勘察設(shè)計(jì)若干基本概念(顧寶和2010)

1、,,巖土工程勘察設(shè)計(jì)的若干基本概念 2010年6月,目 錄,1 概念與方法2 與巖土工程有關(guān)的地下水問題3 孔隙水壓力與有效應(yīng)力原理4 作用、抗力與安全度5 地基承載力6 地基變形，地基與結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào),1 概念與方法,1.1 巖土工程的主要概念1.2 概念的重要性1.3 概念與方法關(guān)系,1.1 巖土工程的主要概念,幾個(gè)常識性案例1 珊瑚石的土粒密度，經(jīng)驗(yàn)估值取2.67？

2、2 休止角測定值340、內(nèi)摩擦角取320、地基承載力特鉦值取120kPa？3 勘察報(bào)告中用抽水試驗(yàn)主孔與觀測孔的水力坡度計(jì)算地下水流速？4 建筑物的計(jì)算沉降小于載荷試驗(yàn)的沉降？,用變形模量按理論公式換算壓縮模量,理論：壓縮模量側(cè)限條件下進(jìn)行， 變形模量無此側(cè)限條件，Es大于E0 E0 = β Es實(shí)際：試驗(yàn)條件不同，與理論關(guān)系不符。 高壓縮性土兩者較接近， 低壓

3、縮性土E0明顯高于Es,某工程的滲流破壞,基坑深約9m，自然水位約4m，上部和坑底下2~3m為粉土和粉粘，其下為巨厚長辛店礫石層，降水井深在礫石層表面，外圍回灌。開挖至7m見水，強(qiáng)行挖到底，周邊挖溝填礫排水，坑中普遍發(fā)現(xiàn)“上升泉”，坑底土載荷試驗(yàn)極不正常，土質(zhì)嚴(yán)重?cái)_動。,,判斷為坑底粉土豎向滲透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平滲透性 實(shí)質(zhì)為滲流變形破壞，后改用樁基。,幾個(gè)概念性問題,巖溶地基一柱一樁好不好？ 土是否都是越擠越密？高層建筑、框

4、架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)的變形控制性模式各有什么不同？順層邊坡、膨脹土邊坡、危巖邊坡的破壞模式錨桿支護(hù)，一根破壞，成片倒塌的漸進(jìn)式破壞。樁筏基礎(chǔ)，嵌巖樁設(shè)計(jì)，部分嵌入，部分未嵌入，因支撐剛度不同的漸進(jìn)式破壞。,巖土工程的主要概念,地質(zhì)演化方面：巖土成因、結(jié)構(gòu)體與結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化作用、巖溶與土洞的形成、地震與斷裂、液化機(jī)制、滑坡等不良地質(zhì)作用與地質(zhì)災(zāi)害的演化等； 巖土力學(xué)方面：靜力平衡原理、應(yīng)力應(yīng)變原理、孔隙水壓力與有效應(yīng)力原理、滲

5、透破壞原理、地下水運(yùn)動規(guī)律、土與結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。環(huán)境方面：建筑材料腐蝕性，廢棄物填埋、工程建設(shè)對環(huán)境的影響等。,1.2 概念的重要性,概念不清的人，經(jīng)驗(yàn)是表面的，片面的，非理性的，只見現(xiàn)象，不見本質(zhì)，憑直觀的局部經(jīng)驗(yàn)處理問題，容易犯原則性的錯(cuò)誤；概念清楚的人獲得的經(jīng)驗(yàn)是全面的，理性的，系統(tǒng)的，遇到工程問題時(shí)，能透過現(xiàn)象，看到本質(zhì)，舉一反三，有很強(qiáng)的洞察能力和判斷能力，能自覺地運(yùn)用理論和經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)應(yīng)上升到理論層面上去總結(jié)。,1.3

6、概念與方法關(guān)系,概念：不是事物的現(xiàn)象，事物的片面，不是他們的外部聯(lián)系，而是抓住了事物的本質(zhì)，事物的總體，事物的內(nèi)在聯(lián)系，是認(rèn)識過程的理性階段。方法：勘探方法、測試方法、施工方法、計(jì)算分析、軟件的應(yīng)用、文字與圖的表述等。,概念與方法的關(guān)系,方法或手段是工程師的肢體，科學(xué)概念是工程師的靈魂，方法的合理應(yīng)用必須有靈魂來統(tǒng)帥。有了機(jī)智的靈魂，強(qiáng)健的肢體才能發(fā)揮出能力。,理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合,工程師階層的產(chǎn)生 工程師需要經(jīng)驗(yàn), 經(jīng)驗(yàn)是衡量工

