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岩质、土质地基上的小型圬工建筑物的承载力和稳定计算

归档日期:07-14       文本归类:工事防化设施      文章编辑:爱尚语录

  岩质、土质地基上的小型圬工建筑物的承载力和稳定计算_建筑/土木_工程科技_专业资料。小型圬工建筑物既可坐落在岩基上也可以坐落在土基上,对于不同的地基条件,稳定计算内容是不尽相同的。本文试从常见水利工程设计规范的规定和岩、土两种地基破坏机理入手进行对比,对两者设计计算的差别进行比较,总结岩、土地基上的圬工建筑物设计计算的一般原理和常规方法。

  岩质、土质地基上的小型水利圬工建筑物的稳定计算 关键词:圬工建筑物;地基;稳定计算 摘要:小型圬工建筑物既可坐落在岩基上也可以坐落在土基上,对于不同的 地基条件, 稳定计算内容是不尽相同的。本文试从常见水利工程设计规范的规定 和岩、土两种地基破坏机理入手进行对比,对两者设计计算的差别进行比较,总 结岩、土地基上的圬工建筑物设计计算的一般原理和常规方法。 1、引言 小型圬工建筑物在水利工程中运用极为广泛, 数千年前我国就开始在水利工 程中运用圬工建筑物,近代以来,圬工建筑物的运用更是极为普遍。小型圬工建 筑物的地基可选择岩基也可选择土基,地基的可靠性直接影响着建筑物的安全, 岩土两种地基对建筑物的运行状态和结构安全是截然不同的, 岩土地基的选择应 谨慎。 为规范圬工建筑物的设计,水利设计规范对坐落在两种不同地基上的圬工 建筑物设计作了细致的规定。但由于各规范的出发点不同,各规范对岩、土地基 上的圬工建筑物设计计算的内容不尽相同。 本文试从常见水利工程设计规范的规 定和岩、土两种地基破坏机理入手进行对比,对两者设计计算的差别进行比较, 总结岩、土地基上的圬工建筑物设计计算的一般原理和常规方法。 2、各种规范对圬工建筑物设计计算的规定与对比 对岩基上的圬工建筑物设计计算在很多规范中均有规定,笔者摘录如下: (1) 、 《水闸设计规范》 (SL265—2001) : 对于岩基,有: 7.3.3 岩基上的闸室稳定计算应满足下列要求: 1、在各种计算情况下,闸室最大基底应力不大于地基允许承载力; 2、在非地震情况下,闸室基底不出现拉应力;在地震情况下,闸室基底拉 应力不大于 100KPa; 3、 沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于本规范 7.3.14 条规定的允许值。 7.4.3 岩基上的岸墙、翼墙稳定计算应满足下列要求: 1、在各种计算情况下,岸墙、翼墙基底应力不大于地基允许承载力; 2、翼墙抗倾覆安全系数不小于本规范 7.4.8 条规定的允许值; 3、沿岩墙、翼墙基底的抗滑稳定安全系数不小于本规范 7.3.14 条规定的允 许值。 对于土基,有: 7.3.2 土基上的闸室稳定计算应满足下列要求: 1、在各种计算情况下,闸室平均基底应力不大于地基允许承载力,最大基 底应力不大于地基允许承载力的 1.2 倍; 2、闸室基底应力的最大值与最小值之比不大于本规范 7.3.5 条规定的允许 值; 3、 沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于本规范 7.3.13 条规定的允许值。 7.4.2 土基上的岸墙、翼墙稳定计算应满足下列要求: 1、在各种计算情况下,岸墙、翼墙平均基底应力不大于地基允许承载力, 最大基底应力不大于地基允许承载力的 1.2 倍; 2、 岸墙、 翼墙基底应力的最大值与最小值之比不大于本规范 7.3.5 条规定的 允许值; 3、沿岸墙、翼墙基底面的抗滑稳定安全系数不小于本规范 7.3.13 条规定的 允许值。 (2) 、 《泵站设计规范》 (GB/T50286—2010) : 6.3.5 泵站沿基础底面的抗滑稳定安全系数的允许值应按表 6.3.5 采用(表 6.3.5 从略,岩、土基采用不同的安全系数) 。 