岩土工程技术标准及土力学原理(高大钊)

1、同济大学同济大学 高大钊高大钊l1. 技术标准与土力学的关系技术标准与土力学的关系l2. 两种标准化体系的不同处理方法两种标准化体系的不同处理方法l3. 我国技术标准的特点我国技术标准的特点l4. 理论在工程实践中的重要作用理论在工程实践中的重要作用l5. 概念上容易混淆的几个土力学问题概念上容易混淆的几个土力学问题l6.一些值得推广的测试项目一些值得推广的测试项目l岩土工程技术标准的理论基础是土力学；岩土工程技术标准的理论基础是土力学；l制订技术标准时要充分地依据土力学原制订技术标准时要充分地依据土力学原理；理；l经验规则必须符合土力学原理；经验规则必须符合土力学原理；l执行技术标准时仍然需

2、要以土力学原理执行技术标准时仍然需要以土力学原理为指导；为指导；l技术标准不符合实际情况时应以土力学技术标准不符合实际情况时应以土力学原理为指导来解决工程问题。原理为指导来解决工程问题。l在市场经济条件下形成的技术标准以原在市场经济条件下形成的技术标准以原导性为主，各个不同的事务所的解决方导性为主，各个不同的事务所的解决方法都可用有知识产权的法都可用有知识产权的know how；负有负有法律责任，但有特殊的经济利益；法律责任，但有特殊的经济利益；l在计划经济条件下形成的技术标准是没在计划经济条件下形成的技术标准是没有知识产权的公共知识，用了出事故谁有知识产权的公共知识，用了出事故谁也没有法律责

3、任；也没有法律责任；l在现实条件下，技术标准的编制遇到了在现实条件下，技术标准的编制遇到了知识产权的尴尬，很多单位不愿意公开知识产权的尴尬，很多单位不愿意公开自己的自己的know how，非改革不可了。非改革不可了。l我国技术标准中不准讲原理性内容，只我国技术标准中不准讲原理性内容，只能订入经过局部实践使用过的经验；能订入经过局部实践使用过的经验；l再加上目前技术标准的管理中存在的问再加上目前技术标准的管理中存在的问题；题；l工程实践中只能使用落后的技术；工程实践中只能使用落后的技术；l工程技术的进步非常艰难。工程技术的进步非常艰难。l土力学的基本规律对工程建设是管用的；土力学的基本规律对工程

4、建设是管用的；l违背了土力学的基本规律就要受到自然的违背了土力学的基本规律就要受到自然的惩罚；惩罚；l土力学并不是十分高深和奥秘的理论；土力学并不是十分高深和奥秘的理论；l途径途径可靠的指标可靠的指标+ +简单的计算简单的计算+ +量测反馈量测反馈+ +经验判断经验判断= =观察法。观察法。l总高九十六米总高九十六米l一九五四年五月开工一九五四年五月开工l当年年底平均沉降六十厘米当年年底平均沉降六十厘米l一九五七年六月实测一九五七年六月实测l最大沉降一百四十六厘米最大沉降一百四十六厘米l最小沉降一百二十二厘米最小沉降一百二十二厘米 l最终沉降一百八十厘米最终沉降一百八十厘米l箱形基础高度：箱形

5、基础高度： 基础平面尺寸：基础平面尺寸： l7m 46.5m 46.5mml埋置深度：埋置深度： 基础底面总压力：基础底面总压力：l0.5m 130kPal1953年年10m浅孔剖面浅孔剖面l第一层填土，第一层填土，0.240.5ml第二层黄褐色粉质粘土，第二层黄褐色粉质粘土，坚硬至可塑，坚硬至可塑，0.961.16ml第三层棕黄色粘土，可塑，第三层棕黄色粘土，可塑，1.602.60ml第四层灰色粉质粘土，可第四层灰色粉质粘土，可塑，塑，2.26.3ml第五层灰色粘土，可塑，第五层灰色粘土，可塑，未钻穿未钻穿l基础底面压力大，土基础底面压力大，土中应力水平高中应力水平高l基础面积大，压缩土基础

