岩土工程 案例十析

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1、案例十析1. 天气预报与自然灾害预报不知从什么时间开始，在雨季电视台的天气预报之后常常紧跟着 自然灾害预报。其具体的内容就是划破及泥石流等。为什么降雨会引 起边坡失稳呢？降水引起划破的原因有多重，其中它使土体自重变化；饱和度提 高造成基质吸力减少甚至完全丧失，从而使土的抗剪强度减小；土中 水的渗流增加滑动力等是主要因素。弗雷德隆德（Fredlund）提出的非饱和强度准则可表示为：t =c+ Q tan 9+（u -u ）tan 9（ 1）a w若表示成通常的莫尔一库仑轻度准则，则为：t = c + Q tan 9 （2）其中，c = C + （役-Uw ）tan 9 ，后一项也成为“假粘聚力”

2、，S =（役-Uw ）是 基质吸力，随着饱和度增加，吸力减少，使粘聚力减小，抗剪强度下 降，从而引发划破。与此相似，土中水也可能使岩土矿物软化、倪华， 土体或者岩体裂隙中的土夹层中孔隙水压力增加也会使土的抗剪强 度降低。降雨引起的渗流一般接近于沿坡渗流，其渗流方向与滑裂面方向 夹角不大，因而渗透力主要是滑动力（矩）。例如对于有沿坡渗流的 无限砂土坡，其安全系数几乎是无渗流情况的一半Y 7Y ）。土的重度的变化也是引起划破的重要原因之一。按简单条分法土 坡稳定安全系数为：工(cl + W cos 0 tan 申)F = iiiiisW sin 0ii图1图中水对土坡稳定性的影响从图1和式（3）可

3、见，0.较小的土条（即土坡下部）cos 0.较大,ii抗滑力矩也大，有利于稳定；反之，0,较大的土条（即土坡上部）sin 0 ,ii较大，产生的滑动力矩大，抗滑力矩小，不利于稳定。如果降雨便 区的土变湿，重度增加，则不利于稳定。如果降雨达到下部积水， 区的土体重度变成浮重度，抗滑力矩骤减，也可能引发滑坡。水库初 次蓄水而引发的库区滑坡就是如此。2. 土钉墙的灾星近年来，土钉墙在我国基坑工程中广泛和迅速的推广，创造了很 大的经济效益。人们的胆子也越来越大，相应的事故也不少见。总结 事故的原因，十有八九是土中水引起的。所以称土中水是土钉墙的灾 星似不为过。一般使用土钉墙支护的基坑或者位于稳定的潜水

4、位以上，或者采 用人工降低地下水。所以由于水引起的土钉墙失事主要由于降雨、局 部积水、地下管线漏水和局部水源等。其原因主要由于土的强度降低。 在式（1）中，非饱和土的基质吸= （J - J）对于强度的贡献有时 是相当大的，尤其是对于粉细砂土、粉土和粉质粘土。有人认为这种 吸力对于对于强度的贡献是一种安全储备2，这是不符合实际的。因为 目前测定强度指标的室内试验极少采用饱和土的三轴试验，主要进行 原状土（非饱和）的直剪试验（快剪或者固结快剪）在设计的强度 指标中其实已经包括了吸力所构成的“假粘聚力”亦即其粘聚力为 式（2）的c”。一旦浸水，吸力丧失，强度急剧减少，土的结构破坏， 土与土钉间的摩阻

5、力减少，造成浸水部位土钉墙的垮塌。另外局部的 水压力或者渗透力的作用也是引发事故的原因之一。3. 翻旧成灾在2003年北京某18m深土钉墙支护的基坑倒塌事故中有一个特 殊的问题，那就是它首先发生在施工中改变基坑平面形状的部分。原 设计基坑在平面上有一半圆形的突出部分，已经使用土钉墙支护开挖 到10m以下，后又决定将其挖去。这样就从上而下一段段拆旧，一 段段开挖，同时一段段修建新的土钉墙支护。结果在开挖到14m左 右时，下部开挖的已暴漏部分土体无法直立，土不断流出，然后土松 动外流，最后基坑倒塌。由于土钉是全长注浆，没有预应力张拉，土钉发挥作用需要一定 的土体变形，使土达到主动土压力状态。这就会

6、使墙后土体发生一定 程度的松弛及土的结构性扰动。在拆除旧的土钉墙时对土体的扰动进 一步加大，这时土钉墙壁后的土已非原状土，土体的暴漏段不能自稳， 对已建成的土钉不能提供足够的锚固力。在裁缝业有个说法，宁肯做 十件新衣，不翻改一件旧衣，就是这个道理。进来也常遇到下述的情况：在拟开挖的基坑水平距离10m之内 存在已建的地下结构物。如果原结构物的基坑施工是采用护坡桩和地 下连续墙加锚杆支护的，新基坑在这一段土体使用土钉墙较为可行； 如果旧基坑也是土钉墙支护，这一部分土体实际已经扰动，新建的土 钉墙可能会有上述类似的问题；如果原来是放坡开挖，肥槽土回填不 实，则十有八九会出事。4. 挂在树上的鸟巢最近

