Análisis de estabilidad de cimientos kársticos basado en la teoría de la filtración
Análisis de estabilidad de cimientos de cuevas de suelo en la primera terraza del río Li en Guilin 0.9.1
El área kárstica de Guilin incluye la primera terraza del río Li. Muchas fallas de los cimientos se deben al gradiente hidráulico del suelo de los cimientos causado por el movimiento del agua subterránea, que excede el gradiente hidráulico crítico Jk del suelo de los cimientos, lo que resulta en flujo de suelo o tuberías, lo que en última instancia conduce a inestabilidad y daños a los cimientos.
La pendiente hidráulica crítica Jk se calcula en 1.9.1.1
Se extrae una unidad de masa de suelo del fondo del río (Figura 1.5) para su análisis.
Figura 1.5 Diagrama esquemático para el cálculo del gradiente hidráulico crítico JK del fondo del río. Figura 1.5 Diagrama esquemático para el cálculo del gradiente hidráulico crítico JK del fondo del río.
Las fuerzas que actúan sobre la unidad de suelo son:
La presión de filtración que actúa sobre el fondo de la masa de suelo q =γw j;
Severidad de la inundación del suelo γ' =(1-n)ρs-(1-n)γw =(1-n)(ρs-γw), donde ps es la densidad de las partículas del suelo, n es la porosidad del suelo y γw es la gravedad del agua; .
La resistencia al corte de los lados frontal, posterior, izquierdo y derecho de la unidad de suelo τ= k0γ' h tanφ c, k0 es el coeficiente de presión lateral estática del suelo, cy φ son la resistencia al corte del suelo, h es la distancia desde el fondo del río hasta la superficie superior de la partícula unitaria de suelo. Cuando las partículas del suelo están en equilibrio, existe:
γ' h y' 4τ -Q =0 ( 1.39)
γ' = (1-n)(ρs-yw); τ= K0γ' h tanφ c; Q = γ w j Sustituir en la fórmula (1.39), entonces.
(1-n)(ρs-γw)(h 1) 4[K0(1-n)(ρs-yw)h tanφ c]-γw Jk = 0(1.40)
En la fórmula: Jk es el gradiente hidráulico crítico del agua.
Simplifique la fórmula (1.40) y sustituya la densidad relativa del suelo para obtener
Teoría y práctica de la ingeniería geotécnica en el área kárstica de Guilin
A partir de la fórmula (1.41), se puede ver que Jk se puede dividir en las siguientes tres partes: (1-n) (Gs-1) la parte se proporciona por unidad de grano del suelo (1-n) (GS-1)h (4k 0 tanφ 1) es; la distancia desde el fondo del río hasta la superficie superior del grano unitario de suelo h está proporcionada por el suelo de cimentación, en parte por la cohesión del suelo.
Cuando el suelo de cimentación local es arena o limo, la cohesión entre los suelos se puede ignorar, c=0, entonces el gradiente hidráulico crítico Jk del suelo de cimentación es:
JK =(1-n)(Gs-1) (1-n)(Gs-1)h(4k 0 tanφ 1)(1.42)
Cuando está en el fondo del río, h=0, entonces el pendiente hidráulica crítica Jk del suelo de cimentación es:
JK =(1-n)(Gs-1)(1.43)
El resultado de la fórmula (1.43) es consistente con Terzaghi crítico La expresión para el gradiente hidráulico Jk es la misma.
1.9.1.2 Desarrollo, expansión y colapso de cuevas de suelo
La densidad relativa de las partículas de suelo en las capas de arcilla limosa aluvial y suelo limoso en la primera terraza del río Lijiang en Guilin La ciudad es generalmente 2,65 ~ 2,70, la porosidad n es 40 ~ 50. Haciendo caso omiso de la cohesión entre suelos, la pendiente hidráulica crítica Jk (h = 0) para una posible erosión en el fondo del río es 0,83 ~ 1,02. Según el estudio de esa época, el 80% de los suelos se hunden y se derrumban a ambos lados del río Lijiang. en Guilin ocurrió cuando el nivel del agua cambió significativamente en las estaciones de invierno y primavera, especialmente al final del invierno y la primavera, los grandes cambios en el nivel del agua pueden causar grandes pendientes de conservación del agua.
