勘察设计若干基本概念(顾宝和2010).

岩土工程勘察设计的若干基本概念2010年6月目录•1概念与方法•2与岩土工程有关的地下水问题•3孔隙水压力与有效应力原理•4作用、抗力与安全度•5地基承载力•6地基变形，地基与结构的变形协调1概念与方法•1.1岩土工程的主要概念•1.2概念的重要性•1.3概念与方法关系1.1岩土工程的主要概念•几个常识性案例•1珊瑚石的土粒密度，经验估值取2.67？•2休止角测定值340、内摩擦角取320、地基承载力特钲值取120kPa？•3勘察报告中用抽水试验主孔与观测孔的水力坡度计算地下水流速？•4建筑物的计算沉降小于载荷试验的沉降？用变形模量按理论公式换算压缩模量•理论：压缩模量侧限条件下进行，•变形模量无此侧限条件，Es大于E0•E0=βEs•实际：试验条件不同，与理论关系不符。•高压缩性土两者较接近，•低压缩性土E0明显高于Es•某工程的渗流破坏•基坑深约9m，自然水位约4m，上部和坑底下2~3m为粉土和粉粘，其下为巨厚长辛店砾石层，•降水井深在砾石层表面，外围回灌。•开挖至7m见水，强行挖到底，周边挖沟填砾排水，坑中普遍发现“上升泉”，坑底土载荷试验极不正常，土质严重扰动。•判断为坑底粉土竖向渗透性远远大于水平渗透性•实质为渗流变形破坏，•后改用桩基。几个概念性问题•岩溶地基一柱一桩好不好？•土是否都是越挤越密？•高层建筑、框架结构、排架结构、砌体结构的变形控制性模式各有什么不同？•顺层边坡、膨胀土边坡、危岩边坡的破坏模式•锚杆支护，一根破坏，成片倒塌的渐进式破坏。•桩筏基础，嵌岩桩设计，部分嵌入，部分未嵌入，因支撑刚度不同的渐进式破坏。岩土工程的主要概念•地质演化方面：岩土成因、结构体与结构面、风化作用、岩溶与土洞的形成、地震与断裂、液化机制、滑坡等不良地质作用与地质灾害的演化等；•岩土力学方面：静力平衡原理、应力应变原理、孔隙水压力与有效应力原理、渗透破坏原理、地下水运动规律、土与结构的协同作用。•环境方面：建筑材料腐蚀性，废弃物填埋、工程建设对环境的影响等。1.2概念的重要性•概念不清的人，经验是表面的，片面的，非理性的，只见现象，不见本质，凭直观的局部经验处理问题，容易犯原则性的错误；•概念清楚的人获得的经验是全面的，理性的，系统的，遇到工程问题时，能透过现象，看到本质，举一反三，有很强的洞察能力和判断能力，能自觉地运用理论和经验。•经验应上升到理论层面上去总结。1.3概念与方法关系•概念：不是事物的现象，事物的片面，不是他们的外部联系，而是抓住了事物的本质，事物的总体，事物的内在联系，是认识过程的理性阶段。•方法：勘探方法、测试方法、施工方法、计算分析、软件的应用、文字与图的表述等。概念与方法的关系•方法或手段是工程师的肢体，•科学概念是工程师的灵魂，•方法的合理应用必须有灵魂来统帅。•有了机智的灵魂，强健的肢体才能发挥出能力。理论与经验结合•工程师阶层的产生•工程师需要经验,经验是衡量工程师能力的主要尺度。但须与理性的概念结合，分散的非理性的经验不一定可靠，植根于理性的经验才有生命力。•工程师需要理论，理论具有普遍性，理论才能认识事物的本质，理论掌握深浅是衡量工程师水平的重要尺度。但必须与实践经验结合，某些深奥的理论对认识事物的本质可能有用，但用于解决工程问题未必优于简易的经验方法。反对两个盲目性•片面强调理论，轻视经验；•片面强调经验，轻视理论。•认识问题要深入，深刻的理论才能揭示事物本质。•解决问题要简捷，注重工程效果，不追求理论完•美。2岩土工程有关的地下水问题•2.1静水压力•2.2流网•2.3越流渗透•2.4渗透变形与破坏•2.5裘布依假定2.1静水压力特征•静水压力的等向性•静水压力的三角形分布•静水压力与土的孔隙度无关•静水压力与土的渗透系数无关静水压力等向性•静水中只存在压应力,剪应力均为零，否则就会流动。各个方向的压力均相同，水压力的作用必与该界面垂直。•水土分算将孔隙水压力提出，主动被动侧压力系数均为1.0，土用有效强度计算；•水土合算将水压力合并在土压力中，随土的总应力强度变化。