7、以来复合土钉墙(或称加强土钉墙)使用较多，即将土钉与 锚杆一起使用，据说可用于较深的基坑，减少变形。成功的例子不少， 失事的案例也时有发生。在国内外学术会议中土钉是被列入加筋(rein forcement)专题的， 加筋实际上是土与筋材共同作用，性能互补，形成一种新的复合材料。 土钉全长注浆，通过土与筋材的在微分尺度上的摩阻力约束土体，提 高其快剪强度，使二者合而为一。而土层锚杆则严格区分自由段与锚 固段、主动区与被动区，力的传递与作用十分清晰：锚杆对于主动区 的土体施加外部的拉力，增加其稳定性，亦即是一分为二的。在复合 土钉墙中，土钉与土形成一个加筋的整体,类似编织成一个鸟巢，锚 杆则是将这

8、个整体与其外部土体连起来,类似于将鸟巢挂在树上的拉 带。亦即土钉是加强加筋土体的内部稳定；锚杆是增加其外部稳定。但是在一些设计计算中，常见一个圆弧滑裂面同时通过土钉与锚 杆，它们的设计拉力都用以计算滑动土体的抗滑力矩。可是锚杆是施 加预应力张拉的，充分发挥其设计拉拔力的位移很小，而土钉没有自 由段，不施加预应力，其产生设计拉力时需要的位移较大。那么会不会锚杆充分发挥拉力时，土钉尚没有发挥作用;土钉发挥设计拉力时, 锚杆已经失效呢？也就是可能发生渐进破坏。5. 桩基的渐进破坏说起渐进破坏涉及一个桩基础的案例。某电厂的锅炉基础有454 根桩，桩长4368m原设计均为嵌岩桩。由于勘察的失误，将含粘

9、土的碎石层误认为凝灰岩基岩。致使施工中大部分桩没有嵌岩。其中 75根可判确为嵌岩桩，其余桩的桩端基本落在碎石土层，甚至可能 落在黏土层上。下部还有1030mm厚粘性土、砾砂，坡积土2等。如图2、3所示。0 O O000o o oO 0 0O 0 0000Q O O000 4CF-105o o a* o o r*ooo o e000 o oO O o o o o000o0000000OOOOQ O O *00。MCF-275 .。a o o oooo 户驚霁 4CF402：:o o o o0000o Q Q0000o o o 000000000000图2筏板基础下的桩分布平面图（黑点表示嵌岩桩）

10、图3各庄受力的示意图单桩的荷载试验表明，两种单桩的荷载沉降曲线及极限承载力基 本相同。那么在刚性的基础，中心荷载情况下，它们是否能够承受相 同的竖向力呢？实际上，群桩在相同的基础位移情况下，嵌岩桩桩端 基本没有位移，其桩顶位移全部由桩身压缩产生；其他桩由于桩端以 下土层的压缩，桩端发生位移，桩身平移，桩身压缩变形较小。这样， 嵌岩桩将分担更大竖向力，可能使桩身混凝土达到抗压强度而破坏， 丧失承载能力；然后将荷载向桩端土相对较硬的装上转移，使其破坏； 最后使其余的桩破坏，导致整个桩筏基础失稳。是一种渐进破坏。在目前较为流行的长短桩、疏桩、调平桩等设计中，经常某些桩 按极限承载力设计，一定要进行共

11、同作用的分析，避免这种渐进破坏 的情况。6. 悬桩及其事故在建筑桩基技术规范(JGJ 9494)中规定：“桩基应穿透 湿陷性黄土层”对于深度填土和湿陷性黄土地基中的桩基这是十分 重要的。有一个夯扩桩基础建在有深度沉积黄土的山沟场地，杭阔体部分 没有落在原状地基土上，悬在湿陷性黄土层中。单桩荷载试验表明其 单桩承载力相当高，满足设计要求。但是建筑物建成以后，由于降雨 造成桩基土湿陷，建筑物整体不均匀沉降，房屋裂缝，酿成事故。几年来由于城市地价飙升，原城乡结合部成为房地产商所倾爱的 地段。但是这些地区常常存在规模巨大的建筑材料(砂石料)取土坑， 后用建筑垃圾及杂填土填平。这些地区首选的基础方案是各

