重要岩土工程稳定性四基坑稳定性.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/2/9,#,岩土工程稳定性（四）,-,基坑稳定性,1,、概述,2,、整体稳定性分析,3,、抗隆起稳定分析,4,、抗倾覆、抗水平滑移稳定性分析,5,、抗渗流稳定性及抗承压水稳定性分析,1,、,基坑稳定性验算,的概念,是指分析基坑周围土体或土体与围护体系一起保持稳定性的能力,基坑稳定性分析的目的,在于基坑侧壁支护结构在给定条件下设计出合理的嵌固深度或验算已拟定支护结构的设计是否稳定和合理。,验算方法,主要有工程地质对比法和力学分析法，两种方法它们应该是相互补充和相互验证的，对具体问题，应该通过综合分析以便得出最后的结论。工程地质对比法是通过大量己有工程的调查研究，结合拟设计项目的地质条件来确定支护结构的嵌固深度。一般说，它比较可靠，但必须在相应条件基本一致的情况下才能引用。力学分析法是以土力学理论为基础，但由于实际地质因素很复杂，不能简单地用力学分析来加以概括，因此，有其局限性，有时不能正确判断土体稳定性的安全程度,;,但在一定条件下，它仍不失为一个解决土坡稳定性问题的得力工具。,稳定性验算的主要内容,包括,:,整体稳定性验算、支护结构踢脚稳定性分析、抗滑移验算、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定以及渗流稳定性验算等。,1,、概 述,（,1/10,）,2,、,基坑破坏模式,分类,根据,时间,：长期稳定和短期稳定；,根据,基坑的形式,：有支护基坑和无支护基坑破坏。其中有支护基坑围护形式又可分为刚性围护、无支撑柔性围护和带支撑柔性围护。,各种基坑围护形式因为作用机理不同，因而具有不同的破坏模式。,1,、概 述,（,2/10,）,3,、基坑的失稳形态分类,（,1,）,基坑的第一类失稳形态：,因,基坑土体强度不足、地下水渗流作用,而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑底土隆起；地层因承压水作用，管涌、渗漏等等；,（,2,）,基坑的第二类失稳形态：,因,支护结构,(,包括桩、墙、支撑系统等,),的强度、刚度或稳定性,不足引起支护系统破坏而造成基坑倒塌、破坏。,4,、基坑的第一类失稳形态主要表现,（,1,）,放坡开挖基坑,由于设计不合理坡度太陡，或雨水、管道渗漏等原因造成边坡渗水导致土体抗剪强度降低，引起基坑边土体整体滑坡,1,、概 述,（,3/10,）,（,2,）,刚性挡土墙基坑,是指水泥土搅拌桩、旋喷桩等加固土组成的宽度较大的一种重力式基坑围护结构，其破坏形式有如下几种：,(a),由于,墙体的入土深度不足，或由于墙底存在软弱土层，土体抗剪强度不够,等原因，导致墙体随附近土体整体滑移破坏，如图,(a),所示,(b),由于,基坑外挤土施工如坑外施工挤土桩或者坑外超载作用,如基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土体压力增加，导致墙体向坑内倾覆，如图,(b),所示,(c),当,坑内土体强度较低或坑外超载,时，导致墙底变形过大或整体刚性移动，如图,(c),所示,1,、概 述,（,4/10,）,(3),内支撑基坑,内支撑基坑是指通过在坑内架设混凝土支撑或者钢支撑来减小柔性围护墙变形的围护形式，其主要破坏形式如下,:,(a),因为坑底土体压缩模量低，坑外超载等原因，致使,围护墙踢脚,产生很大的变形，见图,(a);,(b),在含水地层,(,特别是有砂层、粉砂层或者其他透水性较好的地层,),，由于围护结构的止水设施失效，致使大量的水夹带砂粒涌入基坑，严重的,水土流失,会造成支护结构失稳和地面塌陷的严重事故，还可能先在墙后形成空穴而后突然发生地面塌陷，见图,(b);,(c),由于基坑底部土体的抗剪强度较低，致使坑底土体随,围护墙踢脚,向坑内移动，产生隆起破坏，见图（,c,）,1,、概 