土質學與土力學(典型案例)

1、土質學與土力學 典型工程案例與土有關的典型工程案例一、與土或土體有關的強度問題1加拿大特朗斯康谷倉 加拿大特朗斯康谷倉，由于地基強度破壞發(fā)生整體滑動，是建筑物失穩(wěn)的典型例子。（1） 概況加拿大特朗斯康谷倉平面呈矩形，長59.44 m,寬23.47 m。高31.0m。容積36368 m3。谷倉為圓筒倉，每排13個圓筒倉，共5排65個圓筒倉組成。谷倉的基礎為鋼筋混凝土筏基，厚61cm，基礎埋深3.66m。谷倉于1911年開始施工，1913年秋完工。谷倉自重20000t，相當于裝滿谷物后滿載總重量的42 5% 。1913年9月起往谷倉裝谷物，仔細地裝載，使谷物均勻分布、10月當谷倉裝了31822m3

2、谷物時，發(fā)現(xiàn)1小時內(nèi)垂直沉降達30.5cm。結構物向西傾斜，并在24小時間谷倉傾倒，傾斜度離垂線達26o53。谷倉西端下沉7.32m，東端上抬加拿大谷倉地基滑動而傾倒端下沉7 32m，東端上抬1.52m。1913年10月18日谷倉傾倒后，上部鋼筋混凝土筒倉艱如盤石，僅有極少的表面裂縫。（2）事故原因 1913年春事故發(fā)生的預兆：當冬季大雪融化，附近由石碴組成高為9 14m的鐵路路堤面的粘土下沉1m左右迫使路堤兩邊的地面成波浪形。處理這事故，通過打幾百根長為18.3m的木樁，穿過石碴，形成一個臺面，用以鋪設鐵軌。谷倉的地基土事先未進行調查研究。根據(jù)鄰近結構物基槽開挖試驗結果，計算承載力為352k

3、Pa，應用到這個倉庫。谷倉的場地位于冰川湖的盆地中，地基中存在冰河沉積的粘土層，厚12.2m.粘土層上面是更近代沉積層,厚3.0m。粘土層下面為固結良好的冰川下冰磧層,厚3.0 m.。這層土支承了這地區(qū)很多更重的結構物。1952年從不擾動的粘土試樣測得：粘土層的平均含水量隨深度而增加從40到約60；無側限抗壓強度qu從118.4kPa減少至70.0kPa平均為100.0kPa；平均液限wl=105%，塑限wp=35，塑性指數(shù)Ip=70。試驗表明這層粘土是高膠體高塑性的。按大沙基公式計算承載力，如采用粘土層無側限抗壓強度試驗平均值100kPa，則為276 6kPa，已小于破壞發(fā)生時的壓力3294

4、 kPa值。如用qumin=70 kPa計算，則為 193.8kPa，遠小于谷倉地基破壞時的實際壓力。地基上加荷的速率對發(fā)生事故起一定作用，因為當荷載突然施加的地基承載力要比加荷固結逐漸進行的地基承載力為小。這個因素對粘性士尤為重要，因為粘性土需要很年時間才能完全固結。根據(jù)資料計算，抗剪強度發(fā)展所需時間約為1年，而谷物荷載施加僅45天，幾乎相當于突然加荷。綜上聽述，加拿大特朗斯康谷倉發(fā)生地基滑動強度破壞的主要原因：對谷倉地基土層事先未作勘察、試驗與研究，采用的設計荷載超過地基土的抗剪強度，導致這一嚴重事故。由于谷倉整體剛度較高，地基破壞后，筒倉仍保持完整，無明顯裂縫，因而地基發(fā)生強度破壞而整體