1.9.2 Cálculo del gradiente hidráulico crítico Jk para fallo por filtración del talud de la ribera del río Lijiang
Durante la temporada de fuertes lluvias, o cuando el nivel freático a ambos lados de la ribera es alto pero el nivel del agua del río es bajo, el agua subterránea a ambos lados de la orilla se descarga en el río Lijiang. En este momento, la dirección de filtración del agua subterránea descargada en el río se puede considerar aproximadamente horizontal. Bajo la acción de la fuerza de filtración, las partículas finas del suelo son arrastradas por el flujo de agua a través de los poros de las partículas gruesas, formando tuberías.
Se saca una unidad de suelo del talud del talud para realizar análisis mecánico (Figura 1.6).
1.9.2.1 Presión de filtración (fuerza del cuerpo) F1
La presión de filtración (fuerza del cuerpo) F1 actúa sobre el suelo de la pendiente del banco en dirección horizontal.
Figura 1.6 Diagrama de cálculo del gradiente hidráulico crítico Jk del talud de talud
Figura 1.6 Diagrama de cálculo del gradiente hidráulico crítico Jk del talud de talud
F1 =γw J Vs (1.44)
Para partículas unitarias de suelo, el volumen de partículas de suelo Vs = 1×1×1;
1.9.2.2 Resistencia de las partículas del suelo F2
F2 = (τ1 τ2 τ3 τ4)Ss(1.45)
En la fórmula: τ1, τ2, τ3, τ4 son la resistencia al corte de los lados superior, inferior, frontal y posterior de la unidad de suelo, respectivamente.
Para una partícula unitaria de suelo, el área de la partícula de suelo es S8 = 1×1.
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τ2 = N2 tanφ c =(N 1 y ')tanφ c =(σc γ')tanφ c(1 . 47)
τ3 =τ4 = K0 σc tanφ c (1.48)
Donde: γ'-peso flotante del suelo, γ' = (1-n) (ρ s-1) g , (kn/m3);
ρs——densidad de las partículas del suelo (g/cm3);
porosidad del nitrógeno del suelo;
σc—— Auto -esfuerzo de gravedad del suelo, (kN/m2);
k0——coeficiente de presión lateral estática del suelo;
c, φ-resistencia al corte del suelo;
γi y hi——son el peso y el espesor de la capa de suelo I en la pendiente del banco, respectivamente.
1.9.2.3 Las partículas del suelo están en equilibrio.
Cuando las partículas del suelo están en equilibrio, existe la siguiente relación:
JKγw Vs =(f 1 τ2 τ3 τ4)Ss(1.49)
Establezca τ1, Sustituyendo τ2, τ3, τ4 y VS = 1× 1, SS = 1× 1 en la fórmula (1.49), obtenemos.
JKγw =(σc tanφ c) [(σc y ')tanφ c] 2(K0σc tanφ c)
=2σc tanφ (1 K0) y' tanφ 4c
Simplificación:
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1.9.2.4 gradiente hidráulico crítico de falla por filtración Jk
(1) Cuándo unidad Cuando las partículas de suelo están ubicadas en la pendiente del banco, su esfuerzo de autogravedad σc = 0, y la pendiente hidráulica crítica Jk obtenida de la fórmula (1.50) es:
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(2) Cuando el talud del banco está compuesto por suelo no cohesivo como arena o limo, se puede ignorar su cohesión. Cuando c=0, la expresión de su gradiente hidráulico crítico Jk es:
JK =(1-n)(ρs-1)tanφ(1.52)
1.9.2.5 Comparación variada de gradientes hidráulicos críticos para falla de filtración bajo condiciones
(1) Para partículas de suelo ubicadas dentro del talud del banco, el gradiente hidráulico crítico Jk es la fórmula (1.50).
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(2) Para las partículas de suelo en la pendiente de la orilla, la pendiente hidráulica crítica Jk es la fórmula (1.51).
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(3) Para taludes de taludes y taludes sin suelo cohesivo, el talud hidráulico crítico Jk es la fórmula (1.52).
Jk =(1 -n)(ρs -1) tanφ
1.9.3 Análisis de la inestabilidad y colapso del suelo de cimentación de cuevas provocado por el agua superficial
Las precipitaciones por filtración, las fugas de agua superficial de embalses, canales, campos, canales de suministro y drenaje de agua y riego de tierras agrícolas, y las fluctuaciones en los niveles de inundación en ríos y lagos pueden inducir y promover el desarrollo de cuevas o colapsos del suelo kárstico.
