土质学与土力学(典型案例)

《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学1与土有关的典型工程案例一、与土或土体有关的强度问题1．加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓，由于地基强度破坏发生整体滑动，是建筑物失稳的典型例子。（1）概况加拿大特朗斯康谷仓平面呈矩形，长59.44m,宽23.47m。高31.0m。容积36368m3。谷仓为圆筒仓，每排13个圆筒仓，共5排65个圆筒仓组成。谷仓的基础为钢筋混凝土筏基，厚61cm，基础埋深3.66m。谷仓于1911年开始施工，1913年秋完工。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后满载总重量的425%。1913年9月起往谷仓装谷物，仔细地装载，使谷物均匀分布、10月当谷仓装了31822m3谷物时，发现1小时内垂直沉降达30.5cm。结构物向西倾斜，并在24小时间谷仓倾倒，倾斜度离垂线达26o53ˊ。谷仓西端下沉7.32m，东端上抬加拿大谷仓地基滑动而倾倒端下沉732m，东端上抬1.52m。1913年10月18日谷仓倾倒后，上部钢筋混凝土筒仓艰如盘石，仅有极少的表面裂缝。（2）事故原因1913年春事故发生的预兆：当冬季大雪融化，附近由石碴组成高为914m的铁路路堤面的粘土下沉1m左右迫使路堤两边的地面成波浪形。处理这事故，通过打几百根长为18.3m的木桩，穿过石碴，形成一个台面，用以铺设铁轨。谷仓的地基土事先未进行调查研究。根据邻近结构物基槽开挖试验结果，计算承载力为352kPa，应用到这个仓库。谷仓的场地位于冰川湖的盆地中，地基中存在冰河沉积的粘土层，厚12.2m.粘土层上面是更近代沉积层,厚3.0m。粘土层下面为固结良好的冰川下冰碛层,厚3.0m.。《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学2这层土支承了这地区很多更重的结构物。1952年从不扰动的粘土试样测得：粘土层的平均含水量随深度而增加从40％到约60％；无侧限抗压强度qu从118.4kPa减少至70.0kPa平均为100.0kPa；平均液限wl=105%，塑限wp=35％，塑性指数Ip=70。试验表明这层粘土是高胶体高塑性的。按大沙基公式计算承载力，如采用粘土层无侧限抗压强度试验平均值100kPa，则为2766kPa，已小于破坏发生时的压力3294kPa值。如用qumin=70kPa计算，则为193.8kPa，远小于谷仓地基破坏时的实际压力。地基上加荷的速率对发生事故起一定作用，因为当荷载突然施加的地基承载力要比加荷固结逐渐进行的地基承载力为小。这个因素对粘性士尤为重要，因为粘性土需要很年时间才能完全固结。根据资料计算，抗剪强度发展所需时间约为1年，而谷物荷载施加仅45天，几乎相当于突然加荷。综上听述，加拿大特朗斯康谷仓发生地基滑动强度破坏的主要原因：对谷仓地基土层事先未作勘察、试验与研究，采用的设计荷载超过地基土的抗剪强度，导致这一严重事故。由于谷仓整体刚度较高，地基破坏后，筒仓仍保持完整，无明显裂缝，因而地基发生强度破坏而整体失稳。（3）处理方法为修复筒仓，在基础下设置了70多个支承于深16m基岩上的混凝土墩，使用了388只kN500的千斤顶，逐渐将倾斜的筒仓纠正。补救工作是在倾斜谷仓底部水平巷道中进行，新的基础在地表下深10.36m。经过纠倾处理后,谷仓于1916年起恢复使用。修复后位置比原来降低了4m。2、香港宝城滑坡1972年7月某日清晨，香港宝城路附近，两万立方米残积土从山坡上下滑，巨大滑动体正好冲过一幢高层住宅--宝城大厦，顷刻间宝城大厦被冲毁倒塌并砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。死亡６7人。原因：《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学3山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗使其强度进一步大大降低，使得土体滑动力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。3．