第5章：巖土工程極限狀態(tài)

第5章

巖土工程極限狀態(tài)

浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院

楊學(xué)林

第5章目錄

一、極限狀態(tài)定義二、巖土工程極限狀態(tài)

1、承載能力極限狀態(tài)及案例

2、正常使用極限狀態(tài)及案例

一、極限狀態(tài)定義：

整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。

見《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50153-2008）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的可靠度：令：R—結(jié)構(gòu)抗力

S—結(jié)構(gòu)在荷載（或作用）下產(chǎn)生的效應(yīng)則：R＞S，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)R=S

結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)

R＜S，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)可靠度——在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用），結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)的概率。用Ps表示。失效概率：結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)的概率（Pf）?？煽扛怕逝c失效概率的關(guān)系：Ps=1-Pf

規(guī)范中，用可靠指標(biāo)

功能要求：

結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿足下列功能要求:1）在正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；2）在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；3）在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能；4）在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。這些功能要求，包括了對(duì)結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的要求，可概括為結(jié)構(gòu)可靠性的要求。

根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50153-2008）

極限狀態(tài)可分為下列兩類：

1、承載能力極限狀態(tài)

2、正常使用極限狀態(tài)

1、承載能力極限狀態(tài)：

這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。

當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)：

①整個(gè)結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡；②結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；③結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；④結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定；⑤結(jié)構(gòu)因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌；⑥地基喪失承載力而破壞；⑦結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞破壞。

2、正常使用極限狀態(tài)：這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件撓度、變形、裂縫地基變形、樁基沉降當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)：1）影響正常使用或外觀的變形；2）影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；3）影響正常使用的振動(dòng)；4）影響正常使用的其它特定狀態(tài)。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)≠概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)：定值法處理；概率法處理

樁基設(shè)計(jì)：由傳至基礎(chǔ)底面的荷載和單樁極限承載力確定樁數(shù)量時(shí)，在考慮安全度時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取安全系數(shù)2，雖將荷載與抗力也置于極限狀態(tài)分析，但并未進(jìn)行概率分析，而是建立在定值法基礎(chǔ)上的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)?！稑痘?4-94實(shí)際也為定值法，只是將總安全系數(shù)分解為樁的側(cè)阻、端阻抗力分項(xiàng)系數(shù)和。如：結(jié)構(gòu)規(guī)范，將荷載效應(yīng)S和抗力R作為隨機(jī)變量進(jìn)行概率分析，并用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。容許應(yīng)力法總安全系數(shù)法概率極限狀態(tài)法

二、巖土工程極限狀態(tài)

1、承載能力極限狀態(tài)

2、正常使用極限狀態(tài)

1、巖土工程承載力極限狀態(tài)及案例：A.在巖土中形成破壞機(jī)制B.由于巖土體的過大位移或變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物發(fā)生結(jié)構(gòu)性的嚴(yán)重?fù)p壞

A.在巖土中形成破壞機(jī)制

例如：

1、地基發(fā)生整體性滑動(dòng)；

2、邊坡失穩(wěn)；

3、基坑擋土結(jié)構(gòu)傾覆；

4、流砂、管涌、潛蝕、塌陷、液化等；5、隧洞頂板垮落或邊墻傾覆。B.由于巖土體的過大位移或變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物發(fā)生結(jié)構(gòu)性的嚴(yán)重?fù)p壞

例如：①由于土的濕陷、融陷、震陷或其它大量變形，造成工程的結(jié)構(gòu)性破壞；②由于巖土的過量水平位移，導(dǎo)致樁的傾斜、管道破裂、鄰近工程的結(jié)構(gòu)性破壞；③由于地下水的浮托力、靜水壓力或動(dòng)水壓力造成的工程結(jié)構(gòu)性破壞。1、地基發(fā)生整體性滑動(dòng)09.06.27·蓮花河畔景苑