•从概念上分析，水土分算符合有效应力原理。压力的三角形分布•仅与深度有关，与边界形状，与水体大小无关。•流经弱透水层水头损失，浮力降低，但工程与土之间必须紧密接触或严密封闭。①工程含水层弱透水层静水压力与土的渗透系数无关•渗透系数小只产生滞后效应，长期效应与其他土相同。•除非完全不透水，不传递静水压力。•静水压力与土的孔隙度无关2.2流网•流网力学概念明确，解题直观，利于深入理解渗流现象的本质特性流网性质•等势线与流线正交；•如各等势线间的差值相等，各流线间的差值相等，则各网格的长宽比相等；•在不透水边界，等势线与之垂直，流线与之平行；在等水头边界，流线与之垂直，等水头边界即等势线；•等势线越密，水力梯度越大；流线越密，流量越大。网格越密，水力梯度、流速、流量越大，由渗透造成的孔隙水压力越大，越易产生渗透变形；反之，网格越稀，水流越平稳。fNHh2.3越层渗流地下水头的变化•多层地下水夹弱透水层时如水头不相等，发生竖向越流渗透。•下层水头较高向上渗流；上层水头较高向下渗流。•以大气降水为主要补给源时，向下渗流，下层水头较低；山前侧向补给深层地下水时，下层水头高，上层水头较低。•原理与水平向渗流相同。•无越层渗流的多个含水层，同一平面位置上，上下各点的水头相同，与深度无关自上而下渗流压力水头分布位置水头分布总水头分布图有越流渗透条件下的水头分布示意图含水层弱透水层含水层自下向上渗流压力水头分布位置水头分布总水头分布图下层水头高于上层水头条件下的水头分布示意图含水层弱透水层含水层2.4渗透变形与破坏•地下水在土体流动，受土粒的阻力，产生水头损失，按作用和反作用原理，水流必定对土粒施加一种渗流力。•渗流力是一种体积力，量纲与水的重度相同，大小与水力梯度成正比，方向与水流方向一致，用下式表示：•J=γWi•iLhjwwiLhjww流土•当上下水头差增大至某一数值，向上的渗流力克服了土的向下重力时，土颗粒悬浮，移动，发生流土。•流土多发生在级配均匀的粉细砂或粉土中，具有突发性，危险性很大。流土发生的条件不仅取于渗透力大小，还与土的颗粒级配、密度及透水性有关。•使土开始产生流土现象的水力梯度称临界水力梯度，管涌•在渗流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的骨架孔隙中移动流失，随着土中孔隙扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒又继续被带走，最后在土体内形成贯通的水流通道，就是管涌。•管涌在渗流出口处首先发生，逐渐向内部发展，有个时间发展过程，是一种渐进性破坏。•流土与管涌的判别规范有规定2.5裘布依假定•含水层水平、均质，有自由水面；•抽水稳定后，地下水以径向轴对称流入井中，圆柱形侧面影响半径处保持常水头；•抽水稳定后,井周围圆柱形断面不同深度处的水力梯度相等，水力梯度等于动水曲面的坡度；•井壁潜水面与井水位齐平。裘布依公式不适用于大降深•袭布依假定忽略了竖向分量，•对承压水井，符合二维流，水力梯度为ds/dx，符合假定；•对潜水井，有弯曲的潜水面，流线弯曲，等势面不垂直，属三维流，裘布依假定意味着令ds/dx=ds/dl，等压面垂直，等压面上不同深度的水头均相等，水力梯度均相等。•只有在水力梯度相当小时才成立。离井越远，垂直分量越小，误差越小；反之，误差越大。潜水井流线潜水井的渗出面问题•裘布依假设井壁潜水面与井水位齐平，不存在渗出面，•如不存在渗出面，当井内水位降到含水层底板时，过水断面面积为零，涌水量也应为零，实际仍出水。就是从渗出面上渗出的。•自然界潜水面出口处的下降泉，基坑壁有时“疏不干”，均说明:渗出面的存在。影响半径的“悖论”•裘布依公式中的影响半径是独立的参数，与抽降、渗透系数无关。•经验公式的影响半径则是降深和渗透系数的函数。库萨金公式：•实际经验也与降深和渗透系数有关。•裘布依公式的影响半径是虚拟的概念。稳定流与非稳定流•裘布依单井公式及由叠加原理导出的群井公式，均为稳定流。