7、程師能力的主要尺度。但須與理性的概念結(jié)合，分散的非理性的經(jīng)驗(yàn)不一定可靠，植根于理性的經(jīng)驗(yàn)才有生命力。工程師需要理論，理論具有普遍性，理論才能認(rèn)識事物的本質(zhì)，理論掌握深淺是衡量工程師水平的重要尺度。但必須與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，某些深奧的理論對認(rèn)識事物的本質(zhì)可能有用，但用于解決工程問題未必優(yōu)于簡易的經(jīng)驗(yàn)方法。,反對兩個(gè)盲目性,片面強(qiáng)調(diào)理論，輕視經(jīng)驗(yàn)； 片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)，輕視理論。 認(rèn)識問題要

8、深入，深刻的理論才能揭示事物本質(zhì)。解決問題要簡捷，注重工程效果，不追求理論完 美。,2 巖土工程有關(guān)的地下水問題,2.1 靜水壓力2.2 流網(wǎng)2.3 越流滲透2.4 滲透變形與破壞2.5 裘布依假定,2.1 靜水壓力特征,靜水壓力的等向性靜水壓力的三角形分布靜水壓力與土的孔隙度無關(guān)靜水壓力與土的滲透系數(shù)無關(guān),靜水壓力等向性,靜水中只存在壓應(yīng)力, 剪應(yīng)力均為零，

9、否則就會流動。各個(gè)方向的壓力均相同，水壓力的作用必與該界面垂直。水土分算將孔隙水壓力提出，主動被動側(cè)壓力系數(shù)均為1.0，土用有效強(qiáng)度計(jì)算；水土合算將水壓力合并在土壓力中，隨土的總應(yīng)力強(qiáng)度變化。從概念上分析，水土分算符合有效應(yīng)力原理。,壓力的三角形分布,僅與深度有關(guān)，與邊界形狀，與水體大小無關(guān)。流經(jīng)弱透水層水頭損失，浮力降低，但工程與土之間必須緊密接觸或嚴(yán)密封閉。,靜水壓力與土的滲透系數(shù)無關(guān),滲透系數(shù)小只產(chǎn)生滯后效應(yīng)，長期效應(yīng)與其

10、他土相同。除非完全不透水，不傳遞靜水壓力。靜水壓力與土的孔隙度無關(guān),2.2 流網(wǎng),流網(wǎng)力學(xué)概念明確，解題直觀，利于深入理解滲流現(xiàn)象的本質(zhì)特性,流網(wǎng)性質(zhì),等勢線與流線正交；如各等勢線間的差值相等，各流線間的差值相等，則各網(wǎng)格的長寬比相等；在不透水邊界，等勢線與之垂直，流線與之平行；在等水頭邊界，流線與之垂直，等水頭邊界即等勢線；等勢線越密，水力梯度越大；流線越密，流量越大。網(wǎng)格越密，水力梯度、流速、流量越大，由滲透造成的孔隙

11、水壓力越大，越易產(chǎn)生滲透變形；反之，網(wǎng)格越稀，水流越平穩(wěn)。,,,,,2.3越層滲流地下水頭的變化,多層地下水夾弱透水層時(shí)如水頭不相等，發(fā)生豎向越流滲透。下層水頭較高向上滲流；上層水頭較高向下滲流。以大氣降水為主要補(bǔ)給源時(shí)，向下滲流，下層水頭較低；山前側(cè)向補(bǔ)給深層地下水時(shí)，下層水頭高，上層水頭較低。原理與水平向滲流相同。無越層滲流的多個(gè)含水層，同一平面位置上，上下各點(diǎn)的水頭相同，與深度無關(guān),自上而下滲流,,,自下向上滲流,,,2.

12、4 滲透變形與破壞,地下水在土體流動，受土粒的阻力，產(chǎn)生水頭損失，按作用和反作用原理，水流必定對土粒施加一種滲流力。滲流力是一種體積力，量綱與水的重度相同，大小與水力梯度成正比，方向與水流方向一致，用下式表示： J = γW i,,,流土,當(dāng)上下水頭差增大至某一數(shù)值，向上的滲流力克服了土的向下重力時(shí)，土顆粒懸浮，移動，發(fā)生流土。 流土多發(fā)生在級配均勻的粉細(xì)砂或粉土中，具有突發(fā)性，危險(xiǎn)性很大。流土發(fā)生的條件不僅

13、取于滲透力大小，還與土的顆粒級配、密度及透水性有關(guān)。 使土開始產(chǎn)生流土現(xiàn)象的水力梯度稱臨界水力梯度，,管涌,在滲流作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的骨架孔隙中移動流失，隨著土中孔隙擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗的顆粒又繼續(xù)被帶走，最后在土體內(nèi)形成貫通的水流通道，就是管涌。管涌在滲流出口處首先發(fā)生，逐漸向內(nèi)部發(fā)展，有個(gè)時(shí)間發(fā)展過程，是一種漸進(jìn)性破壞。流土與管涌的判別規(guī)范有規(guī)定,2.5 裘布依假定,含水層水平、均質(zhì)，有自由水面；

