固結(jié)、沉降、筑壩用土石料及填筑標(biāo)準(zhǔn)課件

1、2021-11-91Consolidation, Settlement and Stress Analysis of Earth-Rock Dam2021-11-92一、固結(jié)與沉降分析一、固結(jié)與沉降分析l(一一)固結(jié)分析固結(jié)分析l1、概念：土體在荷載作用下，孔隙水緩、概念：土體在荷載作用下，孔隙水緩慢滲出，體積逐漸壓縮，土體中有效應(yīng)慢滲出，體積逐漸壓縮，土體中有效應(yīng)力逐步增大，超靜孔隙水壓力逐步消散力逐步增大，超靜孔隙水壓力逐步消散直至完全消失，這一過程稱為固結(jié)。直至完全消失，這一過程稱為固結(jié)。l2、目的、目的:了解防滲體和粘性土壩基中的了解防滲體和粘性土壩基中的孔隙水壓力及其沉降變形隨時間的

2、變化孔隙水壓力及其沉降變形隨時間的變化情況。情況。l3、太沙基、太沙基(Terzaghi)和比奧和比奧(Biot)固結(jié)固結(jié)理論理論-飽和土體飽和土體2021-11-93太沙基與比奧固結(jié)理論采用的基本假定太沙基與比奧固結(jié)理論采用的基本假定太沙基與比奧固結(jié)理論采用的基本假定是：太沙基與比奧固結(jié)理論采用的基本假定是：l土體完全飽和；土體完全飽和；l土中滲流服從達西定律，在固結(jié)過程土中滲流服從達西定律，在固結(jié)過程中，滲流系數(shù)不變；中，滲流系數(shù)不變；l土粒和水本身的壓縮性可以忽略，土土粒和水本身的壓縮性可以忽略，土體變形主要由孔隙水排出和超靜孔隙水體變形主要由孔隙水排出和超靜孔隙水壓力（超過穩(wěn)定滲流的孔

3、隙水壓力）的壓力（超過穩(wěn)定滲流的孔隙水壓力）的消散而引起。消散而引起。 2021-11-94土的壓縮曲線土的壓縮曲線2021-11-95(二二) 沉降分析沉降分析l1、概念、概念:固結(jié)過程中孔隙水壓力消散，固結(jié)過程中孔隙水壓力消散，導(dǎo)致土體被壓縮產(chǎn)生沉降。導(dǎo)致土體被壓縮產(chǎn)生沉降。l2、目的：在于確定竣工時壩頂應(yīng)預(yù)留的、目的：在于確定竣工時壩頂應(yīng)預(yù)留的超高，以及預(yù)估各個部位的不均勻沉降超高，以及預(yù)估各個部位的不均勻沉降和不均勻沉降梯度，以初步判斷發(fā)生裂和不均勻沉降梯度，以初步判斷發(fā)生裂縫的可能性，并據(jù)以研究是否需要和如縫的可能性，并據(jù)以研究是否需要和如何采取防止裂縫的工程措施。何采取防止裂縫的工

4、程措施。2021-11-963、沉降量的計算、沉降量的計算l分層總和法分層總和法log21eeCcniiiciiCehS11)log(12021-11-974.壩體各斷面的預(yù)留沉降量超高壩體各斷面的預(yù)留沉降量超高ccSSSS參照施工期觀測，已建工程經(jīng)驗綜合分析確定2021-11-98二、應(yīng)力分析二、應(yīng)力分析l(一一)土的本構(gòu)模型土的本構(gòu)模型2021-11-99(三三) 高壩的應(yīng)力和變形特性高壩的應(yīng)力和變形特性2021-11-910豎直位移豎直位移l心墻的豎直位移一般比壩殼部分大圖心墻的豎直位移一般比壩殼部分大圖528 a， 這是因為心墻土料的壓縮性這是因為心墻土料的壓縮性比較大，同時水庫水壓力

5、主要由心墻承比較大，同時水庫水壓力主要由心墻承受。最大豎直位移發(fā)生在下部受。最大豎直位移發(fā)生在下部 H/3處處(H為壩高為壩高)。一般計算的土石壩最大豎直位。一般計算的土石壩最大豎直位移多發(fā)生在移多發(fā)生在 H/2H/3范圍內(nèi)，原型觀測范圍內(nèi)，原型觀測結(jié)果也基本上證實了這一點。結(jié)果也基本上證實了這一點。2021-11-911水平位移水平位移l水平位移的最大值發(fā)生在心墻上游面水平位移的最大值發(fā)生在心墻上游面圖圖528 b，并且沿壩高大體上呈均并且沿壩高大體上呈均勻分布。沿心墻軸線的水平位移約占豎勻分布。沿心墻軸線的水平位移約占豎直位移的直位移的7580甚至甚至100。下游。下游壩殼部位的水平位移基