根據(jù)上海市政府公布的調(diào)查結(jié)果，房屋傾倒的主要原因是緊貼7號(hào)樓北側(cè)在短期內(nèi)堆土過高，最高處達(dá)10米左右。與此同時(shí)，緊臨大樓南側(cè)的地下車庫基坑正在開挖，開挖深度達(dá)4.6米。大樓兩側(cè)的壓力差使土體產(chǎn)生水平位移，過大的水平力超過了樁基的抗側(cè)能力，導(dǎo)致房屋傾倒。地基發(fā)生整體性滑動(dòng)2、邊坡失穩(wěn)邊坡失穩(wěn)2009年3月19日下午一點(diǎn)三十分左右，西寧市商業(yè)巷市場(chǎng)改造工程一工地的一段十多米高、二十米寬的基坑邊坡發(fā)生坍塌，造成8名工人遇難

基坑邊坡失穩(wěn)基坑邊坡失穩(wěn)山體滑坡重慶.武隆山體滑坡3、基坑擋土結(jié)構(gòu)傾覆、跨塌珠?！痢粱又ёo(hù)結(jié)構(gòu)坍塌事故

支護(hù)結(jié)構(gòu)型式：無嵌固深度的逆作擋墻加鋼構(gòu)內(nèi)支撐型式，四周為攪拌樁加旋噴樁，東、西、北三面為兩排，南面為三排，攪拌樁深度18m左右，用旋噴樁加深至22.0m。該支護(hù)工程鋼筋混凝土直墻共分6層，鋼支撐分四層，分別支撐在第一、二、四、五層直墻上，標(biāo)高分別為-3m、-6.5m、-10m、-13.5m。每層鋼筋混凝土直墻共分35段，鋼支撐13道，每個(gè)角處有3道，成45度角對(duì)撐，東西面水平支撐一道。沿軸線每隔6m設(shè)一根φ400-90預(yù)應(yīng)力管樁；鋼支撐采用SS400型I60工鋼，其中一層角撐為2肢I(xiàn)60，其余3層角撐為4肢I(xiàn)60，施工時(shí)先施加200頓預(yù)應(yīng)力。每道鋼筋混凝土擋土墻從上至下逆作施工，每道施工高度不大于2.5m。在施工順序強(qiáng)調(diào)一道擋土墻施工封閉合攏后，挖去第一層土。第二道擋土墻起嚴(yán)格分段跳槽施工，分段長(zhǎng)度淤泥土不超過8m，其它土不超過12m。當(dāng)鋼支撐應(yīng)力大于140MPa時(shí)應(yīng)立即通知業(yè)主。事故經(jīng)過：1998年1月26日該工程第一道砼擋墻沿基坑周邊封閉。4月10日第四道砼擋墻已完成封閉，墻底開挖標(biāo)高－11.7m，但4月22日實(shí)測(cè)基坑內(nèi)開挖深度已達(dá)－15.0m，局部更深，東南達(dá)－15.8m，西南達(dá)－16.2m，東北達(dá)－15.9m，西北達(dá)－15.8m，坑內(nèi)局部深達(dá)－16.8m，基坑內(nèi)土方開挖深度已低于第四層鋼支撐，而此時(shí)第四層鋼支撐并未安裝，連第三層鋼支撐也只安裝了11道，尚有1號(hào)和13號(hào)未安裝，由于土方開挖過快，開挖深度過大，支撐安裝滯后，測(cè)點(diǎn)至4月28日測(cè)試，超過－130MPa的已達(dá)24個(gè)，超過－150MPa的已達(dá)20個(gè)。而第一層支撐出現(xiàn)了受壓變成了受拉桿件。4月30日，發(fā)現(xiàn)砼擋墻下沉和傾斜已明顯增加。5月2日、3日連續(xù)大、暴雨后，加速了上述險(xiǎn)情增加。5月6日上午，坑外地表已累計(jì)下沉176mm，鄰近基坑南側(cè)臨時(shí)工棚已向南傾斜200mm，下午2時(shí)許基坑南面鋼支撐突然發(fā)出連續(xù)爆裂聲、鋼支撐端部已多處開裂、脫落、失穩(wěn)，坑底土體隆起200mm，4時(shí)左右決定全線撤離，附近居民疏散。4：30分左右，基坑內(nèi)頻繁發(fā)生爆裂聲響，基坑?xùn)|南角首先發(fā)生坍塌（該處缺打6根φ400預(yù)應(yīng)力管樁），支護(hù)墻體呈后仰（“踢腳”）滑入坑內(nèi)。接著西南角（該處缺打2根φ400預(yù)應(yīng)力管樁），也呈后仰滑入坑內(nèi)，坑外3棟房屋整體性滑入坑內(nèi)（滑距達(dá)20余米），4小時(shí)后，約晚上8時(shí)許，基坑北側(cè)相繼向坑內(nèi)滑塌，整個(gè)基坑全部倒塌。由于人員撤離及時(shí)，基坑未坍塌，未造成人員死亡事故。破壞模式：“踢腳”＋“隆起”引起東南角土體首先塌陷、牽動(dòng)西南角滑移，引起支撐體系失衡，導(dǎo)致整個(gè)基坑跨塌。杭州蕭山湘湖段地鐵基坑坍塌2008年11月15日15時(shí)20分，杭州蕭山湘湖段地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生塌陷事故。風(fēng)情大道坍塌形成了一個(gè)長(zhǎng)75米、深15.5米的深坑，附近的河流決堤，河水倒灌，一度水深達(dá)6米多。正在路面行駛的11輛車陷入深坑，數(shù)十名地鐵施工人員被埋，遇難人數(shù)達(dá)到21名，距事故現(xiàn)場(chǎng)僅一墻之隔的蕭山區(qū)城西小學(xué)，校園東邊的圍墻已全部垮塌，地下管線破壞。