12、类桩基础，夯扩桩也是主要的桩型。但是一定不要做成悬桩，否则后患无穷。上述两个例子表明，单桩的性状与群桩不同，考虑了上部结构一 基础一桩的共同作用以后的桩的受力变形情况与单桩荷载试验的情 况也不同。7. 基础旁边有个洞目前在城市住宅楼和办公楼之下和之旁建造地下车库已经十分 普遍，天然地基旁的纯地下结构对于地基承载力的影响一般采用等代 埋深法，或称为等代土层法。有一筏板基础埋深10m, 侧修建一个同深度的三层地下车库，每层 自重25kN/m2，上部覆土 1m,覆土重度为20kN/m3，地下水位距设 计地面3m，水上土的重度为18kN/m3，水下为20kN/m3，地基承载 力的深度修正系数为1 d

13、=卩。问承载力的深度修正部分为多少？这一问题有如下几种情况与计算方法：(1)如果没有地下水，d 丫m (d -5)，d = (3X25 + 20)/18 = 5.3 m。计算得到的深度修正部分的承载力为Af =130 kPa，这比没有车库时的2 = 257 kPa要小很多。如果有地下水，又有如下几种算法：(2)按10m 土层计算加权平均重度丫m和等效埋深：3丫m = (3 X18 + 7X 10)/10= 12-4kN m ，d = (3 x 25 + 20) /12.4 = 7.66 m=133 kPa，这比没有车库时的纣=177 kPa也要小很多。(3 )由于等代的埋深d小于10m,加权平

14、均重度丫m不宜用10m 土层计算，按实际情况计算加权平均重度如下: 丫 = (d - 7) x 18 + 7 x 10)/10, d = (3 x 25 + 20)/ 丫，得到的d = 9mmm，丫 = 10.6 kN / m3 Af = 135 kP“。比(2)计算的稍大。m，a(2)、(3)两种算法中没有计及车库本身受到的浮力，如果扣 除车库的浮力，计算如下：(4) 丫m 取为 12.4kN /m3 , d = (3 x 25 + 20 - 70) /12.4 = 2.0 m , Af = 28 kpa。(5) 由于d小于水深7m, Ym应取为土的浮重度丫 = 10kN / m3 ,d =

15、 2.5 m，纣=30 kPa。反而稍高于(4)的计算结果。上述的前三种算法不计车库的浮力，显然高估了地基承载力，第(4) 算法平均重度计算不够合理，第(5)种算法较为合适。如果地下车 库自重不足以抵抗浮力，甚至需要抗浮桩承担浮力，则地基承载力的 深度修正部分为零。这个问题涉及： 如何计算土层的加权平均重度丫 ？m 如何计算等效埋深d ? 是否应扣除地下水对于车库的浮力？而问题又似乎并不是这样简单，车库与建筑物基础型式、尺寸大小、连接方式、施工方法与次序也有很大影响。(a) 如果车库与建筑物基础为整体筏板，尺寸也不大，是否二者 可以当作一个整体的建筑物，承载力按基底以上的实际土层厚度d计 算：

16、(b) 如果二者基础是分开的，或者没有后浇带，主体建筑物竣工 后，才浇筑后浇带。在图4中，车库的宽度小于地基整体破坏的范 围，那么实际的基础旁侧超载不止车库的自重，还包括一部分基底以上的地基土重，承载力会高一些。（C ）如果车库尺寸很大，整体性也较好，车库的宽度大于地基 整体破坏的范围，那么实际的基础旁侧超载是整体车库的总自重，承 载力也会高一些。看来在这种情况中，很有一些问题需要进一步研究解决。8. 敌军还是我军？有一个挡土墙如图5所示，填土和地基土都是砂土，墙后水位与 填土齐平，墙前水位与地面齐平。计算它的抗倾覆稳定安全系数。图5挡土墙的抗倾覆稳定计算简图这个问题的计算似乎十分简单，各力对

17、于点A取矩，抗倾覆力矩被倾覆力矩除就是安全系数。亦即：那么是否所有的逆时针力矩都是倾覆力矩，顺时针力矩都是抗倾覆力矩呢？问题在于分清哪些是荷载，哪些是抗力，亦即区分你我。这里共有四个力，其中主动土压力E和墙后水压力E是荷载，墙体aw自重W是抗力；那么基底的扬压力P是荷载吗？实际上它并不是荷W载，只是减少了墙体的自重。计算公式如下：厂 W P xF = x w ws E z + E z（5）a aw w为什么基底的扬压力P产生的力矩不加在分母，而减在分子W呢？假设墙前后的水位是平的（如图中虚线所示），水平水压力左右抵消，那么计算墙的自重用墙体材料的浮重度计算抗力是很容易理解的。亦即：L W (W

