工程建設(shè)中的巖土工程

工程建設(shè)中的巖土工程第1頁(yè)/共104頁(yè)巖土工程來源于工程實(shí)際研究目的是解決工程建設(shè)中遇到的問題巖土工程的定義第2頁(yè)/共104頁(yè)

巖土工程：是以工程地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)理論，研究和解決工程建設(shè)中與巖土有關(guān)的一門應(yīng)用科學(xué)（中國(guó)土木建筑百科詞典）。巖土工程定義可概括為以下三個(gè)層次：第3頁(yè)/共104頁(yè)巖土工程是以土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)、巖石力學(xué)與工程為基礎(chǔ)，并和工程地質(zhì)學(xué)密切結(jié)合的綜合學(xué)科。環(huán)境巖土工程與化學(xué)、土壤學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科有關(guān)。它是一門多學(xué)科相融合的交叉性綜合學(xué)科第4頁(yè)/共104頁(yè)巖土工程以巖石和土的利用、整治或改造作為研究?jī)?nèi)容。巖土工程以工程為目的研究巖石和土的工程性質(zhì)，當(dāng)巖土的工程性質(zhì)或巖土環(huán)境不能滿足工程需要時(shí)，就要采取工程措施對(duì)巖土進(jìn)行整治和改造。第5頁(yè)/共104頁(yè)巖土工程服務(wù)于各類主體工程的勘察、設(shè)計(jì)與施工的全過程，是這些主體工程的組成部分。巖土工程不是一門獨(dú)立于土木工程之外的學(xué)科。沒有不從屬于主題工程的巖土工程，但巖土工程又有不同于上部結(jié)構(gòu)的自身規(guī)律和研究方法。第6頁(yè)/共104頁(yè)巖土工程的發(fā)展歷史

巖土工程學(xué)是土木工程的重要分支，是一門涵蓋工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)、基礎(chǔ)工程學(xué)和地下工程的綜合性學(xué)科，是在20世紀(jì)發(fā)展并不斷成熟起來的。太沙基的第一部經(jīng)典著作《土力學(xué)》在1925年出版，是近代土力學(xué)的開端；第7頁(yè)/共104頁(yè)

第二次世界大戰(zhàn)后，大規(guī)模的工程建設(shè)實(shí)踐推動(dòng)了土力學(xué)的進(jìn)步，巖石力學(xué)也相應(yīng)的形成和發(fā)展。因而以土力學(xué)和巖石力學(xué)為基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)工程和地下工程的設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)也受到了巨大的推動(dòng)。1948年英國(guó)《巖土工程》雜志的創(chuàng)刊和1974年美國(guó)《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》雜志更名為《巖土工程》標(biāo)志巖土工程學(xué)科逐步得到工程界和學(xué)術(shù)界的公認(rèn)。第8頁(yè)/共104頁(yè)

巖土工程的工作方法是：調(diào)查勘察、試驗(yàn)測(cè)定、分析計(jì)算、方案論證、監(jiān)測(cè)控制、反演分析、修改定案，巖土工程的研究方法是：以三種基本手段，即數(shù)學(xué)模擬（建立巖土本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值分析）、物理模擬（離心機(jī)模型試驗(yàn)或其它的土工試驗(yàn)）、原位觀測(cè)（實(shí)際工程長(zhǎng)期或短期觀測(cè)）綜合而成的。第9頁(yè)/共104頁(yè)

巖土工程學(xué)科是在巖土工程實(shí)踐與技術(shù)的發(fā)展歷史長(zhǎng)河中形成的，是隨著人類的出現(xiàn)與發(fā)展不斷獲得進(jìn)展的工程技術(shù)。巖土工程學(xué)科的發(fā)展歷史可概括為以下三個(gè)歷史時(shí)期：第10頁(yè)/共104頁(yè)

第一歷史時(shí)期

18世紀(jì)工業(yè)革命以前，人們?cè)趯?shí)踐中積累了一些零星的工程經(jīng)驗(yàn)，未能提煉成系統(tǒng)的科學(xué)理論，由于受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力發(fā)展水平的限制，這一歷史時(shí)期自史前一直延續(xù)到18世紀(jì)60年代，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月。巖土工程第一歷史時(shí)期的主要特征是：第11頁(yè)/共104頁(yè)缺乏對(duì)地質(zhì)勘察的認(rèn)識(shí)與手段，不可能了解地基深部的情況；無(wú)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，憑經(jīng)驗(yàn)施工；施工消耗大、周期長(zhǎng)、效率低；建筑材料以天然材料為主，建筑物高度低、體重輕，對(duì)地基承載力要求不高。第12頁(yè)/共104頁(yè)

第二歷史時(shí)期

18世紀(jì)60年代的歐洲工業(yè)革命和19世紀(jì)中葉的第二次工業(yè)革命，推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，工程建設(shè)中提出了許多有待解決的巖土工程問題，促使人們進(jìn)行土力學(xué)理論探索和巖土工程的技術(shù)創(chuàng)新，拉開了巖土工程學(xué)術(shù)研究的序幕。巖土工程第二歷史時(shí)期的主要特征是：第13頁(yè)/共104頁(yè)工程規(guī)模和技術(shù)難度要求使用機(jī)械化的施工方法和理論的指導(dǎo)；機(jī)械化的施工方法使巖土工程施工技術(shù)發(fā)生根本的變化，并為理論的產(chǎn)生提供了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)；通過試驗(yàn)、觀察和數(shù)學(xué)力學(xué)分析計(jì)算，提出了一系列理論和方法，奠定了近代巖土工程的理論基礎(chǔ)。第14頁(yè)/共104頁(yè)

