2013年巖土工程師專業(yè)考試精講：巖土工程

　　巖土工程

　　(一)巖土工程：是歐美國家于20世紀(jì)60年代在土木工程實(shí)踐中建立起來的一種新的技術(shù)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(chǔ)、邊坡和地下工程等問題，作為自己的研究對(duì)象。

　　地上、地下和水中的各類工程統(tǒng)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(yè)是土木工程的分支，是運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)解決各類工程中關(guān)于巖石、土的工程技術(shù)問題的科學(xué)。按照工程建設(shè)階段劃分，工作內(nèi)容可以分為：巖土工程勘察、巖土工程設(shè)計(jì)、巖土工程治理、巖土工程監(jiān)測、巖土工程檢測。

　　(二)主要研究方向包括：

　?、俪鞘械叵驴臻g與地下工程：以城市地下空間為主體，研究地下空間開發(fā)利用過程中的各種環(huán)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法和地下工程的施工技術(shù)(如淺埋暗挖、盾構(gòu)法、凍結(jié)法、降水排水法、沉管法、TBM法等)及其優(yōu)化措施等等。

　?、谶吰屡c基坑工程：重點(diǎn)研究基坑開挖(包括基坑降水)對(duì)鄰近既有建筑和環(huán)境的影響，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠度分析技術(shù)，邊坡穩(wěn)定分析理論以及新型支護(hù)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用等。

　　③地基與基礎(chǔ)工程：重點(diǎn)開展地基模型及其計(jì)算方法、參數(shù)研究，地基處理新技術(shù)、新方法和檢測技術(shù)的研究，建筑基礎(chǔ)(如柱下條形基礎(chǔ)、十字交叉基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)等)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用機(jī)理和規(guī)律研究等。

　　巖土工程發(fā)展前景

　　1.引言

　　展望巖土工程的發(fā)展，筆者認(rèn)為需要綜合考慮巖土工程學(xué)科特點(diǎn)、工程建設(shè)對(duì)巖土工程發(fā)展的要求，以及相關(guān)學(xué)科發(fā)展對(duì)巖土工程的影響。

　　巖土工程研究的對(duì)象是巖體和土體。巖體在其形成和存在的整個(gè)地質(zhì)歷史過程中，經(jīng)受了各種復(fù)雜的地質(zhì)作用，因而有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場環(huán)境。而不同地區(qū)的不同類型的巖體，由于經(jīng)歷的地質(zhì)作用過程不同，其工程性質(zhì)往往具有很大的差別。

　　巖石出露地表后，經(jīng)過風(fēng)化作用而形成土，它們或留存在原地，或經(jīng)過風(fēng)、水及冰川的剝蝕和搬運(yùn)作用在異地沉積形成土層。在各地質(zhì)時(shí)期各地區(qū)的風(fēng)化環(huán)境、搬運(yùn)和沉積的動(dòng)力學(xué)條件均存在差異性，因此土體不僅工程性質(zhì)復(fù)雜而且其性質(zhì)的區(qū)域性和個(gè)性很強(qiáng)。

　　巖石和土的強(qiáng)度特性、變形特性和滲透特性都是通過試驗(yàn)測定。在室內(nèi)試驗(yàn)中，原狀試樣的代表性、取樣過程中不可避免的擾動(dòng)以及初始應(yīng)力的釋放，試驗(yàn)邊界條件與地基中實(shí)際情況不同等客觀原因所帶來的誤差，使室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與地基中巖土實(shí)際性狀發(fā)生差異。

　　在原位試驗(yàn)中，現(xiàn)場測點(diǎn)的代表性、埋設(shè)測試元件時(shí)對(duì)巖土體的擾動(dòng)，以及測試方法的可靠性等所帶來的誤差也難以估計(jì)。

　　巖土材料及其試驗(yàn)的上述特性決定了巖土工程學(xué)科的特殊性。巖土工程是一門應(yīng)用科學(xué)，在巖土工程分析時(shí)不僅需要運(yùn)用綜合理論知識(shí)、室內(nèi)外測成果、還需要應(yīng)用工程師的經(jīng)驗(yàn)，才能獲得滿意的結(jié)果。在展望巖土工程發(fā)展時(shí)不能不重視巖土工程學(xué)科的特殊性以及巖土工程問題分析方法的特點(diǎn)。

　　土木工程建設(shè)中出現(xiàn)的巖土工程問題促進(jìn)了巖土工程學(xué)科的發(fā)展。例如在土木工程建設(shè)中最早遇到的是土體穩(wěn)定問題。土力學(xué)理論上的最早貢獻(xiàn)是1773年庫倫建立了庫倫定律。隨后發(fā)展了Rankine(1857)理論和Fellenius(1926)圓弧滑動(dòng)分析理論。

　　為了分析軟粘土地基在荷載作用下沉降隨時(shí)間發(fā)展的過程，Terzaghi(1925)發(fā)展了一維固結(jié)理論。回顧我國近50年以來巖土工程的發(fā)展，它是緊緊圍繞我國土木工程建設(shè)中出現(xiàn)的巖土工程問題而發(fā)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(shè)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(fā)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(shè)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(huán)境成為現(xiàn)代土木工程建設(shè)的特點(diǎn)。

　　人口的增長加速了城市發(fā)展，城市化的進(jìn)程促進(jìn)了大城市在數(shù)量和規(guī)模上的急劇發(fā)展。人們將不斷拓展新的生存空間，開發(fā)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(fā)展，不能離開對(duì)我國現(xiàn)代土木工程建設(shè)發(fā)展趨勢的分析。