5、失穩(wěn)。（3）處理方法為修復筒倉，在基礎下設置了70多個支承于深16m基巖上的混凝土墩，使用了388只的千斤頂，逐漸將傾斜的筒倉糾正。補救工作是在傾斜谷倉底部水平巷道中進行，新的基礎在地表下深10.36m。經(jīng)過糾傾處理后,谷倉于1916年起恢復使用。修復后位置比原來降低了4m。2、香港寶城滑坡 1972年7月某日清晨，香港寶城路附近，兩萬立方米殘積土從山坡上下滑，巨大滑動體正好沖過一幢高層住宅-寶城大廈，頃刻間寶城大廈被沖毀倒塌并砸毀相鄰一幢大樓一角約五層住宅。死亡7人。原因：山坡上殘積土本身強度較低，加之雨水入滲使其強度進一步大大降低，使得土體滑動力超過土的強度，于是山坡土體發(fā)生滑動。3阪神大

6、地震中地基液化神戶碼頭：地震引起大面積砂土地基液化后產(chǎn)生很大的側向變形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到嚴重損傷 4某電站匯合渠3號渡槽進口槽臺（地基承載力不足導致地基沉降嚴重）（1）、失事過程回放某電站工程指揮部于1996年10月27日對于已完工的部分工程進行試水。8:30左右，在黃九坳渠首開閘放水，放水流量為0.8秒立米（黃九坳引水渠設計流量為2.7秒立米；匯合渠設計流量為6.0秒立米）。10：30左右，水流到達匯合渠的溢流堰，由于溢流堰的沖砂孔直徑只有400mm，排水流量小，以至匯合渠水位基本達到設計水位。14：15左右，值班人員巡查至匯合渠3號渡槽進口槽臺時未發(fā)現(xiàn)漏水和滲水現(xiàn)象。15：45

7、分左右，值班人員發(fā)現(xiàn)匯合渠3號渡槽進口槽臺附近的連段出現(xiàn)裂縫和大量漏水，并立即報告指揮部。16：00左右，有關人員趕到出事地點，發(fā)現(xiàn)連接段距B點1.3m處的E點有一條向上游傾斜的裂縫（見示意圖）。EB段下沉1cm，槽身微微傾斜，在場的技術人員感到情況不妙，立即趕到上游300m左右的沖砂閘，開閘防水，但開閘很不順利。17：00左右，有關人員返回3號渡槽時，發(fā)現(xiàn)槽臺基礎已被大量的漏水淘空，情況已十分嚴重。17：10分，槽臺失穩(wěn)跌落，槽身一端已跌落在沖刷坑中，另一端仍支在排架上。17：30分，整段槽身跌落土坑中，從放水至槽臺、槽身破壞共歷時9個小時左右。根據(jù)各方面的調查和分析，該電站匯合渠3號渡槽進

8、口槽臺失事原因如下：（2）失事原因分析1）該槽臺地基沒有相應的地質資料及相關土工試驗資料。經(jīng)事后土工試驗分析，該地基土質偏軟，壓縮性大，實際承載力為100120kPa，地基承載力偏低（地基的設計承載力平均值為116.8 kPa）。當渡槽通水時，地基的應力達到或接近地基承載力，地基沉降嚴重，造成整個槽臺下沉，致使渡槽連接段斷裂，直接引發(fā)這次事故。2）施工單位在地基開挖后沒有通知設計、監(jiān)理人員對地基進行驗收。3）渠道的總體設計有不少缺陷。如沒有設置數(shù)量足夠與設計合理的放空閘、溢流堰、沖砂閘等。4）指揮部對這次試水不夠重視，沒有具體的安排和布置，沒有一整套應急方案。（3）主要經(jīng)驗教訓：1）應重視地質

9、堪察和土工試驗工作；2）槽臺基礎要放在堅實的地基上；3）設計要合理；4）相關部門（設計、施工、監(jiān)理）應作好配合、協(xié)調工作；5）主管部門應有實用的應急預案。二、與土或土體有關的變形問題1、比薩斜塔目前：塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.80m， 塔頂離中心線已達5.27m，傾斜5.5°1360：再復工，至1370年竣工，全塔共8層，高度為55m1272：復工，經(jīng)6年，至7層，高48m，再停工1178：至4層中，高約29m，因傾斜停工1173：動工1590: 伽利略在此塔做落體實驗 （1）概況比薩市位于意大利中部，而比薩斜塔位于比薩市北部，它是比薩大教堂的一座鐘塔，在大教堂東南方向相距約25

