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(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)4. 理論在工程實(shí)踐中的重要作用5. 概念上容易混淆的幾個(gè)土力學(xué)問(wèn)題6.一些值得推廣的測(cè)試項(xiàng)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(shí)要充分地依據(jù)土力學(xué)原理；經(jīng)驗(yàn)規(guī)則必須符合土力學(xué)原理；執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)際情況時(shí)應(yīng)以土力學(xué)原理為指導(dǎo)來(lái)解決工程問(wèn)題。,兩種標(biāo)準(zhǔn)化體系的不同處理方法,在市場(chǎng)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(gè)不同的事務(wù)所的解決方法都可用有知識(shí)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(jì)劃經(jīng)濟(jì)條件下形成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公共知識(shí)，用了出事故誰(shuí)也沒有法律責(zé)任；在現(xiàn)實(shí)條件下，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制遇到了知識(shí)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(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特

3、點(diǎn),我國(guó)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(guò)局部實(shí)踐使用過(guò)的經(jīng)驗(yàn)；再加上目前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的管理中存在的問(wèn)題；工程實(shí)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(shí)踐中的重要作用,土力學(xué)的基本規(guī)律對(duì)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(jiǎn)單的計(jì)算+量測(cè)反饋+經(jīng)驗(yàn)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(shí)測(cè)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(jiān)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(duì)較薄，應(yīng)力沿深度衰減比較慢軟弱下臥層應(yīng)力水平過(guò)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(lè)大樓65.0 ?14.15.50851605.44,,,,,,,,,,事 后 諸 葛 亮如果當(dāng)時(shí)計(jì)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(guò)大沉降是由超大面積的基底荷載引起的；沉降驗(yàn)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(zhǎng)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(dòng)，而在過(guò)一段時(shí)間后才滑動(dòng)？,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(zhǎng)75m地面標(biāo)高＋4.2~4.7m，設(shè)計(jì)基坑底面標(biāo)高－5.33m，開挖深度近10m按三級(jí)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(jí)輕型井點(diǎn)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(dòng),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(shí)；沒有進(jìn)行任何的位移觀測(cè)，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(jí)井點(diǎn)向基坑中移動(dòng)13m。,,事故分析,1. 10m的高差形成的壓力差超過(guò)了軟土的承載能力；2. 由于坡面非常平緩，滑動(dòng)的形式是深層滑動(dòng)，以中點(diǎn)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(shí)，而滯后一定的時(shí)間；4. 沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)的教訓(xùn)。,加載與卸載的比較,焦化廠配煤房?jī)A斜事故,在 47.5m?10.8m筏形基礎(chǔ)上5個(gè)直徑8

10、m高31m的儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(duì)化；歷史和實(shí)踐證明，單純憑經(jīng)驗(yàn)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(gè)土力學(xué)問(wèn)題,1. 地基承載力2. 深層平板載荷試驗(yàn)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(diǎn)以壓板寬度的某一百分率沉降對(duì)應(yīng)的壓力值,兩種不同的載荷試驗(yàn),,深寬修正公式的來(lái)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(yàn)的方法；2. 提出的目的是為了將載荷試驗(yàn)的結(jié)果用之于實(shí)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(jì)算；

13、如果用小尺寸計(jì)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(jì)算的結(jié)果，是不可以修正的。理由有兩點(diǎn)：一是用承載力公式計(jì)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(jì)算方法的可信度和理論層次都低于用承載力公式計(jì)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(yǔ)矛盾,第2.1.3條，地基承載力特征值－指由載荷試驗(yàn)測(cè)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(duì)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(duì)軟土，?b＝0而?d?0？3. 如果?d＝0，將會(huì)出現(xiàn)怎樣的結(jié)果？4. fak是什么概念？是b＝3，d＝0.5時(shí)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(píng)價(jià)其地基承載力？1. 對(duì)10m處的土層用小尺寸（例如d＝2m，b＝1.5m）進(jìn)行計(jì)算；2. 然后將計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行深寬修正到實(shí)際的尺寸；3. 用實(shí)際尺寸計(jì)算（寬度按最大6m計(jì)，埋深按10m計(jì)）承載力；,討 論,1. 用小尺寸載荷試驗(yàn)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(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算；其中，寬度的限制6m是一種經(jīng)

16、驗(yàn)處理；為什么對(duì)深度沒有加以限制？,這種方法是否合適？,對(duì)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(jì)算了地基承載力，并分層地在勘察報(bào)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(shí)都有假定的基本條件，計(jì)算的條件應(yīng)當(dāng)與假定條件基本相符。現(xiàn)在將一個(gè)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(jì)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(yàn)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(cè)得的變形模量越??； 有認(rèn)為土的深度越深，固結(jié)壓力越大，土越密實(shí)，因而模量應(yīng)當(dāng)越大才對(duì)；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(shí)，因而模量越大”是從地質(zhì)學(xué)的觀點(diǎn)得出的結(jié)論；2. 作為一個(gè)地質(zhì)單元?jiǎng)澐殖鰜?lái)，將土的性質(zhì)均勻化了，用一個(gè)模量來(lái)描述；3. 在一個(gè)地質(zhì)單元中，測(cè)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(yàn)）而異；,在同一個(gè)平面上，壓板面積相同，荷載相

