岩土工程概念性问题的案例分析 顾宝和大师讲课

岩土工程概念性问题的案例分析2015.10.济南《岩土工程典型案例述评》•作者：顾宝和•主审：高大钊、李广信•出版：中国建筑工业出版社•案例：32个•附录(涉及术语释义)：32个内容概要•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、饱和土的挤土效应•5、基坑的基底隆起与水患•6、基坑降水•7、地震液化•8、岩溶探测和治理•9、结束语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，采用最有效的手段：•勘察、测试、检验、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，河水灌入，•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，没齿难忘的警示。•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。•(港珠澳桥隧工程)•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进行深入研究，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了工程范例，打下了理论基础。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。案例----个案？•案例是个案，具有个性、偶然性、特殊性。•理论是实际的抽象，理论具有普遍性。•个性中隐含着共性；•偶然性中隐含着必然性；•特殊性中隐含着普遍性。•共性、必然性、普遍性都是从个性、偶然性、特殊性中抽象出来的。•重要概念需从案例反复认识才能深化。•不接“地气”的理论没有实际价值。•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：①填土、②黄土、③粉质黏土、④卵石、⑤闪长岩残积土、⑥全风化闪长岩、⑦强风化闪长岩、⑧中等风化闪长岩。持力层：④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：•⑤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④卵石、⑤闪长岩残积土、⑥全风化闪长岩、⑦强风化闪长岩，以⑧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•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：•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；•膨胀土：亲水矿物、“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。•膨胀土：亲水黏土矿物•胀缩性；随气候反复；•超固结性：反复胀缩形成，侧压力系数高；•裂隙性：密集镜面状剪切裂隙；•强度特性：随含水量增大衰减；结构强度的多样性•膨胀土：勘察时含水量不代表工程实况；••放坡：自然稳定坡角；•挡土：静止土压力高，侧土压力算不准，•防止增湿强度降低，快速作业；•地基：大压力有利，•无理论计算方法，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