目前我国地下结构计算中主要采用的计算模型是荷载–结构模型,尤其是在模筑衬砌中,这种方法应用更为广泛。该模型较合理地考虑衬砌和围岩相互作用和对荷载的共同分担,体现了安全和经济的设计理念。它认为在围岩和支护的相互作用下,围岩不仅提供主动荷载,而且还对支护结构施加被动反力。因为在非匀布主动荷载作用下,支护结构一部分将发生向着围岩方向的变形。当围岩的刚度达到一定时,围岩就会对衬砌结构产生抗力来限制其变形。在一定范围内,这种抗力可称为弹性抗力。由此基于Winkler弹性地基假定提出的隧道弹性反力与变形的比例系数就是弹性抗力系数。弹性抗力系数通常是通过荷载板试验确定的。由荷载板试验的压力和沉降关系曲线,即p-S曲线可得到比例界限压力和对应沉降,求得弹性抗力系数。围岩等级相同,隧道的埋深、围岩性质等不同,弹性抗力系数不同。甚至在隧道的同一断面,竖直向和水平向的弹性抗力系数也不同。因此不能仅仅用围岩级别来确定围岩弹性抗力系数。关键还是要做现场试验。取值范围一般是30~200MPa/m
摘 要:阐述了膨胀土地基建筑物开裂的特征,分析了裂缝产生的机理,提出了相应的对策和治理措施 关键词:膨胀土;裂缝;约束应力;对策 膨胀土在我过分布较广,膨胀土地基对建筑物产生的危害虽早已被人们所关注,由于膨胀土一般强度较高,压缩性低,常被人们认为是良好的地基,由此产生的裂缝在一些建筑物中时有发生。因此,正确理解膨胀土地基建筑物裂缝成因,了解裂缝产生的一般机理,有助于设计、施工部门采取相应措施,有效避免此种危害的发生。
1、裂缝产生的特征
11.纵墙竖向裂缝。这种裂缝易出现在平面长度较大的建筑物的纵墙中间部位,在整个墙体高度内呈上宽下窄的贯通状态。建筑物长高比较大,裂缝数量越多,宽度也越大。
12.纵墙水平裂缝。这种裂缝出现在墙体高度的中、下层,由树条大小不同的裂缝组成,部分裂缝贯通,呈外宽内窄状态。
13.横墙裂缝。a在与外纵墙交接处、楼面板板底部位,横墙出现枝状裂缝,裂缝呈上宽下窄贯通性状态,其长度一般不会延伸到该层楼、地面,开裂程度从顶层到底层依次减弱,造成纵墙局部脱离。b横墙门洞内侧上角出现1~2条贯通性裂缝,钢筋混凝土过梁端部与墙体脱离。c部分横墙呈内高外低、与地面成45°贯通性裂缝,裂缝宽度较小。
14.外墙八字形裂缝。房屋底层端部四角呈八字形裂缝。
15.楼面裂缝。在房屋端部1~2开间内,或坡度较大的场地上处于坡脚部位建筑物的端部楼面产生数条裂缝。裂缝与横墙平行、通长贯通、上宽下窄,开裂程度从顶层到底层依次减弱。
2、裂缝产生的根本原因
膨胀土中粘性成分主要由亲水性矿物组成,遇水湿润极易膨胀,失水则干裂收缩,有明显的膨胀性。当干燥的地基土体经浸水后,含水量增加,原来积蓄的膨胀潜势得以释放,土体体积膨胀增大。此时,大地可近似看成一个刚性体,对地基土的膨胀力起到了严格的约束作用,土体体积不能向侧向及下方扩展。当地基土的膨胀力大于基底压力时,土体积垂直向上扩展,抬高地基,使建筑物产生裂缝。当地基土体失水较多,尤其是在场地大坡度大,重力排水条件好的情况下,土体失水更快,此时土体含水量减小,土体体积收缩,地基沉降引起建筑物开裂。
3、开裂机理
土体膨胀力通过基础传到建筑物的上部结构时,大致受到以下几个方面的约束。
31.外墙及圈梁的纵向水平约束。纵墙墙体可近似看作深梁,产生弯曲应力,当建筑物两端沉降相对比中间部位大,或中间部位地基土的膨胀变形相对比两端大时,“梁”的上截面受拉,下截面受压。当建筑物中间沉降相对比两端大时,或两端地基土的膨胀变形相对比中间部位大时,“梁”的上截面受压,下截面受拉。受拉区的变形受到墙体本身及圈梁的纵向水平约束,当水平约束应力超过砌体抗拉强度时,墙体便产生裂缝。约束应力在深梁的顶部达最大值,自上而下渐次衰减裂缝呈上宽下窄形式。同理,深梁下部受拉,墙角产生八字形裂缝,基础开裂
