巖土工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與土力學(xué)原理(高大釗)

1、巖土工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與土力學(xué)原理,同濟(jì)大學(xué) 高大釗,內(nèi) 容,1. 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與土力學(xué)的關(guān)系2. 兩種標(biāo)準(zhǔn)化體系的不同處理方法3. 我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特點4. 理論在工程實踐中的重要作用5. 概念上容易混淆的幾個土力學(xué)問題6.一些值得推廣的測試項目,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與土力學(xué)的關(guān)系,巖土工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)是土力學(xué)；制訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時要充分地依據(jù)土力學(xué)原理；經(jīng)驗規(guī)則必須符合土力學(xué)原理；執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時仍然需要以土力學(xué)原理為指導(dǎo)；技術(shù)

2、標(biāo)準(zhǔn)不符合實際情況時應(yīng)以土力學(xué)原理為指導(dǎo)來解決工程問題。,兩種標(biāo)準(zhǔn)化體系的不同處理方法,在市場經(jīng)濟(jì)條件下形成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以原導(dǎo)性為主，各個不同的事務(wù)所的解決方法都可用有知識產(chǎn)權(quán)的know how；負(fù)有法律責(zé)任，但有特殊的經(jīng)濟(jì)利益；在計劃經(jīng)濟(jì)條件下形成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是沒有知識產(chǎn)權(quán)的公共知識，用了出事故誰也沒有法律責(zé)任；在現(xiàn)實條件下，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制遇到了知識產(chǎn)權(quán)的尷尬，很多單位不愿意公開自己的know how，非改革不可了。,我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特

3、點,我國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中不準(zhǔn)講原理性內(nèi)容，只能訂入經(jīng)過局部實踐使用過的經(jīng)驗；再加上目前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的管理中存在的問題；工程實踐中只能使用落后的技術(shù)；工程技術(shù)的進(jìn)步非常艱難。,理論在工程實踐中的重要作用,土力學(xué)的基本規(guī)律對工程建設(shè)是管用的；違背了土力學(xué)的基本規(guī)律就要受到自然的懲罰；土力學(xué)并不是十分高深和奧秘的理論；途徑—可靠的指標(biāo)+簡單的計算+量測反饋+經(jīng)驗判斷=觀察法。,上海展覽館的教訓(xùn),總高九十六米一九五四年五月開工當(dāng)年年底平均

4、沉降六十厘米一九五七年六月實測最大沉降一百四十六厘米最小沉降一百二十二厘米 最終沉降一百八十厘米,箱形基礎(chǔ)高度： 基礎(chǔ)平面尺寸： 7m 46.5m?46.5mm埋置深度： 基礎(chǔ)底面總壓力：0.5m 130kPa,1953年10m淺孔剖面第一層填土，0.24~0.5m第二層黃褐色粉質(zhì)粘土，堅硬至可

5、塑，0.96~1.16m第三層棕黃色粘土，可塑，1.60~2.60m第四層灰色粉質(zhì)粘土，可塑，2.2~6.3m第五層灰色粘土，可塑，未鉆穿,為什么沉降那么大？？,基礎(chǔ)底面壓力大，土中應(yīng)力水平高基礎(chǔ)面積大，壓縮土層相對較薄，應(yīng)力沿深度衰減比較慢軟弱下臥層應(yīng)力水平過高，可能發(fā)生局部的水平擠出,基礎(chǔ)底面附加壓力124kPa至主要壓縮層底處，附加應(yīng)力還有70kPa 在軟弱下臥層頂面處，附加應(yīng)力仍有120kPa，遠(yuǎn)大于該層的

6、承載力,幾棟大樓數(shù)據(jù)的比較展覽中心46.5?46.50.5012418002.24胸科醫(yī)院45.9 ?18.45.50573502.01華盛大樓57.6 ?14.35.65592402.16四平大樓50.0 ?9.805.20941405.06康樂大樓65.0 ?14.15.50851605.44,,,,,,,,,,事 后 諸 葛 亮如果當(dāng)時計算了沉降就不敢這么做了；只由

