岩土工程课件

0绪论岩土工程的定义岩土工程的重要性岩土工程的进展岩土工程的内容岩土工程的工作内容：岩土工程勘察岩土工程设计岩土工程治理岩土工程监测岩土工程监理岩土工程工作方法：调查勘察试验测定分析计算方案论证监测控制反演分析修改定案1）岩土工程的定义岩土勘察规范（GBJ50021-94）定义：岩土工程（Geotechnicalengineering）是以土力学、岩石力学、工程地质学和地基基础工程学为理论基础，以解决和处理在工程建设中出现的所有与岩土体有关的工程技术问题的一门地质和工程紧密结合的新专业学科。岩土工程的补充定义如下：

岩土工程是土木工程中涉及岩土体的整治、改造和利用的科学技术。

岩土工程是工程地质勘察、基础（或地下结构）方案设计、基础（或地下结构）施工三位一体的工程。岩土工程学科群由工程地质学科、岩土力学学科、结构工程学科组成，是多学科相互渗透又紧密结合的边缘学科。从大方面（在国民经济中的地位）从小方面从岩土体本身而言2）岩土工程的重要性支挡加固湖北远安盐池河磷矿崩塌长江西陵峡链子崖卸荷裂隙滑坡香港山体滑坡湖北省巴东县滑坡滑坡周界四川云阳鸡筏子滑坡泥石流(mudflow)一种突然暴发的含有大量泥沙石块的特殊洪流。主要发生在地形陡峻的山区。具区域性和间歇性特点。我国地震带和泥石流的分布地面塌陷(slump)是松散土层中所产生的突发性断裂陷落。多发生于岩溶地区，由于人为局部改变地下水位而引起。3）岩土工程的进展岩、土的工程性质及测试技术的研发在基础结构分析与设计方面在地基方面在材料领域在基坑工程方面地震岩土工程、环境岩土工程4）岩土工程的内容岩体和土体的工程性质及评价土地基和岩石地基工程深基坑的开挖与支护1岩体和土体的工程性质及评价工程土体主要设计参数的确定工程岩体参数的确定及质量评价岩体地应力测试压缩性参数基本概念

土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。试验研究表明，在一般压力（100－600kN)作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比是很微小的，因此完全可以忽略不计，所以把土的压缩看作为土中孔隙体积的减小。此时，土粒调整位置，重行排列，互相挤紧。饱和土压缩时，随着孔隙体积的减少土中孔隙水则被排出。在荷载作用下，透水性大的饱和无粘性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。相反，粘性土的透水性低，饱和粘性土中的水分只能慢慢排出，因此其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多。土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结，对于饱和粘性土来说，土的固结问题是十分重要的。

工程土体主要设计参数的确定土的固结天然土层在历史上所经受过的包括自重压力和其他荷载作用形成的最大竖向有效固结压力，称为先期（前期）固结压力，常用pc表示。通常将地基中土体的先期固结压力与现有上覆土层压力之比定义为超固结比OCR。根据OCR的大小，可对土所处的不同固结状态进行划分。OCR>1超固结状态=1正常固结状态<1欠固结状态

计算地基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，在一般工程中，常用不允许土样产生侧向变形(侧限条件)的室内压缩试验来测定土的压缩性指标。

(一)压缩试验和压缩曲线土的压缩系数和压缩指数压缩性不同的土，其曲线的形状是不一样的。曲线愈陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈显著，因而土的压缩性愈高，所以，曲线上任一点的切线斜率a就表示了相应于压力p作用下土的压缩性：

土的压缩性可用图中割线的斜率表示设割线与横座标的夹角为，则，

为了便于应用和比较，通常采用压力间隔由增加到时所得的压缩系数来评定土的压缩性。

压缩模量(侧限压缩模量)

根据曲线，可以求算另一个压缩性指标——压缩模量。它的定义是土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变增量之比值。土的压缩模量可根据下式计算：

