顾宝和岩土工程概念性问题的案例分析优质PPT.ppt

1、洪积土沉降1.5m，远大于预计值。,重新勘探试验和计算，调整为上部软土沉降5.5m，洪积土沉降5.5m，总沉降11.0m。机玚开通时，按实测数据推算，50年总沉降10.34m，比调整计算小0.66m。本案例条件不复杂，问题在于参数.。缺乏经验情况下，即使工作认真细致，技术水平高，沉降计算还是没有把握，单纯计算靠不住，原型监测多重要！,案例11 台北国际金融中心大楼岩土工程,主塔楼101层，裙房6层，地下室5层。塔楼、裙房均采用桩筏基础塔楼筏板长98m，宽87m，桩380根，桩径1.5m，入岩1533m，平均入岩23.3m。裙房桩167根，桩径2.0m，入岩528m，平均入岩15.5m。基坑地下

2、连续墙围护，厚1.2m，深4045m塔楼7道内支撑。,岩土工程师：陈斗生主要岩土工程问题为：台北断层及其抗震设计问题；地基基础问题；基坑支护与监测问题。,勘察提供的岩土指标有：密度、含水量、液限、塑性指数、孔隙比、总应力黏聚力、总应力内摩擦角、有效黏聚力、有效内摩擦角、压缩指数、再压缩指数、不排水强度、岩石单轴抗压强度、压缩波速度、剪切波速度桩基试验性施工和静载试验,基岩顶面深度4260m，塔楼区较浅，向西南渐深。根据岩相分析和化石鉴定，为400800 万年前沉积的上新统桂竹林层，主要为灰色细砂岩和粉砂岩，偶夹砂页岩互层。上部10m胶结不好，质地软弱；10m以下胶结较好,基础方案,选择基础方案

3、时，考虑了 施工机械与施工技术、入岩的可行性、检验的难易程度、工期和造价等因素。采用大口径现场灌注桩，塔楼为抗压桩，裙房为抗拔桩。,基础设计,桩基静载试验：量测不同深度桩身应力和位移；用16种方法对单桩承载力进行分析评估；得到各层岩土的侧阻力-深度曲线。以静载试验成果参数为主，进行结构桩土相互作用分析。,计算与实测的比较,计算：塔楼中心沉降不超过68cm，结构封顶时实测：沉降不大于2cm。计算结果令人满意。沉降计算不可能很精确，计算模型在于实用，不过分追求先进。重大工程、缺乏经验工程，一定的安全冗余是必要的。,概念失误和预测偏差,概念失误是原则性错误。质的错误正常预测偏差一般由计算模式、计算参

4、数与工程实际差别引起，与岩土工程特点有关。量的偏差 为减小偏差：精心勘察设计；现场原型试验或试验性施工；加强工程监测。,计算可靠性有限的原因,计算模式与实际条件的差别，以地基承载力和基坑降水为例；计算参数的不确定性，以压缩系数和抗剪强度指标为例。地基承载力计算不如载荷试验推算；基坑降水计算有时不如经验估计。,2 土的结构强度,案例6 济南万科住宅群基础与残积土特性,工程概况7栋高层住宅，地上2834层，地下2层，高度近100m，剪力墙结构，基底埋深7.2m。,地基土概况,地层：填土、黄土、粉质黏土、卵石、闪长岩残积土、全风化闪长岩、强风化闪长岩、中等风化闪长岩。持力层：卵石：局部夹硬塑坚硬粉质

5、黏土和黏土，部分胶结，层位稳定，未深宽修正承载力特征值400kPa，厚11.7014.30m；,主要下卧层：闪长岩残积土，土状-粉细砂状，普遍分布，厚度10m以上。指标平均值：含水量43.8、孔隙比1.342、压缩模量3.76MPa、N=15.7，未深宽修正承载力特征值220kPa。,基础方案 天然地基,2层地下窒，基础埋深7.2m，持力层卵石。基底压力530620 kPa，修正后满足，局部黏性土夹层适当处理。下卧层残积土承载力验算通过。主要问题：室内试验压缩模量低，高层建筑变形验算不能通过。,基础方案 桩基础,灌注桩，穿过卵石、闪长岩残积土、全风化闪长岩、强风化闪长岩，以中等风化闪长岩为桩基