第三歷史時(shí)期

20世紀(jì)初，大型土木工程的興建，為巖土工程的發(fā)展提供了客觀條件；以太沙基提出的“有效應(yīng)力原理”為代表，在試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算方法方面形成了完整的土力學(xué)體系，標(biāo)志著巖土工程進(jìn)入成熟的第三歷史時(shí)期。巖土工程第三歷史時(shí)期的主要特征是：第15頁(yè)/共104頁(yè)巖土工程涉及的領(lǐng)域由傳統(tǒng)的水利、建筑、公路工程擴(kuò)大至地震工程、海洋工程、環(huán)境保護(hù)、地?zé)衢_發(fā)、地下蓄能、地下空間開發(fā)等領(lǐng)域；新材料（土工合成材料）的使用，為重大工程和巖土工程疑難問題的解決提供了新的技術(shù)途徑和方法；第16頁(yè)/共104頁(yè)3

新型施工裝備使用，為大型、深層、深水條件下的巖土工程施工創(chuàng)造了物質(zhì)條件，促進(jìn)樁型和地基處理方法的不斷創(chuàng)新；4

現(xiàn)代計(jì)算方法和工具的出現(xiàn)，以及先進(jìn)量測(cè)手段、試驗(yàn)設(shè)備的問世，是巖土工程復(fù)雜問題的研究、計(jì)算與驗(yàn)證成為可能，促進(jìn)了巖土工程學(xué)科的不斷發(fā)展。第17頁(yè)/共104頁(yè)成功的經(jīng)驗(yàn)

都江堰水利工程在四川都江堰市，是全世界至今為止，年代（2200多年）最久、唯一留存、以無(wú)壩引水為特征的宏大水利工程第18頁(yè)/共104頁(yè)重慶南川水庫(kù)湖北頭堰水庫(kù)第19頁(yè)/共104頁(yè)湖南蓮(花沖)易(家灣)高速公路重慶渝長(zhǎng)高速公路第20頁(yè)/共104頁(yè)

趙洲橋建成1300多年，橋基兩端下沉的水平差只有5厘米。據(jù)測(cè)定，石橋及其載重對(duì)地面所形成的壓力，恰好在橋基那粗沙層可隨的耐壓力的幅度之內(nèi)。計(jì)算得如此精確，實(shí)在驚人。第21頁(yè)/共104頁(yè)大雁塔人民大會(huì)堂第22頁(yè)/共104頁(yè)南京地鐵站上海地鐵站第23頁(yè)/共104頁(yè)青藏鐵路成昆鐵路我國(guó)在山區(qū)和高寒地區(qū)修建的鐵路第24頁(yè)/共104頁(yè)上海港大連港第25頁(yè)/共104頁(yè)失敗的教訓(xùn)廣線沖毀102公里，中斷行車16天，直接經(jīng)濟(jì)損失近百億元，成為世界最大最慘烈的水庫(kù)垮壩慘劇。“75.8”特大洪水板橋水庫(kù)潰壩失事

1975年8月河南駐馬店等地區(qū)1萬(wàn)多km2的土地上，共計(jì)60多水庫(kù)相繼發(fā)生垮壩，近60億m3的洪水肆意橫流。1015萬(wàn)人受災(zāi)，超過2.6萬(wàn)人死難，倒塌房屋524萬(wàn)間，沖走耕畜30萬(wàn)頭。京第26頁(yè)/共104頁(yè)Teton大壩位于美國(guó)愛達(dá)荷州，高

93m

的土壩，建于1972-75年，1976年6月失事第27頁(yè)/共104頁(yè)98年九江大堤決口長(zhǎng)江堤防坍塌第28頁(yè)/共104頁(yè)韓國(guó)首爾南加佐洞京義線鐵路地基塌陷，導(dǎo)致兩側(cè)鐵路懸浮在空中第29頁(yè)/共104頁(yè)1996年發(fā)生在美國(guó)加州的

LaConchita滑坡，未造成人員傷亡。第30頁(yè)/共104頁(yè)2001年1月13日，薩爾瓦多發(fā)生了里氏7.6級(jí)的強(qiáng)震，在SantaTecla造成山體滑坡，最終導(dǎo)致700多人遇難。第31頁(yè)/共104頁(yè)港島1972滑坡(20,000m3)，(67死、20傷)樓房倒塌樓房損壞第32頁(yè)/共104頁(yè)1954年興建的上海工業(yè)展覽館中央大廳，因地基約有14m厚的淤泥質(zhì)軟粘土，盡管采用了7.27m的箱形基礎(chǔ)，建成后當(dāng)年下沉60cm。1957年6月展覽館大廳四角沉降最大達(dá)146.6cm，最小沉降量為1228mm。第33頁(yè)/共104頁(yè)1173年9月8日動(dòng)工，1178年到第4層中部，高度約29m時(shí)，因塔明顯傾斜而停工。94年后復(fù)工，6年時(shí)間建完第7層，高48m，再次停工，于1360年復(fù)工至1370年竣工。全塔共8層，高度55m，基礎(chǔ)底面平均壓力約50kPa。該塔誕生了物理學(xué)中的自由落體定律。成為世界上最珍貴的歷史文物。

目前塔向南傾斜，南北兩端沉降差1.8m，塔頂離中心線5.27m，傾斜5.5°,成為危險(xiǎn)建筑。意大利比薩斜塔第34頁(yè)/共104頁(yè)

塔身向東北方向嚴(yán)重傾斜，塔頂離中心線已達(dá)2.31m，底層塔身發(fā)生不少裂縫，成為危險(xiǎn)建筑物而封閉。

坐落于由上至下依次為雜填土、塊石填土、亞粘土夾塊石、風(fēng)化巖石、基巖等地基上，產(chǎn)生不均勻沉降。第35頁(yè)/共104頁(yè)墨西哥城的土層為深厚的湖相沉積層，土的天然含水量高達(dá)650%

