岩土工程讲义Word下载.docx

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b）弄清施工过程中可能存在的问题；

c）地基加固方案和基础形式的建议与论证；

d）弄清或预测环境变化对场地及建筑物的影响，反过来建筑对环境的影响，即相互作用特征论证；

e）已有土木工程安全性评价；

f）病害工程加固处理方案论证；

g）指导岩土工程长期观测。

2.2岩土工程勘察的基本程序

工作前提和条件：

（1）主管部门批文；

（2）规划或设计部门的任务书。

基本工作程序：

（1）资料搜集，现场工程地质测绘，弄清工程地质条件及问题；

（2）结合场地条件及工程特点分析，弄清存在的岩土工程问题；

（3）采用必要的勘探测试手段进行勘测，获得岩土体技术参数；

（4）岩土体最佳技术参数的估计；

（5）对特定的岩土工程问题作出分析论证和评价，为设计提出建设及整治方案；

（6）施工中，岩土工程条件的复检，必要时对设计变更提出建议；

（7）工程运营过程中的长期观测。

2.3岩土工程勘察重要性分级

1）分级考虑的因素：

（1）工程安全等级：

一级、二级和三级。

（2）场地复杂程度：

（3）地基复杂程度：

2）勘察等级

（1）一级岩土工程勘察：

结构复杂、荷载大、要求特殊等。

（2）二级岩土工程勘察：

常规结构、标准基础形式。

（3）三级岩土工程勘察：

小型简单结构。

2.4岩土工程勘察阶段

（1）选址勘察（又叫可行性研究勘察）：

场地稳定性及适宜性问题。

（2）初步设计勘察：

地层分布、岩土特征，不良岩土工程问题（布局）、基础类型等问题。

（3）详勘：

参数问题

（4）施工勘察：

符合性问题

2.5岩土工程勘察的主要工作

（1）勘察工作设计（即勘察大纲）：

勘察大纲（设计）包括下列内容：

1工程名称、地点及建设单位；

2哪个勘察阶段及勘察的目的和任务；

3场地自然地质条件及其过去研究程度简要说明；

4勘察方法及工作量布置；

5资料及报告内容要求；

6勘察中可能出现的问题及采取的措施；

7附件：

技术要求、勘点布置图及进度计划。

（2）工程地质测绘与调查

比例尺不小于1：

50000（选址），1：

2000～1：

5000（初勘），1：

500～1：

1000（详勘）

工程地质测绘与调查方法有：

①穿越法；

②追索法；

③综合法及布点法（特殊部位）。

（3）勘探工作

包括掘探、钻探、触探和物探

1掘探：

探井及探槽；

多用于厚度小于3.0m的情况

2钻探：

有小孔钻和大孔钻

3触探：

静力触探和动力触探

4物探：

（4）测试：

变形测试、强度测试和承载力测试等

（5）长期观测：

变形位移及应变，应力及压力观测等

（6）岩土工程分析评价与成果报告

1岩土工程资料（方法及工作量）；

2岩土工程测试及勘探资料评价；

③结论与建议。

3.土体和岩体的工程性质

3.1工程土体主要设计参数

3.1.1压缩性参数

1）压缩曲线和压缩性指标

（1）压缩曲线

（2）压缩性指标

①压缩系数

（2-1）

压缩指数

（2-2）

②变形模量E0及压缩模量Es（MPa或kPa）

（2-3）

③体积压缩系数Mv（1/kPa）

（2-4）

④回弹系数Cs：

（土体卸载特性）

