岩土勘察深基坑支护及桩基工研讨会讲稿.ppt
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1、岩土勘察、深基坑支护及桩基工 程新技术研讨会,研讨内容,一、地基勘察方法及瑞利波检测 二、地基基础设计理论与荷载 三、地基承载力 四、软弱土地基处理 五、 工程地质勘察 六、 地基基础工程的现状 及发展综述,一、 地基勘察方法及瑞利波检测,工业与民用建筑工程的设计分为可行性研究、初步设计和施工图三个阶段。 为了提供各设计阶段所需的工程地质资料,勘察工作也相应分为可行性研究勘察、初步勘察和详细勘察三个阶段。,1、勘探工作 勘探是地基勘察过程中 查明地质情况的一种必要手段,它是在地面的工程地质测绘和调查所取得的各项定性资料的基础上,进一步对场地的工程地质条件进行定量的评价。 勘探工作包括坑探、钻探
2、、触探和地球物理勘探等。,1.触探 触探是通过探杆用静力或动力将金属探头贯入土层,并测得能表征土对触探头贯入的阻抗能力的指标,从而间接地判断土层及其性质的一类勘探方法和原位测试技术。,作为勘探手段,触探可用 于划分土层;作为测试技术, 则可估计地基承载力和土的变形指标等。 a.静力触探试验 用静力将一个内部装有阻力传感器的圆锥形探头均匀压入土中,测定土层对探头的贯入阻力,以此来间接判断分析地基土的物理力学性质。与常规的勘探手段比较,静力触探有其独特的优越性。它能快速、连续地探测土层及其性质的变化。,单桥探头可以测得包括锥尖阻力和侧壁摩阻力在内的总贯入阻力P(kN),通常用比贯入阻力ps(kPa
3、)表示。 双桥探头可以分别测得锥尖总阻力Qc(kN)和侧壁总摩阻力Pt(kN),通常以锥尖阻力qc(kPa)和侧壁摩阻力fs(kPa)表示。根据锥尖阻力qc (kPa)和侧壁摩阻力fs (kPa),可以计算同一深度处的摩阻比Rs。,静力触探成果的应用 1、划分土层 2、估算土的物理力学指标 3、确定浅基础的承载力 4、预估单桩承载力 5、判定饱和砂土和粉土的液化势,静力触探具有测试连续、快速、效率 高、功能多的特点,兼勘探与测试双 重作用。适用于粘性土、粉土、砂土 ,但对碎石类土难以贯入。,地基的承载力取决于地基土本身的力学性质,而静力触探所测得的比贯入阻力等指标在一定程度上也反映了土的某些力
4、学性质。根据静力触探资料可间接地按地区性的经验关系估算地基的承载力、土的压缩性指标和单桩承载力等。,b.动力触探 动力触探一般是将一定 质量的穿心锤,以一定的落距自由下落,将探头贯入土中,然后记录贯入一定深度所需的锤击次数,并以此判断土的性质。 动力触探包括标准贯入试验和轻便触探两种方法。,动力触探试验(dynamic sounding),圆锥动力触探试验(DPT) 标准贯入试验(SPT) 其共同点是利用一定的锤击动能,将一定规格的探头打入土中,根据每打入土中一定深度所需的能量来判定土的性质,并对土进行分层。,标准贯入试验设备主要是由贯入器、贯入探杆和穿心锤三部分组成的, 锤重63.5kg,在
5、76cm的自由落距下,通过圆筒型的贯入器,贯入土层15cm,再打入30cm深度,以后30cm的锤击数称为标贯击数,用N63.5来表示,一般写作N。,标准贯入试验成果的应用,1划分土的类别或土层剖面; 2判断砂土的密实度及地震液化问题; 3判断粘性土的稠度状态及C、值; 4评定土的变形模量E0和压缩模量ES; 5确定地基承载力;,由标准贯入试验测得的 锤击数N,可用于确定地基 的承载力、估计土的抗剪强度和粘性土的变形指标、判别粘性土的稠度和砂土的密实度以及估计地震时砂土液化的可能性。 应用轻便触探试验测得的锤击数N10,可确定粘性土地基和素填土地基的承载力,并可按不同位置的值的变化情况判定地基土
6、层的均匀程度。,载荷试验 (Loading test) 在一定面积的承压板上向地基逐级施加荷载,并观测每级荷载下地基变形特性,从而评定地基的承载力,计算地基的变形模量并预测基础的沉降量。,十字板剪切试验(VST),十字板剪切试验是用插入软粘土中的十字板头,以一定的速率旋转,测出土的抵抗力矩,然后换算成土的抗剪强度。,2.地球物理勘探 地球物理勘探(物探) 是一种兼有勘探和测试双重功能的技术。物探之所以能够被用来研究和解决各种地质问题,主要是因为不同的岩石、土层和地质构造往往具有不同的物理性质,通过专门的物探仪器的量测,就可区别和推断有关地质问题。,对地基勘探的下列方面 宜应用物探: a.作为钻
