工程地质第五章路面沉降

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第五章 路基稳定性评价 路面塌陷和沉降是道路桥梁常见的地质灾害之一。地面塌陷、过量沉降或不均匀沉 降都会影响隧洞和建筑物的正常使用(如 房屋、道路和桥梁),严重时可毁坏耕地， 并使建筑物的某些部位开裂、倾斜甚至倒 塌。 原因： (1)建筑荷载压缩地层 (2)开采或疏排地下水 (3)地下采矿

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第一节

路面塌陷

原因：流沙、管涌与岩溶 案例分析 轨道交通4号线是上海轨道交通环线的东南半环， 全长22公里。7月1日凌晨，在越江隧道区间用于 连接上下行线的安全联络通道的施工作业面内， 因大量的水和流沙涌入，引起隧道部分结构损坏 及周边地区地面沉降，造成3栋建筑物严重倾斜， 黄浦江防汛墙局部坍塌并引起管涌。由于报警及 时，隧道和地面建筑物内所有人员全部安全撤离， 没有造成伤亡。

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事故的直接原因是：施工单位在用于冷冻法施工 的制冷设备发生故障、险情征兆出现、工程已经停 工的情况下，没有及时采取有效措施，排除险情， 现场管理人员违章指挥施工，直接导致了这起事故 的发生。同时，施工单位未按规定程序调整施工方 案，且调整后的施工方案存在欠缺。总包单位现场 管理失控，监理单位现场监理失职。 据介绍，这起事故的相关责任人已受到司法机 关追究。其中3人因涉嫌“重大事故责任罪”被正式 批准逮捕，他们是：施工单位北京中煤矿山工程有 限公司上海分公司项目副经理李柱和、上海隧道工 程股份有限公司项目经理袁强华；监理单位上海地 铁咨询监理科技有限公司总监代表

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李关强；上述单位另有3人被取保侯审，他们是：中煤 上海分公司项目经理、地铁监理公司总监、隧道公司项 目负责人。另有一些单位负责人受到撤职和行政记过处 分。主要原因是什么呐？工作面以沙体为主，一种松散的饱和沙体。

流沙引起的地面塌陷——是一种 最常见的地质灾害！!!

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南京市地面塌陷(2003年)

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北京：位于安贞桥西侧，直径两米 的塌陷

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一、基本概念 路面沉降与路面塌陷 重度、饱和重度与有效重度 水头梯度与临界水头梯度 板桩墙、防渗墙与隔水帷幕

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二、渗透应力 定义：地下水的渗流对土单位体积内的骨架产生的力称为动水力GD (kN/m3),或称为渗透力。 1.解析式 现从任意方向渗流场中取出脱离体M1M2来分析，设T为单位体 积渗流水受到的土骨架阻力，其值与动水力大小相等方向相反(作 用力与反作用力),如图2所示。 又设L——沿水流方向的单元体长度； A——单元体的横截面积； H1、H2——单元体进水面、出水面的水头； h1、h2——单元体进水面、出水

面的压力高度； z1、z2——单元体进水面、出水面的位置高度； γw——水的重度； Vv——单元体中的空隙体积，即水体体积； Vs——单元体中的颗粒骨架体积。

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图2

渗流场单元体渗透力的计算模型

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由于地下水的渗流速度很小，加速度更是可以忽略不计，计算动水力时，假 想所取的土柱体空隙内完全是水，并将土柱体中骨架对渗透水的阻力影响考虑进 去，则作用于此土柱体内水体上的力有：(1)γwh1A和γwh2A分别为作用在假想 水柱体M1和M2点横截面上的总静水压力，前者的方向与水流方向一致，而后者 相反；(2)γwVv为土柱体中水体的重力(3)γwVs为饱和土柱体中孔隙水所受反 浮力；(4)TLA为土柱体中骨架对渗流水的总阻力。根据静力学原理列出作用 于假想水柱体上的力的平衡方程如下： γwh1A+γw(Vv+Vs)cosα-TLA-γwh2A=0 (3) Z1- Z2 cosα= —— , (4) L h1= H1-Z1 (5) h2= H2-Z2 (6) AL=Vv+Vs (7) 将(4)、(5)、(6)、(7)代入(3)式并除以A得： H1- H2 T=γw——=γw i (8) L GD =T= γw i (9)