32.楼、屋面板、横墙的侧向水平约束。当外墙两侧地基土变形不均匀(一般外侧变形大于内侧变形)时,基础连同上部墙体有向两侧转动的趋势,这个过程受到上部结构楼、屋面板、横墙的侧向水平约束。当基础与墙体向内侧翻转时,上部结构的楼、屋面板、横墙受到了外墙传来的侧向压力。一般来说,房屋的侧向刚度足以抵抗这种压力,对墙体变形完全可以取到约束作用,裂缝不会产生。而当基础与墙体向外翻转时,楼、屋面板、横墙对外墙产生拉结约束力,且楼、屋面板、横墙对外墙的约束力超过砌体的抗拉极限强度,在约束拉力最大部位即纵横墙交接处局部拉脱,外墙墙体外闪,并有外宽内窄的水平裂缝产生。
33.楼、屋面板、圈梁的竖向约束。墙体的升降对上部结构的板端及圈梁产生拉(压)应力,于此同时墙体也受到了板端及圈梁的竖向约束,特别是在同一建筑物多种基础混用,以及采用不同结构承重的情况下,地基土变形对上部结构的影响存在很大差异,墙体的受到的约束力也极不平衡,使板端与圈梁对墙体的竖向约束应力局部集中,引起楼面板支承反力重分布,在板内产生新的附加内力,在新的附加内力作用下,斜截面受剪承载力不足而造成楼、屋面板的开裂、破坏。
总之,结构在约束状态下,首先要求有变形的余地,如结构没有条件满足此要求,则必须产生约束应力,超过砌体或混凝土构件的抗拉、抗剪强度,导致结构开裂。裂缝开展的过程就是地基土变形的能量释放过程,相应的,结构的约束力随着裂缝的开展越来越小直至消失。
4、对策
41.设计方面
(1)慎重选择场地,尤其避免在坡度较大的场地建造房屋。这类场地重力排水条件好,基槽在雨季最易浸水,在旱季有最易失水,含水量变化很大,当然也最容易引起地基土的膨胀与收缩,对建筑物的上部结构产生破坏作用。
(2)建筑平面力求简单,竖向体型力求规则,结构刚度力求平衡,基础类型和上部结构承重方式力求单一。如不能满足这些要求,应适当提高结构刚度和延性,增强结构抗力,贯彻“抗”的原则。在建筑平面的转折部位,竖向体型有显著变化的部位以及基础类型及上部结构类型显著差异部位,设置沉降缝以释放地基变形能量,体现“放”的原(下转第80页)则。“抗”与“放”是建筑物变形破坏的两道防线,具体在设计上应以“放”为先,其次才考虑“抗”。
(3)认真分析工程地质勘察报告,正确鉴别地基土的性质,做好验槽工作。施工时如发现实际情况与地质勘察报告不符,应通知有关单位处理,对膨胀土地基不能简单根据室内试验所得到的抗剪强度指标C、ψ值确定地基承载力,由于土的胀缩特性,室内剪切试验不能反映土的实际抗剪强度,应根据现场载荷试验或现行《膨胀土地基设计规范》确定。
(4)正确采用地基处理方法,如土性改良,基底换土砂石垫层、深基础,尽量避免地基土的膨胀变形对上部结构的影响。
42.施工方面
(1)合理安排工期。尽量避免在多雨季开挖基槽,基槽应顺水流方向分段开挖,切不可遍地开花,大面积开挖。开挖工期应安排紧凑,不能拖延,防止雨水浸泡,使地基土含水量增加,开挖至基底标高应及时封底,防止暴晒过久,使地基土水分减少。
(2)完善场地排水设施。施工过程中管好施工用水不流入场地,做好基槽防水保湿工作。
(3)保证墙体施工质量,灰缝应饱满,横墙应留斜槎,如需留直槎,应按施工“规范”要求留置拉结筋。
(4)基槽不用原土回填,应用非膨胀土、弱膨胀土及掺有石灰或其它材料的膨胀土。
(5)重视散水的施工质量。混凝土必须按实验室配合比严格配置,正确留置伸缩缝。伸缩缝间混凝土应一次性浇注完毕,不留施工缝。保证按设计和“规范”施工。
5、裂缝的治理
51.对地基土已达到膨胀极限,上部结构已稳定的裂缝,可采用如下方法补强加固:
(1)裂缝较细、数量较少时,用水泥砂浆或水玻璃进行表面修补。裂缝较深时,可用压力灌浆法修补。
(2)裂缝较多的贯通性裂缝的墙体,外挂钢筋网片,外抹高标号水泥砂浆。
(3)墙体内外、裂缝较大时,可用钢拉杆拉结加固。
52.影响结构安全或裂缝有继续发展趋势时,可采用如下方法:
(1)对墙体应局部拆除重砌,新旧砌体牢固连接。
(2)对钢筋混凝土现浇板、屋面板,应进行结构强度加固,具体方法可根据工程特点、环境、经济条件,选择粘钢法,支撑法等。
参考文献
1、王铁梦 钢筋混凝土结构的裂缝控制 安徽建筑 2001(1)
2、膨胀土地区建筑技术规范(GBJ112-87) 北京中国建筑工业出版社 1995
461 前言