7、探的先行手段,了解隐蔽的地质界限、界面或异常地带,为经济合理确定钻探方案提供依据; b.作为钻探的辅助手段,在钻孔之间增加地球物理勘探点,为钻探成果的内插、外推提供依据;,c.测定岩土体某些特性 参数,如波速、动弹性模量等。 常用的物探方法主要有电阻率法、声波法、波速测试等。,瑞利波勘探技术及应用,岩土工程勘察规范第10.10.1、10.10.4表明面波法是地基动力测试的重要手段。,国内外现状及简要说明,铁道部研究院于1992年在首次运用瑞利波于京沪线路路基床质量评估,取得良好的效果,中国铁路工程总公司对京秦、京九等四条干线总长20km左右进行了实测,另外,河北地球物理勘察院研制了SM98瑞雷
8、波探测仪,该探测仪自动化程度高、轻便,已用于京沪高速公路等工程,每天最多可测六百点,提高了公路路面强度和路基压实度的检测效率;,主要技术原理及关键技术,瑞利波勘探技术是建立在测试地层内应力波传播特性基础上的。理论和实践均表明,土体的密实程度(密实度)、承载能力(K30及地基承载力等指标)以及土物理力学性质指标(E、G、等)的大小均与土中应力波的传播特性存在极大的相关性。因此,如果已知地层弹性波的波速VP、VS或VR,即可直接计算土的其它力学性质指标(诸如E、G、等)。,瑞利波检测是通过测试不同土层或填土的瑞利波速,并依据瑞利波速值大小与填土的物理、力学参数(诸如密度、剪切模量、压缩模量、泊松比
9、等)、填土的承载能力等指标有着密切相关关系的基本原理,通过现场试验建立起VR与土体有关强度指标的相关关系,从而实现对路基填土施工质量的快速评价。,理论基础,瑞利波特性及波速与土物理力学性质指标间的关系 K30指标(类同地基反应模量)及与土的物理力学性质指标间的关系 半无限均质材料K30指标与波速的相关关系,瑞利波速与土物理力学性质指标间的关系,纵波和横波的波速与介质的物理力学性质指标密切相关。 在半无限空间的表面,由于自由边界的作用,P波和S波的干涉将形成被称为瑞利波R的表面波。 瑞利波速与剪切波速具有以下关系,填土内瑞利波波速VR的变化直接反映出被测土层物理性质指标的大小及力学强度指标的强弱
10、,两者之间有着密切的相关关系。,K30 指标与土的物理力学性质指标间的关系,在半无限均匀介质表面作用有局部的均布荷载、且荷载P与载荷板的沉降量s之间近似呈直线关系时,按照弹性力学的基本理论,可以得到如下计算土体变形模量关系式:,K30指标同VR值一样,与土的物理力学参数之间亦有着密切的相关关系。进而可得出VR与K30之间亦有密切相关关系的结论。,半无限均质材料K30 指标与波速的相关关系,土体的动弹性模量要大于变形模量,令其比值为(1),即:,K30指标与剪切波速、土体密度间的关系式为:,半无限均质材料K30 指标与波速的相关关系,K30与瑞利波速VR的理论关系为:,理想半无限弹性体材料的K3
11、0与瑞利波速VR平方的理论比值与值(介质的动弹性模量与变形模量之比)的大小呈线形相关关系,这进一步从理论上证明K30与瑞利波速VR乃至值间的相关性十分密切。,瑞利波测试技术与方法,测试原理 工作过程 应用原理 基本配置 主要性能及特点 与国内外同类型产品的比较,1 测试原理,2 工作过程,该仪器的工作过程如下:由锤击产生的振动信号同步启动仪器,使仪器进入工作状态,同时振动信号通过被检测的土层传递到检波器,检波器将接收到的振动信号转换为电模拟信号后,传递到仪器的前置放大部分进行固定增益放大,再传输到主放大器进行可变增益放大,并由电子转换开关将两道并行的已放大的模拟信号进行逐次采样,变为一路串行的
12、离散脉冲信号,此脉冲信号被放大到A/D转换器要求的幅度范围内,经A/D转换器转换为相应的数字信号,这些信号由仪器内的单片机统一控制,经逻辑控制电路实现各种功能的选择与控制,并将数字化的数据按规定格式存入硬盘内,同时在显示屏进行显示并进行相应的处理和分析。存储的数据亦可通过仪器的通讯接口实现与计算机的数据传输。,3 应用原理,x1、x2两点处瑞利波的垂直位移方程可分别简写为:,由于x1、x2处的振动是由同一振源引起的,所以后者是前者迟某一段时间后的重复,延迟时间为: t=(x2-x1)/ VR,把u2n加以延迟时间后考察两信号的相似性,即计算两信号的相关系数:,如果在0达到最大值则:VR=(x2