6、持力层，嵌岩桩。桩端全断面嵌入中风化闪长岩不小于2倍桩径。中风化岩顶面起伏大，应做桩基施工勘察。桩深2741m，有效桩长2030m，需穿过巨厚、胶结卵石及残积土、全风化、强风化岩。,补充测试和决策,残积土深层载荷试验，结果，承载力特征值500kPa，变形模量28MPa。旁压试验结果：承载力特征值432529kPa，压缩模量为2027MPa。采用天然地基，补充原位测试数据。施工过程及施工后进行沉降观测，一般 12cm，最大22.5mm。,残积土特点,沉积土：长途搬运沉积，风化碎屑经撞击、摩擦、氧化、溶解、分选，形成卵石、砾石、砂，颗粒坚硬；黏性土蜂窝结构或絮状结构。传统土力学只考虑孔隙比变化，不

7、考虑土粒可压缩性、可被压碎，不研究土的结构强度。残积土：原地残留，未搬运和分选，1 保留岩石残余凝聚力（结构强度）；2 颗粒组成不明确，外力作用“颗粒”可压缩或压碎，粒度变细。,残积土测试,很不均勻，大小混杂，夹硬质岩块，不同母岩和不同风化环境，残积土特性大不相同。试样小代表性不足，试验数据离散性很大；取样易扰动，残余凝聚力或结构强度极易破坏。原位测试为主，标准贯入、动力触探、旁压试验、载荷试验等，以载荷试验为主确定地基承载力和变形参数。,案例23 墨西哥Texcoco抽水造湖与现场试验,墨西哥软土：火山灰湖泊中沉积，100%小于0.005mm，片状，含水量达400%，塑限、液限以百计。原状土

8、十字板强度10kPa，灵敏度10以上。原状土直立，摇晃几下即成稀泥。抽取地下水，70年代地面沉降累计最大9m。砂层中井管高出地面数米。端承桩成“高桩承台”，影响抗震性能。,Texcoco改造项目,软黏土两层，含水量约300，孔隙比约10，上层厚35m，下层厚12 m，中夹砂层，50 m下是10 m厚的砂层。现为荒滩，拟改造为大公园。若干人工湖、排水渠道（总长18km，深5m）、高速公路、飞机场、污水处理场、植树种草等,大量原型试验研究,厉时数年，工地成大实验室。项目：抽水造湖；补偿式基础；桩基工程；堆方工程；机场跑道；高速公路；渠道开挖；土瓖改良，植树种草。工程实施和使用过程中，继续长期观测。

9、常规勘察是设计前期工作的一小部分。,抽水造湖,井距l60m，深60m，进入下部砂层，井间设孔压计。自然水位接近地面，井水位深平均30m，井间水位平均20m，深层沉降标测分层压缩。造湖面积4.2km1.2km5年抽水，体积压缩总量l760万m3。除边缘外，沉降量约4 m，180口井总抽水量700Ls。不用任何开挖设备和运输工具，造价经济，现场文明。,天高不算高，人智高一超。平地沉作湖。不动土一锹。,堆方试验,为湖堤、高速公路，确定堆方稳定性和沉降量，试段长l00m，高3 m，顶宽20m，底宽60m。经7年观测，堆方中心沉降1.40m测斜仪量测深部水平位移，平均5cm。结论：堆方压力下竖向沉降为主