述,（,5/10,）,(d,）在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不合理或者坑底超挖，承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层，发生,坑底突涌,破坏，见图,(d);,(e),在砂层或者粉砂地层中开挖基坑时，降水设计不合理或者降水井点失效后，导致水位上升，会产生,管涌,，严重时会导致基坑失稳，见图（,e,）,;,(f),在超大基坑，特别是长条形基坑,(,如地铁站、明挖法施工隧道等,),内分区放坡挖土，坡较陡、降雨或其他原因导致,滑坡，冲毁基坑内先期施工的支撑及立柱,，导致基坑破坏，见图,(f),1,、概 述,（,6/10,）,(4),拉锚基坑,(a),由于围护墙插入深度不够，或基坑底部超挖，导致,基坑踢脚破坏,，如图,(a);,(b),由于设计锚杆太短，锚杆和围护墙均在滑裂面以内，与土体一起呈,整体滑移,，致使基坑整体滑移破坏，如图,(b),。,1,、概 述,（,7/10,）,4,、基坑的第二类失稳形态主要表现,（,1),围护墙破坏,此类破坏模式主要是由于设计或施工不当造成围护墙强度不足引起的围护墙剪切破坏或折断，导致基坑整体破坏，例如挡土墙剪切破坏，柔性围护墙墙后土压力较大，而围护墙插入较好土层或者少加支撑导致墙体应力过大，使围护墙折断，基坑向坑内塌陷,1,、概 述,（,8/10,）,（,2,）支撑或者拉锚破坏,该类破坏主要是因为设计支撑或拉锚强度不足，造成支撑或拉锚破坏，导致基坑失稳,1,、概 述,（,9/10,）,（,3,）墙后土体变形过大引起的破坏,该类破坏主要是因为围护墙刚度较小，造成墙后土体产生过大变形，危及基坑周边既有构筑物，或者使锚杆变位，或产生附加应力，危及基坑安全,1,、概 述,（,10/10,）,2,、整体稳定性分析,（,1/11,）,一、整体稳定分析条分法比较,二、坑底有软弱夹层时土坡的稳定性,当基坑底部有薄软弱夹层存在时，基坑边坡很有可能沿着一个复合滑动面滑动，由圆弧和直线组成，如图中的,abde,面。复合滑动面的稳定性分析比较复杂。在实际工程中常采用简化的方法进行分析。,由于,abf,土体向下滑动，主动土压力,P,A,作用于,fb,面，使边坡向左产生水,平滑动，滑动阻力为前端的被动土压,力,P,P,和沿软土层水平滑动面的抗剪阻,力,cL,。,简化分析时，假定,PA,和,PP,的方向都,是水平的，安全系数可有两种不同的,计算方法。,（,1,）,以滑动力与抗滑力之间的相对,关系,来考虑：,2,、整体稳定性分析,（,2/11,）,（,2,）以,粘土层的抗剪强度,为依据,计算时，先计算被动土压力,P,P,，其次是假定一个,b,点，计算,P,A,，再计算安全系数。多次选择,b,点进行试算，最后确定最小安全系数,F,smin,。,上述两式都可以用来计算边坡的稳定性，但它们计算的结果显然不同。因此，应根据经验来选择计算的公式。计算结果公式后式小于前式，因此，,前者的控制标准可取小值，而后者应取大值,。,2,、整体稳定性分析,（,3/11,）,三、考虑地下水渗流作用时的稳定计算,1,、地下水稳定渗流时土坡的稳定分析,稳定渗流期是指土坡内土体已完全固结，所产生的超静孔隙水压力已经全部消散，土坡内已形成稳定渗流，渗透流网得以唯一确定，而且不随时间而变化。这种情况下，土坡内各点的孔隙水压力均能由流网确定。因此，原则上应该用有效应力法分析而不用总应力法。,（,1,）把土体,(,包括土骨架和孔隙中的流体,-,水和气,),作为整体取隔离体，滑动面是隔离体的边界面,取土条进行力的分析，将土条的重力,W,i,分解成法向力,N,i,切向力,T,i,。,T,i,对圆心产生滑动力矩,M,si,.,如果将其扣去孔隙水压力,u,i,l,i,，剩余部分,(N,i,-u,i,l,i,),在滑动弧面上产生摩擦阻力,(N,i,u,i,l,i,)tan,，摩擦阻力对于圆心生抗滑力矩,M,ri,.,2,、整体稳定性分析,（,4/11,）,孔隙水压力,u,i,的确定,根据稳定渗流分析得到的浸润线位置,来计算孔压，即 。