6、面积大，压缩土层相对较薄，应力沿层相对较薄，应力沿深度衰减比较慢深度衰减比较慢l软弱下卧层应力水平软弱下卧层应力水平过高，可能发生局部过高，可能发生局部的水平挤出的水平挤出l基础底面附加压力基础底面附加压力124kPal至主要压缩层底处，至主要压缩层底处，附加应力还有附加应力还有70kPal 在软弱下卧层顶面在软弱下卧层顶面处，附加应力仍有处，附加应力仍有120kPa，远大于该层远大于该层的承载力的承载力l几栋大楼数据的比较几栋大楼数据的比较展览中心展览中心 46.5 46.5 0.50 124 1800 2.24胸科医院胸科医院 45.9 18.45.50 57350 2.01华盛大楼华盛大

7、楼 57.6 14.35.65 59240 2.16四平大楼四平大楼 50.0 9.805.20 94140 5.06康乐大楼康乐大楼 65.0 14.15.50 85160 5.44l事事 后后 诸诸 葛葛 亮亮l如果当时计算了沉降就不敢这么做了；如果当时计算了沉降就不敢这么做了；l只由持力层承载力控制，第只由持力层承载力控制，第3层土的地基层土的地基承载力没有满足要求；承载力没有满足要求；l过大沉降是由超大面积的基底荷载引起过大沉降是由超大面积的基底荷载引起的；的；l沉降验算的重要性；沉降验算的重要性；l超大面积荷载必然引起超量的沉降。超大面积荷载必然引起超量的沉降。一些事故引起的思考一些

8、事故引起的思考南山的滑坡（加载）南山的滑坡（加载）填方太快，不设排水措施填方太快，不设排水措施上游引水工程（卸载）上游引水工程（卸载）挖方太深挖方太深 坡度坡度1 ：3长基坑的端头滑坡（卸载）长基坑的端头滑坡（卸载） 为什么放了为什么放了1:3的坡还要滑坡？的坡还要滑坡？l为什么开挖到坑底不马上滑动，而在过为什么开挖到坑底不马上滑动，而在过一段时间后才滑动？一段时间后才滑动？l4孔箱涵，单孔尺寸为孔箱涵，单孔尺寸为3.25m 3.60m，总长总长75ml地面标高地面标高4.24.7m，设计基坑底面标高设计基坑底面标高5.33m，开挖深度近开挖深度近10ml按三级放坡，从上至下依次为按三级放坡，

9、从上至下依次为1:1.5 、 1:2 和和1:3，变坡处留，变坡处留1.0m宽的马道宽的马道l二级轻型井点降水二级轻型井点降水l采用水冲法施工，泥浆沉淀池设置在基坑顶部采用水冲法施工，泥浆沉淀池设置在基坑顶部南北两侧，距基坑外缘南北两侧，距基坑外缘12m15ml滑坡发生在挖到基坑底面，浇筑垫层后，滑坡发生在挖到基坑底面，浇筑垫层后，正在绑扎箱涵的钢筋时；正在绑扎箱涵的钢筋时；l没有进行任何的位移观测，因此没有发没有进行任何的位移观测，因此没有发现滑坡的预兆，突发性的事故；现滑坡的预兆，突发性的事故；l塌入基坑中的土方塌入基坑中的土方5000立方米立方米，泥面涌泥面涌高高6m；l第一级井点向基坑

10、中移动第一级井点向基坑中移动13m。l1. 10m的高差形成的压力差超过了软土的承载的高差形成的压力差超过了软土的承载能力；能力；l2. 由于坡面非常平缓，滑动的形式是深层滑动，由于坡面非常平缓，滑动的形式是深层滑动，以中点圆的形式破坏；以中点圆的形式破坏；l3. 卸载引起负的孔隙水压力，产生强度较高的卸载引起负的孔隙水压力，产生强度较高的假象，随着负压的消散，土的抗剪强度降低，假象，随着负压的消散，土的抗剪强度降低，滑坡并不发生的开挖的同时，而滞后一定的时滑坡并不发生的开挖的同时，而滞后一定的时间；间；l4. 没有进行监测的教训。没有进行监测的教训。l在在 47.5m 10.8m筏形基筏形基