10、 水平位移很小，堆方稳定。,渠道开挖试验,按常规计算，稳定坡度1/12。灵敏度高，不扰动，利用其结构强度。两个试验段，不用挖土机和运输车，保持水位，用挖泥船水下开挖运输。挖深4 m，坡度1/3。设监测元件监测 开挖、放水、灌水时的水平、垂直位移，控制施工速度。多次放水、灌水，四、五年观测，边坡稳定，方法可行。,桩基试验 负摩擦试验,试验桩长30m，三角形截面，边长500mm。沿桩长设置观测压力元件。第一阶段无附加荷载，观测抽水地面沉降的负摩擦力；第二阶段为加载试验，考察时未开始。第一阶段随着抽水和地面沉降，从地表至22m，轴向压力自上而下增加；22m下自上而下减小，桩端最小。中性点位置在22

11、m，以上负摩擦，以下正摩擦。,结构强度的普遍性,土的原状结构具有的强度，非压密固结形成。几乎所有土都有结构性，成因和表现各不相同：黏性土：胶体化学、双电层；黄土：钙质胶结架空结构；红黏土：红土化、上硬下软、裂隙特征；膨胀土：亲水矿物、反复胀缩、“裂土”；结晶岩残积土：岩石的残余凝结力；,盐渍土：阳离子和阴离子组分和含量；“硬壳层”：干缩形成结构强度；砂：粒状土，不同排列不同强度，黏聚力不一定是0；灵敏度反映结构强度，低灵敏黏土12，高灵敏黏土10以上。多数情况一旦破坏，很难恢复。,结构强度的多样性,软土的触变：胶体摇晃，凝胶-溶胶，静止，溶胶-凝胶，有结构-无结构的可逆过程，时间的函数。黏性土

12、表面吸附胶体，凝胶生成结构强度，溶胶丧失结构强度。胶体颗粒小于0.002mm。粉土摇振效应机制与上述触变不同。,结构强度的多样性,红土化：高温高湿氧化环境下，碱金属、碱土金属、硅迁移；铁、铝氧化物积聚。黏粒聚集，负电荷与阳离子结合，形成水稳性好的结构。盐酸盐红黏土，下接基岩，上硬下软，裂隙。孔隙比高，液限高，黏粒含量高，强度也高。强度形成不能用自重压密和固结状态解释。,结构强度的多样性,黄土：干旱或半干旱环境生成，粉土颗粒以点接触为主的架空结构，少量盐晶和黏粒胶结，水稳性差。亲水黏土矿物胀缩性；随气候反复；超固结性：反复胀缩形成，侧压力系数很高；裂隙性：密集镜面状剪切裂隙；强度特性：随含水量增

13、大衰减；干湿循环破坏结构性，重塑土胀缩性高于原状土。,结构强度的多样性,膨胀土强度试验：直剪、三轴剪意义不大，初始含水量不代表工程实况；非饱和土参数不实际。放坡：自然稳定坡角；挡土：不能用土压公式计算，侧压力很高；构造措施防增湿强度降低；地基：胀缩变形控制，大压力有利；无理论计算方法，按胀缩性分级采取措施。,传统土力学的局限,传统土力学是重塑土力学，饱和土力学。传统土力学未考虑结构性；非饱和土力学不成熟岩土工程用土力学应注意其局限。黏性土的状态-原状土不同重塑土；固结试验-理论上限饱和土；三轴试验的固结和排水-理论上限饱和土,土的结构性难以用传统土力学理论说明：孔隙水压力与有效应力原理；土的压

14、密状态或固结状态；建立在有效应力基础上的 强度理论和测试方法；沈珠江：土体结构性数学模型和相应理论用原位测试和原型试验补充不足，载荷试验、试桩、试验性施工、原型监测等。,原型试验,墨西哥TEXCOCO；敦煌盐胀性土（案例30）；青藏铁路（案例32）；载荷试验、试桩：现场原型试验、试验性施工；地基处理规范：预压、强夯、强夯置换、注浆、复合地基，均强调现场试验或试验性施工；新编高填方地基处理规范机场岩土工程设计规范要求：高填方大面积施工前，在代表性场地进行现场试验或试验性施工，确定或优化施工方法和参数。,3 岩石地基承载力,案例5南京紫峰大厦岩石地基挖孔桩基础,总建筑面积239 400m2，主楼地