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三、渗透变形 1.流砂 定义：土颗粒在地下水渗流作用下整体运动的现象 称为流沙。 (1)产生条件: 由 GD = γwI ; GD·V=γ’ ·V 所以：Icr=γ’ /γw Icr-临界水头梯度；γ’–地基土有效重度 2.管涌 定义：土体中的细颗粒在渗流作用下,由骨架孔隙通 道流失的现象称为管涌。 (1)产生条件: 颗粒 骨架颗粒 松散颗粒 阻塞颗粒 可动颗粒 设管涌过程中被冲出土体的仅是可动颗粒,然后分析可动颗粒在骨架孔隙中的 运动和受力情况,得到了颗粒起动的临界水头梯度. K d-可动颗粒粒组(<d3~d5);K-松散体的渗透系数； icr d / 3 n n-松散体的孔隙率；

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例1.某基坑开挖在河谷巨厚的砂砾冲积层之中，地下水水位近 似为地面标高，当基坑开挖深度d=3m时即产生流沙，设砂土 地基饱和重度γsat=18KN/m3。试问：若采用板桩墙防沙措施， 则至少打多深才能有效？ 解：设板桩墙深度为x, 则有： 3/ (2 x-3)=γ’ /γw=0.8 求得x=3.3m 例2. 2.某水库大坝在河谷巨厚的砂砾冲积层之上，基础埋深 d=7.5m,基础宽度b=30m,下游水位差ΔH=85m,设砂土地 基饱和重度γsat=24KN/m3。试问 (1)下游河床是否会产生流砂？ (2)注浆孔深设计为多少时才能避免流砂出现？ I=ΔH/L=85/45=1.88 Icr=γ’/γw=(γsat-γw)/ γw=(24-10)/10=1.4 I>Icr 产生流砂 设注浆孔深为X时才能避免产生流砂 I= ΔH/L=85/(30+2X)= Icr=1.4 X=15.36

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第二节.适用条件：

地下水疏排沉降

(1)地层在半空间无限体内，只能在铅直方向产生压缩变形，而不可能产生侧向变 形，即完全侧限条件。 (2)隔水层(或无水层)自形成以来，在

现有上覆地层压力作用下，已经完成整个 压缩沉降过程。矿井排水疏干对其压缩变 形的影响甚小。 (3)本计算模型只考虑地下水水位下降过 程中的垂直渗流，由水平渗流引起的侧向 位移对垂向沉降的影响忽略不计。

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一、自重应力 定义：由研究点以上地层本身的重力引起的地应力。 为一体积力 σcz =γ z(方向向下)1.特点

cz 同一水平面上各向同性， cx cy 1 σcx、 σcy 、σcz皆为主应力

x y

y z 0 E E E x x z 0 E E E y

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2.复杂地质条件下的σcz (1)无地下水: n σcz=∑γihi (1) γi —土体中第i层无水层的重度； i=1 hi —土体中第i层无水层的厚度； (2)有地下水 a-含水层 n n γ,j—第j层含水层的有效重度； σcz=∑γihi+∑ γ,jhj (2) hj —第j层含水层的厚度； i=1 j=1 b-隔水层 n n n σcz=∑γihi+∑ (γ,jhj +γwhj)+∑ γkhk (3) i=1 j=1 k=1 γk—土体中第k层疏干含水层排水压缩后的固结重度； hk —土体中第k层疏干含水层的厚度。 γw—水体的重度； hj —第j层含水层的静水压力高度；(hj =水头-底板标高)

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自重应力图

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例题:某地层结构如图，试画 出自重应力(Z-σz)曲线。

解:σ1cz=0 (1分) σ2cz= γ1H1=21×2=42KPa σ3上cz= γ1H1+ γ’H2= 42KPa+(24-10) ×5=112 KPa σ3下cz= γ1H1+ γsatH2= 42KPa+24×5=162 KPa σ4cz= σ3下cz + γ3H3 = 162+18×10=342 KPa

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