Bajo la acción de la filtración, cuando la velocidad de filtración alcanza un cierto valor, las partículas finas del suelo se eliminarán a lo largo de los poros de las partículas del suelo y los poros entre las partículas del suelo se harán más grandes. por lo que las partículas más grandes también serán arrastradas y se desarrollarán gradualmente para formar canales de filtración en el suelo. Este fenómeno se llama tubería y, a menudo, en ingeniería se le llama corriente subterránea. En la capa de suelo de las zonas kársticas, el gradiente hidráulico de filtración aumenta, la velocidad del flujo se acelera y la presión dinámica del agua aumenta. Cuando el gradiente hidráulico alcanza un cierto valor crítico Jk, las partículas finas del suelo son arrastradas por la filtración y migran, provocando agujeros en el suelo o incluso colapso. Terzaghi (1933) derivó el gradiente hidráulico crítico Jk de la erosión del suelo basándose en el principio del peso flotante de una unidad de volumen de suelo en agua y el efecto de equilibrio del agua permeable sobre el volumen, y su expresión es la misma que (1.43).
Sin embargo, la fórmula de Terzaghi para calcular el gradiente hidráulico crítico Jk es aplicable principalmente a suelos con Cu ≤ 5, y también ignora el papel de la cohesión del suelo.
En la práctica, el gradiente hidráulico crítico Jk se suele utilizar para caracterizar las condiciones críticas para el inicio de la erosión subterránea. El gradiente hidráulico crítico se refiere al gradiente hidráulico cuando las partículas del suelo cambian de un estado estático a un estado en movimiento bajo la acción del flujo de agua subterránea. En este momento, la presión dinámica del agua subterránea es igual al peso flotante del suelo y el suelo se encuentra en un estado límite de equilibrio. Por ejemplo, el cuarto edificio de enseñanza de la Universidad Tecnológica de Guilin (anteriormente Instituto Tecnológico de Guilin) se construyó en 1956. El aula conjunta en el primer piso del lado este del Edificio No. 1992 forma un área hundida con un diámetro de 4 m. La pared comienza desde el primer piso hasta el tercer piso y el ancho de la grieta es de 2 a 15 mm. Después de la investigación, la causa de la grieta fue una fuga de agua del tanque séptico al lado del salón de clases y se penetró la base de arcilla roja. por agua. El edificio 19# del dormitorio del personal de la Universidad Tecnológica de Guilin y la biblioteca original de la escuela (ahora el décimo piso) se construyeron a principios de la década de 1980. Las grietas en las paredes aparecieron en 1995 y 2003 respectivamente. Según la investigación, el agua superficial se filtró en ambos edificios, arrastrando partículas del suelo de los cimientos, lo que provocó que los cimientos de arcilla roja se deformaran y, finalmente, provocaran grietas en el edificio. La penetración de agua superficial provoca daños y deformaciones en los cimientos de arcilla roja, un problema de ingeniería común en las zonas kársticas. La esencia de este tipo de falla de cimientos es que el gradiente hidráulico generado por la penetración de agua superficial en el suelo de cimientos excede el gradiente hidráulico crítico Jk del suelo de cimientos.
Figura 1.7 Diagrama esquemático de la fuerza de filtración en el suelo de cimentación. Figura 1.7 Diagrama esquemático de la fuerza de filtración y en el suelo de cimentación.
Cálculo de la pendiente hidráulica crítica Jk en 1.9.3.1
Para derivar la pendiente hidráulica crítica para el desarrollo de este tipo de cueva de suelo, se puede tomar una unidad de masa de suelo. desde la base para el análisis (Figura 1.7).
Las fuerzas que actúan sobre la unidad de suelo son:
La presión de penetración q = γw j que actúa sobre la superficie superior del suelo; la tensión de peso propio σ c = γ' que actúa; en la superficie superior del suelo h. Cuando se trata de una base de múltiples capas, n es el número de capas de suelo sobre la partícula unitaria de suelo; γi es la gravedad de la primera capa de suelo; se utiliza la gravedad natural γ sobre el nivel freático y la gravedad flotante γ. debajo del nivel freático'; Hola es la primera capa El espesor del suelo.