减压曲线及再压曲线：

（2－5）

⑤固结系数Cv（固结快剪特性）cm2/s或m2/年

（2－6）

确定Cv的方法：

A、时间对数法

（2－6’）

式中，（Tv）0.5及t0.5为ut＝0.5的时间因素及时间，H～排水距离

B、时间平方根法（

法）

（2－7）

式中，符号意义同上。

⑥次固结系数Ca

次固结变形与时间半对数坐标上直线的斜率Ca

（2－8）

一般情况下：

－含水量系数

（3）渗透性参数

1无粘性土测定毛细管上升高度计算：

（2－9）

其中，

（2－10）

式中，h－毛细管上升高度

n－孔隙率

s－单位体积毛细管表面积

η－液体粘滞系数

T－液体表面张力

ρ－土的密度

g－重力加速度

2软土及粘土测定固结指数Cv计算

（2－11）

式中，a－压缩系数

e－孔隙比

Cv－固结系数

（4）土的抗剪强度参数

或

（2-12）

测定土体强度参数时，分UU、CU和CD三种试验。

3.1.2影响土体工程性质的主要因素

1土的粒径组成；

2土的密实度；

3土的稠度，用IL来表示；

4粘性土的结构性；

5应力历史；

3.1.3工程土体的分类

见有关书籍。

3.2工程岩体参数的确定及质量评价

3.2.1岩体的天然性及组成

（1）岩体的天然属性

1形成的复杂性

2形成的久远性

3成分及结构的多样性和复杂性

（2）组成

力学及几何上讲：

岩体＝岩石＋结构面

1岩石

2结构面

（3）岩体所处的工作环境

1地下水及地表水环境

2地热（温）及大气热环境

3地壳构造作用力及相邻岩体重力作用环境

4人类生活和生产活动环境。

3.2.2岩体的变形参数确定

（1）岩石变形参数的确定方法

1初始弹性模量E0

2切线模量Et

3割线模量E50

（2）结构面的切向和法向刚度确定

，

（2－13）

（3）岩体变形参数的确定

1确定方法：

现场刚性承压板试验（狭缝法和环形试验法），得到加～卸变形曲线，由变形曲线确定岩体变形参数。

2弹性模量Ee

（2－14）

3变形模量E0

（2－15）

4承压板试验

（2－16）

式中，

为荷载p作用方向的总位移或弹性位移。

3.2.3岩体强度参数的确定

（1）岩石的单轴压缩强度

1屈服强度

2峰值强度

3残余强度

（2）岩石的三轴压缩强度

（3）岩石的抗剪强度参数，C，φ

不同的围压σ3下测出σ1c，得到：

（2-17）

利用m及Rc可求出C，φ值，即：

（2-18）

不同法向应力作用下的直接剪切试验测出σv～τf，得到：

（2-19）

C=c

（4）含一组结构面岩体强度，经推导：

（2-20）

当

时，（σ1－σ3）→∞，结构面没有影响，

时，（σ1－σ3）→∞，结构面影响较大，

时，

（2-21）

将（2-20）式绘成曲线，则为

（2-22）

（5）有两组及多组结构面时的强度

利用迭加的方法，确定不同外力及结构面组合下的岩体强度，但事实上岩体中含有三组及以上结构面时，岩体的强度则由结构面控制，结构面方向的影响减弱。

（6）实际岩体强度参数确定

岩体结构复杂，若进行现场大尺寸试验测试，无论从时间、财力、物力上均是不可取的，因此常用经验性折减方法进行处理，即用（2－23）式计算

（2-23）

σmc及σc分别为岩体和岩块的强度，σc由试验测得，β为折减系数，也称为岩体的完整性系数。