水泥土搅拌技术是20世纪70年代发展起来的一门新技术,过去主要用来处理软弱地基,而近年来被越来越多地用于基坑支护。由于重力式水泥土支护技术在国内起步较晚,处于发展中,许多设计和施工技术正在完善,其基坑支护设计原理及计算,目前还没有统一的国家标准,只是出了一些地方性、行业性规范或规程。这些规程或规范主要是针对当地的工程情况、基坑和土层等制定出来的,具有较强的地方性。原冶金工业部和建设部分别于1998年和1999年颁布了《建筑基坑工程技术规范》(Y B 9258—97)和《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—99)(以下分别简称为《规范》和《规程》)。目前国内绝大多数地方的工程技术人员,在进行重力式水泥土挡墙基坑支护设计时,主要是依据和参照《规范》和《规程》来进行设计。
进行重力式水泥土挡墙支护设计,其主要的设计内容一般为:挡墙的抗倾覆、抗滑移、墙身及地基土强度验算、抗隆起验算等。但在具体设计这些内容时,《规程》和《规范》里的计算公式,计算方法等有时相差较大,就是设计内容有时两者也有差异。这常常给基坑工程设计人员带来困难,不知以何种规程或规范为依据。尤其是在设计经验还不多的情况下更加感到棘手。其实,不论是上述的《规范》还是《规程》都不可能包罗万象,它们虽然都提供了一些设计计算方法和公式,但要能满足全国各地的基坑工程设计,也不太现实。这也许是《规范》和《规程》目前只是行业性标准,还没有成为国家标准的原因之一。其实,在支护设计中,只要根据具体的基坑工程及其土层情况,充分领会《规范》和《规程》的精神,设计起来还是很顺利的。下面就重力式水泥土挡墙支护设计内容,结合《规范》和《规程》的差异,对支护设计中的几个问题进行探讨。
462 抗倾覆设计及验算
抗倾覆设计及验算是重力式水泥土挡墙支护设计的重要内容。它直接关系到挡墙的尺寸大小,进而影响到工程的造价。在抗倾覆设计中,《规范》和《规程》都有明确规定。
原冶金工业部《建筑基坑工程技术规范》的第922条按式(41)确定:
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中: ——被动土压力绕墙前趾O点的力距和;
——主动土压力绕墙前趾O 点的力矩和;
∑Mw——墙前和墙后水压力对墙前趾O点的力矩和;
G——墙身重量;
B——墙身宽度;
U——作用于墙底面上的水浮力,
γw——水的重度;
hwa——主动侧地下水位至墙底的距离;
hwp——被动侧地下水位至墙底的距离;
lw——U的合力作用点距墙前趾0点的距离;
γt——倾覆稳定抗力分项系数。
原建设部《建筑基坑支护技术规程》的第521条规定,水泥土挡墙厚度设计值b宜根据抗倾覆稳定条件,对墙底土体为粘性土或粉土时按式(42)确定:
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中:γ0——建筑基坑侧壁重要性系数;
ha——合力∑Eai作用点至水泥土墙底的距离;
∑Eai——水泥土墙底以上基坑外侧水平荷载标准值合力之和;
hp——合力∑Epj作用点至水泥土墙底的距离;
∑E pj——水泥土墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和;
γcs——水泥土墙体平均重度;
h——基坑开挖深度;
hd——合力∑E pj作用点至基坑开挖面得距离。
式(41)适应于任何土类(包括粘性土),考虑了地下水的作用,它认为地下水的作用:是自由流动的重力水而作用在挡墙上;而式(42)只适应于粘性土或粉土,没有考虑地下水的作用。
实际上,对于粘性土,由于土体孔隙较小,地下水很难自由流动,即使有地下水作用也仅仅是孔隙水压力,而用水土合算计算土压力时,可以把孔隙水压力对挡墙的作用概括进去,因此用式(42)较为合理;而对于粉土、砂等,地下水可以较自由地流动,其作用于挡墙的水压力可认为是自由流动的重力水作用,因此用式(41)计算较合理。
为了说明式(41)对粘性土挡墙设计不太合理,下面举一工程实例。桂林市中山中路某大楼,基坑深为5 m,土层依次为①填土,γ=17 kN/m 3,c =10kPa,φ=15°厚度为25 m;②可塑粘土,γ=18 kN/m 3,c=28kPa,φ=13°,厚度在80 m以上。用重力式水泥土挡墙支护,地下水埋深为12 m,表46是仅仅考虑抗倾覆的要求而设计计算的结果。