El grado de inmersión del suelo γ' = (1-n) (ρ s-γ w).
La resistencia al corte de los lados frontal, posterior, izquierdo y derecho de la unidad de suelo τ= k0γ' h tanφ c, k0 es el coeficiente de presión lateral del suelo, c y φ son la resistencia al corte de el suelo, h es la distancia desde el suelo a la partícula unitaria de suelo.
Cuando las partículas del suelo están en equilibrio, existe:
γ' σc Q -4τ =0 (1.53)
Suponiendo que el suelo de cimentación es una cimentación de una sola capa, el auto -esfuerzo de gravedad σ c = γ' h, τ= k0γh tanφ c; q =γw J;; Sustituya γ' = (1-n) (ρ s-γ w) en la fórmula (1.53) para simplificar el gradiente hidráulico crítico Jk. del agua:
Teoría y práctica de la ingeniería geotécnica en el área kárstica de Guilin
Aplicable a arena, limo, arcilla limosa, etc. , si bajo la acción de la presión de filtración, el suelo pudo haberse aflojado parcialmente antes de fallar, y bajo la acción de la penetración del agua, despreciando la cohesión entre masas de suelo, el gradiente hidráulico crítico Jk del suelo de cimentación es:
JK =(1-n)(Gs-1)h(4k 0 tanφ-1)-(1-n)(Gs-1)(1.55)
Una cosa a tener en cuenta Sí, considerando Para comprobar que el suelo de cimentación está empapado de agua, su índice de resistencia al corte debe ser una prueba de resistencia sin drenaje.
1.9.3.2 Análisis de la inestabilidad y falla de los cimientos de la cueva del suelo
La arcilla roja en el área kárstica de Guilin generalmente muestra un patrón de distribución de dura en la parte superior y blanda en la parte inferior (la Lo mismo ocurre en las zonas kársticas de Guangxi), especialmente en los cimientos. Cerca de las rocas, o en zanjas kársticas y zonas de valles, a menudo se distribuye suelo arcilloso blando y plástico, que tiene una débil resistencia a la erosión y a menudo se forman cuevas en el suelo.
Supongamos que hay una cueva de suelo en el suelo arcilloso plástico blando cerca de la superficie del lecho de roca caliza. La distancia desde la parte superior de la cueva del suelo hasta el suelo es de 10 m. La fuerza de cohesión del plástico blando rojo. la arcilla es c=30kPa. El ángulo de fricción interna φ=8; la densidad relativa de las partículas del suelo es 2,70, la porosidad n es 50 y el coeficiente de presión lateral K0 =0,7. Sustituyendo estos parámetros en la ecuación (1.54), el gradiente hidráulico crítico Jk = 5,99 se obtiene mediante el desarrollo de cuevas de tierra en cimientos kársticos. Cuando otras condiciones permanecen sin cambios, la cohesión de la arcilla roja plástica blanda cambia de c=30kPa a c=20kPa, y el gradiente hidráulico crítico para el desarrollo de cuevas de suelo en cimientos kársticos es Jk=1,99.
En el caso de cimentaciones de limo y otras, se ignora la cohesión entre suelos, c = 0; cuando las demás condiciones permanecen sin cambios, se estudia el ángulo de fricción interno mínimo requerido para la estabilidad del suelo de cimentación. La premisa para evitar el desarrollo de agujeros en el suelo es: en la fórmula (1.55), el gradiente hidráulico crítico Jk=0, es decir, el suelo de cimentación es "débil y sin agua". Mientras exista escorrentía de agua subterránea, es probable que ocurra una falla en la filtración porque su gradiente hidráulico crítico es muy bajo (Jk=0).
Sustituyendo los parámetros relevantes anteriores en la fórmula (1.55), se puede obtener el ángulo de fricción interna mínimo φ = 21,4. Si las distancias entre la superficie superior del túnel de suelo y el suelo son 5 m, 20 my 30 m respectivamente, los ángulos de fricción internos mínimos requeridos son φ= 23,2°, φ= 20,6° y φ= 20,3° respectivamente.
Se puede ver en el análisis anterior que la profundidad de enterramiento del suelo de cimentación tiene poco impacto en el desarrollo y expansión de la cueva del suelo, y depende de la resistencia al corte c y φ del suelo mismo.