14、抽水穩(wěn)定后，地下水以徑向軸對稱流入井中，圓柱形側(cè)面影響半徑處保持常水頭；抽水穩(wěn)定后, 井周圍圓柱形斷面不同深度處的水力梯度相等，水力梯度等于動水曲面的坡度；井壁潛水面與井水位齊平。,,裘布依公式不適用于大降深,襲布依假定忽略了豎向分量，對承壓水井，符合二維流，水力梯度為ds/dx ，符合假定；對潛水井，有彎曲的潛水面，流線彎曲，等勢面不垂直，屬三維流，裘布依假定意味著令ds/dx=ds/dl，等壓面垂直，等壓面上不同深度的水頭均

15、相等，水力梯度均相等。 只有在水力梯度相當(dāng)小時(shí)才成立。離井越遠(yuǎn)，垂直分量越小，誤差越?。环粗?，誤差越大。,潛水井流線,潛水井的滲出面問題,裘布依假設(shè)井壁潛水面與井水位齊平，不存在滲出面，如不存在滲出面，當(dāng)井內(nèi)水位降到含水層底板時(shí)，過水?dāng)嗝婷娣e為零，涌水量也應(yīng)為零，實(shí)際仍出水。就是從滲出面上滲出的。自然界潛水面出口處的下降泉，基坑壁有時(shí)“疏不干”，均說明:滲出面的存在。,影響半徑的“悖論”,裘布依公式中的影響半徑是獨(dú)立的參數(shù)，與抽降

16、、滲透系數(shù)無關(guān)。經(jīng)驗(yàn)公式的影響半徑則是降深和滲透系數(shù)的函數(shù)。庫薩金公式： 實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也與降深和滲透系數(shù)有關(guān)。裘布依公式的影響半徑是虛擬的概念。,穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流,裘布依單井公式及由疊加原理導(dǎo)出的群井公式，均為穩(wěn)定流。實(shí)際基坑降水是穩(wěn)定流還是非穩(wěn)定流，視現(xiàn)場條件、補(bǔ)給條件、抽水量等情況而定，有的開始抽水為非穩(wěn)定流，后期轉(zhuǎn)為穩(wěn)定流；有的始終為非穩(wěn)定流。,潛水泰斯公式問題,A 導(dǎo)水系數(shù)是變數(shù)而不是常數(shù)；B 井的附近是三維流，既要考

17、慮水平分量，還要考慮垂直分量；C 含水層中釋放出來的彈性儲存量（與儲水系數(shù)有關(guān)）很少，而主要來自含水層的疏干（與給水度有關(guān)），與給水度有關(guān)的儲存水不是瞬間完成，而是逐漸釋放的。目前尚無嚴(yán)格的解析解。,數(shù)值法,尚有非完整井，繞流隔水帷幕，注水補(bǔ)給等問題?；咏邓膹?fù)雜性為三方面，一是含水層和隔水邊界分布的復(fù)雜性，變化多端, 滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)變化無常，且不易確定。二是補(bǔ)給條件的復(fù)雜性，包括補(bǔ)給邊界、補(bǔ)給類型和補(bǔ)給強(qiáng)度；三是抽灌引

18、起滲流場的復(fù)雜變化，如何預(yù)測潛水自由面隨時(shí)間的升降過程。數(shù)值法有較大的適應(yīng)性，但也不能過分依賴，不能以為有了一個(gè)商業(yè)軟件就能解決一切問題。,3 孔隙水壓力與有效應(yīng)力原理,3.1 孔隙水壓力的類型3.2 有效應(yīng)力原理3.3 壓縮固結(jié)過程中的孔隙水壓力3.4 孔隙水壓力與土的抗剪強(qiáng)度3.5 地震液化與孔隙水壓力3.6 壓實(shí)、強(qiáng)夯、擠土樁與孔隙水壓力,3.1 孔隙水壓力的類型,（1）靜水壓力

19、 穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的地下水壓力（2）滲流力 滲流運(yùn)動，沿滲流方向的滲流力（3）超靜水壓力由于靜力或動力，在靜水壓力基礎(chǔ)上增長，非穩(wěn)定性質(zhì)，有發(fā)生、積累、消散的過程，與土的有效強(qiáng)度密切相關(guān)。（4）負(fù)孔隙水壓力 存在于非飽和土中。,3.2有效應(yīng)力原理,太沙基有效應(yīng)力原理 σ＝u＋σ’ 受到外力，包括靜壓，沖擊、打樁、車輛，地震等，

20、原已穩(wěn)定，完全由土顆粒承擔(dān)壓力（有效應(yīng)力）狀態(tài)被打破，全部或部分由孔隙水承擔(dān)，孔壓上升、積累，有效應(yīng)力降低。隨著孔隙水從土中排出，超靜水壓力逐漸消散，直至恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。消散的快慢決定于土的滲透性和滲流路徑。,,3.3 固結(jié)過程的孔隙水壓力,固結(jié)過程基本概念,1 固結(jié)沉降是孔隙水壓力即超靜水壓力消散的過程；2 固結(jié)沉降的速率決定于土的滲透系數(shù)和排水路徑的遠(yuǎn)近；3 滲透系數(shù)很小的軟黏土，不解決排水問題的單純預(yù)壓，效果不好；4 為加速