15、上70层，高320m，办公及五星酒店，平均压力1000kPa，核心筒2000kPa，筏板下挖孔桩基础，筏板厚3.4m；副楼地上24层，高100m，酒店式公寓，平均压力630kPa，筏板厚1.5m，天然地基；裙楼地上7层，高36m；280kPa，天然地基；纯地下4层，埋深20.4m，商场、停车场、设备机房，超补偿，抗浮锚杆。,紫峰大厦平面布置图,地层,1杂填土（Q4ml）2淤泥质填土（Q4ml）粉质黏土（Q4al）1粉质黏土（Q3al）2粉质黏土（Q3al）3粉质黏土（Q3al）残积土（Q1-2el）1a全风化安山岩（J3）1b强风化安山岩（J3）2中风化安山岩（J3），分4个亚层：2a较完整较

16、软岩-软岩 2b较完整软岩、极软岩2c较破碎-破碎软岩 2d较破碎-破碎极软岩,载荷试验11次，承压板面积0.03m2和0.5m2,承载力特征值 综合判定（未修正）,1a，全风化安山岩：350kPa；1b，强风化安山岩：1200kPa；中风化安山岩2a，较完整较软岩-软岩：4400kPa；2b，较完整软岩：3500kPa；2c，较破碎-破碎软岩：4000kPa；2d，较破碎-破碎极软岩：1100 kPa。变形模量：360900MPa,基础选型,主楼如用天然地基，承载力和变形均可满足，但由于建筑物“高、重、大、深”，荷载差别很大，地基岩性变化多，设计单位最后确定采用挖孔桩基础。自平衡法桩基载荷试

17、验，确定了桩基承载力。进行了桩基沉降分析,沉降观测 满足要求,珍贵的载荷试验资料和实体工程监测成果岩土单元划分类似结构的构件，岩土单元的位置、尺寸相当于构件的位置和尺寸，岩土单元的工程特性指标相当于构件的材料性能。设计计算的基本依据问题：同一场地，单元代号和名称前后不一；同一岩土单元，指标不属一个统计母体；岩石时代和名称划分过细；复合单元，宜“分别统计，综合评价”。,岩体破坏特征,1 剪切破坏，与土相似，Mohr-Coulomb准则；2 拉伸破坏，脆性岩石低围压破坏，Griffith 或Hock-Brown准则；3 沿固定弱面（结构面）剪切破坏 如层面、节理面、断层面、软弱夹层等对建筑物地基：

18、硬岩承载力足够，沿弱面剪切不多 最关心极软岩和极破碎岩,Mohr-Coulomb准则,塑性岩石破坏前有明显的变形，是一种剪切破坏，表現为颗粒间的滑移。软岩地基一般为塑性破坏，采用Mohr-Coulomb准则。,用莫尔包络线判别材料破坏不适用于有拉应力，不反映强度非线性,Griffith准则,脆性岩石破坏前没有明显的变形，假定材料有细微裂缝，应力作用下裂缝尖端应力高度集中，超过材料强度时裂缝扩展、分叉、贯通，导致破坏，伴随有声发射现象。本质是拉伸破坏而不是剪切破坏，结晶岩一般为脆性破坏。破裂角很小，不同于塑性破坏450-/2 理论与试验不完全一致,平面Griffith准则表述式,，,Griffi

19、th强度曲线,Hock-Brown准则,注意与室内试验和野外试验成果的吻合，非线性经验强度准则，强度包线为抛物线，内聚力和内摩擦角随应力水平变化,岩体的复杂性,岩体的复杂性在于其裂隙性（结构面）结构面组数、结构面产状、结构面粗糙度和充填情况、结构体尺度及其与工程尺度关系、结构面水压力等，结构面的复杂多变 决定了参数难以测定。,岩石地基承载力,建筑地基基础设计规范 fak=r.frkr-折减系数，根据岩体完整程度和结构面的间距、宽度、产状和组合，由地区经验确定。无经验吋，对完整岩体可取0.5；对较完整岩体可取0.20.5；对较破碎岩体可取0.10.2。,当时背景,89版有承载力表。按硬质岩石、软

