第5章：岩土工程极限状态

第5章

岩土工程极限状态

浙江省建筑设计研究院

杨学林

第5章目录

一、极限状态定义二、岩土工程极限状态

1、承载能力极限状态及案例

2、正常使用极限状态及案例

一、极限状态定义：

整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。

见《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）结构设计应满足的可靠度：令：R—结构抗力

S—结构在荷载（或作用）下产生的效应则：R＞S，结构处于可靠状态R=S

结构处于极限状态

R＜S，结构处于失效状态可靠度——在设计基准内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用），结构处于可靠状态的概率。用Ps表示。失效概率：结构处于失效状态的概率（Pf）。可靠概率与失效概率的关系：Ps=1-Pf

规范中，用可靠指标

功能要求：

结构在设计使用年限内应满足下列功能要求:1）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；2）在正常使用时具有良好的工作性能；3）在正常维护下具有足够的耐久性能；4）在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。这些功能要求，包括了对结构安全性、适用性和耐久性的要求，可概括为结构可靠性的要求。

根据《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）

极限状态可分为下列两类：

1、承载能力极限状态

2、正常使用极限状态

1、承载能力极限状态：

这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：

①整个结构或其一部分作为刚体失去平衡；②结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；③结构转变为机动体系；④结构或结构构件丧失稳定；⑤结构因局部破坏而发生连续倒塌；⑥地基丧失承载力而破坏；⑦结构或结构构件的疲劳破坏。

2、正常使用极限状态：这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。

结构构件挠度、变形、裂缝地基变形、桩基沉降当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：1）影响正常使用或外观的变形；2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；3）影响正常使用的振动；4）影响正常使用的其它特定状态。极限状态设计≠概率极限状态设计极限状态设计：定值法处理；概率法处理

桩基设计：由传至基础底面的荷载和单桩极限承载力确定桩数量时，在考虑安全度时，根据经验取安全系数2，虽将荷载与抗力也置于极限状态分析，但并未进行概率分析，而是建立在定值法基础上的极限状态设计。《桩基》94-94实际也为定值法，只是将总安全系数分解为桩的侧阻、端阻抗力分项系数和。如：结构规范，将荷载效应S和抗力R作为随机变量进行概率分析，并用分项系数表达式进行设计。容许应力法总安全系数法概率极限状态法

二、岩土工程极限状态

1、承载能力极限状态

2、正常使用极限状态

1、岩土工程承载力极限状态及案例：A.在岩土中形成破坏机制B.由于岩土体的过大位移或变形，导致结构物发生结构性的严重损坏

A.在岩土中形成破坏机制

例如：

1、地基发生整体性滑动；

2、边坡失稳；

3、基坑挡土结构倾覆；

4、流砂、管涌、潜蚀、塌陷、液化等；5、隧洞顶板垮落或边墙倾覆。B.由于岩土体的过大位移或变形，导致结构物发生结构性的严重损坏

例如：①由于土的湿陷、融陷、震陷或其它大量变形，造成工程的结构性破坏；②由于岩土的过量水平位移，导致桩的倾斜、管道破裂、邻近工程的结构性破坏；③由于地下水的浮托力、静水压力或动水压力造成的工程结构性破坏。1、地基发生整体性滑动09.06.27·莲花河畔景苑

根据上海市政府公布的调查结果，房屋倾倒的主要原因是紧贴7号楼北侧在短期内堆土过高，最高处达10米左右。与此同时，紧临大楼南侧的地下车库基坑正在开挖，开挖深度达4.6米。大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。地基发生整体性滑动2、边坡失稳边坡失稳2009年3月19日下午一点三十分左右，西宁市商业巷市场改造工程一工地的一段十多米高、二十米宽的基坑边坡发生坍塌，造成8名工人遇难

