岩土工程.ppt
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1、哈尔滨工业大学 岩土工程教研室 Geotechnical Engineering Teaching Office Harbin Institute of Technology,岩 土 工 程,Geotechnical Engineering,课程安排,28学时前6章;36 学时共7章 课程性质:考试课 授课教师:王幼清 参考书: 岩土工程手册编委会编 岩土工程勘察设计手册林宗元编 岩土加固实用技术程良奎编 地基处理叶书鳞编,第一章 绪论 第二章 工程地质调查 第三章 土体加固原理及方法 第四章 加筋土结构 第五章 复合地基 第六章 基坑工程 第七章 岩土锚固,第一章 绪 论,1.岩土工程的研究
2、对象及研究内容,岩土工程是一门综合性学科,它主要是由工程地质、水文地质、岩石力学、土质学、土力学、地基基础、土体加固技术、土工结构以及地下工程等学科综合发展起来的。岩土工程的研究内容非常广泛。,作为力学介质 例如:地基土体传递建筑物的荷载 研究对象土 (广义的土包括岩石) 作为建筑材料 例如:堤、坝是由土填筑成的土工结构,1.1 岩土工程的研究内容及重要性,a、土层的分布 e、土体的变形及稳定性 b、土的成因及分类 f、土体加固技术及其应用 c、土的物理性质 g、土中水及其运动规律 d、土的力学性质 h、土体与结构相互作用,具体研究内容:,)为工程设计提供不可缺少的基础资料; )岩土体是保持自
3、身和其上或与其相邻结构稳定性的主体; )经验表明, 工程事故的原因往往与岩土工程有关; )岩土工程的费用在总建筑投资中所占比例很高; )岩土工程的工期在总建筑工期中所占比例很高; )岩土工程由于其隐蔽性,一旦发生事故后果严重、处理困难、工期长、 费用高。,表现如下:,2.岩土工程的重要性,1.2 岩土工程工作分类,根据岩土工程工作在设计和研究中的作用,可划分为以下四种:,1.基础资料工作,基础资料可提供岩土环境及评价,在工程设计中是不可缺少的资料。例如: a、地形地貌;b、土层成因及年代;c、土层的分布及分类; d、土的物理性质及力学性能;e、地下水条件。,2.工程实践经验总结工作,工程实践经
4、验的重要性表现如下:,)在理论分析中,有许多重要因素尚不能被考虑,在设计中这些因素 要在方案选取、工程措施、细部设计等方面根据工程经验予以弥补。 )理论分析往往在定性上是合理的,但在定量上与实际观测结果有一 定的差距,这就要对分析结果做必要的修正。工程实践经验是修正 分析结果的主要依据。 )总结工程实践经验是认识土体变形及破坏机制和影响因素等的重要 途径,工程实践经验是改进、完善现行分析方法的重要依据。,3.理论分析工作,理论分析工作提供土体稳定性和变形两方面的分析成果。 理论分析工作主要包括三部分内容:,)岩土的力学模型的建立或选取 )模型参数的确定 )分析方法 一般包括两类:常规分析方法、
5、全过程分析方法,4.土体加固工作,当土体的变形过大或稳定性不足时,就需要进行土体加固。,)加固方案的选择; )加固方案的技术设计; )加固的施工工艺; )加固效果的检验;,1.3 岩土工程的特点,1.岩土工程是一门综合性很强的学科,2.岩土工程是一门实践性很强的学科,3.岩土工程受地下水影响很大,4.岩土工程对周围环境的影响和受周围环境的制约大,岩土工程从实践中产生,又为工程实践服务。,地下水能改变土的物理力学性能,能改变土中的有效应力。,例如:深基坑工程引起周围土体变形;锚杆支护结构受相邻建筑的制约。,5.研究对象土是一种及其复杂的力学介质,主要表现出以下特性:,a、多样性 b、局部性或地方
6、性 c、多相介质 d、结构性强 e、本构非线性 f、土中应力分为有效应力和孔隙水压力 g、表现为剪切破坏 h、剪缩与剪胀性 i、力学性能与应力历史有关,1.4 岩土工程的研究途径及手段,岩土工程的研究途径及手段要与其研究内容 相适应,具有多样性的 特点。主要包括以下六个方面:,1.资料的收集与调查 2.地质勘探 3.现场试验 4.室内试验 5.理论分析 6.工程实践经验的总结,1.5 岩土工程的设计依据及原则,1.岩土工程的设计依据 )业主要求 )基础资料 )理论分析的结果 )试验研究的结果 )工程实践经验 )专业规范 )施工技术和设备水平 2.岩土工程的设计原则 安全、合理、经济,第二章 工
