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巖土工程簡介

   巖土工程  巖土工程:是歐美國家于20世紀60年代在土木工程實踐中建立起來的一種新的技術體制。巖土工程是以求解巖體與土體工程問題,包括地基與基礎、邊坡和地下工程等問題,作為自己的研究對象。

   巖土工程 geotechnical engineering
   地上、地下和水中的各類工程統稱土木工程。土木工程中涉及巖石、土、地下水的部分稱巖土工程。
   巖土工程專業是土木工程的分支,是運用工程地質學、土力學、巖石力學解決各類工程中關于巖石、土的工程技術問題的科學。按照工程建設階段劃分,工作內容可以分為:巖土工程勘察、巖土工程設計、巖土工程治理、巖土工程監測、巖土工程檢測。
   本學科的主要研究方向包括:①城市地下空間與地下工程:以城市地下空間為主體,研究地下空間開發利用過程中的各種環境巖土工程問題,地下空間資源的合理利用策略,以及各類地下結構的設計、計算方法和地下工程的施工技術(如淺埋暗挖、盾構法、凍結法、降水排水法、沉管法、TBM法等)及其優化措施等等。②邊坡與基坑工程:重點研究基坑開挖(包括基坑降水)對鄰近既有建筑和環境的影響,基坑支護結構的設計計算理論和方法,基坑支護結構的優化設計和可靠度分析技術,邊坡穩定分析理論以及新型支護技術的開發應用等。③地基與基礎工程:重點開展地基模型及其計算方法、參數研究,地基處理新技術、新方法和檢測技術的研究,建筑基礎(如柱下條形基礎、十字交叉基礎、筏形基礎、箱形基礎及樁基礎等)與上部結構的共同作用機理和規律研究等。
   巖土工程發展前景
   1 引 言
   展望巖土工程的發展,筆者認為需要綜合考慮巖土工程學科特點、工程建設對巖土工程發展的要求,以及相關學科發展對巖土工程的影響。
   巖土工程研究的對象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個地質歷史過程中,經受了各種復雜的地質作用,因而有著復雜的結構和地應力場環境。而不同地區的不同類型的巖體,由于經歷的地質作用過程不同,其工程性質往往具有很大的差別。巖石出露地表后,經過風化作用而形成土,它們或留存在原地,或經過風、水及冰川的剝蝕和搬運作用在異地沉積形成土層。在各地質時期各地區的風化環境、搬運和沉積的動力學條件均存在差異性,因此土體不僅工程性質復雜而且其性質的區域性和個性很強。
   巖石和土的強度特性、變形特性和滲透特性都是通過試驗測定。在室內試驗中,原狀試樣的代表性、取樣過程中不可避免的擾動以及初始應力的釋放,試驗邊界條件與地基中實際情況不同等客觀原因所帶來的誤差,使室內試驗結果與地基中巖土實際性狀發生差異。在原位試驗中,現場測點的代表性、埋設測試元件時對巖土體的擾動,以及測試方法的可靠性等所帶來的誤差也難以估計。
   巖土材料及其試驗的上述特性決定了巖土工程學科的特殊性。巖土工程是一門應用科學,在巖土工程分析時不僅需要運用綜合理論知識、室內外測成果、還需要應用工程師的經驗,才能獲得滿意的結果。在展望巖土工程發展時不能不重視巖土工程學科的特殊性以及巖土工程問題分析方法的特點。