此时土坡安全系数的计算公式可以改为,:,根据稳定渗流分析得到的孔压分布值,直接利用前式进行计算,2,、整体稳定性分析,（,5/11,）,2,、当水位骤降时,因为水位突然下降，滑动土体已失去浮力的作用，因此在计算土条滑动力时不能减去浮力，而在计算滑动面上的力时，就要考虑到水位突然下降后孔隙水压力还不会消散，因此在计算抗滑力时则应考虑浮力。也就是说在安全那系数计算式中分母全部采用饱和容重,sat,，而分子全部采用有效容重,，无疑这是一种最不利的情况。,2,、整体稳定性分析,（,6/11,）,四、重力式围护体系的整体稳定性验算,仍可采用圆弧滑动法进行验算,验算中需要考虑，,圆弧通过围护墙体底部,以及,圆弧切墙,两种可能模式。,对于水泥土桩墙支护当验算,切墙圆弧,的安全系数时，可取墙体强度指标,=0,，,c=(1/51/10)q,u,，其中,q,u,为挡墙体无侧限抗压强度。当,q,u,0.8MP,a,时可不计算切墙圆弧的安全系数。当支护体系下面有软弱土层时，应增大计算深度，直至整体稳定安全系数增大为止。,2,、整体稳定性分析,（,7/11,）,五、锚杆支护体系的整体稳定性验算,锚杆支护体系的整体失稳可能有两种形式,（,1,）,锚杆支护结构连同周围土体沿着某一深层滑裂面整体滑动,如图,(a),所示，对于该整体失稳模式的验算可按普通边坡稳定性分析方法进行，,根据验算结果要求锚杆长度必须超过最危险滑动面，同时安全系数不应该小于,1.50,。,2,、整体稳定性分析,（,8/11,）,（,2,）,桩锚支护体系之间的相互作用超出了土体的承载能力，从而在围护结构底部向其拉结方向形成一条深层滑裂面,如图,(b),所示。对于该种破坏模式，经常使用的验算方法是德国学者,Kranz,提出的“,代替墙法,”。,以,单锚支护体系为例,，如右下图所示，,代替墙法假定,深层滑裂面由直线,bc,段和,cd,段组成，其中,b,点取在围护墙体底部，,c,点取在锚固段的中点，,cd,段是由,c,点向上做垂线与地面交于,d,点得到的。利用,abcd,范围内的力的平衡关系可以求得锚杆的极限抗力，安全系数定义为锚杆极限抗力的水平分力,T,h,与锚杆设计水平分力,T,sh,的比值，要求不小于,1.50,。,2,、整体稳定性分析,（,9/11,）,如图所示，锚杆的极限抗力水平分力可以从力的平衡图得到,其中,E,1h,E,1,cos E,1,为作用在围护结构,ab,面上的主动土压力,(kN),；,E,2h,E,2,cos E,2,为作用在代替墙,cd,面上的主动土压力,(kN),；,2,、整体稳定性分析,（,10/11,）,当使用上述公式时，需要注意：当,大于,时需要计入地面超载，当,小于,时可不计入地面超载。,代替墙法,仅适用于,锚固段在围护墙底部以上的情况,，如下图所示，图,(a),中的所有锚杆均需要验算，图,(b),中有两道锚杆需要验算，图,(c),中所有锚杆均深入到了围护墙底部以下，不需要进行此项验算,2,、整体稳定性分析,（,11/11,）,3,、抗隆起稳定分析,（,1/9,）,基坑抗隆起稳定性验算是基坑支护设计中一项十分关键的设计内容，它不仅关系着基坑的稳定安全问题，也与基坑的变形密切相关。,基坑抗隆起稳定分析方法,：三大类，即极限平衡法、极限分析法以及常规位移有限元法。,无论是极限分析有限元还是常规位移有限元，主要针对的都是,粘土基坑,抗隆起稳定性的分析问题。,对于,同时考虑,c-,土体抗隆起稳定分析,问题我国基坑工程实践中目前用的是地基承载力模式以及圆弧滑动的基坑抗隆起稳定分析模式。,一、粘土基坑不排水条件下的抗隆起稳定性分析,对于粘土基坑抗隆起稳定问题，由于基坑开挖时间较短且粘性土渗透性较差，可采用总应力分析方法。,分析方法主要有三类：,传统方法：,是,Terzaghi(1943),以及,Bjerrum,和,Eide(1956),所提出的,基于承载力模式的极限平衡方法,。这一类方法一般是在指定的破坏面上进行验算，分析计算时还可能会作一些假定。,有限元法：常规弹塑性有限元,极限分析方法：,极限分析理论在岩土工程中的应用是一个比较新的研究领域，该方法以其具有比较,严格的塑性理论依据,而受到岩土稳定性研究学者的青睐。