第六节固结、沉降、筑坝用土石料及填筑标准.ppt

2019/6/5,1,第五节 土石坝的固结、沉降与应力分析,Consolidation, Settlement and Stress Analysis of Earth-Rock Dam,2019/6/5,2,一、固结与沉降分析,(一)固结分析 1、概念：土体在荷载作用下，孔隙水缓慢渗出，体积逐渐压缩，土体中有效应力逐步增大，超静孔隙水压力逐步消散直至完全消失，这一过程称为固结。 2、目的:了解防渗体和粘性土坝基中的孔隙水压力及其沉降变形随时间的变化情况。 3、太沙基(Terzaghi)和比奥(Biot)固结理论-饱和土体,2019/6/5,3,太沙基与比奥固结理论采用的基本假定,太沙基与比奥固结理论采用的基本假定是： 土体完全饱和； 土中渗流服从达西定律，在固结过程中，渗流系数不变； 土粒和水本身的压缩性可以忽略，土体变形主要由孔隙水排出和超静孔隙水压力（超过稳定渗流的孔隙水压力）的消散而引起。,2019/6/5,4,土的压缩曲线,2019/6/5,5,(二) 沉降分析,1、概念:固结过程中孔隙水压力消散，导致土体被压缩产生沉降。 2、目的：在于确定竣工时坝顶应预留的超高，以及预估各个部位的不均匀沉降和不均匀沉降梯度，以初步判断发生裂缝的可能性，并据以研究是否需要和如何采取防止裂缝的工程措施。,2019/6/5,6,3、沉降量的计算,分层总和法,2019/6/5,7,4.坝体各断面的预留沉降量超高,参照施工期观测，已建工程经验综合分析确定,2019/6/5,8,二、应力分析,(一)土的本构模型,2019/6/5,9,(三) 高坝的应力和变形特性,2019/6/5,10,竖直位移,心墙的竖直位移一般比坝壳部分大图528 a， 这是因为心墙土料的压缩性比较大，同时水库水压力主要由心墙承受。最大竖直位移发生在下部 H/3处(H为坝高)。一般计算的土石坝最大竖直位移多发生在 H/2H/3范围内，原型观测结果也基本上证实了这一点。,2019/6/5,11,水平位移,水平位移的最大值发生在心墙上游面图528 b，并且沿坝高大体上呈均匀分布。沿心墙轴线的水平位移约占竖直位移的7580甚至100。下游坝壳部位的水平位移基本上不衰减，这和实际情况是不相符的。对罗贡坝也进行了三维分析，结果表明，水平位移在下游坝壳部位已变得很小。,2019/6/5,12,竖向应力,具有比较重要意义的是竖向应力z的等值线图图528 c。由于心墙和坝壳土料变形性质的不同，在坝体内产生“拱”效应，使心墙部位显著卸载，而在过渡区内形成应力集中。拱效应可使心墙中的竖向应力较 sh (s为填土容重；h为填土深度）减小很多，甚至达到60，随心墙厚度以及心墙和坝壳土料特性的差异而不同，在本例中拱效应达到25。,2019/6/5,13,水力劈裂,心墙的应力状态对于防止水力劈裂至关重要，但目前对水力劈裂现象还缺乏深入的认识。在一些土石坝的事故中，发现坝的下游坡出现集中漏水，但漏水不是在水库满蓄后立即发生，而是延迟几小时甚至几天后突然发生。这表明，在水库水位上升以前，防渗体内并没有大的裂缝，但是在一定的条件下，水库水压力可使已存在的闭合裂缝张开或是产生新的裂缝，故称为水力劈裂。,2019/6/5,14,剪应力与塑流区范围,(图 528 d）中剪应力xz的分布进一步表明了心墙上游面过渡区内的应力集中现象。 根据弹塑性应力分析，材料的屈服和该点的应力状态有关，据此可以计算坝内各点抵抗塑流的安全系数，如图528 e所示，图中小于10的影线区表示可能发生的塑流区范围，包括：上游坝壳下部，心墙底部和下游坝脚等部位。材料进人塑性并不等于发生剪切破坏，但可显示坝抵抗失稳破坏的安全储备，并可据此预测可能的破坏滑动面的位置。,2019/6/5,15,应力分析成果作用,应力分析成果有助于预防坝体产生裂缝。裂缝可由拉应力或土体不能承受的过大变形而引起，如果应力分析中出现这种情况，则应设法予以消除。裂缝可在坝完建后一定时期内出现。因为土具有蠕变特性，而且愈接近极限状态，蠕变现象愈明显。