6、本上不衰減，這壩殼部位的水平位移基本上不衰減，這和實際情況是不相符的。對羅貢壩也進和實際情況是不相符的。對羅貢壩也進行了三維分析，結(jié)果表明，水平位移在行了三維分析，結(jié)果表明，水平位移在下游壩殼部位已變得很小。下游壩殼部位已變得很小。2021-11-912豎向應(yīng)力豎向應(yīng)力l具有比較重要意義的是豎向應(yīng)力具有比較重要意義的是豎向應(yīng)力 z的等的等值線圖圖值線圖圖528 c。由于心墻和壩殼。由于心墻和壩殼土料變形性質(zhì)的不同，在壩體內(nèi)產(chǎn)生土料變形性質(zhì)的不同，在壩體內(nèi)產(chǎn)生“拱拱”效應(yīng)，使心墻部位顯著卸載，而效應(yīng)，使心墻部位顯著卸載，而在過渡區(qū)內(nèi)形成應(yīng)力集中。拱效應(yīng)可使在過渡區(qū)內(nèi)形成應(yīng)力集中。拱效應(yīng)可使心墻中

7、的豎向應(yīng)力較心墻中的豎向應(yīng)力較 sh ( s為填土容重；為填土容重；h為填土深度）減小很多，甚至達到為填土深度）減小很多，甚至達到60，隨心墻厚度以及心墻和壩殼土料特，隨心墻厚度以及心墻和壩殼土料特性的差異而不同，在本例中拱效應(yīng)達到性的差異而不同，在本例中拱效應(yīng)達到25。 2021-11-913水力劈裂水力劈裂l心墻的應(yīng)力狀態(tài)對于防止水力劈裂至關(guān)心墻的應(yīng)力狀態(tài)對于防止水力劈裂至關(guān)重要，但目前對水力劈裂現(xiàn)象還缺乏深重要，但目前對水力劈裂現(xiàn)象還缺乏深入的認(rèn)識。在一些土石壩的事故中，發(fā)入的認(rèn)識。在一些土石壩的事故中，發(fā)現(xiàn)壩的下游坡出現(xiàn)集中漏水，但漏水不現(xiàn)壩的下游坡出現(xiàn)集中漏水，但漏水不是在水庫滿蓄后

8、立即發(fā)生，而是延遲幾是在水庫滿蓄后立即發(fā)生，而是延遲幾小時甚至幾天后突然發(fā)生。這表明，在小時甚至幾天后突然發(fā)生。這表明，在水庫水位上升以前，防滲體內(nèi)并沒有大水庫水位上升以前，防滲體內(nèi)并沒有大的裂縫，但是在一定的條件下，水庫水的裂縫，但是在一定的條件下，水庫水壓力可使已存在的閉合裂縫張開或是產(chǎn)壓力可使已存在的閉合裂縫張開或是產(chǎn)生新的裂縫，故稱為水力劈裂。生新的裂縫，故稱為水力劈裂。2021-11-914剪應(yīng)力與塑流區(qū)范圍剪應(yīng)力與塑流區(qū)范圍l(圖圖 528 d）中剪應(yīng)力）中剪應(yīng)力 xz的分布進一步表明的分布進一步表明了心墻上游面過渡區(qū)內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。了心墻上游面過渡區(qū)內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。l根據(jù)彈塑

9、性應(yīng)力分析，材料的屈服和該點的應(yīng)根據(jù)彈塑性應(yīng)力分析，材料的屈服和該點的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，據(jù)此可以計算壩內(nèi)各點抵抗塑流力狀態(tài)有關(guān)，據(jù)此可以計算壩內(nèi)各點抵抗塑流的安全系數(shù)，如圖的安全系數(shù)，如圖528 e所示，圖中小于所示，圖中小于10的影線區(qū)表示可能發(fā)生的塑流區(qū)范圍，的影線區(qū)表示可能發(fā)生的塑流區(qū)范圍，包括：上游壩殼下部，心墻底部和下游壩腳等包括：上游壩殼下部，心墻底部和下游壩腳等部位。材料進人塑性并不等于發(fā)生剪切破壞，部位。材料進人塑性并不等于發(fā)生剪切破壞，但可顯示壩抵抗失穩(wěn)破壞的安全儲備，并可據(jù)但可顯示壩抵抗失穩(wěn)破壞的安全儲備，并可據(jù)此預(yù)測可能的破壞滑動面的位置。此預(yù)測可能的破壞滑動面的位置。 20

