地基基础工程(工程事故分析).ppt

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1,第六章 地基基础工程 第一节 建筑工程对地基的要求 国内外建筑工程事故调查表明多数工程事故源于地基问题,特别是在软弱地基或不良地基地区,地基问题更为突出。建筑场地地基不能满足建筑物对地基的要求,造成地基与基础工程事故。各类建筑工程对地基的要求可归纳为下述三个方面的要求 1.地基承载力或稳定性方面 □在建构筑物的各类荷载组合作用下包括静荷载和动荷载,作用在地基上的设计荷载应小于地基承载力设计值,以保证地基不会产生破坏。 □各类土坡应满足整体稳定要求,不会产生滑动破坏。,2,□若地基承载力或稳定性不能满足要求,地基将产生局部剪切破坏或冲切剪切破坏、或整体剪切破坏。地基破坏将导致建构筑物的结构破坏或倒塌。 2.沉降或不均匀沉降方面 □在建构筑物各类荷载组合作用下包括静荷载和动荷载,建筑物沉降和不均匀沉降不能超过允许值。 □沉降和不均匀沉降值较大时,将导致建构筑物产生裂缝、倾斜,影响正常使用和安全。 □不均匀沉降严重的可能导致结构破坏,甚至倒塌。 □建筑地基基础设计规范GBJ 789给出的建筑物的地基变形允许值见表6-1所示。规范规定对表中未包括的其它建筑物的地基变形允许值,可根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求确定。,3,地基中渗流可能造成两类问题 □一类是因渗流引起水量流失; □另一类是在渗透力作用下产生流土、管涌。 流土和管涌可导致土体局部破坏,严重的可导致地基整体破坏。不是所有的建筑工程都会遇到这方面的问题,对渗流问题要求较严格的是蓄水构筑物和基坑工程。渗流引起的问题往往通过土质改良,减小土的渗透性,或在地基中设置止水帐幕阻截渗流来解决。 建筑工程对地基的要求可以概括为上述三个方面。每项建筑工程都会遇到地基承载力和地基沉降、不均匀沉降问题,设计人员都要回答这二个问题。 第二节 地基与基础的基本形式 一、地基基本形式 当天然地基能够满足建构筑物对地基的要求时,采用天然,4,地基。当天然地基不能满足建构筑物对地基的要求时,需要对天然地基进行地基处理形成人工地基,以满足建构筑物对地基的要求。通常建筑物地基可分为天然地基和人工地基两大类。 □天然地基中土层分布最常见的是层状地基和均质地基,也有一些地基中土层分布很不均匀。后者往往属于不良地基,需要进行地基处理形成人工地基。 □层状地基是指在持力层范围,或在压缩层范围内,天然地基是由二层或二层以上不同性质的土层组成。 □均质地基是指在上述范围内,土体性质基本相同,属于同一土层。 当然,严格的均质地基是不存在的,地基土是自然的、历史的产物,同一土层,土体的强度与刚度也是随深度变化的。按照上述分析,天然地基通常可分为层状地基和均质地基两类。,5,□人工地基随地基处理方法不同主要可形成均质地基、层状地基、复合地基和桩基础等不同形式。 □均质地基当加固区的宽度和厚度与荷载作用面积或者与其相应的地基持力层或压缩层厚度相比较都已满足一定的要求,可称为均质地基。 □层状地基若加固区厚度较小时,可称为层状地基。 □复合地基天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基称为复合地基。 复合地基加固区整体看是非均质的。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。竖向增强体习惯上称桩,有时也称为柱。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。广义讲,人工地基也包括桩基础,桩是深入地基中柱型构件,桩与连接桩顶的承台组成深基础。桩基础是一种常见的基础型式。它将上部结构的荷载,通过较弱,6,地层或水传递到深部较坚硬的,压缩性小的土层或岩层。将人工地基与天然地基统一考虑,并将桩基也包括在内,地基具有下述几种形式图5-2-1 1均质地基; 2层状地基; 3竖向增强体复合地基; 4水平向增强体复合地基; 5桩基。,,a均匀地基;(b)层状地基;(c)竖向增强体复合地基; d水平增强体复合地基;e桩基。 图5-2-1,7,二、基础基本形式 建构筑物的基础将建构筑物上部结构荷载传给地基,是建构筑物的重要组成部分。基础分类方法很多。