边坡工程设计施工新技术与质量检测验实务全书(主编!王珊).pdf

书书书 边坡工程设计施工新技术与 质量检测验收实务全书 主编 王珊 北京北影录音录像公司 书书书 “ “ “ “ 第 一 篇 边坡工程设计施工 技术总论 第一章边坡运动危害及防范基础 第一节边坡的应力分布特征 边坡的变形破坏与其应力分布状态密切相关 因此 了解边坡周围岩土体中的应力分 布状况 对于认识边坡变形破坏的机制是非常必要的“根据有限元法分析和光弹试验结 果 边坡的应力状态有如下的特点 “坡体中主应力迹线发生明显偏转 坡面附近最大主应力的方向与坡面近乎平 行 最小主应力 与坡面近于垂直 图 “同时 坡体中存在与坡面近于平行的剪 应力 其总的趋势是由坡内向外增高 愈近坡脚处愈高 向坡内则逐渐恢复到初始应力状 态“ “坡脚附近形成一明显的应力集中带 特点是最大主应力与最小主应力差达到最大 值 出现最大的剪应力集中“坡度愈陡 应力集中愈明显“ “坡面处的岩 土 体 由于侧向压力近于零 实际上变为两向应力状态 向坡内逐渐 恢复为三向应力状态“ - 4 6 7“. 5 4 -1“ 张裂缝的相应位置为 “. ;. 5 4“. 5 4 -. 5 4“ --“ “如果滑体透水且受地下水渗流作用时3 4-5- “ 3 8 7 -A “4 6 7A - 3 3 - * 总的说来 在进行滑坡稳定计算时 应注意以下几点 “按滑坡滑面形态区分出平面滑块’ 楔形滑块’ 圆弧形滑动和折线形滑动 选用相应 的计算公式 “宜根据测试成果’ 反算法和当地经验综合确定岩土的强度指标 “当有地下水时 计算应计入浮托力和水压力 , ,边坡工程设计施工新技术与质量检测验收实务全书 B, B, B - B’ 计算点位于基坑开挖面以上时’ ,; B2303 - B2 处于静力平衡 故 5H. 5 3 ;H3 8 7 图 条分法计算简图 式中 ’ ’ ’第土条圆弧中点法线与铅直线的夹角 以9点为转动中心 计算圆弧面上各力对9点的滑动力矩“ D38 8 6 7 R 4 F L 6 [ 8R3“ ;R3 B *;.3 -. 3 第3层支点力计算值 截面承载力验算 截面抗弯承载力验算 DXD - BT C 6 KSKB 2KN 6K 一般地说 高价离子能换出低价离子 不过K离子却要比别的一价离子交换能力 大 甚至能取替二价离子 / -“ 式中 C 极限高度’“ / 软土的快剪粘聚力0 1 2“ 填土密度 U - 边坡工程设计施工新技术与质量检测验收实务全书 类别地层时代地层名称 塑性图分类指标 NM 土名符号 老黄土中更新期 A 高石黄土 “ * 粉质亚粘土 Q U 红色黄土早更新期 A 午城黄土 * “ * 粉质重亚粘土 Q V 二“ 黄土的湿陷性 黄土的湿陷性是指天然黄土在一定压力作用下 被水浸湿后土的结构受到破坏而发 生突然下沉的现象“具有这种特性的黄土称为湿陷性黄土 不具有这种特性的称为非湿 陷性黄土“湿陷性黄土往往在地面上形成碟形洼地或陷穴 常引起建筑物基础的变形而 开裂 甚至造成倒塌“所以 黄土的湿陷性对建筑工程 特别是基础工程有着重要的影响“ 湿陷性黄土通常分为两类 一是被水浸湿后在自重压力下发生湿陷的 称为自重湿陷 性黄土 二是被水浸湿后在自重压力下不发生湿陷 而在附加压力作用下产生湿陷的 称 为非自重湿陷性黄土“在公路工程中 对自重湿陷性黄土尤应加以注意“ 三“ 黄土地区的防治处理工程 由于黄土结构疏松 具大孔隙 抗水性能差 易崩解 潜蚀 冲刷和湿陷等特性 使之在 