21、固結(jié)沉降，在土體中建立排水通道，消散孔隙水壓力是最有效的措施。,3.4 孔隙水壓力與土的抗剪強(qiáng)度,1 砂土孔壓消散快，對正常加荷速率，強(qiáng)度與加荷速率關(guān)系不大。地震瞬時(shí)動荷載導(dǎo)致松砂液化。2 粉土和粘性土，加荷初期孔壓最高，有效強(qiáng)度最小，最危險(xiǎn)，隨時(shí)間推移，孔壓消散，有效強(qiáng)度提高，安全性提高。滲透性越小，提高越慢。3 慢速加載有利于充分發(fā)揮土的強(qiáng)度,提高安全度。,抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)與孔隙水壓力,直剪試驗(yàn) 快剪 固結(jié)快剪

22、 慢剪三軸試驗(yàn) 對飽和土 取樣膨脹產(chǎn)生負(fù) 孔壓，可先預(yù)飽和非飽和土只是借用飽和土原埋 總應(yīng)力法有三套指標(biāo)，有效應(yīng)力法有一套指標(biāo),,UU試驗(yàn) CU試驗(yàn),UU試驗(yàn) 增大σ3只引起孔壓增加，有效應(yīng)力不變，故只有c，φ為0，抗剪強(qiáng)度線為水平線。 土成為凝聚材料，不是摩擦材料，強(qiáng)度隨深度而增大。CU試驗(yàn)： 正常固結(jié)土，抗剪強(qiáng)度線通過原點(diǎn)，c為0，部分飽和土，包線前段為非飽和狀態(tài)，

23、c不等于0。 超固結(jié)土，前段受先期固結(jié)壓力影響，抗剪強(qiáng)度偏高,飽和粘性土不排水剪 UU,,,部分飽和土不排水剪 UU,正常固結(jié)土固結(jié)不排水剪 CU,超固結(jié)土固結(jié)不排水剪 CU,CD試驗(yàn)：有效應(yīng)力法,CD試驗(yàn)：正常固結(jié)土，包線通過原點(diǎn)，但φ值比CU試驗(yàn)高 超固結(jié)土，包線不通過原點(diǎn)，c值決定于先期固結(jié)壓力有效應(yīng)力法 CU試驗(yàn)測孔隙水壓力，得c， φ，,正常固結(jié)土排水剪 CD,超固結(jié)土排水剪 CD,,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的應(yīng)用

24、問題,直剪與三軸剪各有優(yōu)缺點(diǎn) 有效應(yīng)力法符合土力學(xué)原理 難以估計(jì)現(xiàn)場孔壓 工程中很少應(yīng)用 固結(jié)、不固結(jié)、排水、不排水都是極端情況，工程中只按接近情況選用 工程勘察的三軸試驗(yàn)只做3~4個(gè)莫爾圓，包線按直線非飽和土只是借用飽和土原埋,3.5 超靜水壓力與地震液化,砂土或粉土震密，孔壓迅速上升，失去強(qiáng)度，大幅沉陷。 粘性土, 有粘聚力 不液化

25、 粗砂礫石, 孔壓消散快，不易液化粉細(xì)砂、粉土 最易液化,非飽和土的破壞面,非飽和土存在基質(zhì)吸力，存在負(fù)孔隙壓力，用三維方式表達(dá)土的應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系。,地震液化與孔隙水壓力,液化和非液化震害區(qū)別非液化 慣性力造成建筑損壞、倒塌， 數(shù)秒鐘內(nèi)發(fā)生液 化 地基失效，噴水冒砂，土體滑移， 地裂縫 建筑物沉陷、拉裂、傾鈄，

26、 數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘過程,噴水冒砂,嚴(yán)重水土流失，地面和建筑大幅沉陷， 無法計(jì)算液化而不噴冒，危害不大噴冒點(diǎn)分布受地形，地層，工程影響， 集中在溝渠、井、基礎(chǔ)外側(cè)噴冒后土的密度極不均勻，噴胃孔咐近 N = 0噴冒前有“”水夾層,建筑基礎(chǔ)下液化,液化次序 基礎(chǔ)外側(cè) 最易液化，自由場次之，基礎(chǔ)下最晚兩側(cè)土先軟化，失去支承，壓力重分布，基礎(chǔ)下應(yīng)力增加，失穩(wěn)，表現(xiàn) 兩側(cè)噴冒程度