13、-x1)/0,4 基本配置,5 主要性能及特点,带 宽:10HZ3KHZ; 输入阻抗: 4K; 增 益:060db; 采样间隔:10s; 扫描时延:09999ms; 存储容量:510组测试曲线; 数据传输:RS232C口; 液晶显示:240128 ; 充电电池:连续工作10小时以上; 相对湿度:95%; 环境温度:-1040。 重量轻,体积小,操作方便;,6 与国内外同类型产品的比较,仪器全重仅5Kg左右,便于携带,无须任何运输及配重设备; 检测速度快,每点检测时间仅需3分钟左右; 可实现检测数据的自动接收与存储,从而可减少人工操作、记录与计算带来的误差; 整个试验仅需两人即可进行; 仪器具有
14、较好的检测精度,因此对大面积填土区(例如:铁路站场、水利堤坝、机场等),通过多点快速测试,评价整个场地压实的均匀程度; 仪器具有良好的实用性和对环境的适应性,直观、简便的中文菜单使得操作人员只要经过简单的训练即可熟练操作,良好的性能价格比有利于该仪器的普及与推广;,六、使用及测试结果,现场测试方案 操作流程 对比试验结果 西南交通大学室内测试结果 K30与VR间的相关统计关系,1 现场测试方案,2 操作流程,3 对比试验结果,检波器与地表不同耦合方式的对比测试试验分为三组进行:A组检波器(下设金属垫)置于路基表面;B组检波器(下设金属锥)插入路基4厘米左右;C组检波器(下设金属锥)插入路基8厘
15、米左右。 通过对细粒土、粗粒土、碎石土、级配碎石进行3组波形分析计算,测试结果完全相同。这表明不同耦合方式对测试结果没有影响,实际应用时可对于不同土类、不同压实效果选用简单、方便的方式。 不同含水量的对比测试主要对细粒土进行。试验表明,含水量的大小与波速测试值密切相关,同时,含水量、K30值与波速值均具有较好的相关关系,含水量高,K30值低,相应波速值也低,K30值与波速值具有一致性。,4 西南交通大学室内测试结果,细粒土的波速值K30关系曲线,细粒土的波速值含水量关系曲线,5 K30与VR间的相关统计关系,细粒土: K30=0.0048 VR2.0076 可靠度系数 R2=0.9496 粗粒
16、土: K30= 0.029 VR1.6345 可靠度系数 R2=0.9501 碎石土: K30=0.0135 VR1.7846 可靠度系数 R2=0.9416 级配碎石: K30=0.0135 VR1.8194 可靠度系数 R2=0.9647,图一 细粒土波速与K30关系曲线,图二 粗粒土波速与K30关系曲线,图三 碎石土波速与K30关系曲线,图四 级配碎石波速与K30关系曲线,时速200公里新建铁路质量标准,依据“时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定“所规定的地基系数建议标准,可给出LJY-1路基施工质量监测仪检测的质量标准区间如下:,七、工程测试实例及结语,工程实例 优点 存在的问题
17、 发展前景及今后的发展方向,工程实例,1、烟台开发区砂及碎石垫层承载力评价; 2、 陇海线郑徐段既有路基质量检测;,3、福州某场地拟建20层楼房地基多道瞬态瑞利波检测。面波测试采用12道,道间距为2米,振源采用18磅大锤敲击地面,采样间隔为10ms,采样点数为1024点,拾振器为25Hz垂直检波器,接收和处理仪器为SWS面波仪处理软件采用KSW20面波处理系统。,二、地基基础设计理论与荷载确定 (岩土工程勘察规范第14.1.4表明岩土工程计算应采用可靠度设计理论),满足如下要求:安全性、适用性及耐久性 1、承载力 2、变形 3、稳定 4、基础本身(强度、刚度、耐久性、抗裂),设计基本原则,两种
18、极限状态设计,承载能力极限状态:是指结构或构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形的状态。 正常使用极限状态:是指结构或构件达到适用性能或耐久性能的某项规定限值(地基的变形、裂缝等)的极限状态。有时间接通过应力控制(例如最大塑性深度的限制容许承载力),地基基础设计的设计思想,可靠度理论:以概率理论为基础的极限状态设计方法;是不确定性理论方法;其结果是破坏的概率或者工程的可靠度。 定值设计法:所有参数和条件是定值,所有不确定性由一个安全系数K包括。,一、地基基础承载力设计理论,1、容许承载力理论 2、极限承载力理论安全系数法 3、极限承载力理论分项系数法,重要性系数,分项系数,分项系数,1、
19、容许承载力理论,承载力:塑性区开展范围:Pcr,P1/4,,s/b=0.01-0.02(载荷试验)、计算公式 荷载:标准值(组合),F,塑性区,1、容许承载力理论,在载荷试验中可以由其比例界限确定; 按一定沉降比人为规定,例如s/b0.002 在理论计算中可以由塑性区发展理论中的临塑荷载pcrp1/4、 p1/3确定。 按容许承载力理论确定的承载力,其沉降一般也会满足要求,常常不需进行沉降验算。 在这种设计中,工程的安全性和可靠性是无定量的概念的。因而是一种经验的设计方法。 其设计荷载可取为标准值或标准组合。,2、极限承载力理论安全系数法,承载力:极限承载力公式、平板载荷试验的极限值/安全系数