β由（2－24）确定

（2-24）

式中，Vmp为现场岩体中的纵波速度，Vrp为室内岩石块体中的纵波速度。

在水电行业中，常取岩块强度的10％，特殊情况下根据岩体特征适当提高。

3.2.4岩体的地温环境

根据大地测试，地壳的地温梯度为3℃/100m，但在地壳构造边缘区，常有地热异常带存在。

（1）地热使岩体膨胀，在其内部形成因温度产生的膨胀应力。

但在浅部岩体工程中，温度变化不大，产生的膨胀应力很小，常忽略不计。

而深部岩体工程，核电站及其它特殊工程，则需要考虑。

（2）地热的增加，会使暴露在大气中的岩体加速风化。

3.2.5岩体的水环境

工程岩体要么在水中工作，要么其内容充满了水，水对岩体的作用有三个方面：

（1）物理作用：

加速岩体物理风化和软化岩土，工程性质变差。

（2）化学作用：

加速岩体风化和劣化。

（3）力学作用：

改变岩体内部应力状态，降低岩体整体工程性质。

（4）岩体渗透系数：

（m/s）（2-25）

l－渗流距离（m）

h－水头变化

A－渗透断面

Q－渗流流量（m3/s）

地下水对岩体工程性质的影响取决于岩体的透水特性（k）及排水条件及水头差。

3.2.6岩体的地应力环境

位于地表附近的工程岩体除工程附加应力外，岩体中天然的原始应力较小，一般可以忽略不计。

而位于深部的工程岩体，如隧道、矿山坑道、地下厂房等围岩就是在较大的天然地应力环境中。

修建工程，对岩体往往有加载，也有卸载。

因此，在进行岩体工程设计前需要了解岩体所处的天然地应力场条件，岩体地应力主要由构造应力和自重应力构成。

（1）研究岩体天然地应力场的方法

1地质构造形迹及大地构造分析法

2现场实测法：

如解除法、恢复法、水压致裂法

3室内测试法：

如Kaiser效应法、岩石变形曲线分析法

4室内模拟法：

如物理模拟、数值模拟计算

（2）主要方法的基本原理

1地质构造分析法

主要是研究岩体中的构造应力，其基本要点是根据地质构造应力作用在岩体中留下的变形痕迹和断裂现象，反过来分析岩体中当初和目前的应力状态（利用板块大地构造举例说明）。

2现场实测法

A、孔径变形法：

利用钻孔在岩体应力解除后直径的变化量u分析地应力，通过一个钻孔和弹性力学相关原理建立的公式：

（2-26）

将传感器置入孔中，解除应力（用套孔）后测得某三个方向的u，代入（2-26）式，得到σ1，σ2与三个方向孔径变化量u1、u2及u3的关系，以及与θ的关系，求σ1，σ2和θ；

利用平面弹性力学理论求出θ方向的正应力及剪应力σxi，σyi，τxyi；

再利用空间弹性力学理论，σxi，σyi，τxyi与空间应力场分量σx，σy，σz，τxy，τyz及τzx之间的关系，该关系中有9个与方向有关的系数，因此需要三个不同方向的钻孔就能确定岩体空间应力分量，进一步可以计算空间主应力及其方向。

B、孔壁应变法

利用钻孔岩体在应力解除后，孔壁上岩体的应变变化量，根据弹性力学原理，该应变与空间6个应力分量的关系，求出6个空间应力分量，进一步计算其主应力及主方向。

孔壁应变法只需要一个钻孔，但其测试工艺较复杂，难度也较大。

C、水压致裂法

在预测深度对钻孔加液压，直至孔壁压裂，根据压裂参数及弹性力学理论计算岩体地应力。

3.2.7工程岩体质量评价

（1）岩体质量评价指标

1岩体裂隙度:

