工程事故分析與工程安全ch05

1、 第 5 章地基變形裂損機理教學提示：地基壓縮變形、沉降不均、剪切破壞、失效失穩(wěn)都會引起結(jié)構(gòu)裂縫和工程事故。壓縮變形、沉降不均引起的結(jié)構(gòu)裂縫為常見事故，剪切破壞和失效失穩(wěn)引起的事故是危險事故。應(yīng)該善于處理常見事故、更應(yīng)該拒絕危險事故。因此必須時刻加強事故防范。 教學要求：要求學生以巖土力學的基礎(chǔ)知識為工具，首先對工程地質(zhì)情況和地基土的特性加強了解，加深認識。然后對地基變形引起的結(jié)構(gòu)裂縫特征進行分析、最 后從理論上掌握地基變形引起的結(jié)構(gòu)裂損機理，并活學活用到實際工作中去。 地基壓縮變形、沉降不均、剪切破壞、失效失穩(wěn)等現(xiàn)象引起的結(jié)構(gòu)裂損和工程事故，危險性都是很大，而且出現(xiàn)頻率也是很高的，應(yīng)該引起特

2、別關(guān)注。 5.1地基的特性5.1.1工程地質(zhì)變化與地基土體構(gòu)造“要成為一名有成就的土木工程師，首先必須是一名有修養(yǎng)的地質(zhì)師?！边@是著名的美國土木工程師 R.F.Legget 的名言。這也是 20 世紀初，即巖土力學泰斗 Terzag hi 教授時代早就達成的共識。20 世紀 50 年代以來，由于形勢變化，人們對于這一信念似乎有了一些動搖。工程地質(zhì)學課程已被排擠于土木建筑學科各專業(yè)大學本科必修課程之外。因而工程師們對工程地質(zhì)的關(guān)注也就少了。其實，任何土木建筑物是離不開地基的。而構(gòu)成地基的工程地質(zhì)卻又是變化萬千的。往往咫尺之間，地質(zhì)條件迥然有異。工程師們對它不研究、不熟稔、不關(guān)注，遇到情況就不免茫

3、然，易犯錯誤。因此建議未來的工程師們，即使自己限于時間與精力，不能進一步加強對工程地質(zhì)學的研究，最低限度也應(yīng)該養(yǎng)成重視工程地質(zhì)報告的習慣，具備讀懂工程地質(zhì)報告的能力，要時刻警惕工程地質(zhì)條件的變化。 地基土體是由氣相、液相、固相三相組成的復(fù)合體，構(gòu)造復(fù)雜。由礦物顆粒構(gòu)成的固態(tài)成分，孔隙中被水充填的液態(tài)成分，與其余被氣體充填的非飽和成分三者之間的比例關(guān)系隨時在變化。這一基本情況構(gòu)成了地基土特殊的、復(fù)雜的物理力學特性，與其他建筑材 料都甚不相同，必須切記這一點。 5.1.2地基的壓縮性能1. 地基土的壓縮量 根據(jù)地基土體的三相特性，土體的壓縮量包括以下幾個部分。 1) 固態(tài)礦物顆粒的壓縮量 固態(tài)顆粒

4、根據(jù)巖性的不同，其可壓縮量也是不同的，硬度大的礦物顆粒的壓縮量就 36工程事故分析與工程安全小，軟弱顆粒的壓縮量就大。但是根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，在一般工程上常用的壓力100kPa600kPa 作用范圍內(nèi)，固態(tài)顆粒被壓縮的量是極小的，可以忽略不計。 2) 孔隙內(nèi)水體的被壓縮量 據(jù)研究，水體本身在受約束的條件下，被壓縮的量也微不足道，可以忽略。 3) 氣體和水體被擠出壓縮量 對于干燥的非飽和的非黏性土，充滿孔隙的氣體和水體完全有可能在壓力作用下被擠出，構(gòu)成壓縮量的主要分量，而且壓縮完成的時間過程也比較快。但是對于飽和黏性土， 充滿孔隙的氣體和水體卻很難從土體中被擠出，需要一個漫長的時間過程。 4) 土