10、m。比薩斜塔是一座獨立的建筑，周圍空曠， 比薩斜塔建造，經(jīng)歷了三個時期：第一期，自1173年9月8日至1178年，建至第4層，高度約29m時，因塔傾斜而停工。 第二期，鐘塔施工中斷94年后，于1272年復工，至1278年，建完第7層，高48m，再次停工。第三期，經(jīng)第二次施工中斷82年后，于1360年再復工，至1370年竣工，全塔共八層，高度為55m。全塔總荷重約為145MN，塔身傳遞到地基的平均壓力約500kPa。目前塔北側沉降量約90cm，南側沉降量約270cm，塔傾斜約5.5°，十分嚴重。比薩斜塔向南傾斜，塔頂離開垂直線的水平距離已達527m，等于我國虎丘塔傾斜后塔頂離開水平距離

11、的23倍。幸虧比薩斜塔的建筑材料大理石條石質量優(yōu)，施工精細，尚未發(fā)現(xiàn)塔身有裂縫。比薩斜塔基礎底面傾斜值，經(jīng)計算為0.093，即930,我國國家標準建筑地基基礎設計規(guī)范GBJ 789中規(guī)定：高聳結構基礎的傾斜，當建筑物高度Hg為：50m<Hg100m時，其允許值為0.005，即5。目前比薩斜塔基礎實際傾斜值已等于我國國家標準允許值的18倍。由此可見，比薩斜塔傾斜已達到極危險的狀態(tài)，隨時有可能倒塌。（2）事故原因分析關于比薩斜塔傾斜的原因，早在18世紀記載當時就有兩派不同見解：一派由歷史學家蘭尼里·克拉西為首，堅持比薩塔有意建成不垂直；另一派由建筑師阿萊山特羅領導，認為比薩塔的傾斜

12、歸因于它的地基不均勻沉降。本世紀以來，一些學者提供了塔的基本資料和地基土的情況。比薩斜塔地基土的典型剖面由上至下，可分為8層：表層為耕植土，厚1 60m；第2層為粉砂，夾粘質粉士透鏡體，厚度 5.40m；第3層為粉土，厚3.0 m；第4層為上層粘土，厚度10.5m；第5層為中間粘土，厚為5.0m；第6層為砂土，厚為2.0m；第7層為下層粘土，厚度12.5m；第8層為砂土，厚度超過20.0m。有人將上述8層土合為3大層：一層為砂質粉質土；一層為粘土層；層為砂質土層。地下水位深1.6m，位于粉砂層。 根據(jù)上述資料分析認為比薩鐘塔傾斜的原因是：鐘塔基礎底面位于第2層粉砂中。施工不慎，南側粉砂局部外擠

13、，造成偏心荷載，使塔南側附加應力大于北側，導致塔向南傾斜。塔基底壓力高達500kPa，超過持力層粉砂的承載力，地基產(chǎn)生塑性變形，使塔下沉。塔南側接觸壓力大于北側，南側塑性變形必然大于北側，使塔的傾斜加劇。鐘塔地基中的粘土層厚達近30m，位于地下水位下，呈飽和狀態(tài)。在長期重荷作用下，土體發(fā)生蠕變，也是鐘塔繼續(xù)緩慢傾斜的一個原因。在比薩平原深層抽水，使地下水位下降，相當于大面積加載，這是鐘塔傾斜的重要原因。在60年代后期與70年代早期，觀察地下水位下降，同時鐘塔的傾斜率增加。當天然地下水恢復后，則鐘塔的傾斜率也回到常值。（3）事故處理方法卸荷處理為了減輕鐘塔地基荷重，1838年至1839年，于鐘塔