7、持力層承載力控制，第3層土的地基承載力沒有滿足要求；過大沉降是由超大面積的基底荷載引起的；沉降驗算的重要性；超大面積荷載必然引起超量的沉降。,一些事故引起的思考南山的滑坡（加載）填方太快，不設(shè)排水措施上游引水工程（卸載）挖方太深 坡度1 ：3長基坑的端頭滑坡（卸載） 為什么放了1:3的坡還要滑坡？為什么開挖到坑底不馬上滑動，而在過一段時間后才滑動？,引水工程的基本數(shù)據(jù),4孔箱涵，單孔尺寸為3.25m?3.6

8、0m，總長75m地面標(biāo)高＋4.2~4.7m，設(shè)計基坑底面標(biāo)高－5.33m，開挖深度近10m按三級放坡，從上至下依次為1:1.5 、 1:2 和1:3，變坡處留1.0m寬的馬道二級輕型井點降水采用水沖法施工，泥漿沉淀池設(shè)置在基坑頂部南北兩側(cè)，距基坑外緣12m～15m,10m高的土坡滑動,滑坡發(fā)生在挖到基坑底面，澆筑墊層后，正在綁扎箱涵的鋼筋時；沒有進(jìn)行任何的位移觀測，因此沒有發(fā)現(xiàn)滑坡的預(yù)兆，突發(fā)性的事故；塌入基坑中的土方50

9、00立方米，泥面涌高6m；第一級井點向基坑中移動13m。,,事故分析,1. 10m的高差形成的壓力差超過了軟土的承載能力；2. 由于坡面非常平緩，滑動的形式是深層滑動，以中點圓的形式破壞；3. 卸載引起負(fù)的孔隙水壓力，產(chǎn)生強(qiáng)度較高的假象，隨著負(fù)壓的消散，土的抗剪強(qiáng)度降低，滑坡并不發(fā)生的開挖的同時，而滯后一定的時間；4. 沒有進(jìn)行監(jiān)測的教訓(xùn)。,加載與卸載的比較,焦化廠配煤房傾斜事故,在 47.5m?10.8m筏形基礎(chǔ)上5個直徑8

10、m高31m的儲煤斗5天裝煤215噸最大27mm/d~45mm/d15天傾斜2.7?14.1‰2 年傾斜達(dá)24 ‰,焦化廠配煤房,,,荷載與地基承載力地基極限承載力：按固結(jié)快剪指標(biāo)為202kPa按不固結(jié)不排水剪指標(biāo)為135kPa建筑物恒載38000kN，產(chǎn)生基底壓力76kPa，裝煤21500kN，產(chǎn)生基底壓力44kPa活載與恒載之比0.57基底總壓力120kPa,安全度分析 如果不快速加煤，用固結(jié)不排水2

11、02kPa，安全系數(shù)1.68； 實際快速加煤，故安全系數(shù)低于1.68；不考慮施工期的排水固結(jié)，用不排水剪135kPa，安全系數(shù)1.13； 實際安全系數(shù)介于1.13~1.68之間。,兩種極限狀態(tài)—缺一不可—不能將沉降控制絕對化；歷史和實踐證明，單純憑經(jīng)驗而忽視理論的傾向有害的；很多工程在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中找不到現(xiàn)成的答案，是非標(biāo)的工程。,概念上容易混淆的幾個土力學(xué)問題,1. 地基承載力2. 深層平板載荷試驗的模量3. 樁

12、端阻力與地基承載力的關(guān)系4. 不固結(jié)不排水強(qiáng)度cuu是天然強(qiáng)度而不是強(qiáng)度指標(biāo),地基承載力,極限承載力容許承載力：極限承載力除以安全系數(shù)承載曲線上的第一拐點以壓板寬度的某一百分率沉降對應(yīng)的壓力值,兩種不同的載荷試驗,,深寬修正公式的來源及應(yīng)用,1. 深寬修正公式并不是理論公式，而是一種經(jīng)驗的方法；2. 提出的目的是為了將載荷試驗的結(jié)果用之于實際的基礎(chǔ)條件；3. 如果已知基礎(chǔ)的條件和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，就應(yīng)當(dāng)直接用理論公式計算；