4、流砂、管涌引起塌陷上海軌道交通4號(hào)線越江隧道事故浦東南路站～南浦大橋站區(qū)間隧道工程是上海市重大工程項(xiàng)目――軌道交通四號(hào)線工程的一個(gè)重要組成部分。浦東南路站到南浦大橋站區(qū)間隧道上行線長(zhǎng)2001M，下行線長(zhǎng)1987M，其中江中段440M。區(qū)間隧道頂最大埋深為37.7M，隧道中心線水平距離為10.984M，隧道最大坡度為3.2%。盾構(gòu)從浦東向浦西推進(jìn)，在穿越黃浦江后經(jīng)防汛墻、外馬路、文廟泵站、音像制品批發(fā)交易市場(chǎng)進(jìn)入中山南路，在穿越多稼路后隧道上下行線逐漸由水平同向推進(jìn)轉(zhuǎn)為垂直同向推進(jìn)直至浦西南浦大橋站事故影響區(qū)域

事故經(jīng)過：

7月1日凌晨，聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生流沙涌水，導(dǎo)致隧道上下行線嚴(yán)重積水，進(jìn)泥沙。同時(shí)以風(fēng)井為中心的地面開始出現(xiàn)裂縫、沉降。

6：00，音像樓發(fā)生明顯變形，墻面開裂，房屋開始傾斜。

7：30，地面裂縫明顯加劇，沉降加快。文廟泵站明顯沉降、傾斜，風(fēng)井也明顯沉陷。

9：00音像樓裙房發(fā)生二次突沉，并部分坍塌，大樓繼續(xù)傾斜，墻面開裂加劇。

15：00以風(fēng)井為中心的地面沉陷加快，并逐步形成沉陷漏斗。坍塌范圍擴(kuò)展到董家渡路、中山南路、外馬路、防汛墻。

20:00，防汛墻也開始出現(xiàn)裂縫，沉降進(jìn)一步發(fā)展。

1、事故的發(fā)生點(diǎn)：位于隧道的聯(lián)絡(luò)通道處(又稱旁通道)，

2、圍護(hù)方法：聯(lián)絡(luò)通道采用冰凍法進(jìn)行施工

3、風(fēng)井采用逆作法施工，已完成。文廟泵站突沉臨江花苑門口地面塌陷在30M深度以下，地層為第七層(⑦1層、⑦2層)，該土層砂性重，透水性好，易液化。聯(lián)絡(luò)通道位于第七土層，同時(shí)該土層為上海第一承壓水層，承壓水最高水位為地面以下7.58M，最高水頭為21.7M。事故原因（1）《凍結(jié)法施工方案調(diào)整》缺陷：降低對(duì)凍土平均溫度要求：－10°C—－8°C制冷量不足：未考慮夏季施工損失；凍結(jié)管數(shù)量減少（24－22），長(zhǎng)度縮短25m-16m)（2）在凍結(jié)條件不太充分情況下進(jìn)行開挖：要求凍結(jié)時(shí)間50天，實(shí)際43天；6月24日回路溫差大于要求（3）施工單位對(duì)于險(xiǎn)情征兆沒有采取有效措施：壓力水流出、土溫上升水壓力達(dá)到承壓水壓力沒有緊急止水措施，沒向隧道公司和監(jiān)理公司匯報(bào)；（4）中煤上海分公司嚴(yán)重違章，擅自鑿洞；（5）監(jiān)理公司現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員失職：僅在6月25日、30日下井兩次：29、30日日記：“各項(xiàng)工作均正?！保?）隧道公司現(xiàn)場(chǎng)管理人員失職：24－7月1日，質(zhì)量員一次也未到工作面，28－30日記”一切正常“搶險(xiǎn)技術(shù)措施事故的最后處理：◆灌注了65m深的地下連續(xù)墻；◆開挖深度39.8m;◆開挖面積：20×236m.B.由于巖土體的過大位移或變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物發(fā)生結(jié)構(gòu)性的嚴(yán)重?fù)p壞