5、的壓縮系數(shù) a1-2為地質(zhì)報告上標志著土體壓縮性能的指標也稱為土的“壓縮系數(shù)”，單位為 MPa1，表征著土體在承受 100kPa200kPa 這個壓力段的壓力情況下，其被壓縮的程度，共分以下三級。 低壓縮性土：a1-20.1MPa1。 中壓縮性土：0.1a1-20.5MPa1。高壓縮性土：a1-20.5MPa1。 2. 地基土被壓縮的過程 地基土在壓力作用下被壓縮而固結(jié)下沉，有一個漫長的過程，可以分為以下三個階段。 1) 瞬時沉降 瞬時沉降現(xiàn)象發(fā)生在地基受荷的初期階段。在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，建筑物主體結(jié)構(gòu)施工正在進行中，荷載量還遠沒有達到設(shè)計額度的情況下，就可從沉降觀測記錄中看到可觀的沉降量，這往

6、往會讓設(shè)計與施工人員感到緊張。實際上這種瞬時沉降現(xiàn)象往往是基礎(chǔ)底板與地基土的接觸面不夠密貼，自行進行調(diào)整的行為。在進行荷載試驗時，也經(jīng)常能遇到這種瞬時沉降量過大的情況。這類瞬時沉降量完全可以不計入總沉降量中去。 2) 固結(jié)沉降 飽和土體在荷載作用下產(chǎn)生壓縮的過程包括以下幾點。 (1)(2)(3)土體孔隙中自由水逐漸滲流排出。土體孔隙體積逐漸減小。 孔隙水壓力逐漸轉(zhuǎn)移由土骨架來承受，成為有效應(yīng)力。上述三個方面為飽和土體的固結(jié)作用：排水、壓縮和壓力轉(zhuǎn)移三者同時進行的一個過程。 地基在壓力作用下，其孔隙內(nèi)的氣體和水體被擠出，孔隙壓縮的過程是其正常的固結(jié)過程。對于滲水性良好的砂類土來說，這個過程完成很

7、快。根據(jù)工程實踐，砂石類地基的沉降觀測在主體結(jié)構(gòu)封頂以后很短時間即最多 2 個3 個月之內(nèi)就會穩(wěn)定。也就是說固結(jié)過程終止，不會延續(xù)到工程裝修階段。而飽和黏性土，尤其是淤泥質(zhì)土的壓縮固結(jié)卻需要一個漫長的時間過程，往往在主體結(jié)構(gòu)封頂階段，觀測不到明顯的下沉量。而在主體結(jié)構(gòu)封頂以后，正進入裝修階段時，沉降量卻明顯的加大，往往導(dǎo)致裝修質(zhì)量受損，讓施工人員尷尬。個別工程，沉降現(xiàn)象甚至會延續(xù)幾年甚至幾十年，長期使工程遭受損害。 3) 次固結(jié)沉降 次固結(jié)沉降是土體完成正常固結(jié)沉降以后，由于固態(tài)礦物顆粒之間在壓力作用下發(fā)生36 第 5 章地基變形裂損機理37蠕變現(xiàn)象的結(jié)果。次固結(jié)沉降現(xiàn)象一般只出現(xiàn)在淤泥質(zhì)軟土

8、地基中，其值也不會太大，不會帶來嚴重后果。 由于沉降具有時間過程，因此在工程施工的全過程必須進行沉降觀測跟蹤，對黏性土地基上的工程，在使用后也必須進行長期的沉降觀測。 在進行沉降觀測和整理沉降觀測記錄時，必須密切關(guān)注沉降的發(fā)展過程，不能只關(guān)注總沉降量。 5.1.3地基的抗壓強度與抗剪能力1. 抗壓強度 在規(guī)范與設(shè)計中，人們習慣于把地基的承載能力或抗壓強度說成地耐力。用地耐力指標來控制設(shè)計，并在設(shè)計地耐力與極限地耐力之間保持著2.0 以上的安全系數(shù)。實際上，真正的極限地耐力擁有很高的潛在力量，安全系數(shù)遠比2.0 要大得多。就以地耐力很低的上海軟黏土和天津軟黏土來說，現(xiàn)場荷載試驗證實，單位承壓板下