27、超過自由場，基礎(chǔ)大幅沉陷大基礎(chǔ)有利于抗液化破壞,液化的判別,剪應(yīng)力比較簡化法統(tǒng)計(jì)法規(guī)范方法,K0=1.0時(shí)的孔壓與應(yīng)變,西特的剪應(yīng)力比較簡化法,0.65是隨機(jī)振動轉(zhuǎn)換為等效均勻循環(huán)振動的系數(shù)γd為對剛體的折減系數(shù)。,《抗震規(guī)范》判別式,3.6 壓實(shí)、強(qiáng)夯、擠土樁 與孔隙水壓力,1 飽和軟粘性土，不宜壓實(shí)、夯實(shí)、擠密加固。2 飽和軟粘性土，慎用擠土樁。單樁和樁數(shù)少的可能問題不大，

28、 對樁數(shù)多的樁筏基礎(chǔ)應(yīng)特別慎重。3 樁筏采用擠土樁時(shí)，嚴(yán)格控制樁距，不能過密。間隔跳打，設(shè)置孔壓監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整施工進(jìn)程，嚴(yán)格控制孔隙水壓力。舉例,4 作用、抗力與安全度,4.1 作用--荷載4.2 材料性能4.3 安全度的表達(dá)4.4 討論,4.1 作用---荷載,能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)(結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等)的各種因素稱為作用，荷載是最常見的作用,荷載的主要類型,

29、1 永久荷載，例如結(jié)構(gòu)自重、土壓力等。2 可變荷載，例如樓面活荷載、屋面活荷載和積灰荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等。 3 偶然荷載，例如爆炸力、撞擊力等。,永久荷載主要特征,1 在任一時(shí)刻，發(fā)生的概率接近或等于1；2 在結(jié)構(gòu)使用期間，荷載值隨時(shí)間的變化可以忽略；3 荷載值的不確定性的量級與其他荷載相比小很多。巖土荷載雖然也是永久荷載，但取值方法由規(guī)范專門規(guī)定，如有效自重壓力、側(cè)土壓力，地下水浮力等。,可變荷載特征,

30、1 在任一時(shí)刻，荷載出現(xiàn)與否是隨機(jī)事件；2 在結(jié)構(gòu)使用期間，荷載的量值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可忽略不計(jì)；3 可變荷載隨空間變化，也可以是隨機(jī)的。,地震作用與偶然荷載,地震作用：根據(jù)地震動加速度、地震特征周期，按地震反應(yīng)譜取值。偶然荷載：結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短，如撞擊、爆炸、火災(zāi)、龍卷風(fēng)等。偶然荷載出現(xiàn)是罕遇事件，概率極小。,荷載代表值,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對不同荷載采用不同的代表值。

31、永久荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值；可變荷載根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值；偶然荷載按建筑結(jié)構(gòu)使用特點(diǎn)確定其代表值。標(biāo)準(zhǔn)值是概率分布的某一分位數(shù)，如95%。,荷載組合,1 基本組合； 結(jié)構(gòu)計(jì)算 2 偶然組合；3 標(biāo)準(zhǔn)組合； 地基承載力4 頻遇組合；5 準(zhǔn)永久組合。 沉降計(jì)算 荷載分項(xiàng)系數(shù),4.2 材料性能,材料基本力學(xué)性能1 強(qiáng)度，抗壓、抗拉、抗剪；

32、2 變形，彈性變形和塑性變形；3 脆性和延性；4 耐久性巖土既可作為荷載，又可作為材料提供抗力，還可作為腐蝕介質(zhì)和地震波傳播介質(zhì)。,4.3 安全度的表達(dá),事物的不確定性1 事物的隨機(jī)性 概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過程 2 事物的模糊性模糊數(shù)學(xué) 比隨機(jī)性更為深刻的不確定性3 信息和知識的不完善性 客觀信息的不完善性， 主觀

33、知識的不完善性,安全度的表達(dá) 1,1 容許應(yīng)力法 正常使用條件下，比較荷載作用和巖土抗力，要求強(qiáng)度有一定儲備，變形滿足正常使用要求。荷載和抗力的取值都是定值，建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。 安全度已經(jīng)隱含其中信息不充分，依賴經(jīng)驗(yàn)情況下， 有效而實(shí)用,安全度的表達(dá) 2,2 單一安全系數(shù)法 R、S、K、〔K〕分別為抗力、作用、安全系數(shù)和目標(biāo)安全系數(shù)，

34、都是定值，非隨機(jī)變量，都是經(jīng)驗(yàn)的，屬于定值法。,安全度的表達(dá) 3,3 極限狀態(tài)法將巖土及有關(guān)結(jié)構(gòu)置于極限狀態(tài)進(jìn)行分析 達(dá)到某種極限狀態(tài)（承載能力、變形等）時(shí)的抗力。有明確的安全度，可用多安全系數(shù)，但仍屬于定值法。,安全度的表達(dá) 4,4 概率極限狀態(tài)法將設(shè)計(jì)變量視為隨機(jī)變量，對作用、抗力、安全度進(jìn)行概率分析，按失效概率量度設(shè)計(jì)的可靠性，將安全儲備建立在概率分析的基礎(chǔ)上 三個(gè)水準(zhǔn)；水準(zhǔn)I、水準(zhǔn)Ⅱ、水準(zhǔn)Ⅲ。目前普遍采用的是