黄土地区的工程出现多种病害 如路堑边坡的剥落 冲刷 坍塌 滑坡 路堤和房屋建筑不 均匀沉陷 变形开裂等“因此 在工程中必须采取相应的措施 以保证安全“ 边坡防护 - E’- ,“ ; * 式中 \ 7 在干旱地区一部分难溶盐也构成粉粒和较粗的黏粒中溶盐中最常见的是石膏 2 5 7 ; ; 1 2“实际上基底法向冻胀力同基础被 冻起的高度有关 如在室内模拟试验中限制基础被冻起高为冻结深的 图 巨豆粒土分类体系 注“豆粒土分类体系中的漂石换成块石G换成G 即构成相应的块石分类体系 砂类土中细粒组质量大于总质量的 * ,8“ ; 8 ,/K ; , 8 * 式中“ 8M , 平衡锥求得的塑性指数 *-“ ; /K 式中“ /K , 平衡锥测得的液限’ 表 “ 公路路基土分类 土 组 土名 分类 符号 颗粒组成 按质量对土的基本描述 在野外用肉眼鉴别土时 要针对不同土类所规定的内容进行描述土的野外鉴别 碎石类土及砂类土野外鉴别 见表 *“ ; * J’ “ ; -J “ ; - ’ ’第二篇岩土力学与压力计算 潮湿程度稍湿潮湿饱和 感性鉴定呈松散状 手摸时感到潮可以勉强握成团空隙中的水可自由渗出 “ 粘性土的野外鉴别 见表 * 表 * 粘性土的野外鉴别 土类 用手搓捻时 的感觉 用放大镜及肉眼 观察搓碎的土 干时土的 状况 潮湿时将土 搓捻的情况 潮湿时用小刀 削切的情况 潮湿土的 情况 其它特征 粘 土 极 细 的 均 匀 土 块 很 难 用 手 搓 碎 均质 细 粉 末 看不见砂粒 坚硬 用锤 能打碎 屑 块 不 会 散 落 很 容 易 搓 成细于“ ; * H H 的 长 条 易滚成 小球 光滑表面 土 面上 看 不 见 砂粒 粘塑的 滑 腻的 粘连 的 干时有 光 泽 有细狭 条纹 亚 粘 土 没 有 均 质 的感觉 感 到有砂粒 土 块 容 易 被压碎 从它 的 细 粉 末可 以 清 楚 的看到砂粒 用 锤 击 和 手 压 土 块 容易碎开 能 搓 成 比 粘 土 较 粗 的短土条 能 滚 成 小 球 可以 感 觉 到 有砂粒存在 塑 性 的 弱 粘结性 干时光 泽暗 沉条 纹较粘 土粗而 宽 粉 质 亚 粘 土 砂 粒 的 感 觉少 土块 容易压碎 砂粒很少 可 见很 多 细 粉 粒 用 锤 击 和 手 压 土 块 容易碎开 不 能 搓 成 很 长 的 土 条 搓成的 土 条 容 易 破裂 土面粗糙 塑 性 的 弱 粘结性 干时光 泽暗 淡条 纹粗而 宽 亚 砂 土 土 土 质 不 均 匀 能清楚 的 感 觉 到 砂 粒 的 存 在 稍用力 土 块 即 被 压碎 砂粒 多 于 粘 粒 土 块 容 易 散开 用手 压 或 用 铲 子 铲 起 丢 掷土块 散 落成大屑 几 乎 不 能 搓成土条 滚 成 的 土 球 容 易 开 裂和散落 无塑性 粉 土 有 干 面 似 的感觉 砂粒少 粉粒 多 土 块 极 易 散落 不 能 搓 成 土 球 和 土 条 成流体状 “ * 粘性土潮湿程度野外鉴别 见表 表 粘性土潮湿程应野外鉴别 试验 指标 潮 湿 程 度 名称 QN ““ ’ QN QN’ 半干硬状态可塑状态流塑状态 粘砂土 扰动后不易握成团 一 摇即散 扰动后能握成团 手摇时土表稍出 水 手中有湿印 用手捏之水即吸回 手摇有水流出 土 体塌流成扁圆形 砂粘土 扰动后一般不能捏成 饼 易成碎块和粉末 扰动后能担成饼 手摇数次不见 水 但有时可稍见 扰动后手摇表层出 水 手上有明显湿印 容重 岩石单位体积 包括岩石孔隙体积在内 *到 ; -克 厘米的范围内变化“ 岩石容重的大小在一定程度上反映出岩石的力学性质的情况“通常 岩石的容重愈 大 则它的力学性质就愈好 反之愈差 在图 上绘有岩石的单轴抗压强度与容重 的相互关系 这个关系是由特安德里埃 . F 2 4 * 比重 岩石的比重就是岩石的干重量除以岩石的实体体积 不包括孔隙体积 ,左右 也像土的比重一样 ; , ; * ; - “ ; * ; *“ ; “ ; 4 粗玄岩 ; “ ; “ *“ ; “ ; * 流纹岩 ; ; 安山岩 ; ; ; ; - “ *“ ; 4 辉长岩 ; “ ; ; , “ ; ““ ; “ ; 玄武岩 ; - ; 4 ; “ ; ““ ; ; ““ ; ; 4 砂岩 ; “ ; ; “ ; , ** *“ ; “ ; 4 页岩 ; “ ; ; * , ; , , “ “ ; - ; “ 石灰岩 ; ; ; - ; - ** *“ ; “ ; * * 第二篇岩土力学与压力计算 岩石 容 重 克 “ 厘米 比重 孔隙率O 0 孔隙指数6 0 白云岩 ; * ; ; ; 4 * 片麻岩 ; 4 ; “ ; ; “ ,“ ; * ; *“ ; “ ; * 大理岩 ; ; , ; “ ; - ““ ; * “ ; “ “ ; - “ 石英岩 ; * ; * ; - “ ; “ ; *“ ; “ ; * 板岩 ; ; , ; - ; , “ ; “ ; *“ ; “ “ ; 4 * ;岩石的孔隙率 岩石的孔隙率 同土的孔隙率相类似 用下式表示 2孔隙指数 岩石的孔隙指数是指干燥岩石试件在大气压力下吸入水的重量aG 对于岩石干重 aE之比 一般以6表示即 9 *0时 一般认为该岩石是耐冻的 孔隙指数6与岩石的种类有关 花岗岩 砂岩 页岩等等都各不相同 而且对于同一种 岩石来说 它又与岩石的年代有关在表 中列有某些岩石的孔隙指数 吸水率 * *边坡工程设计施工新技术与质量检测验收实务全书 的数值在图 “ 2 上绘有砂岩的6随着地质年代的变化在图 “[ 上绘 有页岩的6随着地质年代的变化 研究已经证明 孔隙指数是岩石的一个重要物理性指标 它与岩石的一些力学性质之 间有着密切的关系作为一例 在图 上示有孔隙指数6与岩石地震波速之间的 关系 * ;饱水率 岩石的饱水率是指岩石在高压“ 一般为 * “个大气压力 下或真空下吸入水的重量 aG 对于岩石干重aE之比 以G表示 即 图 2“ 砂岩的孔隙指数与地质年代关系 固结砂岩 * “ ; - 饱水系数对于岩石的抗冻性具有重要意义当饱水系数SG“ ; 4 对 在冻结过程 , 第二篇岩土力学与压力计算 中一般还会有尚未被水充满的小的敞开孔隙和裂隙 岩石中的水尚有膨胀和挤入小的敞 开孔隙和裂隙的余地“而当饱水系数SG “ ; 4 时 在冻结过程中形成的冰就会对岩石 的孔隙 裂隙产生很大的额外的压力 从而造成岩石的破坏“ 图 岩石的孔隙指数6与岩石的地震波速关系 -页岩-砂岩,石灰岩.花岗岩0玄武岩 ;岩石的抗冻性 岩石的抗冻性就是岩石抵抗冻融破坏的性能 是评价岩石抗风化稳定性的重要指标“ 岩石经过若干次的冻结和融解后 它的强度往往就降低 甚至破坏“岩石在多次冻融 过程中逐渐破坏的过程 一方面是由于不同矿物在温度升降时的膨胀和收缩不同从而使 岩石的结构逐渐破坏之故 另一方面也是由于岩石裂隙 孔隙中水结冰时体积膨胀 在岩 石的裂隙 孔隙内产生附加压力 因而造成岩石破坏“ 岩石的抗冻性可用下列两种指标来表示脆性破坏 