亦称侧限压缩模量，以便与一般材料在无侧限条件下简单拉伸或压缩时的弹性模量相区别。土的回弹曲线和再压缩曲线固结系数

土的渗透性一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质，或称透水性。

地下水在土中的渗透速度一般可按达西Darcy)根据实验得到的直线渗透定律计算，其公式如下(图1—25)：

粘性土的达西定律土的渗透性工程岩体参数的确定及质量评价岩体单轴抗压强度岩体三轴抗压强度岩体抗剪强度参数岩体变形参数的确定岩体变形参数的确定岩体地应力测试应力解除法测岩体地应力的原理和方法土的抗剪强度参数土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。工程中的地基承载力，挡土墙土压力、土坡稳定等问题都与土的抗剪强度直接相关。一、库伦公式

1776年C．A．库伦(Coulomb)根据砂土的试验，将土的抗剪强度表达为滑动面上法向总应力的函数，即

以后又提出了适合粘性土的更普遍的形式

由库伦公式可以看出，无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其本质是由于颗粒之间的滑动摩擦以及”凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，其大小决定于颗粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。粘性土的抗剪强度由两部分组成：库伦公式一部分是摩擦力，另一部分是土粒之间的粘结力，它是由于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。长期的试验研究指出，土的抗剪强度不仅与土的性质有关，还与试验时的排水条件、剪切速率、应力状态和应力历史等许多因素有关，其中最重要的是试验时的排水条件，根据K．太沙基(Terzaghi)的有效应力概念，土体内的剪应力仅能由土的骨架承担，因此，土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数，库伦公式应修改为

抗剪强度的测定方法抗剪强度的试验方法有多种，在实验室内常用的有直接剪切试验，三轴压缩试验和无侧限抗压试验，在现场原位测试的有十字板剪切试验，大型直接剪切试验等。

直接剪切试验直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试件施加某一垂直压力σ，然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在上下盒的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助与上盒接触的量力环的变形值计算确定。在剪切过程中，随着上下盒相对剪切变形的发展，土样中的抗剪强度逐渐发挥出来，直到剪应力等于土的抗剪强度时，土样剪切破坏，所以土样的抗剪强度可用剪切破坏时的剪应力来量度。对应于直接剪切试验的快剪，固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法：

(1)不固结不排水试验试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中部不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。

(2)固结不排水试验试样在施加周围压力时打开排水阀门，允许排水固结，待固结稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。

(3)固结排水试验试样在施加周围压力时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏。

对同一种土至少取4个试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400kPa，将试验结果绘制成如图3—7(b)所示的抗剪强度和垂直压力σ之间关系，试验结果表明，对于粘性土基本上成直线关系，该直线与横轴的夹角为内摩擦角，在纵轴上的截距为粘聚力c，直线方程可用库伦公式表示，对于无粘性土，之间关系则是通过原点的一条直线。【例题3-1】一组饱和粘性土试样在三轴仪中进行固结不排水试验，整理试验结果得有效内摩擦角

'=24°，c'=80kPa。其中对一个试样施加的周围压力

3=200kPa，试样破坏时的主应力差

1-

3=280kPa，测得的孔隙水压力uf=180kPa。试求破坏面上的法向应力和剪应力以及试样中的最大剪应力。【解】有效的主应力分别为剪切破坏面与大主应力作用面的夹角为由式（3-5）计算破坏面上的法向有效应力

'和剪应力

：破坏面上的法向应力

为

最大剪应力发生在

=45°的平面上，所以2岩土工程勘察岩土工程安全等级场地复杂程度分级和地基复杂程度分级岩土工程勘察等级岩土工程的勘探工作(掘探\钻探\触探和物探)3土地基与岩石地基工程基础(foundation)浅基础的地基破坏型式和地基极限承载力浅基础的地基极限承载力

普朗德尔极限承载力理论

1920年L．普朗德尔(Prandtl)根据塑性理论，研究了刚性冲模压入无质量的半无限刚塑性介质时，导出了介质达到破坏时的滑动面形状和极限压应力公式，人们把他的解应用到地基极限承载力的课题。根据土体极限平衡理论，对于一无限长的、底面光滑的条形荷载板置于无质量的土的表面上，当荷载板下的土体处于塑性平衡状态时，塑流边界为如图所示