，液限500%，塑性指數(shù)350，孔隙比為15，具有極高的壓縮性。圖中可清晰地看見發(fā)生的沉降及不均勻沉降。第36頁(yè)/共104頁(yè)該工程1911年動(dòng)工，1913年秋完工。同年9月開始向谷倉(cāng)中裝谷物，10月17日谷倉(cāng)1小時(shí)內(nèi)豎向沉降30.5cm，并向西傾斜，24小時(shí)內(nèi)傾倒，傾斜度達(dá)26°53′，西側(cè)下陷7.32m，東側(cè)抬高1.52m。后用388個(gè)50T千斤頂糾正后繼續(xù)使用，但位置較原先下降4m。加拿大特朗斯康谷倉(cāng)第37頁(yè)/共104頁(yè)日本關(guān)西機(jī)場(chǎng)1986年開工，1990年人工島完成，1994年機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)。面積4370×1250m2，平均厚度33m設(shè)計(jì)沉降：5.7-7.5m完成時(shí)(1990年)實(shí)際沉降：8.1m，5cm/月。沉降大且不均勻第38頁(yè)/共104頁(yè)城市建設(shè)中環(huán)境巖土工程的發(fā)展

隨著人口的不斷增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的速度加快，城市建設(shè)中的環(huán)境巖土工程問題日益突出。與城市建設(shè)有關(guān)的巖土工程問題有：城市規(guī)劃中的環(huán)境災(zāi)害海岸、河岸穩(wěn)定及海水浸入；港口航道的淤塞城市防洪及減災(zāi)泥石流第39頁(yè)/共104頁(yè)城市建設(shè)和生產(chǎn)活動(dòng)中的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害地面沉降和地面塌地裂縫淺層抽汲地下水打樁擠土深基坑開挖地下掘進(jìn)城市廢棄物的管理和處置有毒有害物質(zhì)的污染及管理廢棄物的處理第40頁(yè)/共104頁(yè)一.城市環(huán)境災(zāi)害1.洪澇災(zāi)害洪澇災(zāi)害發(fā)生的原因有：圍護(hù)造地使湖泊面積大幅度減小，蓄洪和調(diào)節(jié)洪水的能力大為減弱；掠奪性開發(fā)森林和土地資源造成水土流失加?。缓拥涝O(shè)障嚴(yán)重，影響行洪；堤防標(biāo)準(zhǔn)低，隱患多，抗洪能力差；城市排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)低，淤塞嚴(yán)重。第41頁(yè)/共104頁(yè)2.泥石流

泥石流是威脅山區(qū)城鎮(zhèn)安全的一種環(huán)境災(zāi)害，全國(guó)有100多座縣（市）級(jí)政府駐地及城鎮(zhèn)曾遭受泥石流的威脅和危害。泥石流對(duì)道路橋梁、水利設(shè)施、城市建設(shè)會(huì)造成巨大的破壞。

防治泥石流必須保護(hù)好山地環(huán)境，工程建設(shè)要按照自然規(guī)律辦事，盡可能減少改變自然環(huán)境的已有平衡，并對(duì)可能發(fā)生泥石流的區(qū)域采取避讓、預(yù)檢測(cè)報(bào)、攔擋疏導(dǎo)等措施。第42頁(yè)/共104頁(yè)3.海岸災(zāi)害海岸災(zāi)害包括熱帶風(fēng)暴、海嘯以及海浪沖刷等營(yíng)力作用對(duì)海岸的破壞。海濱的沙灘在波浪長(zhǎng)期作用下，拍浪區(qū)和沖擊區(qū)的沙粒不斷搬移。由于波浪的切割作用，逐漸造成岸坡坍塌，海岸向后移動(dòng)。第43頁(yè)/共104頁(yè)二.城市建設(shè)引發(fā)的環(huán)境災(zāi)害

城市化進(jìn)程中，由于抽汲地下水、地下工程掘進(jìn)、打樁擠土及深基坑開挖等引起地層產(chǎn)生位移，會(huì)對(duì)周圍建筑物、地下管線、路面交通構(gòu)成嚴(yán)重威脅。1.城市地面沉降與地裂縫造成城市地面沉降與地裂縫的原因除地質(zhì)條件外，主要是人為過量開采地下水所致。第44頁(yè)/共104頁(yè)

墨西哥城累計(jì)地面沉降9m，沉降盆地影響范圍225km2；天津市自1958~1985年，累計(jì)沉降量2.83m；上海市1921年至1965年，累計(jì)沉降量2.63m。受海水入浸的地段主要分布在遼東半島、山東半島，山東省受到海水入浸面積達(dá)400km2。地裂縫主要發(fā)生在西安、大同和邯鄲等地。西安共有地裂縫10條，以1~2km的等距排列，總長(zhǎng)度40km，分布面積150km2。最大裂縫寬度80mm，垂直錯(cuò)距140mm，可見深度17m。第45頁(yè)/共104頁(yè)2.地下掘進(jìn)對(duì)地面環(huán)境的影響城市地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，施工過程中由于擠土和盾尾地層損失，盾構(gòu)到達(dá)時(shí)地面發(fā)生隆起，盾尾脫離引起地面沉陷，對(duì)地面環(huán)境造成影響。沿海地區(qū)地鐵隧道多位于淤泥質(zhì)灰色粘土和粉質(zhì)粘土，土層具有孔隙比大、含水率高、滲透性弱、靈敏度高、固結(jié)變形大等特點(diǎn)。第46頁(yè)/共104頁(yè)3.打樁擠土效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的影響城市建設(shè)中，樁基施工往往會(huì)導(dǎo)致附近建筑物或地下設(shè)施（地鐵隧道、上下水管道、通訊電纜等）受到損壞。如上海某高層建筑樁基施工，因附近民房結(jié)構(gòu)較差，基礎(chǔ)埋深淺，造成房屋開裂；同時(shí)附近煤氣管道因土體側(cè)向位移而開裂，引起煤氣泄漏。第47頁(yè)/共104頁(yè)4.深基坑開挖對(duì)城市環(huán)境的影響