大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质也就是说 这些岩石在 荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的 发生和发展的结果例如 在地下洞室开挖后 由于洞室周围的应力显著增大 洞室围岩 可能产生许多裂隙 尤其是洞室顶部的张裂隙 这些都是脆性破坏的结果 ;塑性破坏 在两向或三向受力情况下 岩石在破坏之前的变形较大 没有明显的破坏荷载 表现 出显著的塑性变形 流动或挤出 这种破坏即为塑性破坏塑性变形是岩石内结晶晶格错 位的结果在一些软弱岩石中这种破坏较为明显有些洞室的底部岩石隆起 两侧围岩 向洞内鼓胀都是塑性破坏的例子 ;弱面剪切破坏 由于岩层中存在节理 裂隙 层理 软弱夹层等软弱结构面 岩层的整体性受到破坏 在荷载作用下 这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时 岩体就产生沿着弱面的 剪切破坏 从而使整个岩体滑动岩基沿着软弱夹层的滑动 岩坡沿着裂隙和节理面的滑 动以及小块试件沿着潜在破坏面的滑动 都属于这种破坏的例子 在图 上示有这几种破坏形式的简图 图 岩石的破坏形式 2 * 吨 米增加到 ; ,吨 米 其抗压强度就由* “增加到 - “ “公斤 厘米又如当砂岩的 容重由 ; - ,吨 米增加到 ; * ,吨 米时 其强度由 * “增加到4 “ “公斤 厘米 饱和状态试件的抗压强度“ 湿抗压强度 和干燥状态的抗压强度是不同的 它们的比 值称为岩石的软化系数软化系数总是小于 以上讨论了岩石本身方面的影响因素下面再来看试验方法上的因素 一般地说 在相同的试验条件下 抗压强度随着试件尺寸的增大而减小这一现象称 为’ 比尺效应 引起这一现象的主要原因是 试件的尺寸愈大 则所含裂隙或其它不连续 性的影响就愈多 因此强度也就愈小根据研究 强度随着试件横断面增大而减小的规律 性可用下式表示 T 到“ ; *之间 这个关系式可以用来确定各种不同直径b的试件的抗压强度 其中的指数’值与岩 石的裂隙度成正比 在这一意义上说来’值也可用作为评价岩石裂隙性的一种准则 在图 上绘出了各不同岩石的比尺效应的研究结果 加荷速率对岩石强度也有影响 因为快速的加荷方式就具有动力的特性加荷速率 增加 其抗压强度也就增大表 中列出了在两种不同的加荷速率时 测出的砂岩 , ,第二篇岩土力学与压力计算 和辉长岩的抗压强度 由此看出加荷速率的重大影响“ 表 加荷速率对抗压强度的影响 岩石名称 单轴抗压强度 公斤 厘米 到破坏的 时间 “秒 到破坏的 时间“ ; “ 秒 增加强度 0 砂岩 * - * “ 辉长岩 - “ - “ “ 图 各种不同岩石的强度与试件直径间关系 ’ ’ ’ , ’* * ’ ’ , * ’- * ’4 , * ’ “ “ , ’ 三“ 岩石的抗拉强度 岩石的抗拉强度是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限强度 它在数 值上等于破坏时的最大拉应力“和岩石的抗压强度相比较 抗拉强度的研究要少得多“ 这可能是直接进行抗拉强度的试验比较困难 目前大多是进行各种各样的间接试验 再通 过理论公式算出抗拉强度“关于在这方面的试验方法还没有标准化 还有待进一步发展“ 可是在水工建筑中 岩石还是可能受到拉应力作用的 例如 高压水工隧洞的围岩 大 坝坝踵附近地基 都可能产生一定的拉应力“ 