13、如果用小尺寸計算后再進(jìn)行深寬修正的方法是不合適的。,用地基承載力公式計算的結(jié)果，是不可以修正的。理由有兩點：一是用承載力公式計算得到的是淺基礎(chǔ)的地基承載力，深層土的應(yīng)力水平不同，它的承載機(jī)理不同于淺基礎(chǔ)；二是深寬修正方法的數(shù)據(jù)依據(jù)、計算方法的可信度和理論層次都低于用承載力公式計算的方法，用低一層次的方法去校正高一層次的方法，是不合適的。,規(guī)范中的術(shù)語矛盾,第2.1.3條，地基承載力特征值－指由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)

14、規(guī)定的變形所對應(yīng)的壓力值，其最大值為比例界限值；第5.2.4條，fa－修正后的地基承載力特征值； fak－地基承載力特征值；第5.2.5條，fa－由土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力特征值；,關(guān)于深寬修正的討論,1. 這0.5和3是什么意思？2. 為什么對軟土，?b＝0而?d?0？3. 如果?d＝0，將會出現(xiàn)怎樣的結(jié)果？4. fak是什么概念？是b＝3，d＝0.5時的承載力？怎么求

15、得的？,關(guān)于深大尺寸基礎(chǔ)的承載力,基礎(chǔ)寬度10m，埋深10m，如何用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)評價其地基承載力？1. 對10m處的土層用小尺寸（例如d＝2m，b＝1.5m）進(jìn)行計算；2. 然后將計算的結(jié)果進(jìn)行深寬修正到實際的尺寸；3. 用實際尺寸計算（寬度按最大6m計，埋深按10m計）承載力；,討 論,1. 用小尺寸載荷試驗結(jié)果加深寬修正的方法求深大尺寸基礎(chǔ)的承載力是不適合的；2. 可以用實際尺寸進(jìn)行計算；其中，寬度的限制6m是一種經(jīng)

16、驗處理；為什么對深度沒有加以限制？,這種方法是否合適？,對不同深度的土層都采用統(tǒng)一假定的基礎(chǔ)埋深和寬度，用規(guī)范的公式計算了地基承載力，并分層地在勘察報告中給出；不論是臨界荷載公式或極限荷載公式，推導(dǎo)公式時都有假定的基本條件，計算的條件應(yīng)當(dāng)與假定條件基本相符?，F(xiàn)在將一個埋藏在幾十米深度處的土層，假想為在地面處，用淺基礎(chǔ)的地基承載力公式計算，條件相差懸殊，其結(jié)果是沒有任何物理意義的。,深層平板載荷試驗的模量,在壓板尺寸一定的條件下，壓板

17、底面深度越深，所測得的變形模量越小； 有認(rèn)為土的深度越深，固結(jié)壓力越大，土越密實，因而模量應(yīng)當(dāng)越大才對；上述命題是否正確？,基 本 分 析,1. “土的深度越深，固結(jié)壓力越大，土越密實，因而模量越大”是從地質(zhì)學(xué)的觀點得出的結(jié)論；2. 作為一個地質(zhì)單元劃分出來，將土的性質(zhì)均勻化了，用一個模量來描述；3. 在一個地質(zhì)單元中，測定的模量不應(yīng)隨隨深度而異，也不應(yīng)隨方法（用淺層或者深層載荷試驗）而異；,在同一個平面上，壓板面積相同，荷載相

18、同：1) 測定的模量應(yīng)當(dāng)相同；2) 比較壓板的沉降是否相等？3) 由于壓板底面以上土的作用，使s1< s2，深度越大，相差越大；4) 在模量相同的條件下，系數(shù)必然隨深度而減小。 s1 s2,樁端阻力與地基承載力的關(guān)系,1. 規(guī)范的樁端阻力經(jīng)驗值與地基承載力值有什么關(guān)系？2. 能否用地基承載力的數(shù)值加深寬修正求樁端阻力？3. 樁