由此可见,《规范》由于过分地考虑了挡土墙前后地下水的作用,在计算过程中得到的地下水前后对挡墙墙前趾倾覆点O的力矩∑M w =1109 kN ·m,远大于主动土压力对O点的力矩 =1109 kM ·m。其实,粘性土是弱渗透性土,地下水很难产生像自由重力水那样的作用效果,其力矩也很难大于主动力的力矩而达到1109 kN·m。但如果当基坑土体为砂土、粉土时地下水对O 点产生的力矩还是可观的,采用《规范》第(922)条比较合理。当基坑土体为粘性土时,用《规程》中第521条比较合理。
表46 按抗倾覆要求设计计算结果与实际结果对比Table 46 Calculations result according to design anti-overturning compared with actual result
最后还有一点需探讨的是:式(41)中Ulw原意应为粘土挡墙底部水压力(浮力)对墙前趾O 点的力矩,其中U 为作用于墙底面上的水浮力(kPa), ;lw 为U的合力作用点距O 点的距离(m),由此可知Ulw 仅仅代表的是墙底单位面积上水压力(浮力)对O 点的力矩,只有Ulw 再乘以墙宽B,即Ulw B 才代表每延米长度方向上的水压力(浮力)对O 点的力矩;因此建议将式(41)改为:
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
这样可能更合理。
463 抗滑移设计及验算
抗滑移设计与验算也是重力式水泥土挡墙设计的重要内容之一,《规程》和《规范》对此也作了较为详尽的规定。抗滑移设计验算可分为:挡墙整体滑移设计验算和挡墙水平滑动设计验算。
《规程》是根据水泥土挡墙嵌固深度来控制满足整体稳定性要求,其具体计算原理和过程在《规程》的附录A中有详细介绍,简洁明了,切实可行。但是,《规程》中没有对基坑抗水平滑动验算作要求。其实,在许多地区,尤其是软土地区,挡墙的水平滑动常常是水泥土挡墙支护工程的常见破坏形式。
《规范》中,既有水平滑动验算公式,又有圆弧整体滑动计算公式,内容较全面。但其整体滑动计算公式是经典的简单条分法,计算方法步骤烦琐,需经多次试算,工作量大,在工程设计中不太方便,而这一点《规程》中的附录A 可以弥补。因此对挡墙整体移动设计验算建议采用《规程》中的附录A 的方法;另外还需对挡墙进行抗水平滑移设计验算,依据《规范》中的计算分式,这样显得更合理。
464 基坑底部土体强度验算
基坑开挖前,施工完毕水泥土挡墙后,由于水泥土挡墙重度与原基坑土体的重度相差不大,挡墙底部土体所承受的压力无太大变化,原来处于稳定的土层仍将稳定。但当基坑土层开挖后,由于卸荷,基坑边缘的土体由于有临空面,挡墙底部的土体承载能力将降低,尤其是其承载力设计值将会降低,如图46,因此有必要验算其地基承载力。对此点,《规程》中没有作要求;而《规范》也仅仅是在第 923(2)条中式(9232)有要求,但其要求不全面,它只对墙底边缘最大压力的A 点处进行了验算。而没有对整个挡墙底部的土体承载力进行验算。而有时,在满足抗倾覆、抗滑移,墙身应力强度,抗隆起等条件的情况下,恰恰是由于基坑挡墙底部土体承载力不足而导致支护失败或更改设计方案。
图46 基坑开挖示意图Fig46 Diagram for excavation
例如某基坑深为6 m,基坑土体为软土,γ=17 kN/m 3,c=15kPa,φ=6°,承载力标准值为fk=90kPa,地下水埋深为30 m。用重力式水泥土挡墙支护,设计墙宽B=3 m,挡墙高(h+D)为9 m(经计算满足抗倾覆、抗滑移及墙身应力等验算)。
在基抗开挖后,墙底软土的承载力设计值f应为(参照《建筑地基基础设计规范》(GBJ 7—89)第513条)
f=fk+ηbγ(b-3) + ηdγ0(d-05)
取
ηb=0;ηd=11;fk=90kPa
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
