培訓巖土工程

1、各位新同事1巖土工程基本理論與應用代志宏2目 錄巖土工程的概念 巖土工程專業(yè)體制的現狀與發(fā)展趨勢巖土工程學的理論體系巖土理論應用中出現的問題巖土工程技術的發(fā)展31.巖土工程的概念 巖土工程是研究與工程相關的巖體和土體的科學。452.巖土工程專業(yè)體制的現狀與發(fā)展趨勢2.1我國巖土工程專業(yè)體制的基本形成2.2 國內外現狀比較 2.3注冊巖土工程師制度的建立6 我國的工程勘察體制是在建國初期學習前蘇聯基礎上建立的，包括地形測量、工程地質、水文地質3個獨立的專業(yè)。80年代初以來，工程地質勘察逐步向巖土工程過渡?，F在，巖土工程專業(yè)體制在我國已基本確立。7與工程地質勘察相比：巖土工程要求勘察與設計、施工、

2、監(jiān)測密切結合，而不是彼此機械分割；要求服務于工程建設的全過程，而不是單純?yōu)樵O計服務；要求在獲取系統(tǒng)而準確資料的基礎上，對巖土工程利用、整治方案深入論證；提出技術可行、經濟合理的具體建議，而不是單純地提供巖土技術資料。8巖土工程專業(yè)人員也能在巖土工程設計、施工、監(jiān)測、監(jiān)理崗位上工作。因而,這種體制更貼近工程實際，更注重于解決工程實際問題，從而要求技術人員具備全面的知識，為工程建設做出更大的貢獻。 9 在美國、加拿大等發(fā)達國家，巖土工程師主要在咨詢公司服務。這些公司集中了一批有理論、有經驗的工程師，為投資者、為項目設計和施工、為政府和司法部門、為社會各界，提供各種形式的服務，其中包括勘察、設計、監(jiān)

3、測、監(jiān)理等。他們提供的產品是知識、信息，科技含量很高，屬于知識密集型企業(yè)。10 在我國，由于市場經濟剛剛起步，巖土工程專業(yè)體制尚待完善，故目前從事巖土工程專業(yè)的單位不定型，有以勘察為主，有以咨詢?yōu)橹?，有以施工為主，有的多種兼有，這在過渡時期是很自然的。但從長遠看，知識密集型和勞動密集型的分離是遲早的事。目前我國勘察行業(yè)從業(yè)人員較多，工人比例太大，人員素質不高，與發(fā)達國家有一定差距。根據國家建筑勘察技術政策(19962010)，這種狀況將會改變，國家將在完善法制、規(guī)范市場、凈化市場的基礎上，調整產業(yè)結構，鼓勵有條件的單位改造成這類有高技術含量、與國際接軌的企業(yè)。11 通過建國以來數十年工程實踐的

4、積累，特別是改革開放以來的巨大技術進步，,我國巖土工程勘察的技術水平已有了顯著提高，已經完全有能力承擔各類大型復雜工程的勘察、設計和施工,包括高層建筑和超高層建筑、復雜地基處理、深基坑開挖、大型邊坡工程、地下工程、移山填溝、圍海造陸、海上平臺、核電站等。每兩年評選一次的優(yōu)秀勘察項目，金質獎和銀質獎都具有國際先進水平。但同時也存在著水平參差不齊、成果質量下降甚至弄虛作假，以及技術標準、技術方法和技術成果未完全與國際接軌等一系列問題。12 可以預見，未來15年，我國市場將逐步完善，國內國際兩大市場將逐漸融合。例如我國眾多知名大企業(yè)在國際市場上承攬和完成了許多大型建筑工程和巖土工程項目，同時我國的黃

5、河小浪底、長江三峽水利樞紐工程均有國外知名企業(yè)參與建筑工程和巖土工程施工。由于巖土具有很強的地域特點，工程經驗積累非常主要。因此，今后有必要在提倡基本框架一致的前提下，形成自己的特色和優(yōu)勢，使巖土工程業(yè)務制度逐步走向世界。13 由于國內外技術交流日趨頻繁，國內外兩大市場逐漸融合，我國盡快向國際慣例靠攏勢在必行。 國家要啟動注冊巖土工程師制度，今后，針對勘察院來說，院法人和執(zhí)業(yè)注冊人員對勘察文件和審核簽字的文件負質量責任，這也符合誰勘察誰負責的國際慣例，這將是今后行業(yè)的一個發(fā)展方向。 針對勘察質量問題，建設部準備盡快實施注冊巖土工程師制度，將來的勘察報告必須由注冊巖土工程師簽字才有效，否則不能作