7、程地质调查,2.1 概述,1.工程地质调查的目的,2.工程地质调查的内容,为设计提供地质环境方面的资料。其重要性在于: 1) 工程地质调查属于前期工作,为工程立项所必须; 2) 工程地质调查是设计不可缺少的基础资料的重要组成部分; 3) 工程地质调查是安全、合理、经济设计的重要保证。,1) 地形地貌; 2) 地质构造; 3) 地震活动性; 4) 地下水条件; 5) 土的成因及地质年代; 6) 土的类型及分布; 7) 土的物理性质及指标;8) 土的力学性能及指标; 9) 土的渗透性能。,3.工程地质调查阶段,工程地质调查与设计阶段相对应,一般也应分阶段进行,对于大型项 目通常分两个阶段进行: 1
8、) 初勘与规划选址、初步设计、可行性研究相配合,对场区全面普查; 2) 详勘与技术设计或施工图设计相配合,重点勘察建筑物所在地点的 土层分布、成因类型及物理力学指标。,4.工程地质调查手段 为了获得设计所需的资料,一般可采取以下手段: 1) 收集和总结现有的资料; 2) 现场踏勘; 3) 钻探; 4) 土工试验; 5) 现场原位试验。,5.地质调查成果,地质调查成果以报告书的形式给出,主要包括三部分内容: 1) 图件; 2) 成果表; 3) 文字部分。,1.工程地质勘探的手段,2.2 工程地质勘探,1) 钻孔; 2) 触探; 3) 坑探。,2.钻孔的平面布置及分类,钻孔的布置:必须具有控制性和
9、代表性,并随勘察阶段而不同: 初勘阶段,一般采用网格式布置,孔距较大; 详勘阶段,一般结合建筑物平面布置,孔距较小。 2) 注意事项:必须能取得足够数量的土样,应注意周围环境条件,便于 运输、作业、配合原位试验等; 3) 钻孔的分类及编号:一般分为控制性钻孔和一般钻孔,按顺序编号;,3.钻孔深度的确定,4.土层的现场描述及分层,根据勘察目的不同而定: 1) 基础设计:按基础形式确定,浅基一般性钻孔应穿过持力层;桩基 一般性钻孔应深入桩尖持力层; 2) 场地地震反应分析:一般应深入坚硬持力层或基岩。,1) 描述内容:颗粒粗细、颜色、潮湿程度、物理状态、钻进难易程度等; 2) 分层:根据宏观描述现
10、象确定土层类别。,5.采取土样,取样数量应满足土的物理力学指标试验的要求,一般在每个土层中 取样数量不少于件。,6.钻孔柱状图,每个钻孔可绘制一幅柱状图,其内容包括:工程名称、工程编号、 钻孔编号、土层编号及土层描述等。,7.土层剖面图,由若干钻孔柱状图连接而成,可以反映各土层的分布情况。,2.3 室内土工试验,1.土的物理性质试验,1) 三相基本指标: 2) 土的颗粒级配: 3) 土的物理状态指标 : 4) 土的渗透性指标 :,2.土的力学性能试验 按土样变形特性分为两类:,1) 体积变形特性试验: a) 单轴压缩试验:,b) 三轴压缩试验:,2) 剪切变形特性及强度试验: a) 无侧限单轴
11、压缩试验:,b) 直接剪切试验:,c) 三轴剪切试验:,3.室内试验成果表达 土的颗粒级配曲线、压缩曲线、强度曲线等,在报告中以曲线图表示; 土的物理、力学指标和三相比例指标等,以土工试验成果总表表示。,2.4 现场原位土工试验,1.试验类型 标准贯入试验 静力触探试验 剪切波速试验 十字板剪切试验 旁压仪试验 2.标准贯入试验 试验设备:探头:外径51 mm,内径35 mm,长700 mm; 落锤:锤重63.5 kg,落距76 cm 试验方法:在钻孔中先将探头打入土中15 cm,然后记录继续将探头 打入30 cm所需的锤击数N。 3) 试验结果: NZ 关系图,3.静力触探试验,试验设备:探
12、头:有单桥、双桥两种,单桥式只能测得总的土阻力; 而双桥探头可分别测得端阻力和侧阻力。 常用探头规格表 探杆:每根长1米。 触探机:轻型(20-30kN);中型(50-100kN);重型(150-200kN) 测量系统:电阻应变式;电脑数采式 反力装置:由地锚、地梁体系构成。 试验方法:将探头以20mm/s匀速压入土中。 试验结果:单桥探头测得:比贯入阻力ps=P/A; 双桥探头测得:锥尖阻力qc=Qc/A;侧壁阻力fs=Pf/Fs ps-z关系曲线、qs-z关系曲线、fs-z关系曲线,4.剪切波速试验,2) 试验设备:激振源;探头:拾振器;记录装置。 3) 试验方法:单孔法: 双孔法: 表面
13、波法:同双孔法 4) 试验结果: VS - Z关系曲线,1) 试验目的:根据弹性理论, 则,5.十字板剪切试验,1) 试验设备:施加扭矩装置、十字板探头、钻杆。 2) 试验方法:施加匀速扭转角: 试验结果:,5.旁压仪试验,试验设备:旁压探头;加压控制装置:压力源、导管、控制仪表等; 试验方法:配合钻孔,分级加荷(每级取估算极限压力的1/81/12)。 试验结果:,第三章 土体加固原理及方法,3.1 概述,1.土体加固及需加固情况,土体加固:当在荷载作用下天然土体变形及稳定性不满足要求,且调整设计方案费用过高时,则可采用工程措施改善土的物理力学性能或 受力条件,使其满足变形及稳定性要求。 加固