例如：①由于土的濕陷、融陷、震陷或其它大量變形，造成工程的結(jié)構(gòu)性破壞；②由于巖土的過量水平位移，導(dǎo)致樁的傾斜、管道破裂、鄰近工程的結(jié)構(gòu)性破壞；③由于地下水的浮托力、靜水壓力或動(dòng)水壓力造成的工程結(jié)構(gòu)性破壞。①地基變形過大造成工程的結(jié)構(gòu)性破壞地基變形過大導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)墻體開裂，超過墻體極限承載力能力②巖土的過量水平位移，導(dǎo)致樁的傾斜金華某二層地下上浮近1.0m巖石錨桿施工不當(dāng)，抗拔承載力不足而被拔出③地下水浮力造成結(jié)構(gòu)性破壞巖土工程承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)內(nèi)容舉例：樁基：豎向承載力，水平承載力，樁身及承臺(tái)結(jié)構(gòu)承載力；預(yù)制樁:吊裝、運(yùn)輸和錘擊作用下樁身承載力；鋼管樁：局部壓屈；軟弱下臥層：承載力；坡地岸邊：整體穩(wěn)定；抗浮、抗拔承載力；抗震承載力基坑支護(hù)：基坑側(cè)壁土體整體穩(wěn)定性；坑底抗隆起穩(wěn)定；擋土結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定；排樁、地下連續(xù)墻受壓、受彎、受剪承載力；錨桿或支撐的截面承載力和穩(wěn)定性；抗?jié)B透穩(wěn)定性；基坑底突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算…

2、巖土工程正常使用極限狀態(tài)及案例：

出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)：1.影響正常使用或外觀的變形，如：由于巖土變形而使工程發(fā)生超限的傾斜；2.影響正常使用或耐久性能的局部損壞，如：由于巖土變形而使工程發(fā)生表面裂隙、或裝修損壞；

3.影響工程正常使用的振動(dòng)；

4.影響正常使用的其它特定狀態(tài)，如：因地下水滲漏而影響工程的正常使用等。巖土工程正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)內(nèi)容舉例：樁基：沉降計(jì)算；水平位移；樁和承臺(tái)抗裂…

基坑支護(hù)：

支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，周邊地面變形；地下水控制…變形特征地基土類別

中、低壓縮性土

高壓縮性土

砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部?jī)A斜0.002

0.003

工業(yè)與民用建筑相鄰柱基的沉降差⑴、框架結(jié)構(gòu)⑵、砌體墻填充的邊排柱⑶、當(dāng)基礎(chǔ)的不均勻沉降時(shí)不產(chǎn)生附加應(yīng)力的結(jié)構(gòu)

0.002l0.0007l0.005l

0.003l0.001l0.005l

單層排架結(jié)構(gòu)（柱距為6m）柱基的沉降量（mm）

（120）

200

橋式吊車軌面的傾斜（按不調(diào)整軌道考慮）縱向橫向

0.0040.003

建筑物的地基變形允許值多層和高層建筑的整體傾斜Hg≤2424<Hg≤6060<Hg≤100Hg>100

0.0040.0030.00250.002

體型簡(jiǎn)單的高層建筑基礎(chǔ)的平均沉降量（mm）

200

高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的傾斜Hg≤2020<Hg≤50