35、水準(zhǔn)Ⅱ即近似概率法，以可靠指標(biāo)為安全度量度指標(biāo)。,可靠度用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,國家標(biāo)準(zhǔn)的第一層次《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50153國家標(biāo)準(zhǔn)的第二層次《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50199《港口工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50158《鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50216《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50283《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GBJ68-84 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則己經(jīng)成為

36、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共同準(zhǔn)則。,巖土工程設(shè)計(jì)應(yīng)用可靠度問題,研究工作繼續(xù)深入用于規(guī)范的兩種意見與《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》 協(xié)調(diào)，首先解決地基極限承載力和對土的參數(shù)概率統(tǒng)計(jì)，再解決可靠指標(biāo)β等問題 發(fā)展水平上巖土和結(jié)構(gòu)差距較大，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，可靠性差，不確定因素多，還需依靠經(jīng)驗(yàn)。用地基容許承載力即可，精度很差或者連精度的大致范圍都不清楚的設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性分析，沒有意義。處理好結(jié)構(gòu)與巖土之間關(guān)系,4.4 討論,巖土工程難以精確計(jì)算的瓶頸在哪里？

37、 充滿不確定性--最突出的問題巖土體結(jié)構(gòu)和巖土材料性能裂隙水和孔隙水壓力信息的隨機(jī)性、模糊性和不完善性信息處理和計(jì)算的不確切性和不精確性科學(xué)技術(shù)崇尚定量和精確，但巖土工程還是不嚴(yán)密、不完善，不夠成熟的科學(xué)技術(shù)，定性判斷和定量計(jì)算兼顧，理論和經(jīng)驗(yàn)并重,巖土體結(jié)構(gòu)的不確定性,巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖土材料 自然形成 勘察查明 不能選定和控制體系和構(gòu)件不明確，計(jì)算條件不明確，單純計(jì)算不可信

38、沒有截面計(jì)算，分不清截面可靠度和系統(tǒng)可靠度,結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件尺寸 工程師設(shè)計(jì) 材料 工程師選定 均可控體系和構(gòu)件明確，計(jì)算條件明確，計(jì)算可信 截面計(jì)算為主， 做截面可靠度分析,巖土參數(shù)的不確定性,巖土材料變異性大, 與位置有關(guān)， 相關(guān)距離水平相變和豎向相變試驗(yàn)尺寸與計(jì)算尺寸差別大，試驗(yàn)方法多樣

39、計(jì)算參數(shù)取綜合水平,結(jié)構(gòu)材料相對均勻與位置無關(guān)試驗(yàn)尺寸與計(jì)算尺寸差別相對小按一般材料統(tǒng)計(jì)參數(shù)代表值,裂隙水和孔隙水壓力的多變性,裂隙水：脈狀、網(wǎng)狀、層狀、巖溶水。富水性、透水性和水壓力差別非常大。查清有時(shí)非常困難。水位、水頭變化：季節(jié)、多年、人為靜水壓力、超靜水壓力、滲透力孔隙水壓力的增長消散：液化、擠土效應(yīng)非飽和土基質(zhì)吸力,地質(zhì)作用和地質(zhì)演化的復(fù)雜性,地震：液化、震陷、塌陷、邊坡失穩(wěn)、永久性地面變形和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；

40、河、湖、海：沖刷、侵蝕、搬運(yùn)和淤積，對水利工程和航道工程的影響；地下水：巖溶，土洞，塌陷；風(fēng)化作用；滑坡、泥石流等：發(fā)生、發(fā)展、消亡、復(fù)活等地質(zhì)演化過程。,計(jì)算模式的不確切性,舉例地基承載力計(jì)算變形計(jì)算邊坡穩(wěn)定計(jì)算,理論導(dǎo)向和經(jīng)驗(yàn)判斷,“理論導(dǎo)向，經(jīng)驗(yàn)判斷，實(shí)測定量” 理論使我們透過現(xiàn)象，看到本質(zhì)，舉一反三，憑直觀和局部經(jīng)驗(yàn)處理問題，極易犯概念性原則性的錯(cuò)誤。只有植根于理論的經(jīng)驗(yàn)才有生命力。單純理論計(jì)算不可靠，原

41、因在于巖土工程充滿著不確定性和信息的不完善性。實(shí)測定量或?qū)崪y驗(yàn)證,5 地基承載力,5.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本要求5.2 地基承載力的含義5.3 怎樣確定地基承載力？5.4 《地基規(guī)范》的三個(gè)版本,5.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本要求,1 承載力滿足基底壓力要求2 滿足建筑物對變形的要求3 滿足建筑物的整體穩(wěn)定,地基變形,沉降量、傾斜、沉降差、局部傾向、相對撓曲 傾斜

