岩土工程概念性问题案例分析 内容概要 32个典型案例 既有成功 也有失败 工程 天然地基 桩基 基坑支护 基坑降水 围海造陆 堆山造景 造湖 高填方 铁路 机场跑道 溢洪道 核电厂 放射性废物处置 地质灾害治理等 岩土 一般第四纪土 淤泥 泥炭质土 残积土 盐渍土 多年冻土 第三纪软岩 风化岩等 问题 断层 液化 渗透破环 岩溶塌陷 砂巷 高陡边坡与破碎岩体等 技术方法 地震反应分析 面波探测 管波探测 地震波CT等 反映了岩土工程丰富多彩的个性 案例导引 用通俗语言将问题提升到理论层面上评议 分析了土的孔隙水压力与有效应力原理 软土挤土效应 土的结构强度 盐胀性原理 地下水动态与均衡 潜水渗出面 水动力弥散 岩石力学基本准则 断层活动性 变刚度调平设计 地基基础与上部结构协同作用等问题 岩土工程师必须深知现象背后的科学原理 认识问题要深刻 处理问题要简洁 巧妙 强调概念 反对盲目相信计算 盲目套用规范 目录 1案例的价值2土的结构强度3岩石地基承载力4地基与结构关系5饱和土挤土效应 6基坑隆起与水患7基坑降水8地震液化9岩溶探测和治理10把握概念 综合判断 1案例的价值 典型案例的价值 太沙基 一个详尽的案例应当受到10个具有创新性理论一样的重视 太沙基在实践中 从工程案例中吸取知识和经验 上升为理论 成为岩土工程宗师 1成功的典范 失败的警示 2一比一的科学实验 计算不可能精确 唯原型实测才能定量 3新概念新方法的源泉 1成功的典范举例 唐山体育场岩溶塌陷治理勘察 设计 施工 检验 监测的一条龙服务 信息是成败的关键 采用有效手段 前期 查明溶洞 土洞 塌陷的分布 形态 机制 规律 后期 效果的检测 监测钻探取芯 标准贯入 瞬态面波 地震CT 沉降观测 水位观测等 对症下药 标本兼治 一劳永逸上段 加固地基 中段 封堵天窗 下段 截断岩溶水 认识问题准确而深刻 岩溶塌陷的科学规律 解决问题有效而经济 巧妙就是一种艺术 失败的警示举例 杭州地铁1号线湘湖路站2008年11月15日突然塌陷 连续墙断裂 大幅内移 坑底升高 湖水灌入 死亡21人 重伤1人 轻伤3人 直接经济损失巨大 基坑最大事故 8人判刑 11人处分 施工超挖 监测缺失 事故直接原因教训惨重 难忘的警示 勘察设计角度 土性和计算参数的测试和选定 稳定分析应如何计算 内支撑整体稳定性等 岩土工程典型案例述评 有详细分析反面警示常比正面经验更生动 印象更深刻 2一比一的科学实验 计算预测不可能精确 唯原型监测才能真正定量 日本关西国际机场人工岛 上部为厚20m吹填软土 砂井处理 下卧层为厚120m洪积土 未处理 勘探测试 计算理论先进 设计阶段 计算50年沉降 上部软土沉降6 5m 机场开通时沉降结束 洪积土沉降1 5m 机场开通时预计几十厘米 填土达标高后6个月实测 上部软土沉降5 5m 小于计算值 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 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 3新概念新方法的源泉 苏联某钢铁基地与湿陷性土北京彩电中心与扩底桩南京造纸厂与水泥粉煤灰碎石桩正负电子对撞机工程与全新活动断裂 北京八宝山断裂与电子对撞机工程 预测断裂活动性难度极大 曾长期困扰工程界 八宝山断裂已有活动断裂定论 1984年 因正负电子对撞机工程深入研究 以确凿证据作出工程使用期间不会发生浅表岩层错动的结论 赢得了时间 节省了投资 为全新活动断裂新概念提供工程范例 打下理论基础 全新活动断裂新概念 以地质历史观为分析依据 注意地质年代尺度与工程年代尺度巨大差别 回顾一万年 展望一百年 1 新概念得到业内专家普遍赞同 列入 岩土工程勘察规范 建筑抗震设计规范 结束在断裂活动性面前束手无策的被动局面 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28 34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 70 14 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530 620kPa 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27 41m 有效桩长20 30m 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432 529kPa 压缩模量为20 27MPa 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1 2cm 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 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 试验数据离散性大 取样易扰动 残余凝聚力或结构强度易破坏 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 深圳经验值得借鉴 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12m 中夹砂层 50m下是10m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 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 2km 1 2km 5年抽水 体积压缩总量l760万m3 除边缘外 沉降量约4m 180口井总抽水量700L s 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3m 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 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4m 坡度1 3 设监测元件监测开挖 放水 灌水时水平 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 第一阶段随抽水和地面沉降 地表至22m 轴力自上而下增加 22m下自上而下减小 桩端最小 中性点在22m 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 结晶岩残积土 黏性土 黄土 红黏土 膨胀土 盐渍土 硬壳层 砂土 灵敏度反映结构强度 低灵敏黏土1 2 高灵敏黏土10以上 结构强度多数情况一旦破坏 很难恢复 结构强度的多样性 软土触变 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 胶体颗粒小于0 002mm 黏性土表面吸附胶体 凝胶生成结构强度 溶胶丧失结构强度 泥炭质土 草甸土 多纤维形成黏聚力 压缩性高 次固结显著 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 粉土粒以点接触为主架空结构 少量盐晶和黏粒胶结形成结构强度 水稳性差 产生湿陷 盐渍土 决定于阳离子 阴离子组分和含量 溶陷性 盐胀性 硬壳层 干缩形成结构强度 砂土 粒状土 不同排列有不同强度 实际黏聚力有时不一定是0 结构强度的多样性 膨胀土 亲水黏土矿物胀缩性 随气候反复 超压密性 非自重压力 反复胀缩形成 裂隙性 密集镜面状剪切裂隙 侧压高 强度特性 随含水量增大衰减 勘察含水量不代表工程实况 放坡 自然稳定坡角 土压力算不准 为防强度降低 快速作业 地基 按胀缩性分级采取措施 积累地方经验 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 原状土与重塑土不同 固结试验 理论上限于饱和土 三轴试验固结和排水 理论上限于饱和土 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 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 高填方地基技术规范 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239400m2 主楼地上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2