阪神大地震中地基液化神户码头：地震引起大面积砂土地基液化后产生很大的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤4．某电站汇合渠3号渡槽进口槽台——（地基承载力不足——导致地基沉降严重）（1）、失事过程回放某电站工程指挥部于1996年10月27日对于已完工的部分工程进行试水。8:30左右，在黄九坳渠首开闸放水，放水流量为0.8秒立米（黄九坳引水渠设计流量为2.7秒立米；汇合渠设计流量为6.0秒立米）。10：30左右，水流到达汇合渠的溢流堰，由于溢流堰的冲砂孔直径只有400mm，排水流量小，以至汇合渠水位基本达到设计水位。14：15左右，值班人员巡查至汇合渠3号渡槽进口槽台时未发现漏水和渗水现象。15：45分左右，值班人员发现汇合渠3号渡槽进口槽台附近的连段出现裂缝和大量漏水，并立即报告指挥部。《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学416：00左右，有关人员赶到出事地点，发现连接段距B点1.3m处的E点有一条向上游倾斜的裂缝（见示意图）。EB段下沉1cm，槽身微微倾斜，在场的技术人员感到情况不妙，立即赶到上游300m左右的冲砂闸，开闸防水，但开闸很不顺利。17：00左右，有关人员返回3号渡槽时，发现槽台基础已被大量的漏水淘空，情况已十分严重。17：10分，槽台失稳跌落，槽身一端已跌落在冲刷坑中，另一端仍支在排架上。17：30分，整段槽身跌落土坑中，从放水至槽台、槽身破坏共历时9个小时左右。根据各方面的调查和分析，该电站汇合渠3号渡槽进口槽台失事原因如下：（2）失事原因分析1）该槽台地基没有相应的地质资料及相关土工试验资料。经事后土工试验分析，该地基土质偏软，压缩性大，实际承载力为100~120kPa，地基承载力偏低（地基的设计承载力平均值为116.8kPa）。当渡槽通水时，地基的应力达到或接近地基承载力，地基沉降严重，造成整个槽台下沉，致使渡槽连接段断裂，直接引发这次事故。《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学52）施工单位在地基开挖后没有通知设计、监理人员对地基进行验收。3）渠道的总体设计有不少缺陷。如没有设置数量足够与设计合理的放空闸、溢流堰、冲砂闸等。4）指挥部对这次试水不够重视，没有具体的安排和布置，没有一整套应急方案。（3）主要经验教训：1）应重视地质堪察和土工试验工作；2）槽台基础要放在坚实的地基上；3）设计要合理；4）相关部门（设计、施工、监理）应作好配合、协调工作；5）主管部门应有实用的应急预案。二、与土或土体有关的变形问题1、比萨斜塔目前：塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5°1360：再复工，至1370年竣工，全塔共8层，高度为55m1272：复工，经6年，至7层，高48m，再停工1178：至4层中，高约29m，因倾斜停工1173：动工1590:伽利略在此塔做落体实验《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学6（1）概况比萨市位于意大利中部，而比萨斜塔位于比萨市北部，它是比萨大教堂的一座钟塔，在大教堂东南方向相距约25m。比萨斜塔是一座独立的建筑，周围空旷，比萨斜塔建造，经历了三个时期：第一期，自1173年9月8日至1178年，建至第4层，高度约29m时，因塔倾斜而停工。第二期，钟塔施工中断94年后，于1272年复工，至1278年，建完第7层，高48m，再次停工。第三期，经第二次施工中断82年后，于1360年再复工，至1370年竣工，全塔共八层，高度为55m。全塔总荷重约为145MN，塔身传递到地基的平均压力约500kPa。目前塔北侧沉降量约90cm，南侧沉降量约270cm，塔倾斜约5.5°，十分严重。比萨斜塔向南倾斜，塔顶离开垂直线的水平距离已达5．27m，等于我国虎丘塔倾斜后塔顶离开水平距离的2．3倍。幸亏比萨斜塔的建筑材料大理石条石质量优，施工精细，尚未发现塔身有裂缝。比萨斜塔基础底面倾斜值，经计算为0.093，即93％0,我国国家标准《建筑地基基础设计规范》GBJ7－89中规定：高耸结构基础的倾斜，当建筑物高度Hg为：50mHg≤100m时，其允许值为0.005，即5％。