   土木工程建設中出現的巖土工程問題促進了巖土工程學科的發展。例如在土木工程建設中最早遇到的是土體穩定問題。土力學理論上的最早貢獻是1773年庫倫建立了庫倫定律。隨后發展了Rankine(1857)理論和Fellenius(1926)圓弧滑動分析理論。為了分析軟粘土地基在荷載作用下沉降隨時間發展的過程,Terzaghi(1925)發展了一維固結理論。回顧我國近50年以來巖土工程的發展,它是緊緊圍繞我國土木工程建設中出現的巖土工程問題而發展的。在改革開放以前,巖土工程工作者較多的注意力集中在水利、鐵道和礦井工程建設中的巖土工程問題,改革開放后,隨著高層建筑、城市地下空間利用和高速公路的發展,巖土工程者的注意力較多的集中在建筑工程、市政工程和交通工程建設中的巖土工程問題。土木工程功能化、城市立體化、交通高速化,以及改善綜合居往環境成為現代土木工程建設的特點。人口的增長加速了城市發展,城市化的進程促進了大城市在數量和規模上的急劇發展。人們將不斷拓展新的生存空間,開發地下空間,向海洋拓寬,修建跨海大橋、海底隧道和人工島,改造沙漠,修建高速公路和高速鐵路等。展望巖土工程的發展,不能離開對我國現代土木工程建設發展趨勢的分析。
   一個學科的發展還受科技水平及相關學科發展的影響。二次大戰后,特別是在20世紀60年代以來,世界科技發展很快。電子技術和計算機技術的發展,計算分析能力和測試能力的提高,使巖土工程計算機分析能力和室內外測試技術得到提高和進步。科學技術進步還促使巖土工程新材料和新技術的產生。如近年來土工合成材料的迅速發展被稱為巖土工程的一次革命。現代科學發展的一個特點是學科間相互滲透,產生學科交叉并不斷出現新的學科,這種發展態勢也影響巖土工程的發展。
   巖土工程是20世紀60年代末至70年代初,將土力學及基礎工程、工程地質學、巖體力學三者逐漸結合為一體并應用于土木工程實際而形成的新學科。巖土工程的發展將圍繞現代土木工程建設中出現的巖土工程問題并將融入其他學科取得的新成果。巖土工程涉及土木工程建設中巖石與土的利用、整治或改造,其基本問題是巖體或土體的穩定、變形和滲流問題。筆者認為下述12個方面是應給予重視的研究領域,從中可展望21世紀巖土工程的發展。
   2 區域性土分布和特性的研究
   經典土力學是建立在無結構強度理想的粘性土和無粘性土基礎上的。但由于形成條件、形成年代、組成成分、應力歷史不同,土的工程性質具有明顯的區域性。周鏡在黃文熙講座中詳細分析了我國長江中下游兩岸廣泛分布的、礦物成分以云母和其它深色重礦物的風化碎片為主的片狀砂的工程特性,比較了與福建石英質砂在變形特性、動靜強度特性、抗液化性能方面的差異,指出片狀砂有某些特殊工程性質。然而人們以往對砂的工程性質的了解,主要根據對石英質砂的大量室內外試驗結果。周鏡院士指出:“眾所周知,目前我國評價飽和砂液化勢的原位測試方法,即標準貫入法和靜力觸探法,主要是依據石英質砂地層中的經驗,特別是唐山地震中的經驗。有的規程中用飽和砂的相對密度來評價它的液化勢。顯然這些準則都不宜簡單地用于長江中下游的片狀砂地層”。我國長江中下游兩岸廣泛分布的片狀砂地層具有某些特殊工程性質,與標準石英砂的差異說明土具有明顯的區域性,這一現象具有一定的普遍性。國內外巖土工程師們發現許多地區的飽和粘土的工程性質都有其不同的特性,如倫敦粘土、波士頓藍粘土、曼谷粘土、Oslo粘土、Lela粘土、上海粘土、湛江粘土等。這些粘土雖有共性,但其個性對工程建設影響更為重要。
   我國地域遼闊、巖土類別多、分布廣。以土為例,軟粘土、黃土、膨脹土、鹽漬土、紅粘土、有機質土等都有較大范圍的分布。如我國軟粘土廣泛分布在天津、連云港、上海、杭州、寧波、溫州、福州、湛江、廣州、深圳、南京、武漢、昆明等地。人們已經發現上海粘土、湛江粘土和昆明粘土的工程性質存在較大差異。以往人們對巖土材料的共性、或者對某類土的共性比較重視,而對其個性深入系統的研究較少。對各類各地區域性土的工程性質,開展深入系統研究是巖土工程發展的方向。探明各地區域性土的分布也有許多工作要做。巖土工程師們應該明確只有掌握了所在地區土的工程特性才能更好地為經濟建設服務。