42、 沉降差,局部傾斜與相對撓曲,建筑物整體穩(wěn)定,⑴ 崩塌、滑坡、泥石流的場地；⑵ 基巖面凹凸不平地基上的建筑；⑶ 巖溶、土洞、塌陷發(fā)育區(qū)，地下采空區(qū)；⑷ 建在斜坡上或斜坡邊緣的建筑；⑸ 已建工程附近深開挖或強(qiáng)抽水；⑹ 風(fēng)、地震等水平力作用下的抗滑，抗傾覆；(7) 沖刷，挖方等引起的邊坡失穩(wěn)。,,5.2什么叫做地基承載力？,1 地基土的強(qiáng)度能夠承受荷載的能力，不包括地基變形。 極限承載力 臨塑荷載

43、臨界荷載2 一定的強(qiáng)度儲備，變形不超過允許值。 3 “地基承載力特征值是指由載荷試驗(yàn)測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形對應(yīng)的壓力值，其最大值為比例界限值,”,地基承載力討論,屬承載能力范疇，變形控制屬正常使用極限狀態(tài)范疇。從彈性變形到塑性變形到破壞，與變形問題耦合在一起。 不能看成地基土的力學(xué)指標(biāo) 可視為地基強(qiáng)度的宏觀表現(xiàn)。除與土的強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)外，還與土層組合、埋藏條件、（持力層，下臥層）、加荷速率、基礎(chǔ)型式、埋

44、深和尺寸大小等有關(guān)。,5.3 怎樣確定地基承載力？,極限荷載確定地基承載力pu = c Nc + q Nq +γ b N b / 2,臨塑荷載與臨界荷載,pcr = c Nc + γd N d / 2fak = γb Mb + γmd Md + ck Mc,,,,,公式計(jì)算注意問題,⑴ 假定均質(zhì)土，層狀土塑性區(qū)不同于理論公式。⑵ 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最敏感，務(wù)必正確合理選取。⑶ 只考慮強(qiáng)度，未考慮變形，多數(shù)情況變形控制。⑷大尺寸基礎(chǔ)，

45、規(guī)范限制，寬度大于6m按6m計(jì)，尺寸大、埋深大的基礎(chǔ)塑性區(qū)如何開展，缺少研究，實(shí)際上變形起控制作用。⑸ 軟土用界限荷載偏于不安全，常用臨塑荷載。,載荷試驗(yàn)確定承載力,理論較粗糙，但直觀，與工程經(jīng)驗(yàn)接近，《地基規(guī)范》列為最主要方法，其他理論和經(jīng)驗(yàn)方法均以載荷試驗(yàn)為準(zhǔn)， 需進(jìn)行深度和寬度修正 工作量大，費(fèi)用高，時(shí)間長。試驗(yàn)數(shù)量有限 結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試綜合分析。,承載力表,源于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì) 是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，缺乏理論基礎(chǔ)。

46、簡便，不能濫用，避免把復(fù)雜問題簡單化。全國性的地基承載力表不可取， 子樣足夠，數(shù)據(jù)可靠，分析合理，建立地方的承載力表是可行的。,確定地基承載力方法討論,無論何種方法都有局限性，地基承載力不存在唯一的值，也不可能太精確，即使同一地點(diǎn)的同一類土，不同工程不同方法可以得到不同的地基承載力，應(yīng)根據(jù)具體情況具體條件綜合判定。無論采用何種方法確定的地基承載力，均需保證地基穩(wěn)定，地基土基本處在壓縮變形階段。,5.4《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范

47、》 的三個(gè)版本,（JBJ7-74） 地基容許承載力（GBJ7-89）《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》）已發(fā)布， 地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值（GB50007-2002） 地基承載力特征值,GBJ7-89存在的問題,形式上基本符合《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，實(shí)質(zhì)上地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值還是容許承載力，反而

48、造成術(shù)語概念的混亂按《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，抗力標(biāo)準(zhǔn)值是概率分布的某一分位數(shù)，和極限狀態(tài)關(guān)聯(lián)，但（GBJ7-89）地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為容許值。按《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，抗力設(shè)計(jì)值是標(biāo)準(zhǔn)值除以大于1.0的分項(xiàng)系數(shù)，設(shè)計(jì)值小于標(biāo)準(zhǔn)值，但（GBJ7-89）設(shè)計(jì)值是標(biāo)準(zhǔn)值的深寬修正，設(shè)計(jì)值大于標(biāo)準(zhǔn)值。,GB50007-2002的調(diào)整,取消了地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值，改用地基承載力特征值；調(diào)整了土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的確定方法;載荷試驗(yàn)確定地基承載力特征值

49、稍有調(diào)整；取消了用土的物理性質(zhì)查地基承載力的表 對應(yīng)的荷載作了相應(yīng)調(diào)整大體回到GBJ7-74,6 地基變形，地基與結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào),6.1 沉降計(jì)算的規(guī)范方法6.2 沉降計(jì)算問題討論6.3 結(jié)構(gòu)的剛度6.4 減輕不均沉降的結(jié)構(gòu)措施6.5 地基與結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào),6.1 沉降計(jì)算的規(guī)范方法,,,,e---p曲線和e---log p曲線,考慮應(yīng)力歷史的沉降計(jì)算,不同OCR的沉降計(jì)算,5.2 沉降計(jì)算問題討論,1 應(yīng)力歷史和卸荷再壓