9、的壓力強度達到350kPa 以上時，地基也并未曾出現(xiàn)過破壞跡象。只是其沉降(壓縮固結(jié))量早已超出了允許范圍。因此 認為地基的抗壓強度實際上并不是起決定性作用的控制指標。 2. 抗剪能力 根據(jù)大量的土樣剪切試驗，發(fā)現(xiàn)砂類土體的抗剪強度與剪切面上的正應(yīng)力(壓應(yīng)力)強度 有關(guān)，也與土的內(nèi)摩擦角j 有關(guān)： g f = s tanj + c(5-1)式中：剪應(yīng)力g f 、壓應(yīng)力 與內(nèi)聚力 c 的單位均為 kPa，內(nèi)摩擦角j 的單位為度()。從公式得知，土的抗剪切強度比抗壓強度要小許多。這就是地基破壞基本上都是剪切破壞的原因。 5.1.4地基的穩(wěn)定條件1. 自然災(zāi)害的形成 工程地質(zhì)學告訴人們，地殼上存在很

10、多特殊構(gòu)造和薄弱環(huán)節(jié)，成為不穩(wěn)定因素，容易引起地震、地動、山崩、滑坡、泥石流、地陷落等種種險情。帶給地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的將是性的大。雖然可以歸咎于，但有些情況完全可以防范與規(guī)避而在工程實踐中不加防范與規(guī)避，則造成的后果應(yīng)視為人為過失。 2. 內(nèi)在約束力的喪失及地基土液化與流變失效 導(dǎo)致地基失穩(wěn)的另一內(nèi)在原因是土體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間失去了相互約束的自約束能力。根據(jù)朗肯理論，土體的側(cè)壓力或稱主動土壓力 pa 。 j對于砂類土： p = g z tan (45 -)2o(5-2)a2jj對于黏性土： p = g z tan 0 (45 -) - 2c tan(45 -)2oo(5-3)a22式中： g

11、 土體的有效自重； Z土體所在深度； 37 38工程事故分析與工程安全土的內(nèi)摩擦角； C土的內(nèi)聚力。 當飽和土體被振動波擾動后，土中超靜孔隙水壓力大增，使土體分子受到了極大的額外上浮力，因而失去其部分自重壓力，甚至成為完全失重的懸浮體，此時g 接近于零。由公式得知，此時土體內(nèi)部分子之間互相擠緊，互相約束的主動土壓力會全部或部分喪失， 導(dǎo)致地基失穩(wěn)、樁基失穩(wěn)事故；地基液化失效事故，地基流變失效事故，這些都是最嚴重， 最可怕的破壞事故。 5.2地 基 破 壞地基破壞除了地基失穩(wěn)破壞、地基液化失效破壞、地基流變失效破壞等最可怕的破壞模式外，常見的還有地基沉降失控破壞與地基沖剪下陷破壞等幾種比較危險的

12、破壞模式。5.2.1沉降失控破壞從理論上說，緩慢形成的均勻沉降現(xiàn)象，對建筑物的安全與使用并不構(gòu)成威脅。據(jù)報道，上海國際大廈和上海展覽館的地基總沉降量早已接近或超過 2000mm，但至今仍在安全服役。可是沉降速率失控，總沉降量過大，就不可能是均勻沉降，必然形成破壞事故。因此，現(xiàn)行規(guī)范(GB 500072002)對一些整體性或穩(wěn)定性差的建筑物的允許總沉降量，還是作了嚴格控制，比如對排架柱的允許總沉降量控制在200mm 以下，對高層構(gòu)筑物的允許總沉降量控制在200mm400mm，因此在事故分析與事故防范工作中，對這類條文的規(guī)定 應(yīng)該有個正確的理解。過大的沉降量對建筑物的使用總是不利的，以嚴格控制沉降

13、量為宜。 5.2.2地基土體沖剪下陷破壞因為軟弱的深部地基持力層遭到剪切破壞，引起的總沉降量雖然不一定很大，但由于沖剪破壞必然是猝然出現(xiàn)的瞬間下陷破壞，其破壞力很強，因此危險性更大。比如 20 世紀初意大利有一教堂因為木樁基礎(chǔ)刺穿了淺薄的持力層而引起沖剪破壞。在美國波士頓等城市由于城市地下水位下降，使得多座建筑物的木樁樁頭腐爛，導(dǎo)致的建筑物陡然下降，這 也屬于沖剪下陷破壞。雖然下陷的總量并不大，但破壞力極大。 5.3上部建筑與地基基礎(chǔ)共同工作除了地基整體失穩(wěn)，地基液化失效，地基流變失效等特大的地基災(zāi)害外，對于一般軟弱地基，都是可以通過調(diào)整上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)和地基的剛度差別，爭取上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)互

