给类型和补给强度有关 三者不是同一概念 大井法 叠加原理 计算中的影响半径问题 50 弱透水层的阻隔 弱透水层阻隔而形不成理想漏斗 使实际与计算严重背离 51 基坑降水与供水水文地质的差别 1供水关心的首先是水量 降水关心的首先是水位降 2供水面对的多数为富水性强的承庄水 降水面对的是浅层水文地质条件 潜水最常见 且变化复杂 薄层状 透镜状 参数难以测定 52 基坑降水与供水水文地质的差别 3供水力求减小干扰 降水井群密 强干扰 布置成封闭状 4供水力求避免超量开采 力求持续稳定 降水为疏干地层 力求短期内降到设计水位 5供水勘察投入大 时间长 反复计算评价 降水是临时性工程 投入和时间少得多 限制对水文地质条件的掌握和复杂计算方法的运用 53 综合分析 不应盲目套用公式 盲目相信计算 应掌握分析公式假定与实际条件的差别 从实际出发 结合经验 正确定性 在适用的基础上采用先进方法 54 整平场地对地下水的影响 内蒙选煤厂例 原为钭坡 自然坡度10 沟深坡陡整平成六个平台 填沟堵泉 水位上升 黄土湿陷 边坡滑塌 煤仓地基承载力不够变形超限 截排地下水 加固地基 治理费用 3500万元 效果良好 55 56 黄土高原造地 延安例 严重改变地表水和地下水的径流条件 地下水位变化 预测未来只大致判断 可从以下分面入手 根据降雨量 汇水面积 估计径流量和渗入量的变化 根据现有泉的流量 地下水径流量 估计整平后流量和地下水位变化 57 采取地表水和地下水的排水措施 在挖方边坡 填方边坡 挖填交界设集水沟 边坡土工格栅绿化 设置盲沟 涵管 抽水井排除地下水 并利用 58 59 60 6渐进性破坏 61 释义 岩土体在外力作用下 由于局部应力集中或局部岩土强度较低而首先破坏 退出工作状态 应力向其他部位转移 该部位又由于局部应力集中或局部岩土强度较低而破坏 退出工作状态 应力再向其他部位转移 如此反复发展 最后造成整体破坏的现象 各个击破 而导致 全军覆没 62 群桩基础 施工时未按要求全部进入硬层一定深度 有的进入深 有的进入浅 有的悬在硬层上面 支承刚度差別较大 加载后群桩受荷不均 荷载集中在少数进入硬层较多的桩上 超过其承载能力而破坏 退出工作状态 荷载转移到其他桩上 并主要集中在支承刚度大的桩上 又导致这部分桩的破坏 退出工作状态 如此反复发展 使桩基工程整体破坏 63 锚杆 由于少数锚杆抗抜力过低 首先破坏 退出工作状态 荷载转移到邻近锚杆 造成相邻锚杆破坏 反复发展 导致成片锚杆支护倒塌 64 滑坡 牵引式滑坡首先在下段失稳 向上发展 滑面贯通后造成整体滑动 推移式滑坡首先在上段失稳 向下发展 滑面贯通后造成整体滑动 65 管涌 渗透力首先使土骨架中的细颗粒流失 造成流速增大 再使较粗颗粒流失 逐渐发展为管状通道 66 7事故原因的综合分析 67 极软地基的桩基失稳 某地上18层地下1层住宅 基础面积约800m2 总高度56 6m 剪力墙结构 夯扩桩基础 桩长16 20m 穿过厚度13m的极软淤泥 进入粉细砂层约0 8m 结构封顶时倾斜已5 顶端水平位移达2884mm 并继续发展 为防止建筑物突然整体倒塌 紧急决定整体定向爆破拆除 是群桩失稳 变形发散和不稳定态 非桩基正常沉降和地基压缩引起 68 原因分析 1 桩周为深厚极软淤泥 进入砂层仅0 8m 侧向约束力严重不足 过半桩严重偏位 2 基坑开挖高差过大 土体深层滑动 桩侧向位移 轴线偏离铅垂线 3 由于开挖困难 改变设计方案 将地下室底板标高提高2m 歪桩正接 群桩成不稳定机动体系 偏心荷载作用下失稳 在己设置桩的软粘土中开挖 由于土体移动造成桩的偏位 是事故主导原因 69 桩的挤土效应 某银行大楼建设中 尚未封顶 发现结构严重开裂 判断由于基础差异沉降所致 业主垫资将结构拆除 