目前比萨斜塔基础实际倾斜值已等于我国国家标准允许值的18倍。由此可见，比萨斜塔倾斜已达到极危险的状态，随时有可能倒塌。（2）事故原因分析关于比萨斜塔倾斜的原因，早在18世纪记载当时就有两派不同见解：一派由历史学家兰尼里·克拉西为首，坚持比萨塔有意建成不垂直；另一派由建筑师阿莱山特罗领导，认为比萨塔的倾斜归因于它的地基不均匀沉降。本世纪以来，一些学者提供了塔的基本资料和地基土的情况。比萨斜塔地基土的典型剖面由上至下，可分为8层：①表层为耕植土，厚160m；②第2层为粉砂，夹粘质粉士透镜体，厚度5.40m；③第3层为粉土，厚3.0m；④第4层为上层粘土，厚度10.5m；⑤第5层为中间粘土，厚为5.0m；⑥第6层为砂土，厚为2.0m；⑦第7层为下层粘土，厚度12.5m；⑧第8层为砂土，厚度超过20.0m。《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学7有人将上述8层土合为3大层：①一③层为砂质粉质土；④一⑦层为粘土层；⑧层为砂质土层。地下水位深1.6m，位于粉砂层。根据上述资料分析认为比萨钟塔倾斜的原因是：①钟塔基础底面位于第2层粉砂中。施工不慎，南侧粉砂局部外挤，造成偏心荷载，使塔南侧附加应力大于北侧，导致塔向南倾斜。②塔基底压力高达500kPa，超过持力层粉砂的承载力，地基产生塑性变形，使塔下沉。塔南侧接触压力大于北侧，南侧塑性变形必然大于北侧，使塔的倾斜加剧。③钟塔地基中的粘土层厚达近30m，位于地下水位下，呈饱和状态。在长期重荷作用下，土体发生蠕变，也是钟塔继续缓慢倾斜的一个原因。④在比萨平原深层抽水，使地下水位下降，相当于大面积加载，这是钟塔倾斜的重要原因。在60年代后期与70年代早期，观察地下水位下降，同时钟塔的倾斜率增加。当天然地下水恢复后，则钟塔的倾斜率也回到常值。（3）事故处理方法①卸荷处理为了减轻钟塔地基荷重，1838年至1839年，于钟塔周围开挖一个环形基坑。基坑宽度约3.5m，北侧深0。9m，南侧深2.7m。基坑底部位于钟塔基础外伸的三个台阶以下，铺有不规则的块石。基坑外围用规整的条石垂直向砌筑。基坑顶面以外地面平坦。②防水与灌水泥浆为防止雨水下渗，于1933—1935年对环型基坑做防水处理，同时对基础环周用水泥浆加强。③为防止比萨斜塔散架，于1992年7月开始对塔身加固。以上处理方法均非根本之计。其关键应是对地基加固而又不危及塔身安全。其难度是很大。此外，比萨斜塔贵在斜，因为1590年伽利略曾在此塔做落体实验，创立了物理学上著名的落体定律。斜塔成为世界上最珍贵的历史文物，吸引无数国内外游客。如果把塔扶正，实际破坏了珍贵文物。因此，比萨斜塔的加固处理难度大，既要保持钟塔的倾斜，又要不扰动地基避免危险，还要加固地基，使斜塔安然无恙。有志之土如能研究出一个切实可行的方案．则是一大贡献。《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学8处理措施1838-1839：挖环形基坑卸载1933-1935：基坑防水处理基础环灌浆加固1990年1月:封闭1992年7月：加固塔身，用压重法和取土法进行地基处理目前:已向游人开放。2、虎丘塔（1）工程事故概况虎丘塔位于苏州市西北虎丘公园山顶，原名云岩寺塔，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1000多年悠久历史。全塔七层，高47.5m。塔的平面呈八角形，由外壁、回廊与塔心三部分组成。虎丘塔全部砖砌，外型完全模仿楼阁式木塔，每层都有八个壶门，拐角处的砖特制成圆弧形，十分美观，在建筑艺术上是一个创造。中外游人不绝。1961年3月4日国务院将此塔列为全国重点文物保护单位。1980年6月虎丘塔现场调查，当时由于全塔向东北方向严重倾斜，不仅塔顶离中心线已达2．31m，而且底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑而封闭、停止开放。仔细观察塔身的裂缝，发现一个规律，塔身的东北方向为垂直裂缝，塔身的西南面却是水平裂缝。（2）事故原因分析《土质学与土力学》典型工程案例编制：安徽理工大学9经勘察，虎丘山是由火山喷发和造山运动形成，为坚硬的凝灰岩和晶屑流纹岩。山顶岩面倾斜，西南高，东北低。虎丘塔地基为人工地基，由大块石组成，块石最大粒径达1000mm。人工块石填土层厚1