11、础上础上l5个直径个直径8m高高31m的储煤的储煤斗斗l5天装煤天装煤215吨吨l最大最大27mm/d45mm/dl15天倾斜天倾斜2.714.1l2 年倾斜达年倾斜达24 l荷载与地基承载力荷载与地基承载力l地基极限承载力：地基极限承载力：l按固结快剪指标为按固结快剪指标为202kPal按不固结不排水剪指标为按不固结不排水剪指标为135kPal建筑物恒载建筑物恒载38000kN，产生基底压力产生基底压力76kPa，l装煤装煤21500kN，产生基底压力产生基底压力44kPal活载与恒载之比活载与恒载之比0.57l基底总压力基底总压力120kPal安全度分析安全度分析 如果不快速加煤，用如果不

12、快速加煤，用固结不排水固结不排水202kPa，安全系数安全系数1.68； 实际快速加煤，故安全系数低于实际快速加煤，故安全系数低于1.68；不考虑施工期的排水固结，用不考虑施工期的排水固结，用不排水不排水剪剪135kPa，安全系数安全系数1.13； 实际安全系数介于实际安全系数介于1.131.68之间。之间。l两种极限状态两种极限状态缺一不可缺一不可不能将不能将沉降控制绝对化；沉降控制绝对化；l历史和实践证明，单纯凭经验而忽历史和实践证明，单纯凭经验而忽视理论的倾向有害的；视理论的倾向有害的；l很多工程在技术标准中找不到现成很多工程在技术标准中找不到现成的答案，是非标的工程。的答案，是非标的工

13、程。l1. 地基承载力地基承载力l2. 深层平板载荷试验的模量深层平板载荷试验的模量l3. 桩端阻力与地基承载力的关系桩端阻力与地基承载力的关系l4. 不固结不排水强度不固结不排水强度cuu是天然强度是天然强度而不是强度指标而不是强度指标l极限承载力极限承载力l容许承载力：容许承载力：l极限承载力除以极限承载力除以安全系数安全系数l承载曲线上的第承载曲线上的第一拐点一拐点l以压板宽度的某以压板宽度的某一百分率沉降对一百分率沉降对应的压力值应的压力值cNdNbNqcdb21l1. 深宽修正公式并不是理论公式，而是深宽修正公式并不是理论公式，而是一种经验的方法；一种经验的方法；l2. 提出的目的是

14、为了将载荷试验的结果提出的目的是为了将载荷试验的结果用之于实际的基础条件；用之于实际的基础条件；l3. 如果已知基础的条件和抗剪强度指标，如果已知基础的条件和抗剪强度指标，就应当直接用理论公式计算；就应当直接用理论公式计算；l如果用小尺寸计算后再进行深宽修正的如果用小尺寸计算后再进行深宽修正的方法是不合适的。方法是不合适的。l用地基承载力公式计算的结果，是不可用地基承载力公式计算的结果，是不可以修正的。理由有两点：一是用承载力以修正的。理由有两点：一是用承载力公式计算得到的是浅基础的地基承载力，公式计算得到的是浅基础的地基承载力，深层土的应力水平不同，它的承载机理深层土的应力水平不同，它的承载

15、机理不同于浅基础；二是深宽修正方法的数不同于浅基础；二是深宽修正方法的数据依据、计算方法的可信度和理论层次据依据、计算方法的可信度和理论层次都低于用承载力公式计算的方法，用低都低于用承载力公式计算的方法，用低一层次的方法去校正高一层次的方法，一层次的方法去校正高一层次的方法，是不合适的。是不合适的。 l第第2.1.3条，地基承载力特征值指由载荷试条，地基承载力特征值指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值；例界限值；l第第5.2.4条，条，fa修正后的地基承载力特征