按基础埋置深度可分为 □浅埋基础条形基础、柱基础、片筏基础、壳体基础等; □深埋基础桩基础、沉井基础、沉箱基础、地下连续墙基础等; □明置基础。 按基础变形特性可分为柔性基础和刚性基础。按基础形式可分为独立基础、联合基础、条形基础、片筏基础、箱形基础、桩基础、管柱基础、地下连续墙基础、沉井基础和沉箱基础等。 第三节 常见地基与基础工程事故分类及原因综述 一、工程事故分类 按土力学原理,常见地基与基础工程事故分类如下,,8,1.地基变形造成工程事故 地基在建筑物荷载作用下产生沉降,包括瞬时沉降、固结沉降和蠕变沉降三部分。当总沉降量或不均匀沉降超过建筑物允许沉降值时,影响建筑物正常使用造成工程事故。特别是不均匀沉降,将导致建筑物上部结构产生裂缝,整体倾斜,严重的造成结构破坏。建筑物倾斜导致荷载偏心将改变荷载分布,严重的可导致地基失稳破坏。 2.地基失稳造成工程事故 结构物作用在地基上的荷载密度超过地基承载力,地基将产生剪切破坏,包括整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲切剪切破坏三种形式图5-3-1。地基产生剪切破坏将使建筑物倒塌或破坏。,,9,,,,图5-3-1 地基破坏的三种形式 a整体剪切破坏;b局部剪切破坏;c冲切剪切破坏 整体剪切破坏图5-3-1a当上部荷载很大,超过地基极限荷载时,地基土从基础一侧到另一侧发生连续滑动面的破坏。破坏时基础四周地面隆起,房屋倾倒乃至倒塌。这种破坏多在压缩性较小的密实砂和坚硬粘土中发生。 冲切剪切破坏图5-3-1b上部荷载使得地基土连续下沉,建筑物产生过大不容许沉降的破坏。破坏时基础切入土中,无滑动面,地面不隆起,房屋没有很大倾斜更不会倒塌。这种破坏多发生在压缩性较大的松砂和软粘土中。 局部剪切破坏图5-3-1c介于前二者之间。破坏时滑动面,10,从基础一边开始,终止于地基中某点,地面略有隆起但房屋不会明显倾斜或倒塌。 3.地基渗流造成工程事故 土中渗流引起地基破坏造成工程事故主要有下述几种情况 □渗流造成潜蚀,在地基中形成土洞、溶洞、或土体结构改变,导致地基破坏; □渗流形成流土、管涌导致地基破坏; □地下水位下降引起地基中有效应力改变,导致地基沉降,严重的可造成工程事故。 4.土坡滑动造成工程事故 建在土坡上或土坡顶和土坡坡趾附近的建构筑物会因土坡滑动产生破坏。造成土坡滑动的原因很多,除坡上加载、坡脚取土等人为因素外,土中渗流改变土的性质,特别是降低土层界面强度,,,以及土体强度随蠕变降低等是重要原因。 5.地震造成工程事故 地震对建筑物的影响不仅与地震烈度有关,还与建筑场地效应、地基土动力特性有关。 唐山地震后调查发现,普遍存在同一烈度区内建筑物破坏程度有显著差异.对同一类土,因地形不同,可以出现不同的场地效应,房屋的震害因而不同。在同样的场地条件下,粘土地基和砂土地基、饱和土和非饱和土地基上房屋的震害差别也很大。 地震对建筑物的破坏还与基础型式、上部结构、体型、结构型式及刚度有关。 6.特殊土地基工程事故 这里特殊土地基主要指湿陷性黄土地基、膨胀土地基、冻土地基、以及盐渍土地基等。 特殊土的工程性质与一般土不同,特殊土地基工程事故也有其特殊性。 湿陷性黄土在天然状态上具有较高强度和较低的压缩性,但,12,受水浸湿后结构迅速破坏,强度降低,产生显著附加下沉。在湿陷性黄土地基上建造建筑物前,如果没有采取措施消除地基的湿陷性,则地基受水浸湿后往往发生事故,影响其正常使用和安全,严重时甚至导致建筑物破坏。 土中水冻结时,其体积约增加原水体积的9%。土体在冻结时,产生冻胀,在融化时,产生收缩。土体冻结后,抗压强度提高,压缩性显著减小,土体导热系数增大并具有较好的截水性能。土体融化时具有较大的流变性。冻土地基因环境条件改变,地基土体产生冻胀和融化,地基土体的冻胀和融化导致建筑物开裂、甚至破坏,影响其正常使用和安全。 盐渍土含盐量高,固相中有结晶盐,液相中有盐溶液。盐渍土地基浸水后,因盐溶解而产生地基溶陷。另外盐渍土中盐溶液将导致建筑物材料腐蚀。地基溶陷和对建筑物材料腐蚀都可能影响建筑物的正常使用和安全,严重时可导致建筑物破坏。 7.其他地基工程事故,13,除了上述原因外,地下工程地下铁道、地下商场、地下车库和人防工程等的兴建,地下采矿造成的采空区,以及地下水位的变化,均可能导致影响范围内地面下沉造成地基工程事故。另外,各种原因造成的地裂缝也将造成工程事故。 8.基础工程事故 除地基工程事故外,基础工程事故也将影响建筑物的正常使用和安全。