   3 本構模型研究
   在經典土力學中沉降計算將土體視為彈性體,采用布西奈斯克公式求解附加應力,而穩定分析則將土體視為剛塑性體,采用極限平衡法分析。采用比較符合實際土體的應力-應變-強度(有時還包括時間)關系的本構模型可以將變形計算和穩定分析結合起來。自Roscoe與他的學生(1958~1963)創建劍橋模型至今,各國學者已發展了數百個本構模型,但得到工程界普遍認可的極少,嚴格地說尚沒有。巖體的應力-應變關系則更為復雜。看來,企圖建立能反映各類巖土的、適用于各類巖土工程的理想本構模型是困難的,或者說是不可能的。因為實際工程土的應力-應變關系是很復雜的,具有非線性、彈性、塑性、粘性、剪脹性、各向異性等等,同時,應力路徑、強度發揮度、以及巖土的狀態、組成、結構、溫度等均對其有影響。
   開展巖土的本構模型研究可以從兩個方向努力:一是努力建立用于解決實際工程問題的實用模型;一是為了建立能進一步反映某些巖土體應力應變特性的理論模型。理論模型包括各類彈性模型、彈塑性模型、粘彈性模型、粘彈塑性模型、內時模型和損傷模型,以及結構性模型等。它們應能較好反映巖土的某種或幾種變形特性,是建立工程實用模型的基礎。工程實用模型應是為某地區巖土、某類巖土工程問題建立的本構模型,它應能反映這種情況下巖土體的主要性狀。用它進行工程計算分析,可以獲得工程建設所需精度的滿意的分析結果。例如建立適用于基坑工程分析的上海粘土實用本構模型、適用于沉降分析的上海粘土實用本構模型,等等。筆者認為研究建立多種工程實用模型可能是本構模型研究的方向。
   在以往本構模型研究中不少學者只重視本構方程的建立,而不重視模型參數測定和選用研究,也不重視本構模型的驗證工作。在以后的研究中特別要重視模型參數測定和選用,重視本構模型驗證以及推廣應用研究。只有這樣,才能更好為工程建設服務。
   4 不同介質間相互作用及共同分析
   李廣信(1998)認為巖土工程不同介質間相互作用及共同作用分析研究可以分為三個層次:①巖土材料微觀層次的相互作用;②土與復合土或土與加筋材料之間的相互作用;③地基與建(構)筑物之間相互作用。
   土體由固、液、氣三相組成。其中固相是以顆粒形式的散體狀態存在。固、液、氣三相間相互作用對土的工程性質有很大的影響。土體應力應變關系的復雜性從根本上講都與土顆粒相互作用有關。從顆粒間的微觀作用入手研究土的本構關系是非常有意義的。通過土中固、液、氣相相互作用研究還將促進非飽和土力學理論的發展,有助于進一步了解各類非飽和土的工程性質。
   與土體相比,巖體的結構有其特殊性。巖體是由不同規模、不同形態、不同成因、不同方向和不同序次的結構面圍限而成的結構體共同組成的綜合體,巖體在工程性質上具有不連續性。巖體工程性質還具有各向異性和非均一性。結合巖體斷裂力學和其它新理論、新方法的研究進展,開展影響工程巖體穩定性的結構面幾何學效應和力學效應研究也是非常有意義的。
   當天然地基不能滿足建(構)筑物對地基要求時,需要對天然地基進行處理形成人工地基。樁基礎、復合地基和均質人工地基是常遇到的三種人工地基形式。研究樁體與土體、復合地基中增強體與土體之間的相互作用,對了解樁基礎和復合地基的承載力和變形特性是非常有意義的。