20世紀(jì)末，隨著高層建筑的發(fā)展，基坑工程的規(guī)模迅速增大，北京京城大廈基坑深23.76m,上海港匯廣場(chǎng)大廈基坑開挖面積50000m2。城市建成區(qū)的建筑物密度一般比較大，地下市政管線密集，深大基坑開挖引起的土體位移，容易導(dǎo)致相鄰建筑物的不均勻沉降和地下管線變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成建筑物的傾斜、結(jié)構(gòu)開裂甚至倒塌。第48頁(yè)/共104頁(yè)三.城市廢棄物的巖土工程處置

城市化進(jìn)程的加快，產(chǎn)生了大量的人們已經(jīng)無(wú)法容忍的廢棄物，這些廢棄物中含有大量的有毒有害成分，處置不當(dāng)，會(huì)危及人的生命安全。1985年9月13日福建某化工廠芒硝庫(kù)基槽擴(kuò)建施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生H2S、CS2污染環(huán)境，造成8人死亡，21人中毒。城市廢氣物的處置有資源化、無(wú)害化、焚燒處理、巖土工程處理。第49頁(yè)/共104頁(yè)

廢氣物的巖土工程處理，采用衛(wèi)生填埋、礦井儲(chǔ)存、深井壓裂等方法。巖土工程處理的優(yōu)點(diǎn)是處理量大，能源消耗低，但缺點(diǎn)是占地多，要有嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)測(cè)配套。填埋處置首先選擇填埋場(chǎng)，填埋場(chǎng)要有足夠的消納能力，要防止地面和地下水受到廢棄物滲液的污染；填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)基本要求是對(duì)人類無(wú)害；填埋場(chǎng)結(jié)構(gòu)包括：底部襯墊隔離系統(tǒng)、帽蓋封閉系統(tǒng)、排水和滲漏液采集系統(tǒng)、污染監(jiān)控系統(tǒng)。第50頁(yè)/共104頁(yè)水利、水電建設(shè)中的巖土工程

巖土工程在水利水電工程建設(shè)中具有極為廣闊的領(lǐng)域。如壩堤基礎(chǔ)的穩(wěn)定、地下電站建設(shè)、引水隧洞建設(shè)、高邊坡的計(jì)算與建設(shè)、深水圍堰的建設(shè)、庫(kù)區(qū)滑坡體的分析、水利水電的建設(shè)環(huán)境和地下水的滲流等。第51頁(yè)/共104頁(yè)

水電可提供清潔與重復(fù)性的能源，21世紀(jì)我國(guó)要大規(guī)模開發(fā)水電。俄羅斯的羅貢斯克土壩高325m，我國(guó)二灘拱壩高245m。高壩建設(shè)中，面臨一系列巖土工程技術(shù)難題：如船閘高邊坡的計(jì)算與建設(shè)；建壩巖基面的力學(xué)分級(jí)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及多裂隙巖體的強(qiáng)度與變形分析。高壩建設(shè)中遇到的巖土工程問題主要有：一.高壩建設(shè)中的巖土工程第52頁(yè)/共104頁(yè)1.勘探技術(shù)高壩基巖勘探，遇到許多與工程地質(zhì)、巖體力學(xué)有關(guān)的難題，如區(qū)域性的構(gòu)造穩(wěn)定、復(fù)雜巖基、風(fēng)化巖基的力學(xué)特性等。高壩工程要求對(duì)復(fù)雜巖體構(gòu)造作出較詳細(xì)的穩(wěn)定分析與隨機(jī)分析。目前用于高壩建設(shè)中的勘探技術(shù)有：切層掃描技術(shù)（類似地質(zhì)雷達(dá)）、GPS技術(shù)、CT技術(shù)等。第53頁(yè)/共104頁(yè)2.巖體質(zhì)量分級(jí)巖體質(zhì)量分級(jí)有單因素分級(jí)法和多因素綜合分級(jí)法。單因素分級(jí)法是按照單一的特性指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)：如按抗壓強(qiáng)度分級(jí)、按風(fēng)化等級(jí)分級(jí)；多因素分級(jí)法綜合考慮了巖體的強(qiáng)度、變形和滲透性，裂隙巖體分布的密度，裂隙的連續(xù)性，裂隙面的特性及充填物的特性等。第54頁(yè)/共104頁(yè)3.壩基巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)方法有：模型試驗(yàn)法和計(jì)算分析法。模型試驗(yàn)法有地質(zhì)力學(xué)模型、脆性材料模型。計(jì)算分析法有限元法剛性極限平衡法平面線形法、平面非線形夾層法空間復(fù)合模型法、空間非先行夾層法圖解法數(shù)值法整體轉(zhuǎn)動(dòng)法、矢量分析法平面分層、空間整體分析法等K值法單面赤平投影雙面赤平投影第55頁(yè)/共104頁(yè)二.土壩工程

土壩是水利水電工程中的重要建筑物，國(guó)外土壩高度已達(dá)325m，遠(yuǎn)高于砼壩，我國(guó)土壩數(shù)量占大壩總數(shù)的90%。隨著巖土技術(shù)的發(fā)展，土壩設(shè)計(jì)已逐步提高到科學(xué)理論的高度，在以下方面有突出進(jìn)展：

1.土壩的穩(wěn)定分析已經(jīng)從古典的圓弧滑動(dòng)面假定，發(fā)展到考慮條間力的任意滑動(dòng)面的計(jì)算方法。第56頁(yè)/共104頁(yè)2.用有限元方法模擬土壩滲流，使許多復(fù)雜滲流問題得到數(shù)值解。