基础工程事故可分为基础错位事故、基础构件施工质量事故、以及其它基础工程事故。 基础错位事故是指因设计、或施工放线造成基础位置与上部结构要求位置不符合。如工程桩偏位,柱基础偏位,基础标高错误等。 基础施工质量事故类型很多,基础类型不同,质量事故不同。如桩基础,发生断桩、缩颈、桩端未达设计要求、桩身混凝土强度不够等;又如扩展基础,混凝土强度未达要求,钢筋混凝土表面出现蜂窝、露筋或孔洞等。,14,其他基础事故如基础型式不合理、设计错误造成的工程事故等。 二、工程事故原因综述 造成地基与基础工程事故的原因主要来自下述方面 1.对场地工程地质情况缺乏全面、正确地了解 许多地基与基础工程事故源于对建筑场地工程地质情况缺乏全面、正确了解。没有正确了解建筑场地土层分布、各土层物理力学性质,就会错误估计地基承载力和地基变形特性,导致发生地基与基础工程事故。 造成设计人员对建筑场地工程地质和水文地质情况缺乏全面、正确了解主要有下述情况 1工程勘察工作不符合要求 没有按照规定要求进行工程勘察工作,如勘察布孔间距偏大、钻孔取土深度太浅,造成勘察取土不能全面反映建筑场地地基土,15,层实际情况。也有少数情况属于工程勘察工作质量事故造成。在取土、试样运输和土工试验过程中发生质量事故,致使提供的工程地质勘察报告不能反映实际情况。如提供的土的强度指标 和变形模量与实际情况差距很大,不能反映实际性状。 2建筑场地工程地质和水文地质情况非常复杂 某些工程地质变化很大,虽然已按规范有关规定布孔进行勘察,但还不能全面反映地基土层变化情况。如地基中存在尚未发现的暗平浜、古河道、古墓、古井等。这种情况导致地基与基础工程事故,为数也不少。 3没有按规定进行工程勘察工作 没有按规定进行工程勘察工作造成工程事故虽然很少,但也时有所闻。应严格按工程建设程序开展工程建设工作。 2.设计方案不合理或设计计算错误 设计方案不合理或设计计算错误主要有下述几个方面问题,16,1设计方案不合理 设计人员不能根据建筑物上部结构荷载、平面布置、高度、体型,场地工程地质条件,合理选用基础型式,造成地基不能满足建筑物对它的要求,导致工程事故。 2设计计算错误 反映在地基与基础工程设计计算方面的错误主要有下述三方面 □荷载计算不正确,低估实际荷载,导致地基超载造成地基承载力或变形不能满足要求。 □基础设计方面错误。基础底面积偏小造成承载力不能满足要求,或基础底平面布置不合理,造成不均匀沉降偏大。 □地基沉降计算不正确导致不均匀沉降失控。 产生设计计算方面的错误的原因多数是设计者不具备相应的设计水平,设计计算又没有经过认真复核审查,使错误不能得到纠正而造成的。也有一些设计计算方面的错误是认识水平问题造成,的。 3.施工质量造成地基与基础工程事故 在地基与基础工程事故中,因为施工质量问题造成的事故所占比例不小。施工质量方面的问题主要有下述两方面 1未按设计施工图施工 基础平面位置、基础尺寸、标高等未按设计要求进行施工。施工所用材料的规格不符合设计要求等。 2未按技术操作规程施工 施工人员在施工过程中未按操作规程施工,甚至偷工减料,造成施工质量事故。 4.环境条件改变造成地基与基础工程事故 环境条件改变会造成地基与基础工程事故,常见有下述情况 1地下工程或深基坑工程施工对邻近建筑物地基与基础的影响;,2建筑物周围地面堆载引起建筑物地基附加应力增加导致建筑物工后沉降和不均匀沉降进一步发展; 3建筑物周围地基中施工振动或挤压对建筑物地基的影响; 4地下水位变化对建筑物地基的影响。 5.其他原因造成地基与基础工程事故 上述四方面原因造成工程事故通过努力是可以避免的,也有一些地基与基础工程事故是难以避免的。如按50年一遇标准修建的防洪堤,遇到百年一遇的洪水造成的基础冲刷破坏;又如由超过设防标准的地震造成的地基与基础工程事故;前面提到的少数地质情况特别复杂而造成地基与基础工程事故也属于这一类。 地基与基础工程事故还与人们的认识水平有关,某些工程事故是由工程问题的随机性、模糊性,以及未知性造成的。随着人类认识水平的提高,可减少该类事故的发生。,19,第四节 事故预防及处理对策 一、事故预防 绝大多数地基与基础工程事故是可以预防的,精心设计、精心施工可以预防工程事故中的绝大部分。 □搞好工程勘察预防地基与基础工程事故首先要重视对建筑场地工程地质和水文地质条件的全面、正确了解。要做到这一点,关键要搞好工程勘察工作。 □其次要做到精心设计。在全面、正确了解场地工程地质条件的基础上,根据建筑物对地基的要求,进行地基基础设计。