20、(23) 荷载采用标准值(组合),2、极限承载力理论安全系数法,在这一理论方法中,其安全程度用单一的安全系数K表示,但这一安全系数反映多大的失事概率是不得而知的。,对于地基承载力问题,单一安全系数法的一般表达式为:,3、极限承载力理论分项系数,承载力:采用标准值除以承载力分项系数 荷载:荷载效应组合的代表值分项系数设计值S(基本组合),3、极限承载力理论分项系数,基于可靠度理论的分项系数设计方法也是一种极限状态设计方法。 由于工程中的荷载和抗力都是随机变量,有多少可能使荷载大于抗力而失事是一个随机事件, 破坏的概率(可能性)决定于两个随机变量的均值(众值,中值及某个分位值)及其标准差。,结构功
21、能函数z=R-S=g(R,S),其平均值及标准差为,可靠度,这种设计理论能够明确地给出安全与失效的概率,然后通过经济、社会、技术的风险分析,给出最合理的设计值。所以是一种最科学合理的设计理论与方法,为国内外工程设计所广泛采用。我国颁布的建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)规定,对于各种结构设计应遵循该理论方法。,岩土工程的不确定性,土层剖面与边界的不确定性 现场与实验室岩土指标的不确定性 现场应力与孔隙水压力的不确定性 外加荷载及其分布的不确定性 计算理论和方法的不确定性 应力变形的机理不清楚。,基本设计理论,可靠度设计 建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)规定遵
22、循可靠度设计理论及方法; 规范规定:地基基础设计时,所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定: 1、按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时,传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。 2、计算地基变形时,传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合,不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形允许值。,二、 荷载计算,1 极限状态:结构或者结构的一部分超过某一特定状态,而不能满足设计规定的某一功能要求时,这一特定状态为结构对于该功能的极限状态。 (1)承载
23、能力极限状态:一般是以结构的内力超过其承载能力为依据; (2)正常使用极限状态:一般是以结构的变形、裂缝、振动参数等超过设计允许的限值为依据。,2 荷载种类:,永久荷载(恒荷载) : (1)不随时间变化(自重);(2)变化与均值比可忽略(设备);(3)单调变化并趋于极值(正常水压力):结构及基础自重、固定设备重量、土压力、正常稳定水位的水压力 可变荷载(活荷载1) :变化与均值比不可忽略:屋面、楼面、吊车、雪、风荷载 偶然荷载(特殊荷载、活荷载2) :在结构使用期间不一定出现,一旦出现其值很大,持续时间很短:地震、撞击、爆炸、,3荷载的代表值,(1)标准值:基本代表值,为设计基准期内最大荷载统
24、计分布的特征值(如:均值、众值、中值) (2)组合值:对于可变荷载,组合超越概率与其出现概率相同(等于标准值)。如:1台风设防地震最大楼面荷载 (3)频遇值:对于可变荷载,超越概率为规定的较小比率; (4)准永久值:对于可变荷载,在设计基准期内,其超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。(人群活荷载沉降),p,S:荷载,R:抗力,标准值,荷载与抗力的取值,4荷载与承载力的设计值,荷载S代表值分项系数(大于1) 抗力R代表值/分项系数(大于1),5 荷载效应:指在一定的外荷载作用下,在一定设计对象中的作用:轴力、水平力、力矩,基础上荷载及荷载效应,上部结构F、M、H:结构自重 屋面荷载 楼面荷载
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