6、為設計和巖土治理的依據。在注冊巖土工程師制度沒有啟動之前，建設部于1999年下發(fā)的關于加勘察設計質量管理的通知中，明確了要由勘察單位總工程師簽字和勘察單位的技術負責人、項目負責人簽字。將來會過渡到注冊巖土工程師簽字。 可以預見，注冊巖土工程師對一個單位將會具有非常重要的作用。注冊巖土工程師制度啟動以后，一個單位如果沒有注冊巖土工程師，報告的簽發(fā)就會有問題。一個單位擁有注冊巖土工程師的數量將是單位能力和技術水平的體現。這樣將會大大加強注冊工程師的榮譽感和責任心。143.巖土工程學的理論體系 3.1理論體系構成3.2 巖土力學的發(fā)展3.2.1 巖土力學理論體系 3.2.2 巖土材料的本質特性 3.

7、2.3 巖土工程問題的特點3.2.4 現有巖土力學理論的不足3.2.5 巖土力學發(fā)展前景展望15 巖土工程,原本屬于土木工程范疇，通過大量工程實踐，在工程地質學、水文地質學、土力學、巖體力學等學科的基礎上,與土木工程學相互滲透,已形成一門新的具有邊緣學科性質的獨立學科，并正在逐漸形成一個新的完整的學科體系。作為一門應用科學，主要應包括基礎理論與應用技術兩部分。1617 近年來，基礎理論研究有了長足的發(fā)展。20世紀80年代以來，由于在基巖地區(qū)工程建設的日益增多，中科院地質研究所在巖土力學的基礎上,進一步把裂隙巖體的力學特性作為巖體力學的研究核心，提出“巖體結構”的新概念,創(chuàng)立了“巖體工程地質力學

8、”，并進一步發(fā)展成“巖體結構力學”。原地礦部地質力學研究所用地質力學理論結合構造應力場的分析,研究巖石變形與流動，稱為“巖石力學”。巖體工程地質力學與巖石力學、巖體結構力學等理論，基本是相輔相成，相互滲透，形成多學科交叉，為巖土力學輸入了新的血液。 18應當指出,對于巖土力學的研究，不能忽視地下水的作用。在巖土工程中,經常會遇到水的問題。例如開挖基坑或礦山坑道。在施工階段首先就要解決地下水的疏干問題。否則就會影響基坑或坑道的穩(wěn)定性。近年來對巖體水力學的研究，已逐漸形成一門專門學科，并將成為巖土工程基礎理論的重要組成部分之一。 192021 巖土材料與其它材料根本不同之處可能在于它的天然性，而它

9、的結構性和不均勻性正是來源于天然性。巖土材料是地質過程中形成的天然材料，其關鍵因素是顆粒之間的膠結，膠結的不均勻性導致結構的形成。這種不均勻性可能是原生的，例如粘土顆?？赡芟饶Y成團粒，然后堆積在一起，團粒內部的膠結力就大于團粒之間的膠結力，也可能是次生的，例如巖體風化或其它地質過程中某些部位膠結被破壞，從而形成膠結弱的或無膠結的節(jié)理、裂隙和斷層等軟弱帶。 如果排除人工填土，建議把巖土材料定義為:地質過程中天然形成的具有結構性的材料。 22 巖土力學的任務是解決巖土工程問題，從數學上看，就是把巖土工程問題抽象為一個邊值問題，通過數學分析求其解答。人們興建各種巖土工程，正是為了改造自然,而且正是

10、因為改造對象的天然性導致巖土工程問題與其它工程問題相比具有許多獨特之處。 把這些特點初步歸納如下： 23(1)地應力的控制作用 在開挖過程中，單純地應力作用就可能引起巖體破壞，發(fā)生巖爆，這已是眾所周知的。在土力學中，又何嘗不是如此。開挖邊坡中，假定不同的初始側壓力系數，計算得出的位移將有很大差別。由于高側壓力的影響，超固結土邊坡可能多次發(fā)生滑動。24(2)體積力構成荷載的主要部分 除了地基問題中體積力相對不重要以外，無論邊坡工程、隧道工程還是堤壩工程，體積力都是作用于巖土體結構上的主要荷載甚至唯一荷載。因此，巖土體結構的主要破壞方式是自重作用下的剪切破壞。這時，剪切面的相當一部分位于巖土體的深