如天然地基不能满足要求,则应进行地基处理形成人工地基,并采用合理的基础型式。 □最后要做到精心施工。合理的设计需要通过精心施工来实现。要杜绝施工质量事故。 二、事故处理原则及程序,20,1. 分析事故产生的原因发生地基与基础工程事故后,要分析事故产生的原因,对工程事故现状作出评估并对其进一步发展作出预估。 2. 提出事故处理意见在现场研究和进行详细分析的基础上提出事故处理意见。 3. 组织专家组委托工程顾问公司咨询必要时可组织专家组或委托工程顾问公司提出事故处理意见。 □对地基不均匀沉降造成上部结构开裂、倾斜的,如地基沉降确已稳定,且不均匀沉降未超标准,能保证建筑物安全使用的情况,只需对上部结构进行补强加固,不需对地基进行加固处理。 □若地基沉降变形尚未稳定,则需对建筑物地基进行加固,以满足建筑物对地基沉降的要求。在地基加固的基础上,对上部结构进行修复或补强加固。已有建筑物地基加固和纠偏技术在第五章中详细介绍。,21,□若地基与基础工程事故已造成结构严重破坏,难以补强加固,或进行地基加固和结构补强费用较大,还不如拆除原有建筑物重建时,则应拆除原有建筑物,进行重建。 地基与基础工程事故处理程序如书中图63所示。 第五节 地基与基础加固方法分类 当天然地基不能满足建筑物对它的要求时,需要进行地基处理,形成人工地基以满足建筑物对它的要求。当已有建筑物地基与基础发生工程事故,需要对已有建筑物地基与基础进行加固,以保证其正常使用和安全。地基与基础加固方法很多,按加固原理可分为下述八类 1.置换 置换是用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中的部分或全部软弱土体或不良土体,形成双层地基或复合地基,以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。主要包括换土垫层法、,22,挤淤置换法、褥垫法、振冲置换法或称振冲碎石桩法、沉管碎石桩法、强夯置换法、砂桩置换法、石灰桩法,以及EPS超轻质料填土法等。 2.排水固结 排水固结是指土体在一定荷载作用下固结,孔隙比减小,强度提高,以达到提高地基承载力,减少工后沉降的目的。主要包括加载预压法、超载预压法、砂井法包括普通砂井、袋装砂并和塑料排水带法、真空预压与堆载预压联合作用,以及降低地下水位等。 3.灌入固化物 灌入固化物是向土体中灌人或拌入水泥、或石灰、或其他化学固化浆材在地基中形成增强体,以达到地基处理的目的。主要包括深层搅拌法包括浆体喷射和粉体喷射深层搅拌法、高压喷射注浆法、渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、挤密灌浆法和电动化学灌浆法等。,23,,4.振密、挤密 振密、挤密是采用振动或挤密的方法使未饱和土密实,土体孔隙比减小,以达到提高地基承载力和减少沉降的目的。主要包括表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密砂桩法、爆破挤密法、土桩、灰土桩法等。 5.加筋 加筋是在地基中设置强度高、模量大的筋材,以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。强度高、模量大的筋材,可以是钢筋混凝土也可以是土工格栅、土工织物等。主要包括加筋土法、土钉墙法、锚固法、树根桩法、低强度混凝土桩复合地基和钢筋混凝土桩复合地基法等。 6.冷热处理 冷热处理是通过冻结土体,或焙烧、加热地基土体改变土体物理力学性质以达到地基处理的目的。它主要包括冻结法和烧结法两种。,24,7.托换 托换是指对原有建筑物地基和基础进行处理和加固或改建。主要包括基础加宽法、墩式托换法、桩式托换法以及综合托换法等。 8.纠偏  纠偏是指对由于不均匀沉降造成倾斜的建筑物进行矫正的手段。主要包括加载纠偏法、掏土纠偏法、顶升纠偏法和综合纠偏法等。 各类地基处理方法的简要原理和适用范围如书中表62所示。有的地基处理方法主要用于天然地基加固,有的地基处理方法主要用于已有建构筑物地基加固,有的两种情况均适用。  对地基处理方法进行严格的统一分类是很困难的。不少地基处理方法具有多种效用,例如土桩和灰土桩法既有挤密作用又有置换作用。另外,还有一些地基处理方法的加固机理以及计算方法目前还不是十分明确。,25,尚需进一步探讨。地基处理方法不断发展,功能不断扩大,也使分类变得更加困难。