50、縮問題2 三維壓縮與一維壓縮問題3 土的非線性問題4 軟土的即時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降5 壓縮試驗(yàn)精度問題6 經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)問題7 原位測試確定變形參數(shù)問題8 積累原型工程觀測數(shù)據(jù),6.3 結(jié)構(gòu)的剛度----柔性結(jié)構(gòu),木結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)、鋼排架結(jié)構(gòu)，一般柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。 油罐、棧橋、管道支架結(jié)構(gòu)變形與地基變形一致， 地基變形對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生附加應(yīng)力， 結(jié)構(gòu)也

51、沒有調(diào)整地基不均勻變形的能力?；A(chǔ)沉降不均勻時(shí)，填充墻損壞開裂，但能保證承重結(jié)構(gòu)安全。排架結(jié)構(gòu)單層廠房，中低壓縮性土上幾乎沒有因不均勻沉降而損壞的實(shí)例。,剛性結(jié)構(gòu),煙囪、水塔、鋼筋混凝土筒倉等高聳構(gòu)筑物；長高比小于2.5，荷載分布均勻，體型簡單的高層建筑；相對彎曲很小，基礎(chǔ)剛度很大的箱基、樁箱基礎(chǔ)的多層建筑。結(jié)構(gòu)各部分沉降相等，相對彎曲<0.0002，有很強(qiáng)調(diào)整土中應(yīng)力的能力，使沉降均勻化。沉降量達(dá)數(shù)十厘米不致結(jié)構(gòu)損壞

52、，如荷載偏心或土質(zhì)不均而不均勻沉降，表現(xiàn)為整體傾斜。高層建筑注意橫向傾斜。,半剛性結(jié)構(gòu),一般砌體承重結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu) 可承受一定撓曲，有一定調(diào)整地基變形的能力。土質(zhì)較硬，調(diào)節(jié)變形能力小，土填較軟，地基不均勻沉降減少。不均勻沉降超限，結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過其強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)開裂 。規(guī)范規(guī)定了限值。,主樓與裙房連體,荷載差別懸殊，不設(shè)沉降縫，主樓又有中央筒體和外框架，荷載集中在中央筒體。荷載不均勻?qū)е峦林袘?yīng)力復(fù)雜分布，中央筒體部位的沉降大于外框架

53、，主樓部位遠(yuǎn)大于裙房。厚筏或箱基的巨大剛度迫使沉降均勻化，從而改變反力和土中應(yīng)力的分布，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力。,6.4 減輕不均沉降的結(jié)構(gòu)措施,⑴ 建筑物體型力求簡單；⑵ 采用較小的長高比，建筑物較長時(shí)用沉降縫分開；⑶ 將條形基礎(chǔ)改為雙向聯(lián)合的格狀基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)；⑷ 加厚筏板、筏板加肋或改為箱形基礎(chǔ)；⑸ 增設(shè)或加高基礎(chǔ)梁，增設(shè)圈梁等。,軟土地區(qū)經(jīng)驗(yàn),(1) 建筑物長高比小于2.5時(shí)，不論沉降多大，均不開裂；(2) 最大沉降量小

54、于12cm建筑物，不管長高比多大，均不出現(xiàn)裂縫；(3) 建筑物的長高比大于3, 且最大沉降量大于12cm時(shí)，建筑物極易出現(xiàn)裂縫；(4) 建筑物的長高比在2.5 ~3.0之間，多數(shù)建筑物不出現(xiàn)裂縫。 實(shí)例 膨脹土上建筑；上海展覽館，塘沽望海樓,6.5 土與結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào),土與結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào),地基與結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的計(jì)算,用地基剛度矩陣表征地基土的剛度，將上部結(jié)構(gòu)剛度與荷載逐層向下凝聚到基礎(chǔ)子結(jié)

55、構(gòu)，疊加到基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)上去，根據(jù)基礎(chǔ)與地基接觸點(diǎn)的靜力平衡和位移協(xié)調(diào)，得到協(xié)同作用的基本方程，求解方程得到基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移，得到所需節(jié)點(diǎn)內(nèi)力，并算出基礎(chǔ)沉降，繪沉降等值線圖。,上部結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)的有限性,上部結(jié)構(gòu)剛度的形成與施工有密切關(guān)系,隨著建筑物層數(shù)的增加，最初幾層對剛度的影響比較大，繼而迅速減緩，并趨于某個(gè)定值。 上部結(jié)構(gòu)剛度對協(xié)同作用的貢獻(xiàn)是有限的，規(guī)范規(guī)定框架結(jié)構(gòu)參與工作的層數(shù)不超過8層。可只考慮地基與基礎(chǔ)的協(xié)