采用极限分析法主要有,Chang(2000),以及黄茂松等,(2008),基于,Prandtl(1920),破坏机构分析粘土基坑抗隆起稳定性的上限方法，,Ukritchon,等,(2003),采用的极限分析有限元法分析粘土基坑抗隆起稳定性问题。,3,、抗隆起稳定分析,（,2/9,）,1,、粘土基坑抗隆起稳定分析的极限平衡法,Terzaghi(1943),分析粘土基坑抗隆起稳定性的模式如图所示。基坑开挖深度为,H,，基坑宽度为,B,，土体不排水强度记为,Su,，坚硬土层的埋置深度距基坑开挖地面的距离记为,T,。,基于地基承载力的理念，,Terzaghi(1943),给出了用稳定系数表达的抗隆起分析表达式,:,式中,为,稳定系数,，,5.7,即,为考虑基地完全粗糙时的地基承,载力系数,Nc,值。,一般认为，,Terzaghi(1943),的抗,隆起分析模式适用于比较浅或宽,的基坑抗隆起分析问题，也即,适,用于,H/B 1.0,的情况。,3,、抗隆起稳定分析,（,3/9,）,对于,H/B,1.0,的情况,，一般认为,Bjerrum,和,Eide(1956),的抗隆起分析模式更适合一些。,Bjerrum,和,Eide(1956),采用如下图所示的深基础破坏模式分析坑底的抗隆稳定问题。值得注意的是，当坚硬土层埋置深度较浅时，可能形不成图中所示的破坏模式，此时就需要对地基承载力系数,N,c,加以修正。,3,、抗隆起稳定分析,（,4/9,）,2.,粘土基坑抗隆起稳定分析的极限分析上限方法（,详细分析略,）,极限分析定理,是解决工程稳定性分析问题的有,严格塑性力学依据,的理论，包括上限定理和下限定理。,上限定理,从构造运动许可的速度场出发，能够界定外荷载的上限；,下限定理,从构造静力许可的应力场出发，能够界定外荷载的下限。,运动许可的速度场要求：速度场满足几何相容条件，满足速度边界条件以及关联流动法则等；静力许可应力场要求在全局范围内满足平衡方程并且不违反屈服条件，满足应力边界条件等。,理论上讲，极限分析下限方法能够给出极限荷载的下限，在工程适用中是偏于安全的，但是在全局范围内构造静力许可的应力场一般是比较复杂的，目前应用主要是借助于极限分析有限元技术应用。上限方法理论上讲只能给出不小于真实极限荷载的解，但运动许可的速度场构造相对简单，而且与实际可能的破坏模式密切相关，因此应用起来方便适用。这也是上限方法应用较多的一个主要原因。,3,、抗隆起稳定分析,（,5/9,）,二、同时考虑,c-,时基坑抗隆起稳定分析,分析模式,主要有两种：,地基承载力模式,的抗隆起稳定分析,圆弧滑动模式,的抗隆起稳定分析。,1,、地基承载力模式的抗隆起稳定性分析,以验算支护墙体底面的地基承载力作为抗隆起分析依据。根据,Terzaghi(1943),建议的浅基础地基极限承载力计算模式，是土体粘聚力、土重以及地面超载三项贡献的叠加。但是在此处的基坑抗隆起稳定分析中，基础宽度是不能明确界定的，为简化分析，地基承载力模式的抗隆起分析由下式来考虑：,3,、抗隆起稳定分析,（,6/9,）,从图中所假定的验算模式可以看出，地基承载力的抗隆验算分析中应该认为,支护墙体抗弯刚度较大,，以致不发生明显的完全变形。由于该抗隆起分析模式假定以支护墙体地面为验算基准面，因此,只能反映支护墙体地面土体强度对抗隆起稳定分析的影响,。同时从以上分析还可以看出，该模式下是,无法考虑地基承载力中基础宽度项对地基承载力的贡献的,。通过计算分析表明，当土体内摩擦角较大时，由于地基承载力系数增长迅速，所求的安全系数过大。,3,、抗隆起稳定分析,（,7/9,）,2,、圆弧滑动的抗隆起分析模式,该分析模式认为：土体沿围护墙体底面滑动，且滑动面为一圆弧，不考虑基坑尺寸的影响。,如图所示基坑抗隆起圆弧滑动分析模式，取圆弧滑动的中心位于最下一道支撑处，基坑抗隆起安全系数通过绕,O,点的力矩平衡获得。,滑动力矩：,GM,段作用的地面超载,q,产生,的滑动力矩，,OAMG,区域内土体自重产,生的滑动力矩，,OACB,区域内土体自重,产生的滑动力矩。