18、 P ) xF =s E zE za aa a可见与浮力一样，扬压力的减少了墙的自重，它并不是荷载。亦即它实际上是一部分（由于浮力）推出战斗的“我军（或友军）, 而非加入战斗的“敌军”在所有的挡水的墙、坝、闸的抗滑、抗倾 覆稳定计算中，扬压力总是从自重项扣除，而不是加入荷载项4问。在条分法进行稳定分析时,滑弧底部的水压力也是从垂直于滑弧面的 力N中扣除。9. 大面积荷载人们常常认为只要说是“大面积荷载”对于附加应力分布、地 基沉降和固结就是一维问题，可以完全按一维的方法解决。这是一种 误解。下面这个问题可以说明这一误解。大面积堆载一下测得各层中点的起始超静孔隙水压力如表1:表1编号土层顶部高程

19、/m顶部沉降/mm超静孔压/kpa粉质粘土2.0230190粘土5.0200120粉质粘土15.05070有人通过上述数据反算出第层土的模量为E = 120 x 10 /0.15 = 8000 kP。应当指出，为了进行这种反算还需要明确sa（1）饱和土；（2）顺时加载；（3）压缩模量E。 &如果第层土的超静孔隙水压力近似等于基底附加压力P = 190 kP，可见在第层土中附加应力已经明显扩散。远不是一维应 oa力状态。Skempton和Bjerrum提出的“考虑三向变形效应的单向压缩 分层总和法”建议用超静孔隙水压力代替附加应力沉降，其计算的 沉降S与通常的分层总和法计算结果S间关系为：c(7

20、)其中卩=A + （1 + A），其中a为土层的附加应力分布有关的系数。C可见这样计算的沉降与孔压系数A及附加应力分布有关6。简单按计算的沉降反算压缩模量Es是不对的。其实问题是否符合以为应力状态，不是荷载面积的大小，二十荷 载尺寸2a与压缩层厚度H之比。图6表示了圆形荷载不同a/H比值 时比奥固结与太沙基以为固结理论计算的固结度与实践的关系曲线 （图中的虚线）。可见只有比值a/H大于10时，二者才比较接近。图 中a为荷载的半径，H为压缩土层的厚度。时间因数A图6 一维固结与三位固结曲线的比较可见问题是否近似以为状态，处理荷载面积大意外，还必须压缩 土层较薄。而只要是“大面积荷载就认为地基土中

21、附加应力与超静 孔隙水压力等于基底附加压力，沉降与固结都是以为状态是十分错误 的。10. 舍近求远的等效直径在复合地基的置换率计算中，常常引进一个等效直径d.如果断e面为圆形的柱，等边三角形布置时，=I.05 s ;正方形布置时，=1.3 s ；ee矩形布置时，de = I3。置换率m = d 2/ de2。这种等效直径本来就是通过等效圆的面积与原来每个桩所对应的面积等折算出来的，完全 无需这种舍近而求远的方法，见图7。对于等边三角形布置情况，每 个三角形中有桩的断面积3 x 60 = 180。的扇形面积，亦即半个圆断面 积。所以：m =半个圆面积/正三角形面积兀 3=d2s2=84= 0.9

22、07 d 2 / s 2同样对于正方形布置，每个正方形中有X 90。二360 ，亦即一个整 圆。m = 一个圆面积/正方形面积兀d2 / s2=4=0.785 d2 / s2=d2 / （1.13 s）2（9）这表明，等效圆和等效直径的概念和方法，是舍近求远，将简单问题 复杂化。那么这一概念从何而来的呢？其实它来源于也是地基处理手 段的沙井渗流固结问题。由于在沙井排水固结中，是将问题分解为一 个一维固结（上下方向）和一个轴对称固结（水平方向）问题的叠加。 轴对称的固结要求将不同平面布置的砂井与地基土等效于同心圆才 能解答。所以这种近似的等效是必要的。而在计算复合地基置换率时， 这种等效概念就毫

23、无必要了。不如让设计者直接用简单的几何计算面 积。图7复合地基中不同布置的桩及其置换率计算简图上述的布置如果是一般三角形、矩形和其他不规则布置，如何计 算等效面积呢？有趣的是在一次考试中,条件是桩布置在等边三角形的重心处，计算置换率。几乎90%的人仍然使用1.05s计算，这显然 少算了一半。看来等效直径的概念害人不浅。参考文献1 弗雷德隆德.非饱和土力学(陈仲颐等译).北京：中国建筑工业出版社，1997.2 李广信基坑支护结构上水土压力的分算与合算岩土工程学报，2002,22 (3)： 348-352.3 建筑桩基技术规范(JGJ 94-94).北京：中国建筑工业出版社，1995.吴媚玲土工建筑物北京：清华大学出版社.1991.建筑基坑支护技术规程(JGJ 120-99).北京：中国建筑工业出版社，1999. 李广信高等土力学北京：清华大学出版社，2004.7建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002J 220-2002).北京：中国建筑工业出版 社，2002.