   地基與建(構)筑物相互作用與共同分析已引起人們重視并取得一些成果,但將共同作用分析普遍應用于工程設計,其差距還很大。大部分的工程設計中,地基與建筑物還是分開設計計算的。進一步開展地基與建(構)筑物共同作用分析有助于對真實工程性狀的深入認識,提高工程設計水平。現代計算技術和計算機的發展為地基與建(構)筑物共同作用分析提供了良好的條件。目前迫切需要解決各類工程材料以及相互作用界面的實用本構模型,特別是界面間相互作用的合理模擬。
   5 巖土工程測試技術
   巖土工程測試技術不僅在巖土工程建設實踐中十分重要,而且在巖土工程理論的形成和發展過程中也起著決定性的作用。理論分析、室內外測試和工程實踐是巖土工程分析三個重要的方面。巖土工程中的許多理論是建立在試驗基礎上的,如Terzaghi的有效應力原理是建立在壓縮試驗中孔隙水壓力的測試基礎上的,Darcy定律是建立在滲透試驗基礎上的,劍橋模型是建立在正常固結粘土和微超固結粘土壓縮試驗和等向三軸壓縮試驗基礎上的。測試技術也是保證巖土工程設計的合理性和保證施工質量的重要手段。
   巖土工程測試技術一般分為室內試驗技術、原位試驗技術和現場監測技術等幾個方面。在原位測試方面,地基中的位移場、應力場測試,地下結構表面的土壓力測試,地基土的強度特性及變形特性測試等方面將會成為研究的重點,隨著總體測試技術的進步,這些傳統的難點將會取得突破性進展。虛擬測試技術將會在巖土工程測試技術中得到較廣泛的應用。及時有效地利用其他學科科學技術的成果,將對推動巖土工程領域的測試技術發展起到越來越重要的作用,如電子計算機技術、電子測量技術、光學測試技術、航測技術、電、磁場測試技術、聲波測試技術、遙感測試技術等方面的新的進展都有可能在巖土工程測試方面找到應用的結合點。測試結果的可靠性、可重復性方面將會得到很大的提高。由于整體科技水平的提高,測試模式的改進及測試儀器精度的改善,最終將導致巖土工程方面測試結果在可信度方面的大大改進。
   6 巖土工程問題計算機分析
   雖然巖土工程計算機分析在大多數情況下只能給出定性分析結果,但巖土工程計算機分析對工程師決策是非常有意義的。開展巖土工程問題計算機分析研究是一個重要的研究方向。巖土工程問題計算機分析范圍和領域很廣,隨著計算機技術的發展,計算分析領域還在不斷擴大。除前面已經談到的本構模型和不同介質間相互作用和共同分析外,還包括各種數值計算方法,土坡穩定分析,極限數值方法和概率數值方法,專家系統、AutoCAD技術和計算機仿真技術在巖土工程中應用,以及巖土工程反分析等方面。巖土工程計算機分析還包括動力分析,特別是抗震分析。巖土工程計算機數值分析方法除常用的有限元法和有限差分法外,離散單元法(DEM)、拉格朗日元法(FLAC),不連續變形分析方法(DDA),流形元法(MEM)和半解析元法(SAEM)等也在巖土工程分析中得到應用。
   根據原位測試和現場監測得到巖土工程施工過程中的各種信息進行反分析,根據反分析結果修政設計、指導施工。這種信息化施工方法被認為是合理的施工方法,是發展方向。
   7 巖土工程可靠度分析
   在建筑結構設計中我國已采用以概率理論為基礎并通過分項系數表達的極限狀態設計方法。地基基礎設計與上部結構設計在這一點尚未統一。應用概率理論為基礎的極限狀態設計方法是方向。由于巖土工程的特殊性,巖土工程應用概率極限狀態設計在技術上還有許多有待解決的問題。目前要根據巖土工程特點積極開展巖土工程問題可靠度分析理論研究,使上部結構和地基基礎設計方法盡早統一起來。