因此上述分类仅供读者参考。 第六节 一般地基和基础工程缺陷和事故的主要因素及其现象 一、因地基土层分布软硬不均造成的缺陷和事故 由于地基土层分布软硬不均导致建筑物墙体开裂、地面陷裂、楼面拉裂,以至结构发生倾斜、房屋发生损伤的实例在建筑工程中是屡见不鲜的。究其原因,是建筑结构各部位产生过大的超过规范容许值不均匀沉降所致。具体地说又可分为以下几类情况 □第1类情况是地基中存在着局部高压缩性软弱土层; □第2类情况是虽然整个建筑物的地基中分布有软弱土层,但它们的厚薄相差悬殊; □第3类情况多属于山区建筑,由于山区岩石表面倾斜,岩石顶面以上覆盖的土层厚薄也随之不同;,26,□第4类情况是建筑物某一部位的基础不恰当地设置在回填土上。下面分别列举案例加以说明。 工程实例1 北京某校教室楼为三层砖混结构,二、三层为现浇钢筋混凝土大梁和预制楼板,屋盖为木屋架、瓦屋面,西侧辅助房间及楼梯间为四屋钢筋混凝土现浇楼盖。此楼设计时即发现基础落在不均匀土层上东南角下为较坚实的亚粘土,而西北占总面积2/3范围内却有高压缩性有机土及泥炭层,厚23m图5-1-3。当时的处理措施是;对可能位于泥炭层上的基础都采用钢筋混凝土条形基础,并将地基承载力由120kN/m2降至80kN/m2, 同时在二、三层楼板下设置圈梁。此楼建成使用后第二年即多处开裂,房屋微倾,不得不停止使用,12年后进行加固。 1房屋开裂和倾斜情况 东、西立面墙体裂缝如图5-1-3c、d所示。其中最宽的裂缝在西立面⑧轴线边,自墙顶起直达房屋半高,裂缝宽30mm左右;,,27,⑧轴线屋架下内纵墙的壁柱也被拉裂,错开30mm左右,这是北墙一端下沉,与内纵墙相连的拉梁将壁柱拉裂的缘故。在二、三层楼面上,⑨、⑩轴线附近有贯通房屋东西向的裂缝,宽10~20mm不等。,,图5-6-1平面及裂缝情况 a钻孔位置、三层平面及开裂情况最宽处2lmm;b泥炭土边缘、二层平面及开裂情况最宽处12mm;c东立面裂缝;d西立面裂缝;e房屋四周相对和绝对沉降cm,28,房屋东南角沉降小,西北角沉降大,相对沉降差8284mm左右图5-1-3e。 2地基土层分布图5-6-2钻孔平面布置见图5-6-2a,,图5-6-2 钻孔地质剖面 a房屋轴线西侧;b房屋轴线东侧,29,表层为填土,疏松,厚23.5m; 第二层为亚粘土,褐灰色,a1-2=O.45Mpa-1,厚1~1.5m; 第三层为有机土,灰黑色,较软弱,550℃烧灼失量5%~15%,厚O.5~1.4m; 第四层为泥炭层,黑绿色,含大量未分解植物质,烧灼失量l5~5,=l55~160,e=3.54~3.82,a1-2=3~3.6Mpa-1,属超高压缩性,此层厚不均匀,多数0.5~2.3m,西端薄中部厚,东南角无此泥炭层; 第五层为砂砾石,密实,厚0.8~1.5m; 第六层为亚粘土,黄褐色,厚8~16.8m; 3事故原因分析 1本楼位于古池塘边缘,泥炭层边线正处于房屋对角线上。如果该楼在规划设计时东移、西移或做穿越泥炭层的桩基、采用换土地基等措施,都能避免此事故。,30,所以事故主因是末处理好勘察、地基处理和建筑总平面三者关系。 2对已发现局部超压缩性软弱地基的处理方案是错误的。仅采用降低地基承载力、加大钢筋混凝土基础底面积、在二、三层设置圈梁的做法,它们对于地基实际发生的不均匀变形基本上不能起抵御作用。 3房屋上部结构布置未适应地基变形特色。有三点失误 ①房屋中部有两个空旷楼梯间,使楼面整体性在此处严重削弱; ②教室,三层基本上是一个56m宽12m的大房间中间只有两排砖垛作为横墙相连,整个房屋的空间刚度太弱; ③房北端为阶梯教室,室内填土从北向南坡下,加剧了北部的沉降。 从以上因素分析,该楼必然西北部的沉降大于东南部。,整个房屋如同既受反向弯矩又受扭矩的梁。裂缝必然集中在房屋中部薄弱部位的顶端,上屋楼面和墙体的裂缝必然多于下层。 4加固处理做法图5-6-3,,56-3 某教室楼加固处理示意,a平面; b顶层圈梁;c三层圈梁;d二层圈梁;e窗间墙和墙面做法。,32,此楼需要等待沉降基本停止后方可进行加固处理,为此等待了12年。 曾经考虑矽化法加固因有机土和泥炭土很难与化学浆液化合胶结而放弃、现浇混凝土桩托梁法因施工困难,费用太高而放弃、拆除第三层改为两层的减荷法因影响使用而放弃等处理措施。 