基坑边坡失稳基坑边坡失稳山体滑坡重庆.武隆山体滑坡3、基坑挡土结构倾覆、跨塌珠海××基坑支护结构坍塌事故

支护结构型式：无嵌固深度的逆作挡墙加钢构内支撑型式，四周为搅拌桩加旋喷桩，东、西、北三面为两排，南面为三排，搅拌桩深度18m左右，用旋喷桩加深至22.0m。该支护工程钢筋混凝土直墙共分6层，钢支撑分四层，分别支撑在第一、二、四、五层直墙上，标高分别为-3m、-6.5m、-10m、-13.5m。每层钢筋混凝土直墙共分35段，钢支撑13道，每个角处有3道，成45度角对撑，东西面水平支撑一道。沿轴线每隔6m设一根φ400-90预应力管桩；钢支撑采用SS400型I60工钢，其中一层角撑为2肢I60，其余3层角撑为4肢I60，施工时先施加200顿预应力。每道钢筋混凝土挡土墙从上至下逆作施工，每道施工高度不大于2.5m。在施工顺序强调一道挡土墙施工封闭合拢后，挖去第一层土。第二道挡土墙起严格分段跳槽施工，分段长度淤泥土不超过8m，其它土不超过12m。当钢支撑应力大于140MPa时应立即通知业主。事故经过：1998年1月26日该工程第一道砼挡墙沿基坑周边封闭。4月10日第四道砼挡墙已完成封闭，墙底开挖标高－11.7m，但4月22日实测基坑内开挖深度已达－15.0m，局部更深，东南达－15.8m，西南达－16.2m，东北达－15.9m，西北达－15.8m，坑内局部深达－16.8m，基坑内土方开挖深度已低于第四层钢支撑，而此时第四层钢支撑并未安装，连第三层钢支撑也只安装了11道，尚有1号和13号未安装，由于土方开挖过快，开挖深度过大，支撑安装滞后，测点至4月28日测试，超过－130MPa的已达24个，超过－150MPa的已达20个。而第一层支撑出现了受压变成了受拉杆件。4月30日，发现砼挡墙下沉和倾斜已明显增加。5月2日、3日连续大、暴雨后，加速了上述险情增加。5月6日上午，坑外地表已累计下沉176mm，邻近基坑南侧临时工棚已向南倾斜200mm，下午2时许基坑南面钢支撑突然发出连续爆裂声、钢支撑端部已多处开裂、脱落、失稳，坑底土体隆起200mm，4时左右决定全线撤离，附近居民疏散。4：30分左右，基坑内频繁发生爆裂声响，基坑东南角首先发生坍塌（该处缺打6根φ400预应力管桩），支护墙体呈后仰（“踢脚”）滑入坑内。接着西南角（该处缺打2根φ400预应力管桩），也呈后仰滑入坑内，坑外3栋房屋整体性滑入坑内（滑距达20余米），4小时后，约晚上8时许，基坑北侧相继向坑内滑塌，整个基坑全部倒塌。由于人员撤离及时，基坑未坍塌，未造成人员死亡事故。破坏模式：“踢脚”＋“隆起”引起东南角土体首先塌陷、牵动西南角滑移，引起支撑体系失衡，导致整个基坑跨塌。杭州萧山湘湖段地铁基坑坍塌2008年11月15日15时20分，杭州萧山湘湖段地铁施工现场发生塌陷事故。风情大道坍塌形成了一个长75米、深15.5米的深坑，附近的河流决堤，河水倒灌，一度水深达6米多。正在路面行驶的11辆车陷入深坑，数十名地铁施工人员被埋，遇难人数达到21名，距事故现场仅一墙之隔的萧山区城西小学，校园东边的围墙已全部垮塌，地下管线破坏。

4、流砂、管涌引起塌陷上海轨道交通4号线越江隧道事故浦东南路站～南浦大桥站区间隧道工程是上海市重大工程项目――轨道交通四号线工程的一个重要组成部分。浦东南路站到南浦大桥站区间隧道上行线长2001M，下行线长1987M，其中江中段440M。区间隧道顶最大埋深为37.7M，隧道中心线水平距离为10.984M，隧道最大坡度为3.2%。盾构从浦东向浦西推进，在穿越黄浦江后经防汛墙、外马路、文庙泵站、音像制品批发交易市场进入中山南路，在穿越多稼路后隧道上下行线逐渐由水平同向推进转为垂直同向推进直至浦西南浦大桥站事故影响区域