20、质岩石及不同风化程度列表。修订时取消承载力表，岩石地基承载力在正文中专列一条。岩石工程分类修改：用坚硬程度和完整程度表征岩体工程特性优劣，各分5挡。按此精神，以饱和单轴抗压强度表征坚硬程度，以折减系数体现完整性。缺乏资料，考虑到岩石地基承载力高，容易满足要求，故裕度较大，以确保安全。,当时的考虑,1 岩体强度低于岩块强度，乘以折减系数，越破碎，折减系数越小。2 单轴抗压强度侧向压力为0，地基为三向应力条件下的竖向压缩，偏于安全。因多数情况下己满足要求，可操作性强，工程界广为应用。但对承载力要求较高的工程，不进行深度修正偏于过分保守。,围压的重要影响,剪切破坏-库仑-莫尔准则拉伸破坏-格里非斯准

21、则围压均有重要影响，单轴强度围压为零，是极端情况地基：三向应力条件下的竖向压缩，随埋深增加，围压增大，地基承载力提高 大量试验研究均已证明吉阳核电厂不同深度载荷试验又一次证明,不同侧压力下的应力应变曲线,根据抗剪强度指标计算承载力,重庆规范科茨公式，地基极限承载力fr=Nb b+Nd d+Nc ckNb=tan4（450+k/2）Nd=tan5（450+k/2）/2Nc=（Nd1）cotk 适用于可取试样做抗剪强度试验的完整软岩，裂隙影响可忽略,深度效应,基础有一定埋置深度，基础下的地基是三向应力状态，埋深越大，侧压力越大。库仑-莫尔准则和格里非斯准则虽然适用材料性质不同，但围压均有重要影响，

22、单轴抗压强度试验时围压为零，地基在侧限条件下的受压，随着埋深的增加，围压增大，地基承载力会提高。,多数规范不修正的原因,一是岩石地基承载力历来不进行深宽修正，在思想上已形成定式；二是岩石地基承载力较高，一般工程可以满足要求，不必挖掘这个潜力，因而较少下功夫从事这方面的研究。但对于软岩地基，过分保守对荷载大的工程上有时很难处理。,建议,软岩地基以载荷试验为主确定地基承载力和变形模量，试验要求根据工程要求和经验，重大工程进行大规模系统试验，一般工程做少量检验性试验，小工程有经验可不做载荷试验完整岩体，可取试样，根据抗剪强度指标计算积累旁压试验的经验,岩石地基的变形,强度控制还是变形控制 取决于岩体

23、性质和工程要求可取样做压缩试验用压缩模量，按规范计算不能取样的做载荷试验，按变形模量计算沉降计算方法可多种选择，不限于分层总和法，（弹性理论、数值法等）通过变形观测积累经验,防城港核电厂一期基础沉降，地基以泥岩为主，最大超过30mm,岩土工程勘察规范的分级,抓住坚硬程度、完整程度两个主要因素；与工程岩体分级规范一致对建筑地基主要是V级（软岩地基），但未细分软岩地基不能用坚硬程度、完整程度细分建议用剪切波速分级虽然粗糙，但利于定性判别，区别对待,岩土体按剪切波速分级的优点,1 勘察必测项目，不必为岩土分级专门测试2 与岩土动剪切模量有简单的函数关系3 与地基承载力、地基变形参数密切相关4 原位测

24、定，概括了岩石及其裂隙的综合特性，避免取样，代表性强 5 技术成熟，经验丰富，人为因素较少 6 既可岩，也可土，极硬岩到极软土全部岩土统一分级7 只需一项指标，极为简便，可操作性强 8 与已有规范协调,岩土体按剪切波速分级,分级 剪切波速 分级名称 代表性岩土-1 vs2000 极硬岩-2 2000vs1500 坚硬岩-3 1500vs1100 中硬岩-1 1100vs800 中软岩-2 800vs500 软弱岩，坚硬土-3 500vs300 中硬土-1 300vs150 中软土-2 150vs100 软弱土-3 vs100 极软土,根据剪切波速区别对待,大于1100m/s，核电厂房不必作地基