（2-27）

平均间距：

2切割度

有n条节理，则

（2-28）

a－节理切割面积

A－分析断面面积

3岩芯RQD

（2-29）

（2）岩体质量评价

1以切割度为标准，可将岩体质量分为五级

A，Xe＝0.1～0.2，完整的

B，Xe＝0.2～0.4，弱节理化

C，Xe＝0.4～0.6，中等节理化

D，Xe＝0.6～0.8，强节理化

2以岩芯RQD为标准

A，RQD＝0～25％，很差

B，RQD＝25～50％，差

C，RQD＝50～75％，一般

D，RQD＝75～90％，好

E，RQD＝90～100％，很好

3.3土体的工程分类

3.3.1无粘性土分类

粉粒和粘粒含量在50％以下的土，称为无粘性土。

砾石土：

（1）漂石或块石，

（2）卵石或碎石，（3）圆砾及角砾。

粗粒土

砂土：

砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。

3.3.2粘性土的分类

粉土：

砂质粉土、粘质粉土。

粘性土

细粒土：

粉质粘土、粘土。

3.4工程岩体的分类

工程岩体分类是一项十分复杂的工作。

目前有关岩体分类的方案（法）不下100种，对于不同行业，由于不同的工程考虑，其分类均不一致，这里就常用的几种作简单介绍。

3.4.1我国铁路隧道围岩分类

分类的目的是根据不同的围岩类型及其环境条件，设计不同的加固和支护方案和参数。

该分类方法考虑的因素有：

（1）围岩结构特征及完整性；

（2）围岩岩石强度；

（3）地下水条件。

分类的结果见教材P29表1.12。

3.4.2水利电力行业的分类

该分类方法用一个综合质量指标（M）来衡量岩体的质量差别，

（2-30）

岩体完整性系数，

风化系数，Rd及Rf分别风化及新鲜岩石强度，

S－岩石质量指标，

Kp－岩体软化系数，

2.4.3按岩块单轴抗压强度分类

类别

单轴抗压强度Rc（Mpa）

岩石类别

Ⅰ

250～160

特坚岩

Ⅱ

160～100

坚岩

Ⅲ

100～40

次坚岩

Ⅳ

＜40

软岩

3.4.3岩石地质力学分类（RMR分类）

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6（2-31）

R1－岩石单轴抗压强度

R2－对应于岩石RQD指标

R3－节理间距

R4－与节理面状态相关的系数

R5－地下水影响程度

R6－节理方向与工程的关系

3.4.4岩体综合质量分类（BatonQ分类）

（2-32）

RQD－岩石质量指标

Jn－节理裂隙组数

Jr－裂面粗糙度

Jd－裂面风化系数

Jw－裂隙水折减系数

SRF－应力折减系数

3.4.5规范（GB50218-94）

（2-33）

Rc＝22.82Is（50）

Is－点荷载强度

——岩体完整性系数

4.土体地基和岩石地基工程

4.1一般土质地基

（1）地基承载力

1太沙基承载力公式：

（4-1）

Pu－极限承载力

C－内聚力（Kpa）

γ－重度（KN/m3）

b，d－基础宽度及埋深

Nc，Nq及Nr－承载力系数，与φ和C有关

2汉森承载力公式

（4-2）

Sc，Sq，Sr－基础形状系数；

－基础埋深系数；

－荷载倾斜系数；

－地面倾斜系数；

－基底倾斜系数；

－承载力系数。

，

。

（2）粘性土地基承载力

（4-3）

Cuu－uu试验所得内聚力（Kpa）

L－基础长度（m）

（3）无粘性土地基承载力

其承载力主要与颗粒级配、含水状态、结构密实程度有关。

4.2特殊土质地基（干旱地区中纬度）

（1）黄土地基：

水份蒸发、CaCO3、CaSO3胶结、孔隙

1湿陷性黄土

2非湿陷性黄土

湿陷性黄土判断：

湿陷系数δs＝0.015＝（hp－hp’）/h0

湿陷起始压力及含水量。

4.3红粘土地基

（1）矿物组成：

石英、多水高岭石、水云母、赤铁矿、三水铝土矿

（2）化学成份：

SiO2占45.6％，Fe2O3占13.7％，Al2O3占25.7%,CaO占0.7％，MnO2占0.1％

（3）红粘土一般物理力学特性

1天然含水率高：

40～60％（高达90％）

2粘粒含量高：

60～70％（高达85％）

3密度小，孔隙比高：

e＝1.4～1.7（最大达2.0）

4塑限高：

ωp高

5φcu＝8°

～18°

，Ccu＝40～90KPa，Eo＝（5～30）MPa

6无湿陷性

（4）确定红粘土地基承载力方法（大班3.28）

1规范查表：

应用参数：

A.含水比αw＝ω/ωL，B.液塑比Ir＝ωL/ωP

2现场载荷试验法：

静力载荷法

3查用地区经验数据。

4.4膨胀地基

膨胀特性指标：

（1）自由膨胀率：

（4-4）

（2）膨胀率：

（4-5）

（3）膨胀力：

体积不变浸水膨胀产生的压力。

（4）收缩率及收缩系数：

失水时，

（4-6）

（5）收缩系数：

含水量减小1％时的收缩率λs。