14、相協(xié)調(diào)，來控制地基的沉降變形，減少結(jié)構(gòu)裂縫。 5.3.1剛度差別除了基巖外，對于一般地基，其剛度是有限的，尤其是軟弱地基，則剛度最弱?？墒?8 第 5 章地基變形裂損機理39對于基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的整體來說，不論是磚基礎(chǔ)混合結(jié)構(gòu)，還是筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，框筒結(jié)構(gòu)，其整體空間剛度是巨大的，屬于絕對剛體。這樣一來，基礎(chǔ)加上部結(jié)構(gòu)的整體與地基之間，就存在了極大的剛度差別，會給結(jié)構(gòu)的力學平衡、變形協(xié)調(diào)帶來很多復(fù)雜問題。 5.3.2變形協(xié)調(diào)在荷載作用下，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的整體與地基之間爭取變形協(xié)調(diào)是一種客觀趨勢。而彼此之間，如果有比較接近的剛度，其變形協(xié)調(diào)條件就較好，建筑物出現(xiàn)裂

15、縫、傾斜、甚至坍塌的可能性就不大。相反，如果彼此的剛度相差懸殊，事故率就會很高。比如在軟弱地基上，如果上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度特大，就會導(dǎo)致建筑物整體傾斜甚至坍塌，而裂縫現(xiàn)象倒不會嚴重。如果上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)與地基之間的剛度基本上相適應(yīng)，則上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)相互協(xié)調(diào)的結(jié)果，會發(fā)揮其極大的空間剛度優(yōu)勢，形成強大的抵抗力，使結(jié)構(gòu)不易受損。如果上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)與地基之間的剛度都偏低，則其經(jīng)過彼此變形協(xié)調(diào)以后，會形成各種不同的變形和沉降曲線，在結(jié)構(gòu)上的相關(guān)部位產(chǎn)生與之相呼應(yīng)的沉降裂縫。如果是地基的剛度只是稍偏低，而上部結(jié)構(gòu)剛度只是稍偏大，則彼此協(xié)調(diào)以后，只會在基礎(chǔ)上產(chǎn)生裂縫和變形，卻不會向上層結(jié)構(gòu)發(fā)展?？傊?，上

16、部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)與地基之間的剛度平衡、變形協(xié)調(diào)問題是一個極其復(fù)雜的問題，在工程設(shè)計、施工與事故分析工作中都必須進行深入研 究，準確把握。 5.3.3整體傾斜與沖剪下陷事故的控制在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的整體剛度接近無限大而地基相對軟弱的情況下，基底與地基接觸界面必然保持平面狀態(tài)，地基的壓縮變形量也必然是均勻的。這樣，基礎(chǔ)底面下基于馬鞍型壓力強度分布規(guī)律，必然在底板周邊出現(xiàn)壓力集中現(xiàn)象。 如果地基只是剛度偏低但土質(zhì)均勻，則在周邊壓力強度集中的條件下，可能出現(xiàn)的是地基整體沖剪破壞，如圖 5.1 所示，假如地基除了剛度不夠，還同時存在土質(zhì)不勻的問題， 則某一面或某一角點應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴重，那么必然在那里率先形成塑

17、性體，出現(xiàn)局部剪切 基礎(chǔ)破壞問題，導(dǎo)致建筑物整體傾斜，如圖 5.2 所示。 擠出破壞沖剪破壞下陷壓應(yīng)力集中 塑性鉸圖 5.1 基底邊沿的壓力集中現(xiàn)象與地基沖剪破壞事故圖 5.2 局部剪切擠出破壞與整體傾斜事故若要避免出現(xiàn)沖剪破壞事故，只能是放大基底面積，減小附加壓力 Pd 值，或者是改變基底的平面形態(tài)，擴散基底壓力，避免基礎(chǔ)邊沿的壓應(yīng)力集中，以免引起沖剪破壞。 若要避免由剪切擠出破壞引起整體傾斜事故，可以沿基礎(chǔ)周邊打一圈約束樁，或利用39 40工程事故分析與工程安全現(xiàn)成的基坑護坡樁，對地基土進行約束，以提高其抗剪能力，這樣就可以避免擠出破壞和整體傾斜事故的出現(xiàn)。 5.3.4變形趨勢與沉降曲線的