,抗滑动力矩：,滑动面,MACEF,上抗剪强度,产生的抗滑动力矩。,BCE,区域内土体产生的滑动力矩与,BEF,区域内土体重量产生的抗滑动力矩相抵消。,3,、抗隆起稳定分析,（,8/9,）,各部分,滑动力矩,的计算相对较为简单。,在计算滑动面上的,抗剪强度,时采用公,式 。滑动面上,的选,择做如下处理：在,MA,面上,的,应该,是水平侧压力，该侧压力实际上应该,介于主动土压力与静止土压力之间，,因此近似地取为：,而不再减去 ，这是为了,考虑实际情况，而且在开挖深度较,大时，后者要比前者小得多；,AE,滑,动面上,的法向应力,可以认为由两部分组成，即土体自重在滑动面法向上的分力加上该处的水平侧压力在滑动面法向上的分力，水平侧压力的计算与,MA,段的相同；,EF,滑动面上,的法向应力,也由两部分组成，为土体自重在滑动面法向上的分力加上该处的水平侧压力在滑动面法向上的分力，有人认为,EF,上的水平侧压力应取为介于静止土压力和被动土压力之间，不过此处为安全期间仍取为介于静止土压力与主动土压力之间，按上述,MA,段上的水平侧压力计算。,3,、抗隆起稳定分析,（,9/9,）,4,、抗倾覆、抗水平滑移稳定性分析,（,1/3,）,对于重力式围护结构，需要进行围护结构的抗倾覆和抗滑动稳定性验算。,一、抗倾覆稳定性验算,如图所示，验算重力式围护结构的抗倾覆稳定性时，通常假定维护结构绕其前趾转动，相应的计算公式可表示为：,注意：,以上验算对土层条件较好的情况基本上是合理的，但,对于墙底土较软弱时，就会得出，支护墙体的插入深度在一定范围内变化时，其插入比,(D/H),越大，计算的抗倾覆稳定系数越小的不合理现象，,究其原因就在于转动点位置选择不合理。对于重力式围护结构的倾覆转动中心位置对计算结果的影响以及转动点位置的合理选择，许多学者进行了研究，提出了各白的观点和解决办法，但直到目前为止，还没有找到确定转动中心的合适方法。,4,、抗倾覆、抗水平滑移稳定性分析,（,2/3,）,二、抗滑移稳定性验算,抗滑移稳定性验算主要考察围护结构水平方向上作用力系的平衡问题。,4,、抗倾覆、抗水平滑移稳定性分析,（,3/3,）,5,、抗渗流稳定性及抗承压水稳定性分析,（,1/3,）,渗透破坏主要表现为,管涌、流土,(,俗称流砂,),和突涌,。,管涌,:,指在渗透水流作用下，土中细粒从孔隙通道中被移动、流失，土的孔隙不断扩大，渗流量也随之加大，最终导致土体内形成,贯通的渗流通道,，土体发生破坏的现象,;,它是一个渐进破坏的过程，可以发生在任何方向渗流的逸出处，这时常见混水流出，或水中带出细粒；也可以发生在土体内部。其发生,主要取决于土质条件，只要,级配条件,满足，在水力坡降较小的条件下也会发生管涌。,在一定级配的,(,特别是级配不连续的,),砂土中常有发生，其水力坡降,i=0.1-0.4,；,流土,:,是指在向上的渗流水流作用下，表层局部范围的土体和土颗粒同时发生悬浮、移动的现象，对于不均匀系数,Cu10,的均匀砂土，更多的是发生流土。在地下水位较高的软土中虽然水力坡降比较大，但软土很少具有不连续的级配，通常没有产生管涌的土质条件，所以容易发生的是流土破坏,一、流土破坏的稳定性验算,如图 所示，要避免基坑发生流土破坏，需要在渗流出口处保证满足下式,式中 分别为土体的浮重度和地下水的,重度,(kN/m,3,);i,为渗流出口处的水力坡降。,计算水力坡降,i,时，渗流路径可近视地取最,短的路径即紧贴围护结构位置的路线以求得,最大水力坡降值,抗流土安全系数为：,5,、抗渗流稳定性及抗承压水稳定性分析,（,2/3,）,二、承压水冲溃坑底,(,亦称为突涌,),的验算,当基坑下存在不透水层且不透水层又位于承压水层之上时，应验算坑底是否会被承压水冲溃，若有可能冲溃，则须采用减压井降水以保证安全。,计算图示如图所示，计算原则为自基坑底部到承压水层上界面范围内,(,即,h+t),土体的自重压力应大于承压水的压力，安全系数不小于,1.20,。,5,、抗渗流稳定性及抗承压水稳定性分析,（,3/3,）,