根据试验 岩石的抗拉强度比起抗压强度来是小得多 甚至最坚硬的岩石也只有 “ “ 公斤 更米左右“许多岩石的抗拉强度小于 “公斤 重米“一般可认为 岩石的抗拉强 度小于或等于抗压强度的十分之一“ 岩石的直接抗拉试验的试件如图 ,所示“在试验时将这种试样的两端固定在 边坡工程设计施工新技术与质量检测验收实务全书 拉力机上然后对试样施加轴向拉力直至破坏“ 算出试样的抗拉强度 图 , 岩石的直接抗拉试验的试件 单位“ 厘米 夹子垂直轴线岩石试样 TJ *倍 除了用圆柱形试样进行劈裂试验外“ 在最近十多年来国外也有用圆盘 圆环和薄板状 等试件进行劈裂试验的根据理论研究“ 当圆盘 圆环和薄板状试件受到对称压力的作用 时“ 试件的抗拉强度可以用下列同一个公式来计算 TJ 4 1H X 劈裂时的破坏荷载 试件高度角 的试验情况“在一定的 和的组合下 岩石的裂隙面发生破坏 因而可在9 平面图上绘出一个莫尔圆 如 号圆“通过代表 的点作一直线与裂隙面相平行 并交于号圆 得点 则点就代 表着指定裂隙面上的应力状态 亦即点的纵坐标代表该裂隙面在该应力状态下的抗剪 断强度“用同样的试样 改变 重复做多次试验 即可求得等点子 连接这些点 子所得的直线 莫尔圆的割线 即代表裂隙面的抗剪强度线“显然 图 与图 “ 中的曲线是不同的“ 图 角闪岩的三轴压力试验结果 图 三轴试验的莫尔圆 整体性岩快的莫尔包络线“ 有细微裂隙 与水平面成 “ 将;“代入式 “ 得’ U2 H C J3 * T ’ C K 2 J C E 6 O E 6 O C E 6 O ’ “ 式中 C J 第二破裂面与铅垂线之间夹角’ ; H C J 第一破裂面与铅垂线之间的夹角“ 当填土表面水平时 ’ 取I U 3 . 2 ODf . 2 ODK C A . ’“. 2 ODKG “ F “ “ T E 6 O DKC “ F“ E 6 O’C A E D D3’K 8 T K’“ E 6 O; KD“ F“. 2 O ; G““V E 6 O ; C“ E 6 O; D“ U P3UC A E8“U i3UE 6 O8 “ D P3 K - “ D i3R Kj P. 2 O . 2 O; K9“3 . 2 ODf . 2 ODK C A . D “ . 2 ODK . 2 O K9“ Kb D 3’9D3DK 89 3 F“C A E K9“G “. 2 ODK C A .D“T E 6 O CKD K9“ E 6 ODC A E D T3 U P C A E CK’“ U3F“E 6 O ; K“ C A E; K9“ G “ C A E; K’“ E 6 O; KDK9“ T E 6 O; C“ E 6 O; KDK9“ F“3 C A E KK C A E 9“ C A E C A E K9 “ C A E K9“ G“3 E 6 O C “C A E 9“ C A E C A E K9“C A E C K9“ U P3UC A E8“U i3U iE 6 O8“ D P3 K K K K - “ “ D i3G-D P. 2 O 3 . 2 O K . 2 OC“ . 2 O 6 . 2 O C . 2 O9 “3 . 2 O ; . 2 O“K. 2 OK . 2 O ;“ C . 9 . 2 O ; 二 填土成层时土压力计算 如果墙后填土有几层不同种类的水平土层时“E 6 O 8J“ E 6 O C“E 6 O 8J“ “ 图 有限填土土压力计算 式中 ; 3 2 J C . 