最后决定用“增设圈梁、加固墙体”的做法 1暂拆木屋盖,在三层顶部增设一现浇内外墙交圈的钢筋混凝土圈梁540mm350mm,4Ø22,做完后再将木屋盖恢复; 2在三层楼板顶皮标高处加设一层现浇内外墙的钢筋混凝土圈梁室外160mm680mm,8Ø22;室内260mm200mm, 4Ø22,每隔lm用螺栓穿过砖墙加以连接; 3在二层楼板顶皮标高处也增设类似圈梁见图5-1-4d; 4在外墙窗间墙和4个墙角,加设上下贯通的钢筋4Ø16,并锚固在基础上,保证各层圈梁的共同工作;,33,,,5外墙内外两面加设Ø6@200的钢筋网并喷一层30mm水泥砂浆。 目前,此教室楼已安全使用多年,未发现新的开裂情况。 工程实例2 北京某库房楼,位于一荷花池东南侧、东西干道北侧。该库房为两层楼房,平面呈一字形,东西向长47.28m,南北向宽10.68m,高7.50m图5-6-4。库房正中为楼梯间,东西各两大间,每间长10.80m、宽l0.20m,中部有两个独立柱基。内外墙均为条形基础。,,图5-6-4 某库房楼平面及裂缝情况,34,1房屋开裂情况 此楼1980年动工,当年6月竣工后使用。一年后在库房西侧二楼墙上即发现有裂缝。此后,裂缝数量增多,裂缝长度延伸,裂缝宽度展扩。1984年4月曾对此库房作详细调查统计,大裂缝已有33条,有的裂缝长度超过1.80m,宽度达10~30mm,且地面多处开裂。 同年6月4日在库房一楼西大间南墙裂缝处贴纸,6月8日纸即被撕开,说明裂缝发展速度较快。同年10月,实测该裂缝长达2.80m,宽为6~8mm。1991年2月15日再度实测该处裂缝,发现已长达3.20m,缝宽为8~10mm,且墙内外贯通。说明6年多来库房的沉降仍在发展,但已有收敛的趋势。 2地基土层分布图5-6-5,35,,图5-6-5土层分布图 a原勘察报告地层剖面南侧;b重新勘察地层剖面南侧 l979年在该库房楼设计时所采用的“建筑地基勘察报告”地层剖面图见图5-6-5。该报告建议的地基持力层为②层,地基设计强,,36,度取f=100kN/m2。 为研究事故原因和加固方案,于1984年10月重新钻探,在库房南北外墙各布置4孔,孔深6~7m,都钻至坚实卵石层终孔。同时进行原位测试与土工试验。查明土层分布如下 表面为填土,疏松,厚1.652.30m; 第二层②为新近代冲积粘性土,场地南为粘土,场地北还有粉质粘土和粉土,呈可塑至软塑状态,厚1.15~2.23m; 第三层③为有机土和泥炭,黑色;有机土为饱和可塑状态,厚0.3~1.5m不等;泥炭层极疏松,稍湿,状如蜂窝煤引火用炭饼,有大量未腐烂植物质,含量高达41.3%,压缩性极大;泥炭层厚度极不均匀,东西两端很薄,l#、4#、8#三孔无,7#孔厚度超过2m;  第四层④为粉砂,灰色灰黑色,密实,东南局部有细砂薄层厚度很不均匀,1#、5# 厚度超过2m,3#孔无,7#孔仅0.2m厚。,37,3事故原因分析 1原勘察失误是事故的主因。原“勘察报告”虽有7个钻孔资料,但仅有库房对角线的41#46#孔分别深5.10m、5.35m,其余5个孔深只有2m多,远不及地基受压层深度。 更值得注意的是,其中有2个孔已穿透有机土与泥炭层但却未做记录,“报告”中也未说明,只是简单地建议地基计算强度为R=1.0kg/cm2 ,即fk=100kN/m2。这是该库房发生严重质量问题的根源。 2设计人员面对这份粗糙而不满足设计要求的“勘察报告”,并末提出补做勘察的要求。此外,GBJ789规定对于三层和三层以上房屋,其长高比L/H宜小于或等于2.5; 本例虽为二层砌体结构,但长高比L/H=47.28/7.50=6.3,此值2.5,导致房屋的整体刚度过小,对地基过大不均匀沉降的调整能力太弱。设计人又未采取加强上部结构刚度的有力结构措施,也是导致墙体开裂的重要原因。,38,,4加固处理做法 曾经考虑了4种加固方案 1三重管旋喷桩定向旋喷法在基础底面以下形成半径为0.6~0.8m的半圆桩,托住基础使它们不再继续下沉。但因为基础底面宽度为1.2m,旋喷桩只能托住基底外侧部分,将造成基础偏心受压;同时由于该库房北侧可供施工的空间狭窄,难以安置旋喷法的施工机械。 2混凝土灌注桩架梁法如若采用常规灌注桩直径,地基中的软弱土层可能造成缩颈;若采用大直径灌注桩,工程量大,造价高。 3钢管桩架梁法经估算需用直径φ200、长6m的132根钢管,不仅造价高而且在室内分段打入后的连接做法既不易又难以保证质量。 4钢筋混凝土预制桩架梁法它的投资少,接桩采用硫磺,39,,胶泥粘法,快速方便,被定为实施方案。