11、部，圍壓的影響很大。因此，把金屬力學和結構力學中的研究方法生硬地搬到巖土力學研究中，自然難于符合實際。有的研究論文采用平面應力問題的研究方法，不考慮圍壓的影響，所得結論只能反映巖土體表層的破壞過程。 25(3)多相耦合作用 由于孔隙和裂隙的存在，巖土工程問題往往涉及固相、液相和氣相的耦合作用，而凍土問題中還要考慮冰相和溫度場。因此，與金屬和混凝土結構工程相比，巖土工程問題的控制方程要復雜得多，需要研究的領域也要多得多。26(4)邊界條件和初始條件的不確定性巖土工程問題邊界條件的不確定性包括兩個方面，一是邊界位置的不確定性，二是邊界上的要素值的不確定性。巖土工程修建在地殼上，人們不能把整個地球或

12、地殼作為研究的范圍，只能從其中劃出一塊進行考察，但如何劃法帶有一定的任意性，這就是邊界位置的不確定性。巖土工程暴露在自然環(huán)境中，最不確定的倒不是邊界荷載，而是耦合分析中降水量、蒸發(fā)量等自然要素的變化。初值條件的不確定性除了前面提到的地應力的不確定以外，還有孔隙中的初始吸力的分布和節(jié)理裂隙分布的不確定性等。 27巖土力學理論對巖土工程的指導意義是不容置疑的。例如有效應力原理對發(fā)展排水壓密加固技術的指導作用。但是,正如在上世紀50年代說過，土力學是一種技藝()，這就意味著當時主要還是依靠經驗解決巖土工程問題?？梢哉f,這一情況到今天還沒有根本改變。但是，今天的巖土力學水平終究不能與時代同日而語。當今

13、的巖土工程設計仍不能完全依賴理論計算，但理論計算已成為設計的重要依據。記得上世紀80年代在組織三峽深水圍堰第一輪分析計算時，長江水利委員會司兆樂總工曾提出計算分析結果能達到”精確定性、粗略定量”的目標。20年后的今天，雖然不能說這一目標己完全實現，但對相當一部分巖土工程來說做到這一點已沒有困難。但是另一方面，仍然有不少巖土工程問題尚無法依靠現有的理論分析水平求解。這些問題可初步歸納成以下幾點： 28（1）難于測定天然巖土材料的計算參數土體由于取樣擾動，巖體由于體積太大，導致原狀巖土材料的力學參數無法測定。例如，一段時期，廣東在良好的殘積土上修建多層建筑也普遍采用樁基，就是因為取樣擾動造成測定的

14、壓縮系數偏高，在此背景下導致設計中的不恰當決策。29（2）未考慮逐漸破壞過程現有的邊坡穩(wěn)定分析和土壓力計算等方法均基于極限分析理論，未考慮逐漸破壞過程。造成的后果必然是采用峰值強度計算太冒進,而采用殘余強度計算又太保守。30（3）未考慮地應力的影響在地下洞室開挖中，地應力的影響已得到普遍的重視。但是在其它巖土工程問題中往往不考慮這一影響。例如邊坡穩(wěn)定分析中，無論是條分法或有限元強度折減法均是如此。而超固結土坡中由于水平應力很大導致滑坡的易發(fā)性,這早已是眾所周知的事實。31（4）對多節(jié)理裂隙巖體還缺乏有效分析手段對于含少量節(jié)理的巖體，已經發(fā)展了一批計算方法，如節(jié)理元、接觸力元、剛體彈簧元。但對大

15、量裂隙的巖體，只有走等效連續(xù)介質的途徑。從斷裂力學觀點出發(fā)或是從損傷力學觀點出發(fā)建立等效介質的本構關系，均是可以考慮的方案。但是未能考慮圍壓的影響，是目前研究中普遍存在的不足之處。也許巖土破損力學可以在一定程度上克服這一缺點。 32(1)發(fā)展原位測試技術土樣從土層取出后地應力就被卸除，即使再精細的取土技術也很難保證室內測定的參數與原位一致。節(jié)理巖體更無法取樣試驗。因此，發(fā)展原位測試技術，是獲得可靠計算參數的必要途徑。 33(2)加強破壞和變形的細觀機制研究，減少湊合表觀現象的假設性研究“大膽假設，小心求證”仍是科學研究的一種手段，但是，如果只求表觀現象上的吻合，不深究真實的機理，只求知其然，不