   8 環境巖土工程研究
   環境巖土工程是巖土工程與環境科學密切結合的一門新學科。它主要應用巖土工程的觀點、技術和方法為治理和保護環境服務。人類生產活動和工程活動造成許多環境公害,如采礦造成采空區坍塌,過量抽取地下水引起區域性地面沉降,工業垃圾、城市生活垃圾及其它廢棄物,特別有毒有害廢棄物污染環境,施工擾動對周圍環境的影響等等。另外,地震、洪水、風沙、泥石流、滑坡、地裂縫、隱伏巖溶引起地面塌陷等災害對環境造成破壞。上述環境問題的治理和預防給巖土工程師們提出了許多新的研究課題。隨著城市化、工業化發展進程加快,環境巖土工程研究將更加重要。應從保持良好的生態環境和保持可持續發展的高度來認識和重視環境巖土工程研究。
   9 按沉降控制設計理論
   建(構)筑物地基一般要同時滿足承載力的要求和小于某一變形沉降量(包括小于某一沉降差)的要求。有時承載力滿足要求后,其變形和沉降是否滿足要求基本上可以不驗算。這里有二種情況:一種是承載力滿足后,沉降肯定很小,可以不進行驗算,例如端承樁樁基礎;另一種是對變形沒有嚴格要求,例如一般路堤地基和砂石料等松散原料堆場地基等。也有沉降量滿足要求后,承載力肯定滿足要求而可以不進行驗算。在這種情況下可只按沉降量控制設計。
   在深厚軟粘土地基上建造建筑物,沉降量和差異沉降量控制是問題的關鍵。軟土地基地區建筑地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差過大造成的,特別是不均勻沉降對建筑物的危害最大。深厚軟粘土地基建筑物的沉降量與工程投資密切相關。減小沉降量需要增加投資,因此,合理控制沉降量非常重要。按沉降控制設計既可保證建筑物安全又可節省工程投資。
   按沉降控制設計不是可以不管地基承載力是否滿足要求,在任何情況下都要滿足承載力要求。按沉降控制設計理論本身也包含對承載力是否滿足要求進行驗算。
   10 基坑工程圍護體系穩定和變形
   隨著高層建筑的發展和城市地下空間的開發,深基坑工程日益增多。基坑工程圍護體系穩定和變形是重要的研究領域。
   基坑工程圍護體系穩定和變形研究包括下述方面:土壓力計算、圍護體系的合理型式及適用范圍、圍護結構的設計及優化、基坑工程的“時空效應”、圍護結構的變形,以及基坑開挖對周圍環境的影響等等。基坑工程涉及土體穩定、變形和滲流三個基本問題,并要考慮土與結構的共同作用,是一個綜合性課題,也是一個系統工程。
   基坑工程區域性、個性很強。有的基坑工程土壓力引起圍護結構的穩定性是主要矛盾,有的土中滲流引起流土破壞是主要矛盾,有的控制基坑周圍地面變形量是主要矛盾。目前土壓力理論還很不完善,靜止土壓力按經驗確定或按半經驗公式計算,主動土壓力和被動土壓力按庫倫(1776)土壓力理論或朗肯(1857)土壓力理論計算,這些都出現在Terzaghi有效應力原理問世之前。在考慮地下水對土壓力的影響時,是采用水土壓力分算,還是采用水土壓力合算較為符合實際情況,在學術界和工程界認識還不一致。
   作用在圍護結構上的土壓力與擋土結構的位移有關。基坑圍護結構承受的土壓力一般是介于主動土壓力和靜止土壓力之間或介于被動土壓力和靜止土壓力之間。另外,土具有蠕變性,作用在圍護結構上的土壓力還與作用時間有關。
   11 復合地基