所设计的预制桩横截面为180mm180mm,八角形,第一节长260cm,下部30cm为尖锥形,便于打入土中,第二、三节长170cm,便于运输库房室内净高3.30m,该桩分三节才能施工。预制桩布置在墙体两侧,间距23m不等。横梁采用钢筋混凝土现浇梁,位于基础墙的圈梁底侧。 按上述第4方案加固后,未在加固部位新发现裂缝,房屋使用情况良好。 工程实例3 某五层住宅工程,全长81.84m,总宽13.04m。楼板采用长向预制空心板,由三条纵墙承重图5-6-6。横墙为自承重墙。基础为三步灰土、砖砌大放脚。地基为第四纪冲积亚粘土,密实,压缩性低,地基承载力可达250kN/m2 ,设计时取180kN/m2。,40,图5-6-6某住宅平面、裂缝及地质剖面示意 a平面及补钻孔;b补充勘察土层剖面,1房屋开裂情况 该工程主体结构完工后,进行了一次检查,发现西南角门口,41,处有一斜向裂缝,最宽处达10mm,直至灰土基础上皮。裂缝上宽下窄,自下而上向西倾斜。当时在裂缝处贴石膏两块,一周后,上面一块石膏裂开1mm左右。同时,内墙门洞处也有新裂缝出现,而且一层顶部墙身外角略有外倾。这些迹象表明,地基的不均匀沉降在发展中。 2补充勘察得到的西南角土层分布 经过对房屋西南角进行钻孔补充勘察,发现产生裂缝的屋角恰好座落在压缩性较高的亚粘土回填土上。 补充勘察共计8个钻孔分布见图5-6-6a,各钻孔土层分布见图5-6-6b。 由图可见,回填土的深度以西南角最深,向东向北逐渐变浅。填土的压缩系数a1-2=0.59,e=0.78。回填土层以下为很厚,42,的黄褐色可塑性亚粘土,e=0.65,=52%,Ip=14.6,IL=0.6。过去施工时,曾经发现该处回填土的土质很差,但只是局部将基础加深80cm,以37灰土回填,且加深部分与原来的灰土基础宽度相等。补充勘察资料说明,局部加深的灰土层下还有1.5m左右的回填土层,向东约11~12m,向北约12~14m,逐渐减薄至0。  根据估算,墙角处的自由沉降量可达12.2cm,而无回填土处的自由沉降量只有6.5cm,差异5.7cm局部倾斜约0.005规范规定的允许值0.002。 从上述情况看,裂缝的产生主要是由于对回填土没有全部挖除,因而产生过大不均匀沉降的缘故。,43,,此外,上部房屋的整体刚度很差,横墙与楼板无联系,各层未设圈梁,也促使裂缝发展。 3加固处理做法图5-6-7 采用柱墩架梁托底法,即在屋角墙体两侧各设置若干穿越回填土座落在亚粘土层上的毛石混凝土柱墩直径1~1.2m,上架钢筋混凝土次主梁,将原砖墙基础挑起。计算上考虑加固后房屋能共同工作。,44,□传力途径是将纵墙荷载传给贴墙两侧的次梁,再由次梁传给横穿墙体的主梁和柱墩。为了使纵墙荷载传给次梁,每隔1m左右在墙上剔一12cm深槽,由次梁侧边挑出槽齿伸入此深槽。为了防止主梁混凝土在达到一定强度前过早受力,在柱墩与主梁间保留40cm空隙,待主梁混凝土达到设计强度的50%后,再浇筑梁垫。 □为了验证此工程地基基础加固的效果、加固前在外诺墙角处设置了23个沉降观测点。加固后第一个月测得沉降量为0.56~0.80mm,第二个月测得新沉降量为0.02~0.03mm,说明效果良好。,45,,5-6-7加固措施示意 a加固做法平面;6横剖面;b梁墙结合处做法,[应吸取的教训] 本节从3个侧面说明地基软硬不均造成的危害房屋局部座落,45,在软弱土层上、房屋完全座落在厚薄悬殊的软弱土层上、房屋座落在山区覆盖层厚薄不同的土层上、房屋局部座落在回填土上。  我们不能要求房屋都建造在良好地基上,但必须对拟建房屋的地基土层有全面了解,以便提出合理的地基处理方案,使房屋尽可能座落在良好的天然或人工地基上。 我们也不可能要求房屋不发生不均匀沉降,但必须使上部结构有足够的整体刚度,以抵御房屋必然发生的不均匀沉降而不致使墙体开裂。 本节3个实例的共同教训是 1工程勘察工作做得粗糙。 2地基选择和处理方法不当。未能使房屋座落在比较均匀的天然或人工地基上; 3上部结构整体刚度弱。这三点教训也就是平时常说的“情况,46,不明,决心不大,方法不好”。 3个实例的加固方案之所以成功,也是在这三方面认真考虑和妥当解决的结果。 二、因建筑物基础底面土压力过大超过地基承裁力造成的事故 地基承载力是建筑地基基础设计中的一个关键指标。各类地基承受基础传来荷载的能力都有一定的限度。 超过这一限度,首先发生的是建筑物具有较大的不均匀沉降,引起房屋开裂;如果超越这一限度过多,则可能因地基土发生剪切破坏而整体滑动或急剧下沉,造成房屋的倾倒或严重受损。 下面列举两个全世界闻名的实例。