3.引入仿真破壞模型研究壩體的變形和裂縫。通過剪切帶的發(fā)展、裂縫處的分叉及應(yīng)力局部化問題模擬大壩的破壞，估算大壩的破壞安全度。

4.提出了根據(jù)初始滲流坡降和側(cè)向變形的固結(jié)與變形分析方法，使孔隙壓力和變形計(jì)算更能反映真實(shí)情況。第57頁(yè)/共104頁(yè)5.壩坡穩(wěn)定的動(dòng)力分析方法，可將地震波的性質(zhì)和土的抗震特性合在一起進(jìn)行動(dòng)力分析。

6.土壩建設(shè)的材料由最初的土料與砂卵石料，發(fā)展到任何土石料，如礫質(zhì)土、風(fēng)化巖以及開挖建筑物基礎(chǔ)的石渣等。

7.沉降計(jì)算與固結(jié)理論有了較大的發(fā)展，大壩沉降由計(jì)算單一固結(jié)沉降到計(jì)算初始沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。第58頁(yè)/共104頁(yè)三.地下水電站建設(shè)中巖土工程的成就

地下水電站是指引水道、調(diào)壓井、壓力管道、主廠房及其一部分附屬洞室、尾水洞室等均位于地下的電站。在地質(zhì)條件允許情況下，可充分利用圍巖的承載能力減少支承結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料，降低造價(jià)。隨著巖石力學(xué)的發(fā)展和施工水平的提高，地下廠房開挖斷面越來越大。第59頁(yè)/共104頁(yè)幾個(gè)典型地下水電站廠房尺寸水電站國(guó)家長(zhǎng)*寬*高(m)羅貢俄羅斯200*28*68拉格郎德二級(jí)加拿大483*26*47玉原日本114*27*50劉家峽中國(guó)86*25*59白山中國(guó)121*25*54地下廠房建設(shè)的成就有以下幾點(diǎn)：第60頁(yè)/共104頁(yè)1.設(shè)計(jì)理論：將洞室圍巖由外載轉(zhuǎn)變?yōu)槌休d結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)理論由散粒體理論變?yōu)閺椝苄泽w理論，建立了巖體支護(hù)的概念。

2.地下洞室的計(jì)算方法由定性經(jīng)驗(yàn)法發(fā)展到數(shù)值模擬法。

3.穩(wěn)定的判據(jù)：根據(jù)不連續(xù)介質(zhì)及連續(xù)介質(zhì)的變形穩(wěn)定進(jìn)行分析，利用彈塑性理論和不連續(xù)體理論計(jì)算巖體的屈服變形、快體滑動(dòng)變形，看是否達(dá)到穩(wěn)定收斂作為判據(jù)。第61頁(yè)/共104頁(yè)4.噴錨支護(hù)的分析中引入損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、彈塑性力學(xué)理論，是噴錨技術(shù)的理論分析更加完善。

5.洞室群的施工優(yōu)化：水電站地下洞室往往是成群出現(xiàn)（主廠房、引水管及副廠房、交通洞、調(diào)壓井），規(guī)模巨大，在施工安排上，可以有許多不同的配置，從中可以找出有利于圍巖穩(wěn)定而且經(jīng)濟(jì)的施工方案。第62頁(yè)/共104頁(yè)鐵路建設(shè)中的巖土工程

自1887年我國(guó)修建第一條鐵路至今已有一百多年的歷史，新中國(guó)成立后我國(guó)開始大規(guī)模的鐵路建設(shè)，進(jìn)行了高速、重載鐵路的一系列研究，在鐵路巖土工程技術(shù)方面解決了不少難題。許多新建鐵路穿越地形困難、地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)。鐵路建設(shè)中的巖土工程包括鐵路巖土工程勘探、路基、橋梁基礎(chǔ)及隧道。第63頁(yè)/共104頁(yè)一.鐵路巖土工程的勘探技術(shù)

鐵路工程依地質(zhì)條件選線反映了鐵路巖土工程勘探的綜合水平。衡廣復(fù)線大瑤山、大秦山隧道等把巖石力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和區(qū)域地質(zhì)學(xué)等理論以及航測(cè)遙感技術(shù)與鐵路巖土工程結(jié)合，提高了鐵路巖土工程勘探技術(shù)水平；西康鐵路秦嶺段采用遙感、地面測(cè)繪、多種物探和鉆探相結(jié)合的勘探方法，提出了齊全的分析資料，查明了地質(zhì)構(gòu)造格局，了解了不良地質(zhì)現(xiàn)象的類型和分布。第64頁(yè)/共104頁(yè)二.復(fù)雜地質(zhì)條件下的鐵路工程1.滑坡我國(guó)是個(gè)多山國(guó)家，山區(qū)鐵路占已有鐵路總長(zhǎng)的60%以上，而滑坡崩塌是山區(qū)鐵路常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，占山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的80%以上。山區(qū)鐵路的大規(guī)模建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重性促使了滑坡研究的開展，探討了各類滑坡發(fā)生發(fā)展的機(jī)理、滑坡監(jiān)測(cè)、滑坡預(yù)報(bào)，研究了滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論和滑坡整治措施。第65頁(yè)/共104頁(yè)我國(guó)鐵路部門滑坡研究特點(diǎn)是：

1）重視滑坡本身巖土體及其周圍環(huán)境地質(zhì)條件，分析滑坡發(fā)育和控制條件，用地質(zhì)力學(xué)理論確定滑坡的邊界條件和定量數(shù)值，并以勘探手段證實(shí)動(dòng)力條件和邊界條件。

2）按滑坡的不同發(fā)育階段、特點(diǎn)確定滑帶土的抗剪強(qiáng)度。對(duì)于土質(zhì)滑坡，以實(shí)際滑坡反算值為主，綜合分析，對(duì)比確定。