将以上取值代入得
f=90 + 11 ×103 ×( 6-05) = 1523kPa
挡墙底部压力为:
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
f=1523kPa<P=180kPa
即挡墙底部的土体将破坏。
因此,在进行水泥土挡墙设计时,除按《规范》中的规定验算挡墙底部最大压力外,还需验算整个挡墙底部处地基土承载力,即挡墙底部处土体所受的压力p必须小于土体的承载力设计值f,而这一点,《规范》和《规程》中有关内容均没有提及。
465 土压力计算中的c、φ值选取
在水泥土挡墙支护设计中,土压力的计算是支护设计的根本依据,而土压力计算中的c、φ值又是最关键的参数。
在工程中,为了尽可能模拟工程各种复杂的排水条件,在进行c、φ值剪切试验时,通常分为三种情况,即三轴剪切试验的不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪,如用直接剪切仪,则分为快剪,固结快剪和慢剪。由于三轴剪切试验相对于直接剪切试验,更能模拟土体的实际受力状况以及更能严格控制排水条件,因此其c、φ值也相对更为可靠。对于基坑工程,一般要求采用三轴试验剪切实验。
不同试验方法和排水条件对c、φ值影响很大,例如在桂林市西门菜市主体工程场地,取同一粉质粘土试样进行不同固结排水条件下的直接剪切试验和三轴剪切试验,其对比结果如表47(c'、φ'为有效应力强度指标值)。由表47可知,同一土体采用不同的试验方法和排水条件,其值相差明显,由此计算的土压力也相差甚远。此外,土体的应力历史和应力路径也是影响土体c、φ值的重要因素。
表47 桂林市西门菜市主体工程部分粉质粘土剪切试验结果Table 47 Results of shear test of silty clay in the main project of Ximen market in Guilin city
对基坑土体c、φ值试验方法的选择,一般的原则是:当地基土的透水性和排水条件不良,土体没有固结,施工速度又较快,土中的水来不及排出时,采用不固结不排水(快剪)剪切试验,例如机械开挖粘性土基坑;而当基坑土体的透水性和排水条件较好时,且施工速度也较慢时,土体能够较充分地固结和排水,采用固结排水(慢剪)剪切试验,例如人工开挖粉砂、粉土基坑;如果介于上述两者之间,可用固结不排水(固结快剪)剪切试验结果。
根据前面的分析,桂林市区主要的基坑工程土层,所采用的剪切试验方法,建议如表48。
表48 桂林市区基坑土层c、φ值剪切试验的选用Table 48 The selection of c、φ in shear test for pit soil in Guilin city
466 结论
(1)在重力式水泥土挡墙支护设计中,其抗倾覆设计及验算对于粘性土基坑,建议采用《规程》中的有关规定;对于粉土、砂土基坑建议采用《规范》中的有关规定,同时建议将式(41)改为:
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
(2)在抗滑移设计验算时,建议采用《规程》中的附录A 进行整体抗滑移计算,另外,还必须对基坑进行水平抗滑移验算,采用《规范》中的有关规定。
(3)《规范》和《规程》都没有对水泥土挡墙底部土体进行承载力验算,这有时会直接影响基坑工程的安全,建议对挡墙底部土体进行承载力验算,使挡墙底部土体所受的压力小于其承载力设计值。
(4)重力式水泥土挡墙基坑土压力计算中的c、φ值,可以因为不同试验方法和排水条件而表现为不同的数值,从而影响土压力值,因此,抗剪强度c、φ值试验,要依据不同的基坑土体条件和施工条件,而采用不同的试验方法,不能一概而论。
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至于80级以后,因为此次首测最高只出到85级,而且玩家的最高等级只到72级,所以没有体验。
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