　　巖土工程是20世紀(jì)60年代末至70年代初，將土力學(xué)及基礎(chǔ)工程、工程地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)三者逐漸結(jié)合為一體并應(yīng)用于土木工程實(shí)際而形成的新學(xué)科。巖土工程的發(fā)展將圍繞現(xiàn)代土木工程建設(shè)中出現(xiàn)的巖土工程問題并將融入其他學(xué)科取得的新成果。巖土工程涉及土木工程建設(shè)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(wěn)定、變形和滲流問題。筆者認(rèn)為下述12個(gè)方面是應(yīng)給予重視的研究領(lǐng)域，從中可展望21世紀(jì)巖土工程的發(fā)展。

　　2.區(qū)域性土分布和特性的研究

　　經(jīng)典土力學(xué)是建立在無結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理想的粘性土和無粘性土基礎(chǔ)上的。但由于形成條件、形成年代、組成成分、應(yīng)力歷史不同，土的工程性質(zhì)具有明顯的區(qū)域性。

　　周鏡在黃文熙講座〔1〕中詳細(xì)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(fēng)化碎片為主的片狀砂的工程特性，比較了與福建石英質(zhì)砂在變形特性、動(dòng)靜強(qiáng)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(zhì)。然而人們以往對(duì)砂的工程性質(zhì)的了解，主要根據(jù)對(duì)石英質(zhì)砂的大量室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果。

　　周鏡院士指出：“眾所周知，目前我國評(píng)價(jià)飽和砂液化勢的原位測試方法，即標(biāo)準(zhǔn)貫入法和靜力觸探法，主要是依據(jù)石英質(zhì)砂地層中的經(jīng)驗(yàn)，特別是唐山地震中的經(jīng)驗(yàn)。有的規(guī)程中用飽和砂的相對(duì)密度來評(píng)價(jià)它的液化勢。顯然這些準(zhǔn)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(zhì)，與標(biāo)準(zhǔn)石英砂的差異說明土具有明顯的區(qū)域性，這一現(xiàn)象具有一定的普遍性。國內(nèi)外巖土工程師們發(fā)現(xiàn)許多地區(qū)的飽和粘土的工程性質(zhì)都有其不同的特性，如倫敦粘土、波士頓藍(lán)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(gè)性對(duì)工程建設(shè)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(jī)質(zhì)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(jīng)發(fā)現(xiàn)上海粘土、湛江粘土和昆明粘土的工程性質(zhì)存在較大差異。以往人們對(duì)巖土材料的共性、或者對(duì)某類土的共性比較重視，而對(duì)其個(gè)性深入系統(tǒng)的研究較少。

　　對(duì)各類各地區(qū)域性土的工程性質(zhì)，開展深入系統(tǒng)研究是巖土工程發(fā)展的方向。探明各地區(qū)域性土的分布也有許多工作要做。巖土工程師們應(yīng)該明確只有掌握了所在地區(qū)土的工程特性才能更好地為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

　　3.本構(gòu)模型研究

　　在經(jīng)典土力學(xué)中沉降計(jì)算將土體視為彈性體，采用布西奈斯克公式求解附加應(yīng)力，而穩(wěn)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(shí)際土體的應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度(有時(shí)還包括時(shí)間)關(guān)系的本構(gòu)模型可以將變形計(jì)算和穩(wěn)定分析結(jié)合起來。

　　自Roscoe與他的學(xué)生(1958～1963)創(chuàng)建劍橋模型至今，各國學(xué)者已發(fā)展了數(shù)百個(gè)本構(gòu)模型，但得到工程界普遍認(rèn)可的極少，嚴(yán)格地說尚沒有。巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系則更為復(fù)雜?？磥?，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(gòu)模型是困難的，或者說是不可能的。

　　因?yàn)閷?shí)際工程土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是很復(fù)雜的，具有非線性、彈性、塑性、粘性、剪脹性、各向異性等等，同時(shí)，應(yīng)力路徑、強(qiáng)度發(fā)揮度、以及巖土的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)、溫度等均對(duì)其有影響。

　　開展巖土的本構(gòu)模型研究可以從兩個(gè)方向努力：一是努力建立用于解決實(shí)際工程問題的實(shí)用模型;一是為了建立能進(jìn)一步反映某些巖土體應(yīng)力應(yīng)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(nèi)時(shí)模型和損傷模型，以及結(jié)構(gòu)性模型等。

　　它們應(yīng)能較好反映巖土的某種或幾種變形特性，是建立工程實(shí)用模型的基礎(chǔ)。工程實(shí)用模型應(yīng)是為某地區(qū)巖土、某類巖土工程問題建立的本構(gòu)模型，它應(yīng)能反映這種情況下巖土體的主要性狀。用它進(jìn)行工程計(jì)算分析，可以獲得工程建設(shè)所需精度的滿意的分析結(jié)果。

　　例如建立適用于基坑工程分析的上海粘土實(shí)用本構(gòu)模型、適用于沉降分析的上海粘土實(shí)用本構(gòu)模型，等等。筆者認(rèn)為研究建立多種工程實(shí)用模型可能是本構(gòu)模型研究的方向。

　　在以往本構(gòu)模型研究中不少學(xué)者只重視本構(gòu)方程的建立，而不重視模型參數(shù)測定和選用研究，也不重視本構(gòu)模型的驗(yàn)證工作。在以后的研究中特別要重視模型參數(shù)測定和選用，重視本構(gòu)模型驗(yàn)證以及推廣應(yīng)用研究。只有這樣，才能更好為工程建設(shè)服務(wù)。

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