3）穩(wěn)定性評(píng)價(jià)多采用工程地質(zhì)比擬法分析。第66頁(yè)/共104頁(yè)我國(guó)鐵路部門在滑坡整治中的主要措施是：

1）滑坡排水。采用地表水和地下水的排水措施相結(jié)合，以排除地下水為主。排水措施有：邊坡滲溝、支撐滲溝、排水平孔、截水滲溝等。

2）支撐（擋）工程。采用各種支擋結(jié)構(gòu)在滑坡前部支撐滑坡，主要有抗滑擋墻、錨桿擋墻、抗滑樁?？够瑯妒抢脴杜c其周圍的巖土的共同作用，把滑坡推力傳遞到穩(wěn)定地層，以地層的錨固作用和被動(dòng)抗力平衡滑坡推力的工程措施。第67頁(yè)/共104頁(yè)2.泥石流泥石流是我國(guó)鐵路部門僅次于滑坡、崩塌的地質(zhì)災(zāi)害。我國(guó)鐵路泥石流溝月1400多條，成昆鐵路從1970~1981年間，沿線有47條溝爆發(fā)60余次較大的泥石流。為了防治泥石流鐵路部門進(jìn)行了大量研究，在對(duì)泥石流成因分析的基礎(chǔ)上提出多項(xiàng)影響因素及量級(jí)評(píng)價(jià)、統(tǒng)計(jì)分析和量化處理方法，提出了泥石流的綜合評(píng)判法則。第68頁(yè)/共104頁(yè)

在泥石流預(yù)報(bào)方面，研制了多探頭流位報(bào)警器、地面震動(dòng)報(bào)警器等裝置，并提出了中短期區(qū)域性預(yù)報(bào)方法。對(duì)泥石流的防治，建立了“繞”、“攔”、“排”的工程措施原則和“避重就輕”、“寧寬勿窄”、“按溝設(shè)橋”、“隧道繞避”、“生物防治”等工程措施。第69頁(yè)/共104頁(yè)3.巖溶巖溶地區(qū)鐵路巖土工程的突出問題是準(zhǔn)確查明巖溶的具體位置和發(fā)育形態(tài)，以及地下工程中巖溶突發(fā)性涌水、突泥的評(píng)估和預(yù)報(bào)。鐵路部門從巖溶發(fā)育條件出發(fā)進(jìn)行綜合研究，基本了解了巖溶發(fā)育規(guī)律，進(jìn)行了巖溶地面塌陷模型試驗(yàn)和觀測(cè)，對(duì)巖溶塌陷防治積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。第70頁(yè)/共104頁(yè)三.特殊土條件下的鐵路工程1.軟土地區(qū)的鐵路工程隨著沿海地區(qū)鐵路建設(shè)的發(fā)展，軟土路基加固處理的技術(shù)（包括設(shè)計(jì)計(jì)算、測(cè)試技術(shù)、施工技術(shù)）水平不斷提高。數(shù)值分析推動(dòng)了軟土本構(gòu)模型的發(fā)展；精密的試驗(yàn)控制和原位測(cè)試為工程設(shè)計(jì)與理論研究提供了可靠的依據(jù)；施工技術(shù)和新材料的應(yīng)用為軟土地基加固開拓了新方法。第71頁(yè)/共104頁(yè)軟土路基加固處理措施有：排水固結(jié)法，常用袋裝砂井和塑料板排水固結(jié)，有效處理深度在20m以內(nèi)。粉體深層噴射攪拌法，采用生石灰粉和水泥粉，利用粉噴攪拌機(jī)械加固，有效處理深度不大于13m。土工合成材料加固，將合成材料設(shè)置在路堤底部的砂墊層上，使墊層起反濾、排水、隔離、加固和增強(qiáng)的作用。擠密樁法、石灰樁、旋噴法。第72頁(yè)/共104頁(yè)2.膨脹土地區(qū)的鐵路工程膨脹土對(duì)鐵路路基的破壞主要是：基床隆起和邊坡變形。工程中采取的主要措施有：

1）基床變形的防治。在基床部分摻土、摻砂或摻石灰，改良膨脹土的性質(zhì)。

2）邊坡防護(hù)工程?？捎脻{砌片石護(hù)坡、護(hù)墻防護(hù)、植物防護(hù)、土工網(wǎng)墊、土工纖維護(hù)坡等。

3）邊坡支撐工程。可采用改性土樁或加筋土擋土墻支撐邊坡。第73頁(yè)/共104頁(yè)3.其他特殊土地區(qū)的鐵路工程鐵路部門對(duì)黃土、鹽漬土、多年凍土、和風(fēng)沙土等特殊土類均進(jìn)行了多年研究，掌握了他們的基本特性，提出了工程防治措施，并成功的應(yīng)用于鐵路建設(shè)中。青藏鐵路穿越察爾汗鹽湖和青藏高原多年凍土區(qū)；蘭新鐵路經(jīng)過上千公里的戈壁沙漠地區(qū)；第74頁(yè)/共104頁(yè)四.路基支護(hù)與防護(hù)工程

我國(guó)鐵路路基抗滑支擋工程主要采用擋土墻，20世紀(jì)60年代以前，以漿砌石重力式擋土墻為主；以后出現(xiàn)了不少新型抗滑支擋結(jié)構(gòu)，如錨桿擋土墻、加筋土擋墻、錨定板擋土墻、樁板墻、排架抗滑樁、拉桿錨固樁、扶壁式擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁。第75頁(yè)/共104頁(yè)五.土工合成材料的應(yīng)用