10、21-11-915應(yīng)力分析成果作用應(yīng)力分析成果作用l應(yīng)力分析成果有助于預(yù)防壩體產(chǎn)生裂縫。裂縫應(yīng)力分析成果有助于預(yù)防壩體產(chǎn)生裂縫。裂縫可由拉應(yīng)力或土體不能承受的過大變形而引起，可由拉應(yīng)力或土體不能承受的過大變形而引起，如果應(yīng)力分析中出現(xiàn)這種情況，則應(yīng)設(shè)法予以如果應(yīng)力分析中出現(xiàn)這種情況，則應(yīng)設(shè)法予以消除。裂縫可在壩完建后一定時期內(nèi)出現(xiàn)。因消除。裂縫可在壩完建后一定時期內(nèi)出現(xiàn)。因為土具有蠕變特性，而且愈接近極限狀態(tài)，蠕為土具有蠕變特性，而且愈接近極限狀態(tài)，蠕變現(xiàn)象愈明顯。土的固結(jié)和蠕變使應(yīng)力不斷發(fā)變現(xiàn)象愈明顯。土的固結(jié)和蠕變使應(yīng)力不斷發(fā)生重分布，導(dǎo)致在薄弱部位產(chǎn)生裂縫。為了預(yù)生重分布，導(dǎo)致在薄弱部位

11、產(chǎn)生裂縫。為了預(yù)測裂縫出現(xiàn)的可能性，需在分析中考慮土的蠕測裂縫出現(xiàn)的可能性，需在分析中考慮土的蠕變特性。但不計土的蠕變性所得出的應(yīng)力分析變特性。但不計土的蠕變性所得出的應(yīng)力分析成果，也可用以估計裂縫發(fā)生的大體范圍。成果，也可用以估計裂縫發(fā)生的大體范圍。 2021-11-916土石料選擇及填土石料選擇及填筑標(biāo)準(zhǔn)筑標(biāo)準(zhǔn)Soil and Rock for Earth-Rock Dam with The Criteria of Compaction2021-11-917一、筑壩材料選擇l壩址附近各種天然土石料和樞紐建筑物開挖壩址附近各種天然土石料和樞紐建筑物開挖料的性質(zhì)、種類、儲量、運距等因素。料的性

12、質(zhì)、種類、儲量、運距等因素。1 1筑壩土石料選擇的原則筑壩土石料選擇的原則選擇筑壩土石料應(yīng)遵循下列原則：選擇筑壩土石料應(yīng)遵循下列原則：（1 1）具有（或經(jīng)加工后具有）與其使用目的相）具有（或經(jīng)加工后具有）與其使用目的相適應(yīng)的工程特性和長期穩(wěn)定性；適應(yīng)的工程特性和長期穩(wěn)定性；（2 2）就地、就近取材，減少棄料，少占農(nóng)田，）就地、就近取材，減少棄料，少占農(nóng)田，并優(yōu)先考慮利用樞紐建筑物開挖棄料；并優(yōu)先考慮利用樞紐建筑物開挖棄料；（3 3）便于開采、運輸和壓實。）便于開采、運輸和壓實。 2021-11-9182 2壩體不同部位對土石料的要求壩體不同部位對土石料的要求土石壩材料的選用范圍越來越廣泛。風(fēng)化

13、料、軟巖、土石壩材料的選用范圍越來越廣泛。風(fēng)化料、軟巖、礫石土均用于筑壩。礫石土均用于筑壩。（1 1）防滲體對土料的要求）防滲體對土料的要求: : 防滲土料用粘性土，防滲土料用粘性土，l1) 1) 滲透系數(shù)要求：均質(zhì)壩應(yīng)不大于滲透系數(shù)要求：均質(zhì)壩應(yīng)不大于1 110-4cm/s10-4cm/s，心墻和斜墻應(yīng)不大于心墻和斜墻應(yīng)不大于1 110-5cm/s10-5cm/s；l2)2)水溶鹽含量：均質(zhì)壩、心墻壩應(yīng)不大于水溶鹽含量：均質(zhì)壩、心墻壩應(yīng)不大于3%3%；l3) 3) 有機質(zhì)含量（按質(zhì)量計）：均質(zhì)壩應(yīng)不大于有機質(zhì)含量（按質(zhì)量計）：均質(zhì)壩應(yīng)不大于5%5%，心墻和斜墻應(yīng)不大于心墻和斜墻應(yīng)不大于2%2