对于以上所述情况，普朗德尔得出极限承载力的理论解为其中其中

如果考虑到基础有埋置深度d(图4—33)，将基底水平面以上的土重用均布超载代替。赖斯纳(Reissner，1924)得出极限承载力还须加一项，即其中(4—44)太沙基承载力理论因为基底实际上往往是粗糙的，太沙基假设基底与土之间的摩擦力阻止了在基底处剪切位移的发生，因此直接在基底以下的土不发生破坏而处于弹性平衡状态，破坏时，它象一“弹性核”随着基础一起向下移动，如图4—34(a)所示的1区。引用符号则

对于所有一般的情况，太沙基认为浅基础的地基极限承载力可近似地假设为分别由以下三种情况计算结果的总和：(1)土是无质量的，有粘聚力和内摩擦角，没有超载，(2)土是没有质量的，无粘聚力有内摩擦角，有超载(3)土是有质量的，没有粘聚力，但有内摩擦角，没有超载，．因此，极限承载力可近似由式(4—44)和式(4—49)叠加得（4-49）

式中——承载力系数，分别查表或由以下各式确定：黄土(loessalsoil)：

是干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。分布:我国西北及华北地区,面积约63万km2。特征：以粉粒为主，富含碳酸钙，肉眼可见大孔隙，垂直节理发育，常呈现直立的天然边坡。工程特性：塑性较弱含水较少，坚硬—硬塑状态压实程度差，孔隙比高，孔隙大抗水性弱，遇水强烈崩解，湿陷明显透水性较强，且呈各向异性强度较高，粒间连接较强，压缩性中等。黄土分类按成因分：原生黄土和次生黄土按形成年代分：老黄土和新黄土按湿陷性分：湿陷性黄土和非湿陷性黄土黄土地基膨胀土(expansivesoil)：

是一种富含亲水性粘土矿物,且随含水量的增减体积发生显著胀缩变形的硬塑性粘土。分布:全国,云南、广西、贵州、湖北最具代表性。一般位于山前丘陵地区或河谷高阶地上。

特征：1)呈黄褐、灰白、花斑等颜色.2)粘粒含量高，且为亲水性很强的蒙脱石等粘土矿物，土中可溶盐及有机质含量较低，常含铁锰或钙质结核，结构致密.3)表面有大量网状裂隙，裂面有腊状光泽的挤压面。工程特性：1.低含水量，天然状态下呈坚硬－硬塑状态.孔隙比一般在0.7,有的超过1.裂隙发育,常见裂隙有竖向、斜向和水平向三种.2.高塑性，含粘粒及粉粒为主3.具膨胀力,自由膨胀量>40%4.天然状态下压缩性低，承载力高，但由于干缩裂隙发育,稳定性差.浸水后或被扰动时,强度骤然降低5.膨胀土分布不均匀,水平层理常有缺失6.按照地形上的差别,工程地质复杂程度亦有区别.一般分为平坦地和坡地两大类.凡超过14°的自然坡属不稳定坡,一般不能利用它作为建筑地基.膨胀土地基膨胀土地基变形量计算岩基的承载能力岩基的承载能力与岩基的系列破坏模式相关，变形又与岩性、结构面的产状与分布相关。一、岩基破坏模式

6、直面滑动

5、剪切节理、弱软岩体（滑移体）4、冲切多孔隙岩体

3、劈裂应力大2、压碎应力较大1、开裂较均质岩体、坚硬、应力水平较小开裂压碎劈裂冲切剪切较均质、坚硬岩体应力水平较小应力水平较大应力水平大多孔隙岩体节理、弱软岩体实验法极限平衡计算方法二、岩基允许承载力的确定基本方法基脚压碎岩体的承载力极限平衡方法(Goodman)见图9-12式中：Rc-岩体无侧限抗压强度；