25、-结构协同作用分析 大于800m/s，对一般建筑地基，承载力与变形均可满足500800m/s，硬土/软岩，似土非土，似岩非岩，根据工程具体要求试验研究，由规范规定小于500m/s，作为土考虑（300m/s为核电厂地基的下限；150m/s为建筑抗震设计规范中软土与软弱土的分界）,4 饱和土的挤土效应,案例8 武汉某高层住宅的桩基失稳事故,地上l8层，地下l层，总高度56.6m，钢筋混凝土剪力墙结构。地下室底板埋深原设计5m，夯扩桩，桩径480mm，单桩承载力l000kN。实际桩长l6.020.0m，桩端持力层粉细砂，穿过厚度13m的淤泥和 淤泥质土，进入粉细砂层深度约0.8m。,地基条件,人工填

26、土，厚1.56.0m；高压缩性淤泥，厚9.414.4m高压缩性淤泥质黏土，厚2.22.4m 两层总厚度12.416.8m；含水量最高78.1，平均58.0；孔隙比最大2.30，平均1.63；压缩模量最小1.2MPa，平均2.0MPa。稍密-中密粉细砂，夯扩桩持力层，以下为砂卵石、基岩。,事故概况,结构封顶后，突然向东北方向倾斜，顶端位移470mm。基础东北角沉降5455mm，西南角沉降仅5mm，对角倾斜1.2%。抢救措施：东北角挖土卸载，注浆加固，打7根锚杆静压桩；西南角加载5000kN。第18天突然转向西北方向倾斜，第22天顶端位移达2884mm，建筑重心偏移1442mm。第二天实施爆破。从

27、发现倾斜到爆破拆除，仅隔三个星期。,事故原因分析,上述过程可见，倾斜是群桩失稳，变形呈发散和不稳定态，不是桩端下土压缩造成的不均匀沉降。1 桩型选择不当：夯扩桩是挤土桩，淤泥和淤泥质土对挤土极为敏感；2 桩端进入持力层仅0.8m：侧向有十几米厚的淤泥和淤泥质土，约束力严重不足；3 桩身严重缺陷：三类桩占被检测桩的20；,4 基坑开挖失控：仅部分地段设置粉喷桩，致淤泥移动，推动桩体偏移，336根桩中有172根桩位偏移超过规范，最大1700mm；5 歪桩正接：336根桩完成l90根时，底板提高2m。偏位桩接长2m，桩身成折线。6 应急措施不当：对失稳性质缺乏正确判断，采取挖土、注浆、堆载措施纠倾，

28、加速失稳。,巍巍钢骨水泥楼，歪斜旋动不可收。只缘淤泥无约束，可怜一瞬石渣流。,案例7 昆明某工程基础事故的概念设计问题,综合楼，地面以上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78.6 m，宽35.9 m，埋深近11.0 m。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：1.40m2.30m，次梁0.60m2.18m；筏板厚度：筒体部分1.0m，其余0.6m。,筏基平面,地基条件,70m深度内全部

29、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1.21.6m。筏基座落在粉土层上，桩端持力层为粘土层（相对软弱）。,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。,事故原因的概念性分析,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。,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！,小结,挤土效应：饱和土和非饱和土，强透水土和弱透水土，挤土桩和非挤土桩。其他实例：福州、丹东软土侧向约束和桩进入持力层深度工程师的判断力,5 基坑隆起和水患,广东某工程,工程概况地面以上27层，总高99.8m，地面以下4层，基坑深度16.5m。地下室平面尺寸为：东西宽约70m，南北长约90m。土质概况海积、海陆交互沉积，厚度极不均匀，海陆交互沉积以下为残