   隨著地基處理技術的發展,復合地基技術得到愈來愈多的應用。復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強或被置換,或在天然地基中設置加筋材料,加固區是由基體(天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。復合地基中增強體和基體是共同直接承擔荷載的。根據增強體的方向,可分為豎向增強體復合地基和水平向增強體復合地基兩大類。根據荷載傳遞機理的不同,豎向增強體復合地基又可分為三種:散體材料樁復合地基、柔性樁復合地基和剛性樁復合地基。
   復合地基、淺基礎和樁基礎是目前常見的三種地基基礎形式。淺基礎、復合地基和樁基礎之間沒有非常嚴格的界限。樁土應力比接近于1.0的土樁復合地基可以認為是淺基礎,考慮樁土共同作用的摩擦樁基也可認為是剛性樁復合地基。筆者認為將其視為剛性樁復合地基更利于對其荷載傳遞體系的認識。淺基礎和樁基礎的承載力和沉降計算有比較成熟的理論和工程實踐的積累,而復合地基承載力和沉降計算理論有待進一步發展。目前復合地基計算理論遠落后于復合地基實踐。應加強復合地基理論的研究,如各類復合地基承載力和沉降計算,特別是沉降計算理論;復合地基優化設計;復合地基的抗震性狀;復合地基可靠度分析等。另外各種復合土體的性狀也有待進一步認識。
   加強復合地基理論研究的同時,還要加強復合地基新技術的開發和復合地基技術應用研究。
   12 周期荷載以及動力荷載作用下地基性狀
   在周期荷載或動力荷載作用下,巖土材料的強度和變形特性,與在靜荷載作用下的有許多特殊的性狀。動荷載類型不同,土體的強度和變形性狀也不相同。在不同類型動荷載作用下,它們共同的特點是都要考慮加荷速率和加荷次數等的影響。近二三十年來,土的動力荷載作用下的剪切變形特性和土的動力性質(包括變形特性和動強度)的研究已得到廣泛開展。隨著高速公路、高速鐵路以及海洋工程的發展,需要了解周期荷載以及動力荷載作用下地基土體的性狀和對周圍環境的影響。與一般動力機器基礎的動荷載有所不同,高速公路、高速鐵路以及海洋工程中其外部動荷載是運動的,同時自身又產生振動,地基土體的受力狀況將更復雜,土體的強度、變形特性以及土體的蠕變特性需要進一步深入的研究,以滿足工程建設的需要。交通荷載的周期較長,交通荷載自身振動頻率也低,荷載產生的振動波的波長較長,波傳播較遠,影響范圍較大。高速公路、高速鐵路以及海洋工程中的地基動力響應計算較為復雜,研究交通荷載作用下地基動力響應計算方法,從而可進一步研究交通荷載引起的荷載自身振動和周圍環境的振動,對實際工程具有廣泛的應用前景。
   13 特殊巖土工程問題研究
   展望巖土工程的發展,還要重視特殊巖土工程問題的研究,如:庫區水位上升引起周圍山體邊坡穩定問題;越江越海地下隧道中巖土工程問題;超高層建筑的超深基礎工程問題;特大橋、跨海大橋超深基礎工程問題;大規模地表和地下工程開挖引起巖土體卸荷變形破壞問題;等等。
   巖土工程是一門應用科學,是為工程建設服務的。工程建設中提出的問題就是巖土工程應該研究的課題。巖土工程學科發展方向與土木工程建設發展態勢密切相關。世界土木工程建設的熱點移向東亞、移向中國。中國地域遼闊,工程地質復雜。中國土木工程建設的規模、持續發展的時間、工程建設中遇到的巖土工程技術問題,都是其它國家不能相比的。這給我國巖土工程研究躋身世界一流并逐步處于領先地位創造了很好的條件。展望21世紀巖土工程的發展,挑戰與機遇并存,讓我們的共同努力將中國巖土工程推向一個新水平。


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