16、值；修正后的地基承载力特征值； fak地基承载力特征值；地基承载力特征值；l第第5.2.5条，条，fa由土的抗剪强度指标确定的地由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值；基承载力特征值；l1. 这这0.5和和3是什么意思？是什么意思？l2. 为什么对软土，为什么对软土， b0而而 d 0？l3. 如果如果 d0，将会出现怎样的结果？将会出现怎样的结果？l4. fak是什么概念？是是什么概念？是b3，d0.5时的时的承载力？怎么求得的？承载力？怎么求得的？5 . 03dbffdbakal基础宽度基础宽度10m，埋深埋深10m，如何用抗剪强如何用抗剪强度指标评价其地基承载力？度指标评价其地基承载力

17、？l1. 对对10m处的土层用小尺寸（例如处的土层用小尺寸（例如d2m，b1.5m）进行计算；进行计算；l2. 然后将计算的结果进行深宽修正到实然后将计算的结果进行深宽修正到实际的尺寸；际的尺寸；l3. 用实际尺寸计算（宽度按最大用实际尺寸计算（宽度按最大6m计，计，埋深按埋深按10m计）承载力；计）承载力；l1. 用小尺寸载荷试验结果加深宽修用小尺寸载荷试验结果加深宽修正的方法求深大尺寸基础的承载力正的方法求深大尺寸基础的承载力是不适合的；是不适合的；l2. 可以用实际尺寸进行计算；可以用实际尺寸进行计算；l其中，宽度的限制其中，宽度的限制6m是一种经验处是一种经验处理；理；l为什么对深度没

18、有加以限制？为什么对深度没有加以限制？l对不同深度的土层都采用统一假定的基础对不同深度的土层都采用统一假定的基础埋深和宽度，用规范的公式计算了地基承埋深和宽度，用规范的公式计算了地基承载力，并分层地在勘察报告中给出；载力，并分层地在勘察报告中给出；l不论是临界荷载公式或极限荷载公式，推不论是临界荷载公式或极限荷载公式，推导公式时都有假定的基本条件，计算的条导公式时都有假定的基本条件，计算的条件应当与假定条件基本相符。现在将一个件应当与假定条件基本相符。现在将一个埋藏在几十米深度处的土层，假想为在地埋藏在几十米深度处的土层，假想为在地面处，用浅基础的地基承载力公式计算，面处，用浅基础的地基承载力

19、公式计算，条件相差悬殊，其结果是没有任何物理意条件相差悬殊，其结果是没有任何物理意义的。义的。l 在压板尺寸一定的条件下，压板底面深在压板尺寸一定的条件下，压板底面深度越深，所测得的变形模量越小；度越深，所测得的变形模量越小；l 有认为土的深度越深，固结压力越大，有认为土的深度越深，固结压力越大，土越密实，因而模量应当越大才对；土越密实，因而模量应当越大才对；l上述命题是否正确？上述命题是否正确？spdE0d/z0.300.200.100.05 0.5150.4970.4700.461l1. “土的深度越深，固结压力越大，土越土的深度越深，固结压力越大，土越密实，因而模量越大密实，因而模量越大

20、”是从地质学的观是从地质学的观点得出的结论；点得出的结论；l2. 作为一个地质单元划分出来，将土的作为一个地质单元划分出来，将土的性质均匀化了，用一个模量来描述；性质均匀化了，用一个模量来描述；l3. 在一个地质单元中，测定的模量不应在一个地质单元中，测定的模量不应随随深度而异，也不应随方法（用浅层随随深度而异，也不应随方法（用浅层或者深层载荷试验）而异；或者深层载荷试验）而异；l在同一个平面上，压板面积相同，荷载相在同一个平面上，压板面积相同，荷载相同：同：1) 测定的模量应当相同；测定的模量应当相同；2) 比较压板比较压板的沉降是否相等？的沉降是否相等？3) 由于压板底面以上土由于压板底面

21、以上土的作用，使的作用，使s1 s2，深度越大，相差越大；，深度越大，相差越大；l4) 在模量相同的条件下，系数必然随深度在模量相同的条件下，系数必然随深度而减小。而减小。l s1 s2 spdE0l1. 规范的桩端阻力经验值与地基承载力规范的桩端阻力经验值与地基承载力值有什么关系？值有什么关系？l2. 能否用地基承载力的数值加深宽修正能否用地基承载力的数值加深宽修正求桩端阻力？求桩端阻力？l3. 桩端阻力的测定；桩端阻力的测定；l4. 端阻力的发挥。端阻力的发挥。tgtgfeBeBCD245min24sin2 相对最小埋置深度与内摩擦角的关系 表 1 () 0 10 20 30 40 45