土的固结和蠕变使应力不断发生重分布，导致在薄弱部位产生裂缝。为了预测裂缝出现的可能性，需在分析中考虑土的蠕变特性。但不计土的蠕变性所得出的应力分析成果，也可用以估计裂缝发生的大体范围。,2019/6/5,16,第六节 筑坝用土石料选择及填筑标准,Soil and Rock for Earth-Rock Dam with The Criteria of Compaction,2019/6/5,17,一、筑坝材料选择,坝址附近各种天然土石料和枢纽建筑物开挖料的性质、种类、储量、运距等因素。 1筑坝土石料选择的原则 选择筑坝土石料应遵循下列原则： （1）具有（或经加工后具有）与其使用目的相适应的工程特性和长期稳定性； （2）就地、就近取材，减少弃料，少占农田，并优先考虑利用枢纽建筑物开挖弃料； （3）便于开采、运输和压实。,2019/6/5,18,2坝体不同部位对土石料的要求,土石坝材料的选用范围越来越广泛。风化料、软岩、砾石土均用于筑坝。 （1）防渗体对土料的要求: 防渗土料用粘性土， 1) 渗透系数要求：均质坝应不大于1×10-4cm/s，心墙和斜墙应不大于1×10-5cm/s； 2)水溶盐含量：均质坝、心墙坝应不大于3%； 3) 有机质含量（按质量计）：均质坝应不大于5%，心墙和斜墙应不大于2%； 4) 具有较好的塑性和稳定性； 5) 浸水与失水时体积变化较小。,2019/6/5,19,防渗体对土料的要求,对冲积粘土、膨胀土，开挖、冻土和分散性粘土不宜作为防渗体的填筑土料。 红粘土、湿陷性黄土、砾石土可用于防渗体。,2019/6/5,20,（2）坝壳土石料的要求,坝壳土石料应满足排水性能好、抗剪强度高、易压实和抗震稳定性良好的要求。 料场开采和坝区开挖的砂、砾石、卵石、石料和风化料及砾石均可作为坝壳的填筑材料。 均匀中细砂只能用于中、低坝坝壳浸润线以上的干燥区，高坝和地震区不宜采用这种土料。 下游坝壳应采用透水性能良好的土石料填筑。 对软化系数低，不能压碎成砾石土的风化石料和软岩宜在坝壳的干燥区填筑。,2019/6/5,21,（3）反滤层、过渡层和排水体的要求,1）质地致密、抗水性和抗风化性能满足工程运用的技术要求； 2）具有符合使用要求的级配和透水性； 3）反滤料和排水体料中粒径小于0.0075mm的颗粒含量应不超过5%。 反滤料可利用天然或经过筛选的砂砾石料，也可采用块石、砾石轧制，或采用天然和轧制的混合料。IIIV级低坝经论证可采用土工布作为反滤料。,2019/6/5,22,二、土料填筑标准的确定,土料的填筑标准：较高密实度、均匀性、强度和较小的压缩性，在满足渗流条件和坝坡稳定要求下，取得经济合理的坝体剖面。 确定填筑标准时，应考虑下列因素： 坝高、坝型、坝的级别和坝的不同部位；坝体填料特性：土石料的压实特性、参数 坝基土的强度和压缩性； 当地气候、设计地震烈度和其他影响； 采用的压实机具、施工难易程度； 不同填筑标准对造价的影响。,2019/6/5,23,1粘性土的填筑标准,我国碾压式土石坝设计规范（SL2742001）对粘性土的填筑标准作出如下规定 1)粘性土的填筑标准以压实度和最优含水量作为控制指标:设计干容重应以击实最大干容重乘以压实度确定: d = Pmax,2019/6/5,24,压实度,2)对于I、II级坝和高坝的压实度P应取98%100%，IIIV级坝和中、低坝应取0.950.98，V级坝和低坝取小值，设计地震烈度为89度时取最大值。 3)对混凝土防渗墙顶部的高塑性土、湿陷性黄土，需根据工程实际情况确定合适的压实度.,2019/6/5,25,2砂和砾石的填筑标准,对砂、砂砾石等，通过击实可提高其抗剪强度和减小压缩性、防止液化。 试验表明：砂砾的压实与级配和压实功有关；填筑标准应以相对密度为设计控制指标。 对于砂料，相对密度不应低于0.7，反滤料宜为0.7，砂砾石不应低于0.75。,2019/6/5,26,砂和砾石的填筑标准,对于砂砾石，根据室内结果整理出级配干容重相对密度关系，以便现场挖坑取样检查。 对于堆石料，宜用孔隙率为设计控制指标，孔隙率宜取0.2%28%。,