（4-7）

式中，分子为压应力增量，分母为体积增量。

4.5软土地基处理

满足不了建筑对地基土承载力及变形要求的土质地基。

处理方法：

（1）密实法：

振冲及夯压等

（2）置换法：

换填等

（3）复合地基法：

（4）加筋法：

（5）灌浆法：

4.6岩石或岩体地基

（1）岩石地基的破坏

岩石地基是否可靠的关键是其内部节理性态，与最大工程荷载作用方向之间的关系等。

岩石地基的破坏往往是沿岩石中的弱面产生的。

（2）岩石地基的承载力及沉降变形

（4-8）

对于风化岩石，应进行折减，即

（4-9）

qur－岩石饱和单轴抗压强度；

φ－折减系数，微风化φ＝0.2～0.33，中等风化φ＝0.17～0.25

岩石地基的变形由弹性力学理论计算

（4-10）

（3）岩石地基加固原理与方法

控制岩石地基承载力的因素主要是其中的结构面和地下水，因此加固岩石地基工作应从这两个方面入手：

1排水：

排水加固岩石地基主要是使岩石中的孔隙水压力降低，提高其抗剪强度。

2加固岩石结构面抗剪强度。

A.清洗结构面（带）

主要是指结构面（带）存在软弱物质如夹泥等的情况。

B.注浆

通过注浆将结构面胶结起来，提高其抗剪强度。

注浆方法有充填注浆、渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆、电动化学注浆等。

注浆加固应注意以下问题：

A）选用合适的注浆方法；

B）确定适当的注浆压力；

C）选择合适的浆液、凝固时间；

D）注浆施工监控与效果检测。

（4）嵌岩桩桩基的设计原理：

1原则：

确定最佳桩长及最小的基底应力；

2使用条件：

表部土层较薄，承载力不能满足要求；

或在岩层顶面坡度沉降变形不均匀；

或者在斜坡地带，地基不稳定。

3由于嵌岩桩是端承桩和从安全考虑，不考虑土体的作用，常用圆形桩，半径为a。

设计计算的方法和步骤：

1根据地质资料和岩土性能测资料确定桩周允许剪应力和桩端允许承载力；

2载荷条件：

A.桩顶面应力pz；

B.桩和岩石的变形参数为Ec、uc及Er、ur

C.岩石与桩间的摩擦系数为f

D.Fz=πa2pz（4-11）

3嵌入岩石的最大桩长lmax，即PD＝0时的承载力：

（4-12）

最小嵌岩桩长

（当qf≥pz）（4-13）

由平衡条件：

πa2pz=πa2qf+2πal1τf（4-14）

及：

（4-15）

由研究得：

（4-16）

l1－嵌岩长度的最小值；

A＝

则

（当qf<

pz时）（4-17）

4.7丘陵与山区斜坡地基及其加固处理

（1）斜坡地基场地稳定性

（2）斜坡地基场地环境安全性

（3）不均匀变形问题；

（4）丘陵及山区地基处治与加固。

5.深基坑的开挖与支护

5.1深基坑坑壁土压力特点

i.开挖基坑前为静止土压力；

ii.开挖的过程，土压力变为动态的主动土压力和被动土压力；

iii.土压力的分布形态复杂，受支护形式、支护结构变形特征及土层分布和特性有关；

iv.支护设计计算按一般极限状态理论；

对粘性土：

主动土压力：

（5-1）

被动土压力：

（5-2）

对于无粘性土：

（5-3）

（5-4）

v.实际计算时，常将土压力简化为梯形和三角形，采用三角形分布的形式较多一些。

5.2深基坑支护结构类型与设计计算

1）深基坑支护类型

（1）

弯曲结构

板桩挡墙

（2）排桩挡墙

（3）自立式水泥土挡墙

（4）地下连续墙

（5）组合式挡墙

（6）沉井

2）板桩墙的设计计算

（1）无支撑板桩：

A.根据主、被动土压力分布的假设，建立水平向静力平衡及底端力矩平衡方程，确定嵌入深度t等参数；

B.由水平向静力平衡（∑H＝0）得:

（5－5）

C.由力矩平衡（∑M＝0）得：

（5－6）

（5－5）式代入（5－6）式消去b，由（5－6）式试算求得t。

（2）有支撑的板桩：

1假设土压力分布形式

2根据要求确定特殊点的限制位移，几个支点应有几个限制点

3利用连续梁模型计算桩的弯矩分布

4利用静力平衡计算桩体剪力

5.3深基坑排水

1）方法

渗透系数中等的地区

轻型井点法

（2）喷射井点法

（3）电渗井点法渗透系数小的地区

（4）深井井点法渗透系数大的地区

成都地区常用深井井点法。

5.4高程建筑地基基础问题

5.4.1.高层建筑特点及其对地基基础的要求

目前世界最高的建筑是迪拜塔，现为哈利法塔，总高826m，160层；

中国大陆最高的建筑是上海的环球金融中心，高492m；

成都在建的最高建筑物为红星路的金融中心，高约220m，基坑深32m。

高层建筑就地基基础而言具有如下特点和要求：

（1）垂直荷载大，为准静荷载，要求地基有足够的承载力；

（2）水平荷载巨大，包括风荷载和地震荷载，为随机性动荷载，要求建筑物基础基底和周围能够提供足够的反作用力来平衡水平荷载；

（3）对地基不均匀沉降变形非常敏感，容易出现倾斜现象，一旦出现倾斜基底应力不均匀，这样就可能进入恶性循环过程；

这就要求地基沉