18、同：1) 測(cè)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(yàn)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(cè)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(diǎn),滑動(dòng)面不延伸到地面，不會(huì)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(dòng)側(cè)的滑動(dòng)土楔的面上；土體對(duì)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(cè)定,在條件允許的情況下，可以用深層載荷試驗(yàn)測(cè)定，但沒有反映樁側(cè)作用的影響；在試樁時(shí)，可以直接測(cè)定樁體條件下的端阻力，可以證明長(zhǎng)樁的端阻力發(fā)揮得很少；對(duì)于沒

20、有量測(cè)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(chǎng)地條件，樁越長(zhǎng)，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(shí)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(jì)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(wú)關(guān)；,用于計(jì)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(wú)關(guān)；承載力將與基礎(chǔ)埋深無(wú)關(guān)；,用于計(jì)算土壓力的問(wèn)題,?＝0°，c＝30kPa ；? ＝15°，c＝10kPa,一些值得推廣的測(cè)試項(xiàng)目,1.孔內(nèi)滲透試驗(yàn) 2.扁鏟側(cè)脹儀3.等梯度固結(jié)試驗(yàn)這些試驗(yàn)并不是很新的東西，但過(guò)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(yàn) borehole permeability tests,孔內(nèi)滲透試驗(yàn)包括常水頭法滲透試驗(yàn)和變水頭法滲透試驗(yàn)，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(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5930：1981 Code of practice for Site investigations,,常水頭法試驗(yàn)時(shí)，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(shí)間關(guān)系曲線。10.3.6 根據(jù)常水頭法滲透試驗(yàn)結(jié)果，按下式計(jì)算滲透系數(shù)k：,,升水頭試驗(yàn)可在孔內(nèi)抽水至一定深度，測(cè)讀隨時(shí)間的水位，直至水位基本穩(wěn)定；降水頭試驗(yàn)可在孔內(nèi)注水至一定高度，測(cè)讀隨時(shí)間的水位，直至水位基本穩(wěn)定。間隔時(shí)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(shí)間t關(guān)系曲線。,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn),探頭長(zhǎng)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(yàn)前后均應(yīng)進(jìn)行探頭率定，取試驗(yàn)前后的平均值為修正值；膜片的合格標(biāo)準(zhǔn)為：率定時(shí)膨脹至0.05mm的氣壓實(shí)測(cè)值ΔA＝5～25kPa；率定時(shí)膨脹至1.10mm的氣壓實(shí)測(cè)值ΔB＝10～110kPa；,試 驗(yàn)

25、方 法以2cm/s的均勻速率壓入，試驗(yàn)點(diǎn)的距離20～50cm；試驗(yàn)時(shí)，均勻加壓和減壓，測(cè)定膜片膨脹至0.05mm、1.10mm和回到0.05mm時(shí)的壓力A、B和C值；作消散試驗(yàn)時(shí)，測(cè)讀時(shí)間間隔為：1min、2min、4min、8min、15min、30min、90min，以后每90min測(cè)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(shí)的壓力膜片回到0.05mm時(shí)的終止壓力,試 驗(yàn) 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(yàn)的改進(jìn),固結(jié)試驗(yàn)每級(jí)壓力下的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24小時(shí)，致使固結(jié)試驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)；由于快速固結(jié)法的修正結(jié)果沒有固結(jié)度的概念，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在條文說(shuō)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(yàn)時(shí)間的方法？等梯度固結(jié)試驗(yàn)是一種可行的方法，已列入試驗(yàn)國(guó)標(biāo)，應(yīng)該推廣使用。,等梯度固結(jié)試驗(yàn),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(shí)施加的軸向荷載的3%～20%；數(shù)據(jù)采集時(shí)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(yàn)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(shí)的孔隙比，是變形穩(wěn)定的孔隙比；一般的固結(jié)試驗(yàn)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(cè)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(shí)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(jì)算,《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）14.1.10條規(guī)定正確的計(jì)算公式,壓力從p1增大到p2，孔隙比從e1減小到e2，應(yīng)變?cè)隽康扔谠嚇痈叨鹊膲嚎s量與壓縮前試樣高度之比模量等于壓力增量與應(yīng)變?cè)?/p>

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(jì)算公式為：,如用該標(biāo)準(zhǔn)公式(14.1.8)推導(dǎo),從這個(gè)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(shí)際的。,結(jié) 束 語(yǔ),土力學(xué)原理是指導(dǎo)巖土工程勘察、設(shè)計(jì)的重要理論；我國(guó)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(yàn)規(guī)定的合理性應(yīng)當(dāng)是符合土力學(xué)原理的；注冊(cè)考試的重點(diǎn)不是那些純