2 O E 6 O C -2 “ ; -2 , -AM’ , , ,H 2 H -2 *A’ , “ 2 “ ; -2 * *AK , 对于H “ -H 2 H -2 AN H - , 具体计算可由图 图中查得相应数值“ 三“ 条形荷载作用 条形荷载是指有限宽度上荷载强度 例如挡土墙的土堤’ 公路’ 铁路等构筑物的重量 然后用相应的公式计算K “值 K“ H U2与水平线之间夹角 ; H 3 K 8 2 库仑理论主动土压力系数 U2 P到墙腹的竖向距离 _d求出滑动楔体F G 的重心R点自R点引G 的平行线 交于墙背R .点 该点可视为U2的作用点“ 图 库尔曼法求主动土压力作用点 二“ 填土表面有任意荷载 当填土表面有任意荷载时 求主动土压力图解法基本作法同无荷载时作法“仅需将 假定的滑动楔体宽度F 9内的荷载 集中力或分布荷载的合力 和滑动楔体的土重L叠 加 进行作图即可“ 如滑动楔体内有集中力或分布荷载“其主动土压力作用点可以下列步骤 作 .“ 这样的程序能作参 数 ’“ 8“C“ 影响的研究“ 远比前二节的图解法容易 U2的作用点可用类似库尔曼法求得 程序在附录中 二“ 国家 建筑地基基础设计规范 推荐的公式直接电算程序 为了计算黏性土的主动土压力“ 国家规范推荐了计算其主动土压力系数由于公式 很繁杂“ 计算起来不是非常方便“ 为方便广大读者“ 本书给出了计算公式的电算程序程 序较短“ 应用方便 省时 土的压缩性指标 压缩系数 压缩模量UE 可近似地用直线OO ; 段代替’ 由此引起的误差很小’ 可以忽略不计直线段 OO ; 的坡度用表示 OI 及 OI 时的压缩系数’ 记为 并根据压缩系数 的大小’ 将土的压缩性分为三级 低压缩性土 “ 1 2 “ *O * 式中 4 HO *3 “ * L - 3 * 0 1 2 该薄层地的深度_3 “ 3 ’“ G3 ’“ 由_ G 3 “ ,“ K G 3 查表经内插得 053 “ “ “ 则有 层顶附加应力 _3 L“ “ L “ 3 - 4 0 1 2 平均附加应力 _3 - 4 K * 3 , 0 1 2 第二篇岩土力学与压力计算 图 * 4 例题* 土的*曲线 0亚砂土“粘土 例题* 计算结果 由 - * *“ ; - * -“ ; - * * 1 “ “ “ - C ’ O 4 *-* ; -* ; “ - ; 4- ; 4 -“ ; , , C ’ 4 .O “ - ; “ “ ,“ ; “ * 以上结果满足式 * 要求“ 故点,处可作为压缩层底“ 即压缩层的计算深度为 DO --1 ; ’ -确定沉降计算经验系数H“ 计算基础的总沉降量 -* ; - -“1 ; -- ; “ - ; *-, ; - ; , “1 ; ; - 1 2 由算得之U E值参照表 * 经内插得HE3 “ , - 所以基础总沉降量为 , -1 ; C ’ 第五节基础沉降与时间的关系 一 饱和土体渗透固结的概念 饱和土体的渗流固结过程 上一节计算的基础沉降量是指建筑物地基从开始变形到变形稳定时基础的总沉降 值 即最终沉降量显然饱和土体受载后 地基从开始变形到变形稳定是与时间有关的 即沉降值是时间的函数在工程实践中 有时需要计算建筑物在施工期间或使用期间某 一时刻基础沉降值 其主要目的是要考虑由于沉降随时间增加而发展会给工程建筑物带 来的影响 以便在设计中作出处理方案而对于已发生裂缝 F ;i I_ 则 ’ , ’第二篇岩土力学与压力计算 图 * 饱和土层