14、范围:平面上:根据荷载的分布范围确定; 深度上:考虑持力层厚度及软弱土层的位置确定。 加固情况:荷载过大;荷载分布不均匀;土体松软;土体在水平面上 分布不均匀;土层中有软弱夹层。,2.土体加固原理,增加土的密度,减小体积变形,提高抗剪强度; 改善土的结构,以动力或静力破坏原来不稳定结构,形成新的 稳定结构; 3) 灌浆加固,在土体中形成胶结作用; 4) 在土体中设置加强体,改善土的受力条件。,3.土体加固实施步骤,明确土体加固原理; 确定土体加固部位和范围; 确定合适的加固方案; 加固方案的初步设计; 现场试验及效果检验; 修改初步设计,形成施工设计; 施工及质量监控。,3.2 土体加固方法,
15、1.换土分层压密,选择换土类别; 确定换土的填筑密度、地基承载力和基础的宽度; 确定平面上换土的范围; 按下卧层强度验算确定换土垫层的厚度; 确定最优含水量; 按密度要求确定分层碾压次数及检验压实效果。,2.振动压密,选择振动压实机械; 确定土的压实密度、地基承载力和基础的宽度; 确定平面上压实土的范围; 按土类确定振动压实时间; 现场试验检验压实效果;,3.重锤夯实法,选择锤重及起重机械; 根据环境条件确定落距; 确定平面上需加固土体的范围; 确定夯击边数及夯点间距; 现场试验检验夯实效果,承载力可提高达到100150kPa 。,4. 强夯法,选择锤重及起重机械; 根据环境条件确定落距; 确
16、定平面上需加固土体的范围; 确定夯击边数及夯点间距; 现场试验检验夯实效果,承载力可提高34倍 。,5.砂桩或碎石桩法(分为挤密法、振冲法、强夯置换法),1) 确定平面上需加固土体的范围; 2) 选择桩体材料、确定桩长及桩距;,6. 旋喷桩或旋喷搅拌桩法,堆载控制: 按施工方法分为: 直接堆载预压法; 砂井堆载预压法; 抽真空预压法;,1) 确定平面上需加固土体的范围; 2) 选择桩体材料、确定桩长及桩距;,7. 堆载预压法,3.3 土体加固方法的选择,为了保证所选方案经济、合理、有效,应考虑以下几方面因素: 1) 具体的加固原因,荷载情况,土体情况; 在平面上、深度上的加固范围; 所要加固的
17、土体种类; 被加固土体的周围环境; 当地土体加固的经验; 施工队伍的技术水平及装备。,3.4 土体加固效果的检验,预试验阶段的工作是为大面积施工所做的准备,所以该项工作必须深入、细致、全面,主要工作包括: 1) 钻孔及取样; 室内土工试验; 现场原位土工试验; 利用试验所得的指标进行变形和稳定性分析。,1. 预试验阶段,加固后土体的变形和稳定性是否能满足要求,必须通过加固效果的检验得到证明:,2. 现场大面积施工时的检验,应尽量采用简便的方法,一般只做现场原位试验。,第四章 加筋土结构,4.1 概述,1. 加筋土结构的应用,档土结构 边坡 桥台 地基处理 基坑围护,2. 加筋土结构的组成,筋带
18、,填土,墙背,护面,基础,填土 筋带 护面 基础,4.2 加筋土结构的工作原理,1. 加筋土结构受力分析,2. 筋带与土相互作用、保证共同工作的条件,筋带的弹性模量大于土的; 接触面具有足够的摩擦力; 筋带有足够的长度。,保证内部稳定性; 保证外部稳定性。,3. 加筋土结构设计原则,4.3 加筋土结构内部稳定性分析,1. 加筋土结构自重作用,2. 墙顶面外荷载作用的影响,线荷载作用; 中心荷载作用; 偏心荷载作用; 水平荷载作用。,3.筋带抗拉断的校核,4.筋带抗拔校核,5.最大拉伸线及主动区和抵抗区,摩擦力: 粘结力: 总抗拔力: 抗拔安全系数:,1) 最大拉伸线近似螺旋线; 2) 一般在工
19、程中简化为折线或直线进行计算。,6. 破坏面为平面的验算,试算法步骤: 1) 沿墙高选几个点做试算点; 过每个点做5个可能的破坏面其中一个是库仑破坏面,其它在两侧; 对指定试算点的5个破坏面计算筋带拉力,并找出最大者: 从试算点确定最大拉力破坏面,并确定各筋带锚固长度: 验算各筋带抗拔和抗拉断力; 将破坏楔体内各筋带的抗拔力迭加; 验算总的安全系数; 重复第 3 ) 至第 7 ) 步对其他点计算。,4.4 加筋土结构外部稳定性分析,1. 计算简图及荷载,2. 基底滑动稳定性分析,3. 地基承载力验算,4. 转动滑动稳定性分析,4.5 加筋土结构的平面有限元分析,1. 平面有限元分析的必要性,1
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