qf-岩基承载力。A-压碎区B-非压碎区非压碎区B岩体强度曲线压碎区A岩体强度曲线无侧限岩体抗压强度Rc岩基承载力qf第二节岩基上基础的沉降

岩基上基础的沉降主要是由于岩基内岩层承载后出现的变形引起的。对于一般的中小工程来说，沉降变形较小。但是，对于重型结构或巨大结构来说，则产生较大变形。岩基的变形有两方面的影响：（2）因岩基变形各点不一，造成了结构上各点间的相对位移。计算沉降的基本公式（1）在绝对位移或下沉量直接使基础沉降，改变了原设计水准的要求；4、深基坑的开挖与支护第一节土压力理论土压力--挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。土压力随挡土墙可能位移的方向分为主动土压力，被动土压力和静止土压力。主动土压力:当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力被动土压力:当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力静止土压力:当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对墙的压力称为静止土压力静止土压力强度可按下式计算：静止土压力沿墙高为三角形分布，如图4-4所示，如果取单位墙长，则作用在墙上的静止土压力为：

由于土体内每一竖直面都是对称面，因此竖直截面和水平截面上的剪应力都等于零，因而相应截面上的法向应力和都是主应力，此时的应力状态用莫尔圆表示为如图4-5(a)所示的圆I，由于该点处于弹性平衡状态，故莫尔圆没有和抗剪强度包线相切。由土的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大主应力和小主应力之间应满足以下关系式：粘性土：

或无粘性土：

或

一、主动土压力无粘性土：或粘性土：

或主动土压力强度

1、无粘性土的主动土压力主动土压力为：或

通过三角形的形心，即作用在离墙底H／3处。

2、粘性土的主动土压力粘性土的主动土压力强度包括两部分：一部分是由土自重引起的土压力，另一部分是由粘聚力c，引起的负侧压力主动土压力离填土面的深度常称为临界深度，在填土面无荷载的条件下，可令主动土压力强度公式为零求得值，即：

得

如取单位墙长计算，则主动土压力为：将式（）代入上式后得

粘性土的主动土压力通过在三角形压力分布图abc的形心，即作用在离墙底处．二、被动土压力当墙受到外力作用而推向土体时[图4-7(a)]，填土中任意一点的竖向应力仍不变，而水平向应力却逐渐增大，直至出现被动朗肯状态，此时达最大限值，因此是大主应力，也就是被动土压力强度，而则是小主应力。可得:

无粘性土：

粘性土：被动土压力强度被动土压力

无粘性土的被动土压力强度呈三角形分布[图4-7(b)]，粘性土的被动土压力强度则呈梯形分布[图4-7(c)]。如取单位墙长计算，则被动土压力可由下式计算：无粘性土:

粘性土：被动土压力，通过三角形或梯形压力分布图的形心。第二节板桩墙的设计计算板桩墙的设计计算(浅埋板桩）板桩墙的设计计算(深埋板桩）第三节基坑支护类型放坡开挖重力式挡土墙搅拌桩喷锚支护钢板桩支护上海环球金融中心上海环球金融中心上海长峰商城基坑工程上海新资大厦工程（混凝土支撑）地下连续墙基坑支护类型放坡开挖重力式挡土墙悬臂式排桩支护结构支锚式排桩支护结构SMW工法地下连续墙喷锚支护结构坑壁拱圈支护结构组合式支护结构典型大型深基坑工程简况工程名称层数基坑深度围护墙支撑方式北京国贸二期3918钻孔灌注桩钢上海金茂8815-20地下连续墙钢筋混凝土上海恒隆广场6615-18地下连续墙钢砼+钢管上海明天广场5817-23地下连续墙逆作法广州金江大厦2819-22地下连续墙钢管济南银工大厦3520灌注桩锚杆第四节深基坑排水一、基坑排水方法1.明沟排水

(drainageditch)适用于浅基坑强透水的潜水含水层。2.井点降水降水类型适用范围土的渗透系数(cm/s)可能降低的水位深度(m)一级轻型井点10-2~l0-53~6多级轻型井点10-2~l0-56~12喷射井点10-3~10-68~20电渗井点＜10-6宜配合其他形式降水使用深井井管≥10-5＞10轻型井点降水(well-pointdewatering