19、端阻力的測定；4. 端阻力的發(fā)揮。,淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)的比較,最小埋置深度,深基礎(chǔ)地基承載的特點,滑動面不延伸到地面，不會發(fā)生整體剪切破壞；由于土拱的作用，埋置深度范圍內(nèi)的土柱重量不可能全部作用于被動側(cè)的滑動土楔的面上；土體對基礎(chǔ)側(cè)面的約束作用發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。,樁端阻力的測定,在條件允許的情況下，可以用深層載荷試驗測定，但沒有反映樁側(cè)作用的影響；在試樁時，可以直接測定樁體條件下的端阻力，可以證明長樁的端阻力發(fā)揮得很少；對于沒

20、有量測條件的試樁，可以用分析的方法將端阻力和側(cè)摩阻力分開。,樁端阻力的發(fā)揮條件,軸向荷載在克服了側(cè)摩阻力以后才能傳遞給樁端土層；在同一場地條件，樁越長，端阻力越不能充分發(fā)揮；,結(jié) 論,樁端阻力和地基承載力的條件不同、發(fā)揮的機(jī)理不同，在理論上和實踐上都沒有相應(yīng)的關(guān)系；深寬修正只適用于淺基礎(chǔ)，不能用以計算樁端阻力；,不固結(jié)不排水強(qiáng)度cuu,不固結(jié)不排水強(qiáng)度cuu：是天然強(qiáng)度；不是強(qiáng)度指標(biāo)；是凝聚材料；不是摩擦材料；強(qiáng)度

21、與法向應(yīng)力無關(guān)；,用于計算地基承載力,極限承載力等于5.14 cuu ；容許承載力等于3.14 cuu ；承載力將與基礎(chǔ)寬度無關(guān)；承載力將與基礎(chǔ)埋深無關(guān)；,用于計算土壓力的問題,?＝0°，c＝30kPa ；? ＝15°，c＝10kPa,一些值得推廣的測試項目,1.孔內(nèi)滲透試驗 2.扁鏟側(cè)脹儀3.等梯度固結(jié)試驗這些試驗并不是很新的東西，但過去注意得不夠，某些條件下可能是適用的，可以補(bǔ)充現(xiàn)有方法的不足。,孔內(nèi)

22、滲透試驗 borehole permeability tests,孔內(nèi)滲透試驗包括常水頭法滲透試驗和變水頭法滲透試驗，常水頭法適用于砂、礫石、卵石等強(qiáng)透水地層；變水頭法適用于粉砂、粉土、粘性土等弱透水地層。變水頭法又可分為升水頭法和降水頭法。英國標(biāo)準(zhǔn)BS 5930：1981 Code of practice for Site investigations,,常水頭法試驗時，應(yīng)向孔內(nèi)注水至套管頂或某一固定高度。不斷補(bǔ)充注水，保持水頭穩(wěn)

23、定，并記錄流量。注水至固定水頭后, 開始按1min、2min、2min、5min、5min, 以后均按5min間隔記錄一次流量，并繪制流量Q與時間關(guān)系曲線。10.3.6 根據(jù)常水頭法滲透試驗結(jié)果，按下式計算滲透系數(shù)k：,,升水頭試驗可在孔內(nèi)抽水至一定深度，測讀隨時間的水位，直至水位基本穩(wěn)定；降水頭試驗可在孔內(nèi)注水至一定高度，測讀隨時間的水位，直至水位基本穩(wěn)定。間隔時間按地層滲透性確定，一般按1min、2min、2min、5min、5m