事故经过：

7月1日凌晨，联络通道发生流沙涌水，导致隧道上下行线严重积水，进泥沙。同时以风井为中心的地面开始出现裂缝、沉降。

6：00，音像楼发生明显变形，墙面开裂，房屋开始倾斜。

7：30，地面裂缝明显加剧，沉降加快。文庙泵站明显沉降、倾斜，风井也明显沉陷。

9：00音像楼裙房发生二次突沉，并部分坍塌，大楼继续倾斜，墙面开裂加剧。

15：00以风井为中心的地面沉陷加快，并逐步形成沉陷漏斗。坍塌范围扩展到董家渡路、中山南路、外马路、防汛墙。

20:00，防汛墙也开始出现裂缝，沉降进一步发展。

1、事故的发生点：位于隧道的联络通道处(又称旁通道)，

2、围护方法：联络通道采用冰冻法进行施工

3、风井采用逆作法施工，已完成。文庙泵站突沉临江花苑门口地面塌陷在30M深度以下，地层为第七层(⑦1层、⑦2层)，该土层砂性重，透水性好，易液化。联络通道位于第七土层，同时该土层为上海第一承压水层，承压水最高水位为地面以下7.58M，最高水头为21.7M。事故原因（1）《冻结法施工方案调整》缺陷：降低对冻土平均温度要求：－10°C—－8°C制冷量不足：未考虑夏季施工损失；冻结管数量减少（24－22），长度缩短25m-16m)（2）在冻结条件不太充分情况下进行开挖：要求冻结时间50天，实际43天；6月24日回路温差大于要求（3）施工单位对于险情征兆没有采取有效措施：压力水流出、土温上升水压力达到承压水压力没有紧急止水措施，没向隧道公司和监理公司汇报；（4）中煤上海分公司严重违章，擅自凿洞；（5）监理公司现场监理人员失职：仅在6月25日、30日下井两次：29、30日日记：“各项工作均正常”（6）隧道公司现场管理人员失职：24－7月1日，质量员一次也未到工作面，28－30日记”一切正常“抢险技术措施事故的最后处理：◆灌注了65m深的地下连续墙；◆开挖深度39.8m;◆开挖面积：20×236m.B.由于岩土体的过大位移或变形，导致结构物发生结构性的严重损坏

例如：①由于土的湿陷、融陷、震陷或其它大量变形，造成工程的结构性破坏；②由于岩土的过量水平位移，导致桩的倾斜、管道破裂、邻近工程的结构性破坏；③由于地下水的浮托力、静水压力或动水压力造成的工程结构性破坏。①地基变形过大造成工程的结构性破坏地基变形过大导致上部结构墙体开裂，超过墙体极限承载力能力②岩土的过量水平位移，导致桩的倾斜金华某二层地下上浮近1.0m岩石锚杆施工不当，抗拔承载力不足而被拔出③地下水浮力造成结构性破坏岩土工程承载能力极限状态的设计内容举例：桩基：竖向承载力，水平承载力，桩身及承台结构承载力；预制桩:吊装、运输和锤击作用下桩身承载力；钢管桩：局部压屈；软弱下卧层：承载力；坡地岸边：整体稳定；抗浮、抗拔承载力；抗震承载力基坑支护：基坑侧壁土体整体稳定性；坑底抗隆起稳定；挡土结构抗倾覆稳定；排桩、地下连续墙受压、受弯、受剪承载力；錨杆或支撑的截面承载力和稳定性；抗渗透稳定性；基坑底突涌稳定性验算…

2、岩土工程正常使用极限状态及案例：

出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：1.影响正常使用或外观的变形，如：由于岩土变形而使工程发生超限的倾斜；2.影响正常使用或耐久性能的局部损坏，如：由于岩土变形而使工程发生表面裂隙、或装修损坏；

3.影响工程正常使用的振动；

4.影响正常使用的其它特定状态，如：因地下水渗漏而影响工程的正常使用等。岩土工程正常使用极限状态的设计内容举例：桩基：沉降计算；水平位移；桩和承台抗裂…

基坑支护：

支护结构变形，周边地面变形；地下水控制…变形特征地基土类别

中、低压缩性土

高压缩性土

砌体承重结构基础的局部倾斜0.002

0.003

工业与民用建筑相邻柱基的沉降差⑴、框架结构⑵、砌体墙填充的边排柱⑶、当基础的不均匀沉降时不产生附加应力的结构

0.002l0.0007l0.005l

0.003l0.001l0.005l

单层排架结构（柱距为6m）柱基的沉降量（mm）

（120）

200

桥式吊车轨面的倾斜（按不调整轨道考虑）纵向横向

0.0040.003

建筑物的地基变形允许值多层和高层建筑的整体倾斜Hg≤2424<Hg≤6060<Hg≤100Hg>100

0.0040.0030.00250.002

体型简单的高层建筑基础的平均沉降量（mm）

200

高耸结构基础的倾斜Hg≤2020<Hg≤50