22、BDf min 0.707 1.53 3.42 8.53 23.8 44.4 l滑动面不延伸到地面，不会发生整体剪滑动面不延伸到地面，不会发生整体剪切破坏；切破坏；l由于土拱的作用，埋置深度范围内的土由于土拱的作用，埋置深度范围内的土柱重量不可能全部作用于被动侧的滑动柱重量不可能全部作用于被动侧的滑动土楔的面上；土楔的面上；l土体对基础侧面的约束作用发挥了相当土体对基础侧面的约束作用发挥了相当重要的作用。重要的作用。l在条件允许的情况下，可以用深层载荷在条件允许的情况下，可以用深层载荷试验测定，但没有反映桩侧作用的影响；试验测定，但没有反映桩侧作用的影响；l在试桩时，可以直接测定桩体条件下的在

23、试桩时，可以直接测定桩体条件下的端阻力，可以证明长桩的端阻力发挥得端阻力，可以证明长桩的端阻力发挥得很少；很少；l对于没有量测条件的试桩，可以用分析对于没有量测条件的试桩，可以用分析的方法将端阻力和侧摩阻力分开。的方法将端阻力和侧摩阻力分开。l轴向荷载在克服了侧摩阻力以后才能传轴向荷载在克服了侧摩阻力以后才能传递给桩端土层；递给桩端土层；l在同一场地条件，桩越长，端阻力越不在同一场地条件，桩越长，端阻力越不能充分发挥；能充分发挥；l桩端阻力和地基承载力的条件不同、桩端阻力和地基承载力的条件不同、发挥的机理不同，在理论上和实践发挥的机理不同，在理论上和实践上都没有相应的关系；上都没有相应的关系；

24、l深宽修正只适用于浅基础，不能用深宽修正只适用于浅基础，不能用以计算桩端阻力；以计算桩端阻力；l不固结不排水不固结不排水强度强度cuu：l是天然强度；是天然强度；l不是强度指标；不是强度指标；l是凝聚材料；是凝聚材料；l不是摩擦材料；不是摩擦材料；l强度与法向应强度与法向应力无关；力无关；l极限承载力等于极限承载力等于5.14 cuu ；l容许承载力等于容许承载力等于3.14 cuu ；l承载力将与基础宽度无关；承载力将与基础宽度无关；l承载力将与基础埋深无关；承载力将与基础埋深无关；l0，c30kPa ； 15，c10kPaaKch20l1.孔内渗透试验孔内渗透试验 l2.扁铲侧胀仪扁铲侧胀

25、仪l3.等梯度固结试验等梯度固结试验l这些试验并不是很新的东西，但过这些试验并不是很新的东西，但过去注意得不够，某些条件下可能是去注意得不够，某些条件下可能是适用的，可以补充现有方法的不足。适用的，可以补充现有方法的不足。l孔内渗透试验包括常水头法渗透试验和变孔内渗透试验包括常水头法渗透试验和变水头法渗透试验，常水头法适用于砂、砾水头法渗透试验，常水头法适用于砂、砾石、卵石等强透水地层；变水头法适用于石、卵石等强透水地层；变水头法适用于粉砂、粉土、粘性土等弱透水地层。变水粉砂、粉土、粘性土等弱透水地层。变水头法又可分为升水头法和降水头法头法又可分为升水头法和降水头法。l英国标准英国标准BS 5

26、930：1981 Code of practice for Site investigations l常水头法试验时，应向孔内注水至常水头法试验时，应向孔内注水至套管顶或某一固定高度。不断补充套管顶或某一固定高度。不断补充注水，保持水头稳定，并记录流量。注水，保持水头稳定，并记录流量。注水至固定水头后注水至固定水头后, , 开始按开始按1 1minmin、2min2min、2min2min、5min5min、5min, 5min, 以后均以后均按按5 5minmin间隔记录一次流量，并绘制间隔记录一次流量，并绘制流量流量Q Q与时间关系曲线。与时间关系曲线。l10.3.6 10.3.6 根据常