24、in, 以后均按5min間隔記錄一次, 并繪制流量lnH與時間t關(guān)系曲線。,扁鏟側(cè)脹試驗,探頭長230~240mm，寬94~96mm，厚14~16mm，前緣刃角12° ~16°，探頭側(cè)面鋼膜片的直徑60mm；每孔試驗前后均應(yīng)進(jìn)行探頭率定，取試驗前后的平均值為修正值；膜片的合格標(biāo)準(zhǔn)為：率定時膨脹至0.05mm的氣壓實測值ΔA＝5～25kPa；率定時膨脹至1.10mm的氣壓實測值ΔB＝10～110kPa；,試 驗

25、方 法以2cm/s的均勻速率壓入，試驗點的距離20～50cm；試驗時，均勻加壓和減壓，測定膜片膨脹至0.05mm、1.10mm和回到0.05mm時的壓力A、B和C值；作消散試驗時，測讀時間間隔為：1min、2min、4min、8min、15min、30min、90min，以后每90min測讀一次，直至消散結(jié)束；,資料分析,膜片膨脹之前的接觸壓力膜片膨脹至1.10mm時的壓力膜片回到0.05mm時的終止壓力,試 驗 結(jié)

26、果,1. 側(cè)脹模量2. 側(cè)脹水平應(yīng)力指數(shù)3. 側(cè)脹土性指數(shù)4. 側(cè)脹孔壓指數(shù),固結(jié)試驗的改進(jìn),固結(jié)試驗每級壓力下的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24小時，致使固結(jié)試驗時間很長；由于快速固結(jié)法的修正結(jié)果沒有固結(jié)度的概念，國家標(biāo)準(zhǔn)在條文說明中認(rèn)為快速法缺乏理論依據(jù)而沒有列入；能否找到一種有理論依據(jù)而又可以縮短試驗時間的方法？等梯度固結(jié)試驗是一種可行的方法，已列入試驗國標(biāo)，應(yīng)該推廣使用。,等梯度固結(jié)試驗,應(yīng)變速率的控制應(yīng)使底部產(chǎn)生的孔隙水壓力為

27、同時施加的軸向荷載的3%～20%；數(shù)據(jù)采集時間間隔： 10min內(nèi)，每隔1min； 隨后1h內(nèi)，每隔5min； 以后，每隔15min或30min采集軸向壓力、孔隙水壓力和變形數(shù)據(jù),等應(yīng)變速率試驗的原理,在e～p曲線上的橫坐標(biāo)軸是有效壓力，孔隙比是在所施加的壓力全部轉(zhuǎn)化為有效壓力時的孔隙比，是變形穩(wěn)定的孔隙比；一般的固結(jié)試驗的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是使孔隙水壓力充分消散，使所施加的總壓力已轉(zhuǎn)化為有效壓力；

28、如果能夠量測孔隙水壓力，那就不必等到孔隙水壓力完全消散。,試樣的有效壓力某壓力范圍的壓縮系數(shù)某壓力范圍的壓縮指數(shù),任意時刻試樣的固結(jié)系數(shù)某壓力范圍內(nèi)試樣的體積壓縮系數(shù),關(guān)于1+e0的討論,壓縮模量的計算,《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）14.1.10條規(guī)定正確的計算公式,壓力從p1增大到p2，孔隙比從e1減小到e2，應(yīng)變增量等于試樣高度的壓縮量與壓縮前試樣高度之比模量等于壓力增量與應(yīng)變增

29、量之比,按該標(biāo)準(zhǔn)的14.1.9條規(guī)定： 則土樣應(yīng)變的增量為：,則壓縮模量的計算公式為：,如用該標(biāo)準(zhǔn)公式(14.1.8)推導(dǎo),從這個公式出發(fā)， 只有在e~p曲線為線性假定條件下才能得出下面的規(guī)范公式，但線性的假定是不符合實際的。,結(jié) 束 語,土力學(xué)原理是指導(dǎo)巖土工程勘察、設(shè)計的重要理論；我國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的法律地位掩蓋了它的合理性，值得引起人們的重視；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)驗規(guī)定的合理性應(yīng)當(dāng)是符合土力學(xué)原理的；注冊考試的重點不是那些純