14、%；l4) 4) 具有較好的塑性和穩(wěn)定性；具有較好的塑性和穩(wěn)定性；l5) 5) 浸水與失水時體積變化較小。浸水與失水時體積變化較小。2021-11-919防滲體對土料的要求防滲體對土料的要求對沖積粘土、膨脹土，開挖、凍土和分散性粘土對沖積粘土、膨脹土，開挖、凍土和分散性粘土不宜作為防滲體的填筑土料。不宜作為防滲體的填筑土料。紅粘土、濕陷性黃土、礫石土可用于防滲體。紅粘土、濕陷性黃土、礫石土可用于防滲體。2021-11-920（2）壩殼土石料的要求）壩殼土石料的要求l壩殼土石料應(yīng)滿足排水性能好、抗剪強度高、壩殼土石料應(yīng)滿足排水性能好、抗剪強度高、易壓實和抗震穩(wěn)定性良好的要求。易壓實和抗震穩(wěn)定性良

15、好的要求。l 料場開采和壩區(qū)開挖的砂、礫石、卵石、石料場開采和壩區(qū)開挖的砂、礫石、卵石、石料和風(fēng)化料及礫石均可作為壩殼的填筑材料。料和風(fēng)化料及礫石均可作為壩殼的填筑材料。l 均勻中細(xì)砂只能用于中、低壩壩殼浸潤線以均勻中細(xì)砂只能用于中、低壩壩殼浸潤線以上的干燥區(qū)，高壩和地震區(qū)不宜采用這種土料。上的干燥區(qū)，高壩和地震區(qū)不宜采用這種土料。l 下游壩殼應(yīng)采用透水性能良好的土石料填筑。下游壩殼應(yīng)采用透水性能良好的土石料填筑。l對軟化系數(shù)低，不能壓碎成礫石土的風(fēng)化石料對軟化系數(shù)低，不能壓碎成礫石土的風(fēng)化石料和軟巖宜在壩殼的干燥區(qū)填筑。和軟巖宜在壩殼的干燥區(qū)填筑。2021-11-921（3）反濾層、過渡層和

16、排水體的要求 1）質(zhì)地致密、抗水性和抗風(fēng)化性能滿足工程質(zhì)地致密、抗水性和抗風(fēng)化性能滿足工程運用的技術(shù)要求；運用的技術(shù)要求； 2 2）具有符合使用要求的級配和透水性；）具有符合使用要求的級配和透水性； 3 3）反濾料和排水體料中粒徑小于）反濾料和排水體料中粒徑小于0.0075mm0.0075mm的的顆粒含量應(yīng)不超過顆粒含量應(yīng)不超過5%5%。l反濾料可利用天然或經(jīng)過篩選的砂礫石料，反濾料可利用天然或經(jīng)過篩選的砂礫石料，也可采用塊石、礫石軋制，或采用天然和軋也可采用塊石、礫石軋制，或采用天然和軋制的混合料。制的混合料。IIIVIIIV級低壩經(jīng)論證可采用土級低壩經(jīng)論證可采用土工布作為反濾料。工布作為反

17、濾料。2021-11-922二、土料填筑標(biāo)準(zhǔn)的確定l土料的填筑標(biāo)準(zhǔn)：較高密實度、均勻性、強土料的填筑標(biāo)準(zhǔn)：較高密實度、均勻性、強度和較小的壓縮性，在滿足滲流條件和壩坡度和較小的壓縮性，在滿足滲流條件和壩坡穩(wěn)定要求下，取得經(jīng)濟合理的壩體剖面。穩(wěn)定要求下，取得經(jīng)濟合理的壩體剖面。 確定填筑標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)考慮下列因素：確定填筑標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)考慮下列因素： 壩高、壩型、壩的級別和壩的不同部位；壩高、壩型、壩的級別和壩的不同部位；壩體填料特性：土石料的壓實特性、參數(shù)壩體填料特性：土石料的壓實特性、參數(shù) 壩基土的強度和壓縮性；壩基土的強度和壓縮性； 當(dāng)?shù)貧夂?、設(shè)計地震烈度和其他影響；當(dāng)?shù)貧夂颉⒃O(shè)計地震烈度和其他影

18、響； 采用的壓實機具、施工難易程度；采用的壓實機具、施工難易程度； 不同填筑標(biāo)準(zhǔn)對造價的影響。不同填筑標(biāo)準(zhǔn)對造價的影響。2021-11-9231粘性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)l我國我國碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（SL2742001SL2742001）對粘性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)）對粘性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)作出如下規(guī)定作出如下規(guī)定 1) 1)粘性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)以粘性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)以壓實度壓實度和和最優(yōu)含最優(yōu)含水量水量作為控制指標(biāo)作為控制指標(biāo): :設(shè)計干容重應(yīng)以擊設(shè)計干容重應(yīng)以擊實最大干容重乘以壓實度確定實最大干容重乘以壓實度確定: d = : d = PmaxPmax2021-11-924壓實度壓實度l2)2)對于對于I I、IIII級壩和高壩的壓實度級壩和高壩的壓實度P P應(yīng)取應(yīng)取98%98%100%