27、水头法渗透试验结果，根据常水头法渗透试验结果，按下式计算渗透系数按下式计算渗透系数k k：CFHQk l升水头试验可在孔内抽水至一定深升水头试验可在孔内抽水至一定深度，测读随时间的水位，直至水位度，测读随时间的水位，直至水位基本稳定；降水头试验可在孔内注基本稳定；降水头试验可在孔内注水至一定高度，测读随时间的水位，水至一定高度，测读随时间的水位，直至水位基本稳定。间隔时间按地直至水位基本稳定。间隔时间按地层渗透性确定，一般按层渗透性确定，一般按1min、2min、2min、5min、5min, 以后均按以后均按5min间隔记录一次间隔记录一次, 并绘制流量并绘制流量lnH与时与时间间t关系曲线

28、。关系曲线。 l探头长探头长230240mm，宽宽9496mm，厚厚1416mm，前缘刃角前缘刃角12 16，探头侧面钢膜，探头侧面钢膜片的直径片的直径60mm；l每孔试验前后均应进行探头率定，取试验前后每孔试验前后均应进行探头率定，取试验前后的平均值为修正值；膜片的合格标准为：的平均值为修正值；膜片的合格标准为：l率定时膨胀至率定时膨胀至0.05mm的气压实测值的气压实测值A525kPa；l率定时膨胀至率定时膨胀至1.10mm的气压实测值的气压实测值B10110kPa；试试 验验 方方 法法l以以2cm/s的均匀速率压入，试验点的距离的均匀速率压入，试验点的距离2050cm；l试验时，均匀加

29、压和减压，测定膜片膨试验时，均匀加压和减压，测定膜片膨胀至胀至0.05mm、1.10mm和回到和回到0.05mm时时的压力的压力A、B和和C值；值；l作消散试验时，测读时间间隔为：作消散试验时，测读时间间隔为：1min、2min、4min、8min、15min、30min、90min，以后每以后每90min测读一次，直至消测读一次，直至消散结束；散结束；l膜片膨胀之前的接触压力膜片膨胀之前的接触压力l膜片膨胀至膜片膨胀至1.10mm时的压力时的压力l膜片回到膜片回到0.05mm时的终止压力时的终止压力BzBAzApmm05. 005. 10BzBpm1AzCpm2l1. 侧胀模量侧胀模量l2.

30、 侧胀水平应力指数侧胀水平应力指数l3. 侧胀土性指数侧胀土性指数l4. 侧胀孔压指数侧胀孔压指数017 .34ppED000VDupK0001upppID0002upupUDl固结试验每级压力下的稳定标准为固结试验每级压力下的稳定标准为24小时，致小时，致使固结试验时间很长；使固结试验时间很长；l由于快速固结法的修正结果没有固结度的概念，由于快速固结法的修正结果没有固结度的概念，国家标准在条文说明中认为快速法缺乏理论依国家标准在条文说明中认为快速法缺乏理论依据而没有列入；据而没有列入；l能否找到一种有理论依据而又可以缩短试验时能否找到一种有理论依据而又可以缩短试验时间的方法？间的方法？l等梯度固结试验是一种可行的方法，已列入试等梯度固结试验是一种可行的方法，已列入试验国标，应该推广使用。验国标，应该推广使用。l应变速率的控制应使底部产生的孔隙水应变速率的控制应使底部产生的孔隙水压力为同时施加的轴向荷载的压力为同时施加的轴向荷载的3%20%；l数据采集时间间隔：数据采集时间间隔： 10min内，每隔内，每隔1min； 随后随后1h内，每隔内，每隔5min； 以后，每隔以后，每隔15min或或30minl采集轴向压力、孔隙水压力和变形数据采集轴向压力、孔隙水压力和变形数据l在在ep曲线上的横坐标轴是有效压力，孔隙比曲