14、周圍開挖一個環(huán)形基坑。基坑寬度約3.5m，北側深0。9m，南側深2.7m?；拥撞课挥阽娝A外伸的三個臺階以下，鋪有不規(guī)則的塊石。基坑外圍用規(guī)整的條石垂直向砌筑?；禹斆嬉酝獾孛嫫教?。防水與灌水泥漿為防止雨水下滲，于19331935年對環(huán)型基坑做防水處理，同時對基礎環(huán)周用水泥漿加強。為防止比薩斜塔散架，于1992年7月開始對塔身加固。以上處理方法均非根本之計。其關鍵應是對地基加固而又不危及塔身安全。其難度是很大。此外，比薩斜塔貴在斜，因為1590年伽利略曾在此塔做落體實驗，創(chuàng)立了物理學上著名的落體定律。斜塔成為世界上最珍貴的歷史文物，吸引無數(shù)國內(nèi)外游客。如果把塔扶正，實際破壞了珍貴文物。因此

15、，比薩斜塔的加固處理難度大，既要保持鐘塔的傾斜，又要不擾動地基避免危險，還要加固地基，使斜塔安然無恙。有志之土如能研究出一個切實可行的方案則是一大貢獻。處理措施1838-1839：挖環(huán)形基坑卸載1933-1935：基坑防水處理基礎環(huán)灌漿加固1990年1月: 封閉1992年7月：加固塔身，用壓重法和取土法進行地基處理目 前: 已向游人開放。 2、虎丘塔（1）工程事故概況虎丘塔位于蘇州市西北虎丘公園山頂，原名云巖寺塔，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1000多年悠久歷史。全塔七層，高47.5m。塔的平面呈八角形，由外壁、回廊與塔心三部分組成?；⑶鹚看u砌，外型完全模仿樓閣式木塔，每

16、層都有八個壺門，拐角處的磚特制成圓弧形，十分美觀，在建筑藝術上是一個創(chuàng)造。中外游人不絕。1961年3月4日國務院將此塔列為全國重點文物保護單位。1980年6月虎丘塔現(xiàn)場調查，當時由于全塔向東北方向嚴重傾斜，不僅塔頂離中心線已達231m，而且底層塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險建筑而封閉、停止開放。仔細觀察塔身的裂縫，發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，塔身的東北方向為垂直裂縫，塔身的西南面卻是水平裂縫。（2）事故原因分析經(jīng)勘察，虎丘山是由火山噴發(fā)和造山運動形成，為堅硬的凝灰?guī)r和晶屑流紋巖。山頂巖面傾斜，西南高，東北低?；⑶鹚鼗鶠槿斯さ鼗?，由大塊石組成，塊石最大粒徑達1000mm。人工塊石填土層厚12m，西南薄，東北厚。

17、下為粉質粘土，呈可塑至軟塑狀態(tài)，也是西南薄，東北厚。底部即為風化巖石和基巖。塔底層直徑1366m范圍內(nèi)，覆蓋層厚度西南為28m，東北為58m，厚度相差30m，這是虎丘塔發(fā)生傾斜的根本原因。此外，南方多暴雨，源源雨水滲入地基塊石填土層，沖走塊石之間的細粒土，形成很多空洞，這是虎丘塔發(fā)生傾斜的重要原因。在十年“文革”期間，無人管理，樹葉堵塞虎丘塔周圍排水溝，大量雨水下滲，加劇了地基不均勻沉降，危及塔身安全。從虎丘塔結構設計上看有很大缺點，沒有做擴大的基礎，磚砌塔身垂直向下砌八皮磚，即埋深05m，直接置于上述塊石填土人工地基上。估算塔重63000kN，則地基單位面積壓力高達435kPa，超過了地基承

18、載力。塔傾斜后，使東北部位應力集中，超過磚體抗壓強度而壓裂。（3）事故處理方法：首先采取加固地基的辦法。第一期加固工程是在塔四周建造一圈樁排式地下連續(xù)墻，其目的為減少塔基土流失和地基土的側向變形。在離塔外墻約3m處，用人工挖直徑1.4m的樁孔，深入基巖50cm，澆筑鋼筋混凝土。人工挖孔灌注樁可以避免機械鉆孔的振動。地基加固先從不利的塔東北方向開始，逆時針排列，一共44根灌注樁。施工中，每挖深80cm即澆15cm厚井圈護壁。當完成67根樁后，在樁頂澆筑高450mm圈梁，連成整體。第二期加固工程進行鉆孔注漿和樹根樁加固塔基。鉆孔注水泥漿位于第一期工程樁排式圓環(huán)形地下連續(xù)墻與塔基之間，孔徑90mm，