6.3.9 各种荷载组合情况下的泵房基础底面应力应不大于泵房地基承载力。 土基上泵房基础底面应力不均匀系数的计算值不应大于本规范附录 A 表 A.0.3 规 定的允许值。 岩基上基础底面应力不均匀系数可不控制,但在非地震情况下基础 底面边缘的最小应力应不小于零, 在地震情况下基础底面边缘的最小应力应不小 于-100Kpa。 6.4.5 只有竖向对称荷载作用时, 泵房基础底面平均应力不应大于地基持力 层允许承载力; 在竖向偏心荷载作用下,除应满足基础底面平均应力不应大于地 基持力层允许承载力外,还应满足基础底面边缘最大应力不大于 1.2 倍地基持力 层承载力的要求;在地震情况下,泵房地基持力层允许承载力可适当抬高。 (3) 、 《水电站厂房设计规范》 (SL266—2001) : 3.3.4 厂房整体抗滑和深层抗滑稳定安全系数应不小于表 3.3.4 规定的数值 (表 3.3.4 从略,岩基、非岩基采用不同的安全系数) 。 3.3.7 要求: 1 岩基上厂房地基面上的法向应力用材料力学方法计算时, 应符合下列 厂房地基面上所承受的最向应力不应超过地基允许承载力。在地震 情况下地基允许承载力可适当提高。 2 1) 厂房地基面上所承受的最小法向应力(计入扬压力)应满足下列条件: 对于河床式厂房除地震情况外应都大于零,在地震情况下允许不出现 0.1MPa 的拉应力; 2) 对坝后式及岸边式厂房,正常运行情况应大于零,机组检修、机组未 安装及非常运行情况允许出现不大于 0.1~0.2Mpa 的局部拉应力, 地震情况如出 现大于 0.2MPa 拉应力,应进行专门论证。 3.3.9 非岩基上厂房地基面平均基底应力应不大于地基承载力; 基底最大应 力应不大于 1.2 倍地基允许承载力。 3.3.10 非岩基上厂房地基面法向应力不均匀系数的允许值可按表 3.3.10 采 用(表 3.3.4 从略) 。 (4) 、 《堤防设计规范》 (GB50286—98) : 2.2.5 防洪墙抗滑稳定安全系数,不应小于表 2.2.5 的规定(表 2.2.5 从略, 岩基、土基采用不同的安全系数) 。 2.2.6 8.2.9 防洪墙抗倾稳定安全系数,不应小于表 2.2.6 的规定(表 2.2.6 从略) 。 防洪墙在各种荷载组合的情况下, 基底最大压应力应小于地基的允许 承载力。土基上防洪墙基底的压应力最大值与最小值之比的允许值,粘土宜取 1.5~2.5;砂土宜取 2.0~3.0。 8.2.10 岩基上的防洪墙基底不应出现拉应力。土基上的防洪墙除计算堤身 与沿基底面的抗滑稳定性外,还应核算堤身与堤基整体的抗滑稳定性。 (5) 、 《水工挡土墙设计规范》 (SL379-2007) : 6.3.1 土质地基和软质岩石地基上的挡土墙基底应力计算应满足下列要求: 1 在各种计算情况下,挡土墙平均基底应力不大于地基允许承载力,最大 基底应力不大于地基允许承载力的 1.2 倍; 2 挡土墙基底应力的最大值与最小值之比不大于表 6.3.1 规定的允许值 (表 6.3.1 从略) ; 6.3.2 硬质岩石地基上的挡土墙基底应力计算应满足下列要求: 1 2 在各种计算情况下,挡土墙最大基底应力不大于地基允许承载力; 除施工期和地震情况外,挡土墙基底不应出现拉应力;在施工期和地震 情况下,挡土墙基底拉应力不应大于 100kPa。 6.3.4 挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数不应小于本规范表 3.2.7 规定的 允许值(表 3.2.7 从略,岩质地基和土质地基采用不同的安全系数) 。 6.4.1 挡土墙的抗倾覆稳定安全系数,应按公式(6.4.1)计算(公式 6.4.1 从 略) 。 抗倾覆稳定安全系数的计算值不应小于本规范 3.2.12 条和 3.2.13 条规定的 允许值。 