土工合成材料的開發(fā)和應(yīng)用，在我國(guó)起步較晚。我國(guó)鐵路部門于1982年率先在國(guó)內(nèi)應(yīng)用土工合成材料防治鐵路路基基床翻漿冒泥，其后應(yīng)用于軟土路基、支擋結(jié)構(gòu)以及路堤填土邊坡加強(qiáng)。第76頁(yè)/共104頁(yè)1.路基基床翻漿冒泥整治工程在路基基床表層鋪設(shè)土工合成材料復(fù)合沙墊層，形成路基下的復(fù)合結(jié)構(gòu)層，利用土工合成材料的分布荷載作用、隔離作用、反濾作用及加筋作用等改善基床的工作狀態(tài)，達(dá)到防治翻漿冒泥的目的。該工程采用的土工合成材料主要有：土工織物（無(wú)紡）；土工格室；聚合膠板；塑料（聚乙烯）排水板；復(fù)合土工織物等。第77頁(yè)/共104頁(yè)2.軟土路基地基加固工程采用土工織物袋裝砂井排水固結(jié)法加固軟土路基地基。采用土工織物、土工格柵鋪設(shè)在路基基底墊層中，構(gòu)成加筋墊層可有效加固地基。3.支擋建筑物及土體加固工程在鐵路路堤邊坡部位鋪設(shè)一定間隔多層土工織物或土工格柵，可提高土質(zhì)路堤的整體性和邊坡的穩(wěn)定性。第78頁(yè)/共104頁(yè)六.鐵路隧道工程

我國(guó)在鐵路建設(shè)中綜合運(yùn)用各種科技成果，解決在不良地質(zhì)現(xiàn)象條件下，隧道設(shè)計(jì)與施工中有關(guān)巖土工程的五個(gè)難題，積累了大量經(jīng)驗(yàn)。1.隧道綜合地質(zhì)勘探與施工階段地質(zhì)預(yù)報(bào)地質(zhì)勘探的發(fā)展水平是體現(xiàn)隧道科技水平和修建能力的重要標(biāo)志之一，綜合地質(zhì)勘探和強(qiáng)化施工地質(zhì)預(yù)報(bào)是目前發(fā)展的重要趨勢(shì)。第79頁(yè)/共104頁(yè)

及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)開挖面前沿近距離內(nèi)圍巖已存在的地質(zhì)現(xiàn)象（靜態(tài)的），及施工引起的地質(zhì)變化（動(dòng)態(tài)的），對(duì)安全施工非常重要。地質(zhì)勘探采用大地電磁法、航空重磁法、地震反擊法、高密度電法、鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試法、鉆孔瓦斯參數(shù)測(cè)定、微構(gòu)造地應(yīng)力分析法、地下水參數(shù)數(shù)值法、水域地質(zhì)影象法等綜合勘察手段和技術(shù)。第80頁(yè)/共104頁(yè)2.鐵路隧道圍巖分類的發(fā)展圍巖分類不僅用于指導(dǎo)隧道施工，還是初設(shè)階段選定支護(hù)結(jié)構(gòu)的依據(jù)，是控制隧道投資的基本指標(biāo)。我國(guó)20世紀(jì)50~70年代采用巖石堅(jiān)固性系數(shù)分類；70年代中期以圍巖結(jié)構(gòu)特性和完整狀態(tài)為指標(biāo)分類；90年代以后采用多變量分析數(shù)量化理論，確定圍巖等級(jí)判定系數(shù)。第81頁(yè)/共104頁(yè)3.信息化設(shè)計(jì)與施工在隧道施工階段及時(shí)監(jiān)測(cè)開挖后圍巖的變形狀態(tài)，并以此評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性，適時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)甚至施工工藝，以充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力。使支護(hù)和工法獲得最佳效果。信息化設(shè)計(jì)的另一重要方面是反演分析，即根據(jù)量測(cè)信息反求各種參數(shù)，利用反求的參數(shù)對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改或驗(yàn)證。第82頁(yè)/共104頁(yè)4.鐵路隧道的可靠度設(shè)計(jì)中國(guó)鐵路在20世紀(jì)80年代開始對(duì)隧道可靠度設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)備，90年代初立項(xiàng)開展“按可靠度理論修建隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的可行性研究”，以“荷載—結(jié)構(gòu)”模式為突破口，按通用廣義抗力R和廣義效應(yīng)SA建立功能函數(shù)，進(jìn)行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。隨后對(duì)“深埋隧道荷載統(tǒng)計(jì)特征”、“隧道素砼偏心構(gòu)件抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)特征及抗力計(jì)算公式”和“鐵路隧道襯砌幾何尺寸變異結(jié)構(gòu)可靠度分析”研究，并將研第83頁(yè)/共104頁(yè)究成果應(yīng)用于1998年修訂的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中。該規(guī)范不包括噴錨支護(hù)和復(fù)合襯砌，原因是隧道圍巖各種巖類及相關(guān)隨機(jī)系數(shù)的試驗(yàn)研究未開展，不具備按可靠度設(shè)計(jì)的條件。5.不良地質(zhì)條件下的鐵路隧道建設(shè)我國(guó)鐵路隧道建設(shè)遇到的不良地質(zhì)現(xiàn)象有：斷層破碎帶、巖溶、巖爆、瓦斯、大量涌水、富水軟巖、大變形、地下泥石流、風(fēng)積沙層等。在治理中開發(fā)了一系列適用的設(shè)計(jì)施工技術(shù)。第84頁(yè)/共104頁(yè)礦山開采中巖土工程的發(fā)展

采礦工程在地下巖體內(nèi)開鑿井筒、巷道、洞室等，破壞了巖體內(nèi)部原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，開采深度和圍巖暴露面積增大，引起的力學(xué)現(xiàn)象更趨復(fù)雜和嚴(yán)重。解決采礦工程的巖層控制問題，涉及到巖體的力學(xué)性質(zhì)、巖體在力場(chǎng)作用下的變形和破壞規(guī)律及其穩(wěn)定性問題。礦山開采巖土工程具有以下特色：第85頁(yè)/共104頁(yè)