18、研討由于工程地質(zhì)條件的不同，土層構(gòu)造的變化，土質(zhì)特性的差異，地基的不均勻沉降現(xiàn)象是不可避免的。尤其對于軟弱地基來說，情況就更嚴重。在上部基礎(chǔ)的壓力作用下，軟弱地基會出現(xiàn)各種不同的沉降變形曲線。下面就幾種比較規(guī)律的也是最常見的沉降曲線和裂縫現(xiàn) 象進行研討，希望能從中找出規(guī)律，從而在設(shè)計與施工中采取相應(yīng)措施，抑制結(jié)構(gòu)裂縫。5.4下凹沉降曲線上的結(jié)構(gòu)裂縫5.4.1下凹沉降曲線也稱鍋底狀沉降曲線當軟土地基的軟土層厚度是中間段偏厚，兩端部位偏薄時，中間部分的壓縮沉降量就偏大，端部沉降量偏小，使沉降曲線形成向下凹的鍋底狀曲線?；A(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)在爭取與地基變形曲線相協(xié)調(diào)的情況下，也形成了下凹式的彈性地基上深梁

19、的工作狀態(tài)。深梁的內(nèi)力與變形完全可以用彈塑性理論求解，裂縫走向則與應(yīng)力圖形走向正交，因此成為相對內(nèi)傾式的八字型向斜裂縫，且是成組出現(xiàn)、均勻分布的裂縫。最先出現(xiàn)在基礎(chǔ)或底層的勒腳上，窗臺下，從中部向兩端逐漸發(fā)展，從底層向上層逐步發(fā)展，但決不致發(fā)展到中性軸以上，更不致發(fā)展到頂層(如圖 5.3 所示)。 向斜裂縫鍋底狀沉降曲線軟弱層圖 5.3 鍋底狀下凹沉降曲線上的向斜裂縫5.4.2相向傾斜的墻面裂縫走向相向傾斜的墻面裂縫的走向可以用簡單的材料力學方法來進行定性分析予以證明。在40 第 5 章地基變形裂損機理41深梁(縱墻墻體)受到下凹式彎曲變形的條件下，底層墻體內(nèi)產(chǎn)生一個水平方向、從兩端向中部相擠

20、壓的內(nèi)應(yīng)力，水平擠壓力與墻身內(nèi)垂直方向的荷重壓力與自重壓力相組合，就合成為傾斜方向的主拉應(yīng)力。裂縫方向與主拉應(yīng)力正交，就是相向內(nèi)傾的八字形裂縫形成的原因與機理(如圖 5.4 所示)。 4141313132122地基變形曲線圖 5.4相對內(nèi)傾式墻面裂縫機理注：1. 水平擠壓力；2. 垂直壓應(yīng)力；3. 主拉應(yīng)力；4. 墻面裂縫。 5.5上凸沉降曲線上的背斜裂縫5.5.1上凸沉降曲線也稱兩端下垂的扁擔形沉降曲線當軟土層的中間段厚度較薄，兩端段厚度較大時，地基壓縮量和沉降曲線是中間小， 兩端大，形成上凸曲線。在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)與地基沉降曲線保持協(xié)調(diào)的過程中，縱向墻體內(nèi)從頂層往下逐漸產(chǎn)生了水平張拉應(yīng)力。墻

21、頂中部先出現(xiàn)垂直裂縫，反向背斜的倒八字型裂縫則逐漸從上往下，或從下往上發(fā)展，發(fā)展順序要隨上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和墻體的抗拉能力而定(如圖 5.5 所示)。 背斜裂縫上凸沉降曲線 軟土層圖 5.5 上凸沉降曲線墻體上背斜裂縫41 42工程事故分析與工程安全5.5.2背斜裂縫的走向與向斜裂縫形成的機理相似，背斜裂縫向兩端傾斜的走向是由一個產(chǎn)生在墻體內(nèi)的水平張拉(推)力和墻體上的垂直壓力與自重壓力組合以后形成向外傾斜的主拉應(yīng)力，裂縫方 向與主拉應(yīng)力正交，所以裂縫一律傾向兩端呈背離式傾斜，如圖 5.6 所示。 114131322圖 5.6 相對外傾式裂縫機理注：1. 水平張(推)力；2. 垂直壓(重)力；3. 合成主應(yīng)力；4. 裂縫。 5.6一面坡或兩面坡沉降裂縫如果建筑物的地基是一端軟弱，另一端逐漸變得剛強，則軟弱端會逐漸產(chǎn)生較大的沉降量，沉降曲