16、求知其所以然，這一態(tài)度不符合真正的科學精神。當前巖土力學中大行其道的屈服面的研究，在某種意義上正是這一種研究思路的反映。從等向硬化到運動硬化，從單屈服面到多屈服面，再到邊界面和次加荷屈服面及超加荷屈服面，越來越復雜的屈服面假設無非為了湊合試驗結果。但如要湊出主應力軸旋轉也能產生體積收縮的實驗現象，恐怕還要增加屈服面的復雜性。回顧一下科學史上托勒密的地心說，不難發(fā)現兩者在一定程度上有相似之處。 34(3)建立漸進破壞理論到目前為止,有關巖土材料的漸進破壞和剪切帶形成過程的研究對象仍限于室內二軸或三軸壓縮試樣，遠未涉及實際工程問題，而且許多學者純粹把這一過程當作數學問題進行研究。筆者認為，解決這一

17、問題的關鍵在于建立能合理反映巖土材料結構破損過程的本構模型，并且研究的重點應當是針對邊坡和洞室開挖等圍壓降低過程中的結構體破損現象。35(4)開展風化過程的數值模擬研究如果說前面提到的漸進破壞是指修建工程引起的話，風化引起的巖土材料弱化破壞則是自然過程。如果這一過程發(fā)生在工程影響的范圍內，則就不僅僅是地質學家研究的事。當然,研究這一問題的難度很大，因為除了力學因素外，還涉及溫度循環(huán)和濕度循環(huán)等物理因素及雨水淋溶和地下水侵蝕等化學因素。364. 巖土理論應用中出現的問題4.1 典型設計問題分析4.2 典型工程事故分析4.3 現有規(guī)范中值得討論的幾個問題4.4 計算參數的可靠性37 (1)不必要地

18、采用樁基:在良好的地基上仍采用樁基是當前設計中的一個突出問題。據不完全統(tǒng)計,在我國南方殘積土地基上已建成的28幢1433層高層建筑中有26幢按樁基設計。而改為筏基后不但節(jié)約了大量費用,而且運行良好。38(2)采用過多過長的樁:軟土地基上建高層或重型建筑物,采用樁基是不可避免的,但是,打樁過密,不但浪費,而且會造成地面隆起和擠壞相鄰建筑等危害。例如上海地區(qū)18個失效的港口工程中有10例就是由于沉樁擠土效應引起的。有的過于強調樁尖必須到達中風化、甚至微風化巖。在地質條件良好的情況下,這不但浪費,也延誤了施工進度,有的甚至把樁打壞。39(3)過大的基礎埋深:廣東某地采用了8的基礎埋深,這在無凍害及抗

19、風能力足夠的條件下實無必要。40(4)過緩的邊坡:這種情況通過常發(fā)生在無地基破壞問題的堆石邊坡,在的坡度達到12,原因顯然與采用過低的內摩擦角有關。41(5)過多的挖土:對重要建筑物的地基,挖除十分軟的黏土是完全必要的。但過于強調必須建筑在基巖上,良好的沙卵石層也必須挖除,在水利工程中也是常見的。除了由此造成投資增加和工期延長外,有時人工填筑料還不如天然沉積物密實。42(1)過快的施工進度:軟土上填方工程的破壞很多與此有關。如果事先對軟土的固結和強度增長過程進行分析,施工過程嚴格按設計進行,則這類事故是完全可避免的。 43(2)存在沒有發(fā)現的軟弱層:許多事故與勘測中的疏忽有關。例如廣東五灣碼頭