6.4.3 土质地基上的挡土墙,在满足本规范 6.3.1 条 2 款规定的要求时,可 不进行抗倾覆稳定计算。 上述五种规范对岩、 土地基上的圬工建筑物设计计算的主要内容有:承载力 验算、拉应力验算、抗滑稳定验算、抗倾覆稳定验算、最大最小应力比验算。其 中岩基上的圬工建筑物计算内容各规范比较一致,均要求验算承载力、拉应力、 抗滑稳定验算,由于厂房和泵站结构的特殊性, 《泵站设计规范》 (GB/T50286— 97)和《水电站厂房设计规范》 (SL266—2001)对抗倾覆验算未作要求,而其 它规范均对抗倾覆验算作了严格的要求。 土基上的圬工建筑物计算内容主要有验 算承载力、应力最大值与最小值之比、抗滑稳定验算,其中除《堤防工程设计规 范》 (GB50286—98)外,其它规范对最大基底应力均允许放宽至地基允许承载 力的 1.2 倍,在满足最大最小应力比的要求后均不要求抗倾稳定计算。 3、小型圬工建筑物地基承载力和稳定破坏机理 岩、土地基上的小型圬工建筑物破坏机理是不相同的。岩基的承载力较大, 基底应力超过基岩极限强度的可能性并不大, 一般小型圬工建筑物的破坏常表现 为沿接触面或结构面滑动破坏和绕前趾突然性的倾覆破坏。土基的承载力较小, 偏心较大时, 受压较大一侧的地基土容易屈服, 土体在一定范围内出现塑性变形; 塑性开展区出现后, 土基并不会马上破坏,而是随着塑性开展区的发展承载力进 一步提高;当塑性发展区达到一定规模时,由于地基出现大范围的塑性变形,使 圬工建筑物出现倾斜、开裂,从而不能使用直至最后倾倒破坏;同时,土基上的 圬工建筑物还存在沿接触面或地基土体的滑移破坏。 圬工建筑物与岩石地基的接触面通常不能承担拉应力,一旦受拉,极易拉裂 形成水力通道, 产生渗流安全等诸多问题,因此岩石地基上的圬工建筑物应严格 控制拉应力的出现; 土基土体受压过大会产生塑性开展区,塑性开展区控制在一 定范围内不会产生严重的后果, 因此圬工建筑物除基底平均应力满足地基允许承 载力(相应塑性开展区深度达到 B/4~B/3)的要求外,还允许基底局部的最大 应力可放宽至地基允许承载力的 1.2 倍,但趾、踵压应力差别过大容易造成不均 匀沉降致使建筑物倾斜, 因此对于土基上的圬工建筑物应严格限制应力最大值和 最小值之比。 岩基的抗滑设计指标(摩擦系数、凝聚力)是通过剪切实验算到的,粘性土 地基的抗滑设计指标是通过室内试验得到的地基土内摩擦角和粘聚力换算的, 非 粘性土是通过倾倒试验等方法得到的内摩擦角换算的,岩、土地基抗滑设计指标 的实质含义和安全度并不完全相同,按照计算参数、计算方法和安全系数允许值 协调一致的原则, 土基上稳定安全系数允许值应远大于岩基上稳定安全系数允许 值, 两者也不能简单地通过比较安全系数来对比两种地基上建筑物的抗滑稳定安 全状况。 对于岩基上的圬工建筑物, 基底偏心往往很大,在某些特定工况下绕前趾突 然倾覆破坏的风险较高, 应核算绕前趾的抗倾覆稳定;土基上的圬工建筑物在严 格控制了应力最大值与最小值之比后,基底偏心不大,不会形成绕前趾的突然性 倾覆破坏,无需再核算抗倾覆稳定。 对于岩基上的小型圬工建筑物,应重点验算承载力、拉应力、抗滑稳定和抗 倾覆稳定;对于土基上的小型圬工建筑物,应重点验算承载力、最大最小应力比 和抗滑稳定;两者的抗滑稳定允许安全系数也完全不同。 4、结语 小型圬工建筑物既可坐落在岩基上也可以坐落在土基上, 对于不同的地基条 件,承载力和稳定计算内容是不尽相同的。对于岩基上的小型圬工建筑物,应验 算承载力、拉应力、抗滑稳定和抗倾覆稳定;对于土基上的小型圬工建筑物,应 验算承载力、 最大最小应力比和抗滑稳定。 即使是相同的计算内容, 计算的方法、 参数和允许安全系数也是完全不相同的,设计中应仔细区分以防误用。

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