•实际基坑降水是稳定流还是非稳定流，视现场条件、补给条件、抽水量等情况而定，有的开始抽水为非稳定流，后期转为稳定流；有的始终为非稳定流。潜水泰斯公式问题•A导水系数是变数而不是常数；•B井的附近是三维流，既要考虑水平分量，还要考虑垂直分量；•C含水层中释放出来的弹性储存量（与储水系数有关）很少，而主要来自含水层的疏干（与给水度有关），与给水度有关的储存水不是瞬间完成，而是逐渐释放的。•目前尚无严格的解析解。数值法•尚有非完整井，绕流隔水帷幕，注水补给等问题。•基坑降水的复杂性为三方面，一是含水层和隔水边界分布的复杂性，变化多端,渗透系数等水文地质参数变化无常，且不易确定。二是补给条件的复杂性，包括补给边界、补给类型和补给强度；三是抽灌引起渗流场的复杂变化，如何预测潜水自由面随时间的升降过程。•数值法有较大的适应性，但也不能过分依赖，不能以为有了一个商业软件就能解决一切问题。3孔隙水压力与有效应力原理•3.1孔隙水压力的类型•3.2有效应力原理•3.3压缩固结过程中的孔隙水压力•3.4孔隙水压力与土的抗剪强度•3.5地震液化与孔隙水压力•3.6压实、强夯、挤土桩与孔隙水压力3.1孔隙水压力的类型•（1）静水压力•稳定状态时的地下水压力•（2）渗流力•渗流运动，沿渗流方向的渗流力•（3）超静水压力•由于静力或动力，在静水压力基础上增长，非稳定性质，有发生、积累、消散的过程，•与土的有效强度密切相关。•（4）负孔隙水压力•存在于非饱和土中。3.2有效应力原理•太沙基有效应力原理•σ＝u＋σ’•受到外力，包括静压，冲击、打桩、车辆，地震等，原已稳定，完全由土颗粒承担压力（有效应力）状态被打破，全部或部分由孔隙水承担，孔压上升、积累，有效应力降低。随着孔隙水从土中排出，超静水压力逐渐消散，直至恢复到稳定状态。消散的快慢决定于土的渗透性和渗流路径。u3.3固结过程的孔隙水压力固结过程基本概念•1固结沉降是孔隙水压力即超静水压力消散的过程；•2固结沉降的速率决定于土的渗透系数和排水路径的远近；•3渗透系数很小的软黏土，不解决排水问题的单纯预压，效果不好；•4为加速固结沉降，在土体中建立排水通道，消散孔隙水压力是最有效的措施。3.4孔隙水压力与土的抗剪强度•1砂土孔压消散快，对正常加荷速率，强度与加荷速率关系不大。•地震瞬时动荷载导致松砂液化。•2粉土和粘性土，加荷初期孔压最高，有效强度最小，最危险，•随时间推移，孔压消散，有效强度提高，安全性提高。渗透性越小，提高越慢。•3慢速加载有利于充分发挥土的强度,提高安全度。抗剪强度试验与孔隙水压力•直剪试验快剪固结快剪慢剪•三轴试验对饱和土取样膨胀产生负•孔压，可先预饱和•非饱和土只是借用饱和土原埋•总应力法有三套指标，•有效应力法有一套指标UU试验CU试验•UU试验•增大σ3只引起孔压增加，有效应力不变，故只有c，φ为0，抗剪强度线为水平线。•土成为凝聚材料，不是摩擦材料，强度随深度而增大。•CU试验：•正常固结土，抗剪强度线通过原点，c为0，•部分饱和土，包线前段为非饱和状态，c不等于0。•超固结土，前段受先期固结压力影响，抗剪强度偏高饱和粘性土不排水剪UU部分饱和土不排水剪UU正常固结土固结不排水剪CU超固结土固结不排水剪CUCD试验：有效应力法•CD试验：•正常固结土，包线通过原点，但φ值比CU试验高•超固结土，包线不通过原点，c值决定于先期固结压力•有效应力法•CU试验测孔隙水压力，得c，φ，正常固结土排水剪CD超固结土排水剪CD抗剪强度指标的应用问题•直剪与三轴剪各有优缺点•有效应力法符合土力学原理难以估计现场孔压工程中很少应用•固结、不固结、排水、不排水都是极端情况，工程中只按接近情况选用•工程勘察的三轴试验只做3~4个莫尔圆，包线按直线•非饱和土只是借用饱和土原埋3.5超静水压力与地震液化•砂土或粉土震密，•孔压迅速上升，失去强度，大幅沉陷。••粘性土,有粘聚力不液化•粗砂砾石,孔压消散快，不易液化•粉细砂、粉土最易液化非饱和土的破坏面•非饱和土存在基质吸力