采礦工程的地下結(jié)構(gòu)大都位于較深地層內(nèi)，深部巖體的應(yīng)力狀態(tài)和變形破壞比地表附近的復(fù)雜得多；我國(guó)煤礦大多位于強(qiáng)度低、較松軟的泥質(zhì)沉積巖內(nèi)，軟巖一直是困擾礦井開采的難題。采礦形成百萬(wàn)平方米的碩大空間，由此引起采空區(qū)上方巖層劇烈移動(dòng)、破壞和開采沉陷，對(duì)采礦工程和井上下環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。深井、軟巖、采動(dòng)巖層是采礦工程中的難題。第86頁(yè)/共104頁(yè)一.采動(dòng)巷道的圍巖壓力及控制1.采動(dòng)巷道的圍巖壓力規(guī)律和巷道布置原理我國(guó)曾對(duì)數(shù)千條采動(dòng)巷道進(jìn)行了長(zhǎng)期的礦壓測(cè)試和研究，得出了開采深度、圍巖性質(zhì)、向道位置周圍采動(dòng)狀況及護(hù)巷方法等與巷道礦壓顯現(xiàn)之間的關(guān)系。闡明了采動(dòng)巷道的礦壓規(guī)律，并揭示其與回采空間多維、動(dòng)態(tài)的時(shí)空關(guān)系，形成了融巷道布置、巷道保護(hù)、圍巖卸壓和巷道支護(hù)為一體的采動(dòng)巷道圍巖綜合控制技術(shù)。第87頁(yè)/共104頁(yè)2.采動(dòng)巷道布置與無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)在掌握了采動(dòng)巷道礦壓規(guī)律的基礎(chǔ)上，我國(guó)形成了完善的厚煤層傾斜分層采煤法的巷道布置方式，煤層群巷道的合理布置開拓部署方式，回采工作面在底板巖巷和鄰近煤層巷道上方跨越開采的巷道布置系統(tǒng)。我國(guó)在系統(tǒng)研究和掌握無(wú)煤柱護(hù)巷的礦壓規(guī)律和力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上，改革了自古沿用的煤柱護(hù)巷方法，使煤炭回采率提高10%~20%。第88頁(yè)/共104頁(yè)3.大變形巷道支架—圍巖關(guān)系采動(dòng)、軟巖巷道的圍巖變形量遠(yuǎn)超過現(xiàn)有巖石力學(xué)理論的計(jì)算值，經(jīng)常達(dá)到量級(jí)之差。圍巖大變形主要是在巖體屈服后體積碎脹引起的，因此采動(dòng)、軟巖巷道穩(wěn)定性問題的核心是研究圍巖損傷過程和破壞后的變形機(jī)理和規(guī)律。我國(guó)在大量測(cè)試的基礎(chǔ)上，弄清了各種地質(zhì)開采條件下采動(dòng)巷道的圍巖變形規(guī)律，采動(dòng)過程中不同時(shí)期的第89頁(yè)/共104頁(yè)圍巖變形量和流變速度，及其與原巖應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、護(hù)巷方式、圍巖性質(zhì)、水的浸蝕等之間的關(guān)系。查明了支架阻力對(duì)圍巖變形的控制作用與圍巖屬性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，得出圍巖愈松軟，支護(hù)阻力對(duì)控制圍巖變形的作用愈大，以及不同圍巖條件下巷道支護(hù)阻力與圍巖變形之間呈負(fù)指數(shù)曲線的定量關(guān)系。第90頁(yè)/共104頁(yè)4.圍巖大變形巷道的支護(hù)技術(shù)軟巖巷道的圍巖變形量少則300~500mm，多則2~3m?？刂破渥冃蔚年P(guān)鍵是：確保支架迅速均勻承載，具有較高的初撐力和增阻速度，充分發(fā)揮支架與圍巖的承載能力，并使支架在圍巖變形過程中始終保持較高的支護(hù)阻力。同時(shí)支架應(yīng)具有可縮性，允許圍巖產(chǎn)生一定變形，以釋放能量。軟巖巷道多采用U型鋼支架；堅(jiān)硬巖石巷道采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著的錨桿支護(hù)。第91頁(yè)/共104頁(yè)二.采場(chǎng)礦山壓力及其控制

煤層及礦體的開采過程中，采煤或采有用礦物的工作空間稱為回采工作面或采場(chǎng)。采礦過程中采場(chǎng)周圍巖體的破裂范圍和程度非常大，采場(chǎng)圍巖控制是通過改進(jìn)采礦方法、支護(hù)手段、采空區(qū)處理及其它綜合技術(shù)措施，促使采場(chǎng)圍巖形成可控的、有序的移動(dòng)，以確保高效安全生產(chǎn)。我國(guó)通過研究，掌握了采場(chǎng)礦山壓力規(guī)律，建立了煤礦采場(chǎng)礦山壓力理論，發(fā)展了采場(chǎng)圍巖控制的綜合機(jī)械化技術(shù)，解決了堅(jiān)硬頂板、破碎頂板的圍巖控制難題。第92頁(yè)/共104頁(yè)三.特殊鑿井技術(shù)

我國(guó)華北、東北、華東等地煤層上覆蓋著深厚的含水率高、不穩(wěn)定的表土層，必須采用井巷特殊施工技術(shù)，才能確保工程順利進(jìn)行。

1.凍結(jié)鑿井法。通過凍結(jié)設(shè)備對(duì)土層先凍結(jié)再鑿井，該方法在我國(guó)已有40多年歷史，最大凍結(jié)深度435m。

2.鉆井法。我國(guó)已形成了鉆井、泥漿護(hù)壁、井壁制作、井壁下沉