20、的破壞與拋石基床下存在的淤泥餛砂層當作礫砂層直接有關。44(3)忽略了應當考慮的荷載:大面積堆載和抽水引起的大面積沉降往往在設計中未被考慮。由此而產生的作用于樁上的負摩擦力造成樁基的過大沉降和樁身破壞現象已累見不鮮。60年代上海張華浜碼頭基樁破壞也是沒有考慮大量抽取地下水引起的地面沉降的結果。此外,后方堆載和前方開挖對樁的側向荷載也常常估計不足,從而引起樁體的嚴重位移甚至破壞。 45(4)排水處理不當:當存在地下水流時,未采取足夠的排水措施,是水工建筑物和基坑失事的主要原因,另一方面,基坑抽水也是造成相鄰建筑物損害的重要原因。46(5)欠固結土的測試手段不當:欠固結土很容易因擾動而壓密,從而得

21、到過高的參數。有關這一問題,下面將進一步討論。47(6)對土的某些特性認識不足:例如對膨脹土、黃土和易液化土的某些特性。但這里必須區(qū)分兩種情況。一是人們普遍認識不足,連規(guī)范中也沒有反映;二是個別設計人員的經驗不足而又學習不夠。 48(1)承載力:承載力的概念來源于地基的破壞。目前,有關這方面已經成熟的理論是基于剛塑性模型的極限平衡理論。按照這一理論,土體破壞問題的控制方程由靜力平衡和滑移運動兩組微分方程組成,因此,極限平衡問題本身是一個靜不定問題。大家知道,微分方程的解答不僅取決于材料的物理特性,還決定于邊界條件。極限承載力作為極限平衡方程組的解答,顯然并不僅僅決定于土的特性。由此可見,現有規(guī)

22、范中對每一種地基土給定一個承載力值的做法是不科學的?？傊?容許承載力理應根據上層結構與地基共同作用的特點由設計單位確定,那種由勘測單位在設計前就提供承載力的做法在理論上是不通的,在實踐上是十分有害的,前面有關廣東地區(qū)不適當地采用樁基的例子與此不無關系。49(2)沉降計算:在局部荷載作用下側向變形是不可避免的,因此用分層總和法計算的沉降量理應小于實測值,如果要用經驗系數糾正,其值應大于1。然而按照規(guī)范,下列沉降計算公式中經驗系數隨壓縮模量的降低可以從0.2變化到1.4,而上海地基規(guī)范中則規(guī)定其值隨附加壓力0的增大可以從0.7變化到1.3。人們不知道,在制定規(guī)范時是否深入分析過此系數須要如此大的變

23、化的原因。我們認為,計算結果不符合實際的原因很多,但是最主要的莫過于計算參數的不合適。因此,合理的途徑應是對加以修正。50(3)高層建筑物的埋置深度:高層建筑物埋置深度理應根據當地的氣候、地質條件及建筑物本身的高寬比及其用途確定,而鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程(3-91)則籠統(tǒng)規(guī)定,埋置深度采用天然地基或樁基時分別不小于高度的1/12或1/15。廣東東莞有一幢43層建筑,為了滿足1/15高度的埋深要求,先全部挖深8進行樁基承臺的施工然后又整個回填8填土。如果挖深后利用地下空間做停車場或將承臺埋置于2深處,顯然合理得多。51(4)抗震分析中的擬靜力法:最近修訂的水工建筑物抗震設計規(guī)范仍規(guī)

24、定土石壩用擬靜力法進行抗震驗算。擬靜力法的缺點是十分明顯的,它完全無視地震加速度時空分布的不均勻性。而最主要的是,尚沒有一個土工建筑物破壞實例證明地震慣性力起了決定性的作用。相反,卻可以舉出一些地震破壞與慣性力無關的實例,最著名的如海城地震中震后80分鐘左右發(fā)生滑坡的遼寧石門嶺水庫大壩。實踐證明,用擬靜力法設計往往低估含易液化土邊坡的破壞可能性,典型的如唐山地震中滑坡的密云水庫大壩,而對無液化能的邊坡,則往往高估其破壞的可能性。特別是堆石邊坡,世界上尚無地震滑坡的實例。在堆石壩設計中采用過緩的邊坡,不無與這種擬靜力法的規(guī)定有關。52選用的計算參數偏低造成設計過于保守。例如, 規(guī)范中對=20.0的土類,修正系數竟然小到0.2,也就是說計算沉降是實測值的5倍。無論是分層總和法本身,還是沉降計算公式中的0或,均不可能有這么大的誤差,唯一能說服人的理由是偏小了5倍。計算參數不可靠的原因主要是測試技術粗劣造成的。就軟粘土來說,不同擾動程度的典型