,工程实例1 加拿大特朗斯康谷仓、平面呈矩形,长度59.44m,宽度,48,23.47m,高度31.00m,容积36368m3。谷仓为圆筒仓,每排13个仓,5排,总计65个圆筒仓组成。谷仓的基础为整块钢筋混凝土筏板基础,基础厚度61cm,基础埋深3.66m。 1911年该谷仓开始施工,1913年秋完工。谷仓自重20000t,相当于装满谷物后总重量的42.5%。1913年9月起,往此谷仓装谷物,仔细装载,均匀分布。  10月,当谷仓装31822m3谷物时,发现谷仓下沉,一小时沉降达30.5cm。结构物向西倾斜,并在24小时内,整座谷仓倾倒,倾斜度离垂线达26053‘。谷仓西端下沉7.32m,东端上抬1.52m。10月18日,检查倾倒后谷仓上部钢筋混凝土筒仓,坚如盘石,仅有极少的表面裂缝。见图5-6-8。,49,,a,,图5-6-8加拿大谷仓 (a)谷仓因地基滑动倾倒现场;(b)谷仓倾倒事故剖面示意,50,1事故原因分析 经检查,谷仓工程未做勘察。设计根据邻近工程基槽开挖试验结果,计算地基承载力为352kPa,应用到这个谷仓。谷仓场地位于冰川湖的盆地中。地基表层为近代沉积层,厚3m;表层下面为冰川沉积粘土层,厚达12.2m。粘土层下面为冰川下冰债层,固结良好。厚为3m。 1952年在离谷仓18.3m处打了一些钻孔,从粘土原状试样测得粘土层的平均含水量随深度而增加,从40%到约60%;无侧限抗压强度qu从118.4kPa减小到70.0kPa,平均为100.0kPa;平均液限ω=105%,塑限ωp=35%,塑性指数高达IP=70。由试验可知这层粘土是高胶体、高塑性的。 按太沙基教授公式计算地基承载力人如采用粘土层无侧限抗压强度平均值 100kPa,则f为276.6kPa,小于谷仓地基破坏时的基础底面压力329.4kPa。若用qumin=70.0kPa计算,则f=193.8kPa,更远小于谷仓地基滑动时的实际基底压力。,51,,卡拉费斯计算指出加荷速率对地基事故起作用,因为荷载突然施加的地基承载力小于加荷固结逐渐进行的承载力,这对粘土尤为重要。因粘土需很长时间才能完全固结。据裴克教授资料计算,抗剪强度增长所需时间约为1年,而谷物荷载施加仅45天,几乎相当于突然加荷。 综上所述,加拿大特朗斯康谷仓破坏的主要原因为谷仓事先未做勘察,设计盲目进行,采用设计荷载远超过地基土的承载力值,导致谷仓发生地基整体滑动破坏的严重事故。 2事故处理方法 在谷仓基础下,新做70多个混凝土墩,支承在岩石地基上。用50t级千斤顶388个,逐渐将倾斜的基础顶起来。补救工程在倾斜谷仓底部水平巷道中进行。新做混凝土墩基深度达10.36m。  经过上述纠倾处理后,谷仓于1916年恢复使用,但处理的费用是昂贵的。,52,,工程实例2 近代世界上另一最严重的因地基承载力失效而导致破坏的建筑物,是美国纽约的一座大型水泥仓库。这座水泥仓库位于纽约市汉森河旁,它的上部结构为圆筒形壳,直径d=13m,高度23.33m;其基础为整块钢筋混凝土筏板基础,筏板厚度0.78m,基础埋深2.80m。 1940年当这座水泥仓库装载水泥后,发生严重下沉,随后整座水泥仓库发生倾倒。倾倒后仓库的倾角达450。地基土被挤出地面高5.18m。与此同时,离水泥筒仓净距23m以外的办公楼,受水泥仓库倾倒的影响也发生倾斜。,53,,,图5-6-9 美国水泥仓库事故 (α)水泥仓库因地基滑动倾倒现场;(b)仓库倾倒事故剖面图,a,b,54,事故原因分析如下 纽约水泥仓库的地基土分为4层图5-6-9b 表层①为粘土,黄色,厚度5.49m; 第②层为粘土,蓝色,层状,标准贯入试验锤击数N=8~11,估计承载力为84105kPa,厚度17.07m; 第③层为碎石混粘土,棕色,厚度仅1.83m; 第④层为岩石。水泥仓库筏板基础位于表层黄色粘土中部; 由于黄色粘土层不厚,基础底面以下仅约2.7m,基础宽度超过13m,地基主要持力层为第②层蓝色粘土; 水泥仓库高度达23.33m,装载水泥后的基地荷载估计在200~250kPa之间,远大于蓝色粘土的地基承载力,使仓库地基发生剪切强度破坏而整体滑动; 由于地基软弱,地基整体滑动产生巨大的滑动力,使滑动,54,体外侧土发生变形,也导致23m外的办公楼地基变形而倾斜。 美国纽约水泥仓库设计时没有认真进行地基承载力的计算,这是这次事故的
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