加固地基重建 涉及事故责任索赔 施工单位的责任已经明确 施工方认为设计单位有责任 设计方认为设计没有问题 需由专家进行技术鉴定 70 设计失误 勘察 设计 施工中存在诸多问题 任务是鉴定设计单位有无责任 不是全面评价 地基是淤泥质土 挤土效应极为敏感 公认 桩型是沉管式灌注桩 是挤土桩 也公认 设计桩距过小 明显违反规范 挤土效应使桩折断 倾斜和上浮 使建筑物严重不均匀沉降 是事故的主因 综合分析 突出主要矛盾 71 杭州地铁湘湖站塌陷事故 72 工程概况 位于钱塘江南萧山区基坑深约16m 宽约20m 已挖到底地下连续墙深约33米 厚800mm4道钢管支撑 水平间距3m 有立柱 桩基础主要地层 2淤泥质粘土 1淤泥质粉质粘土 73 支护结构示意 74 事故概况 2008年11月15日下午3点 正做底板和内衬墙 西侧风情路突然塌陷 深5 6m 数十辆车陷入西侧墙断裂 支撑管散落 约8000m3土涌入坑内 坑底升高 坑深剩9m 河水灌入东侧墙未破坏 位移最大2m 两墙最近只剩3 4米死亡21人 重伤1人 轻伤3人 直接经济损失4962万余元 75 经浙江省安全生产监督管理局查明 事故直接原因 施工单位违规施工 冒险作业 施工过程中基坑严重超挖 未及时架设钢管支撑 未及时浇筑垫层 4次监测数据超报警值 修改数据 监测失效 8人判刑 11人党纪政纪处分 76 事故原因第一种说法 连续墙插入深度不够 墙根在淤泥质土中 坑内外压力不平衡 土质太软 侧墙底部内移 坑底隆起 风情路塌陷 踢脚破坏 77 事故原因第二种说法 插入深度1 1 06足够第4道支撑缺失 墙弯矩超过极限断裂 土体涌入 墙外失去支撑 产生剪断 连续墙断成三截 上部断点在第二道支撑附近 下部断点在20m左右 墙体强度破坏 78 事故原因分析 支撑缺失及超挖是主因 第4道缺失增加第三道压力 压曲失稳 致2 3道支撑间墙体剪断 坑下3 4m弯断 土体涌入 未分段分层开挖 纵向 横向超挖 立柱的纵向 横向联系梁节点大大简化 支撑得不到约束 不稳定 监测缺失使安全失去最后屏障 风情大道严重裂缝 多次修补 事故有预兆 未引起注意 79 支撑缺失造成内力的增加 按原设计缺第4道支撑最大弯矩9291472最大剪力416664支撑轴力559870 80 设计计算用的指标是固快 2c 15 3kPa 13o 1c 13 5kPa 13 6o 81 土的其他指标 2 e 1 43w 50qc 0 57kPa十字板原状28 6kPa 灵敏度2 07 土质软 灵敏度高 1 e 1 353w 46 7qc 0 86kPa十字板原状34 1kPa 灵敏度1 85 比较靠得住的是孔隙比 含水量 十字板强度和qc 82 其他说法 1 连续墙不生根 缩坑会很严重 2 风情路车辆震动 高灵敏土孔压升高 强度降低 3 灌注桩和旋喷桩机理不同 两头不能照顾 建议用双排桩 4 此前杭州地铁其他基坑 连续墙 鼓肚 达1 2m 紧急加撑 未成事故 5 支撑点至少一端固定 超静定 在偶然荷载下不致连续倒塌 83 其他说法 勘察指标不配套 强度指标似偏高 支撑体系整体稳定性差 钢支撑节点太弱 上海不会做4道钢支撑 至少1 2道混凝土支撑 超挖 有20 30m未作第4道支撑 立柱未作剪刀撑 挖土机太大 检测位移仅20mm 明显造假 监理不严 周边无民房 无社会监督 过大变形未引起重视 杭州抢险缺乏经验 专家不在现场 84 几点经验教训 1 土的强度指标是设计主要依据 试验质量不高 可靠性差 应对土性综合判断 2 邻近情况复杂时 是变形控制 不会失稳 邻近空旷时易麻痹 应防止突然连续倒塌 3 内支撑要加强整体性 采用超静定结构 注意节点 稳定起控制作用 4 水文地质复杂时 要注意水患的突发事故 5 超挖是基坑事故最