)

适用于粉砂、细砂和粉土潜水含水层。喷射井点用作深层降水，应用在粉土、极细砂和粉砂中较为适用。在较粗的砂粒中，由于出水量较大，循环水流就显得不经济，这时宜采用深井泵。一般一级喷射井点可降低地下位8～20m，甚至20m以上。深井排水(drainagewell)适用于深基坑承压含水层。1.地下水运动的基本规律Darcy定律：Q＝KAJ或V＝KJ(线性)式中：Q－渗流量m3/d或cm3/s；A－过水断面

K－渗透系数m/d或cm/s，表征岩土透水性能

大小的指标。还与水的粘滞性有关。

V－渗透流速m/d或cm/sDarcy定律适合于层流（砂土）。紊流运动规律：V＝KJ1/2(非线性)二、降水基本理论

水力坡降J＝－dH/dL2.井的类型：按其揭露含水层的类型分：潜水井、承压井按进水条件分：完整井、非完整井a）无压完整井；b）无压非完整井；c）承压完整井；d）承压非完整井

潜水完整井Q＝KAJ＝2πKxy分离变量并积分，x从rw至R，y从hw至H，得：3.单井涌水量计算

承压水完整井Q＝KAJ=2πKxM分离变量并积分后，得：4.基坑群井涌水量计算:承压水完整井潜水完整井把基坑假想为圆形大井,其引用半径:

F－基坑面积三、井点系统设计1.井点的平面布置

a）单排布置；b）双排布置；c）环形布置（d）U形布置2.井点的高程布置

3.井点系统设计计算单根井点管进水量井点管数量井点管深度井点管间距4.轻型井点的施工程序

井点管埋设5.环境保护

四、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：五、基坑止水(waterstop)方法：5岩土边坡工程锚杆抗滑桩挡土结构支护结构岩石边坡工程6滑坡滑坡分类按滑动面与岩土体的关系分：均质滑坡顺层滑坡切层滑坡按滑坡体厚度分：浅层滑坡：

<5m中层滑坡：

5～20m深层滑坡： 20~50m极深层滑坡： >50m按滑坡的岩土类型分：堆积层滑坡黄土滑坡粘土滑坡岩层滑坡影响滑坡稳定性的因素内因边坡岩土体性质地质构造岩体结构地应力外因地表水和地下水地震风化作用人工开挖、爆破滑坡的识别据地貌特征：

圈椅型地貌,双沟同源现象河床凹岸反向河中突出,树木歪倒据岩性条件：

软弱岩层如页岩、泥岩、千枚岩和坡洪积松散堆积层、黄土等，易发生滑坡。

而脆性岩层如石灰岩、花岗岩等，易发生崩塌。据构造条件：

断层、褶皱发育地区，新构造运动强烈地区易发生边坡失稳现象。据水文地质现象：

山坡脚泉水较多，地表潮湿。

据边坡变形迹象：

山体裂缝，岩土体扰动、松散。滑坡稳定分析方法地质分析法极限平衡分析法赤平投影图解分析法有限单元法工程地质类比法防治边坡变形破坏的工程措施防渗与排水2、削坡减载3、支挡加固7地下洞室地下洞室的定义与分类1、定义地下洞室(undergroundcavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。2、地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞按应力情况：单式洞室、群洞一、各类结构围岩的变形破坏点

1、整体状和块状岩体围岩岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。脆性开裂出现在拉应力集中部位。块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。整体与块状结构：主要为均质、巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层、厚层沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩；主要结构形状为巨块状、块状、柱状；以原生构造节理为主，只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于0.7m，一般不超过1～3组，无危险结构面组成的落石掉块，偶有少量分离体。整体性强度高，结构面互相牵制，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体，可能发生的岩土工程问题为不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆。

坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙2、层状岩体围岩常呈软硬岩层相间的互层形式。结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。在水平层状围岩