19、由外及里分三排圓環(huán)形注漿共113孔，注入漿液達26637rn3。樹根樁位于塔身內(nèi)順回廊中心和八個壺門內(nèi)，共做32根垂直向樹根樁。此外，在壺門之間8個塔身，各做2根斜向樹根樁?？傆?8根樹根樁，樁直徑90mm，安設316受力筋，采用壓力注漿成樁?；⑶鹚鼗庸滩贾脠D這項虎丘塔地基加固工程，由上海市特種基礎工程研究所改裝了XJ1001型鉆機，用干鉆法完成，效果良好。3、關西機場（世界最大人工島）概況：1986年：開工；1990年：人工島完成；1994年：機場運營；面積：4370m×1250m；填筑量：180×106m3；平均厚度：33m。問題：沉降大且有不均勻沉降。設計時預測沉

20、降：5.77.5 m；完成時實際沉降：8.1 m，5cm/月；(1990年)；預測主固結完成：20年后；比設計超填：3m。4墨西哥市藝術宮墨西哥國家首都墨西哥市藝術宮，是一座巨型的具有紀念性的早期建筑。此藝術宮于1904年落成，至今已有90余年的歷史。該市處于四面環(huán)山的盆地中，古代原是一個大湖泊。因周圍火山噴發(fā)的火山沉積和湖水蒸發(fā)，經(jīng)漫長年代，湖水干涸形成目前的盆地。當?shù)乇韺訛槿斯ぬ钔僚c砂夾卵石硬殼層，厚度5m；其下為超高壓縮性淤泥，天然孔隙比高達712，天然含水量高達150%600%，為世界罕見的軟弱土，層厚達25m。因此，這座藝術宮嚴重下沉，沉降量竟高達4m。臨近的公路下沉2m，公路路面至

21、藝術宮門前高差達2m。參觀者需步下9級臺階，才能從公路進入藝術宮。這是地基沉降最嚴重的典型實例。下沉量為一般房屋一層樓有余，造成室內(nèi)外連接困難和交通不便，內(nèi)外網(wǎng)管道修理工程量增加。三、與土或土體有關的滲透變形問題1Teton壩概況：土壩，高90m，長1000m，建于1972-75年，1976年6月失事。損失：直接8000萬美元，起訴5500 起，2.5億美元，死14人，受災2.5萬人，60萬畝土地，32公里鐵路。原因：滲透破壞水力劈裂。1976年6月5日上午10:30左右，下游壩面有水滲出并帶出泥土。11：00左右洞口不斷擴大并向壩頂靠近，泥水流量增加11:30洞口繼續(xù)向上擴大，泥水沖蝕了壩基

22、，主洞的上方又出現(xiàn)一滲水洞。流出的泥水開始沖擊壩趾處的設施。11：50左右洞口擴大加速，泥水對壩基的沖蝕更加劇烈。11:57 壩坡坍塌，泥水狂瀉而下12：00過后坍塌口加寬洪水掃過下游谷底，附近所有設施被徹底摧毀2九江大堤決口潰口原因：堤基管涌3龍山水庫龍山水庫迎水坡防滲加固（1）基本情況龍山水庫位于武江上游廊田河支流龍山水上。地處樂昌市東北部的廊田鎮(zhèn)龍山管理區(qū)龍山村。離京廣鐵路約12km。集雨面積26.2km2，水庫總庫容1124×104m3。是一宗以灌溉為主，結合發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐工程是由大壩、溢洪道、輸水隧洞和壩后電站組成。大壩于1973年4月按漿砌石重力壩方案施工，于1976年改為土石混合壩，1979年2月大壩建成蓄水。壩高61.5m，壩頂高程361.5m，設計洪水位359.69m，校