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60年代在土木工程實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，是運用工程地質(zhì)學、土力學、巖石力學解決各類工程中關(guān)于巖石、土的工程技術(shù)問題的科學。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、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、計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：重點研究基坑開挖(包括基坑降水)對鄰近既有建筑和環(huán)境的影響，基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論和方法，基坑支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和可靠度分析技術(shù)，邊坡穩(wěn)定分析理論以及新型支護技術(shù)的開發(fā)應用等。

　?、鄣鼗c基礎(chǔ)工程：重點開展地基模型及其計算方法、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，筆者認為需要綜合考慮巖土工程學科特點、工程建設(shè)對巖土工程發(fā)展的要求，以及相關(guān)學科發(fā)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(zhì)歷史過程中，經(jīng)受了各種復雜的地質(zhì)作用，因而有著復雜的結(jié)構(gòu)和地應力場環(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)過風化作用而形成土，它們或留存在原地，或經(jīng)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(zhì)時期各地區(qū)的風化環(huán)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(zhì)復雜而且其性質(zhì)的區(qū)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(nèi)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(nèi)試驗結(jié)果與地基中巖土實際性狀發(fā)生差異。

　　在原位試驗中，現(xiàn)場測點的代表性、埋設(shè)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(nèi)外測成果、還需要應用工程師的經(jīng)驗，才能獲得滿意的結(jié)果。在展望巖土工程發(fā)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(shè)中出現(xiàn)的巖土工程問題促進了巖土工程學科的發(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。土力學理論上的最早貢獻是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(fā)展的過程，Terzaghi(1925)發(fā)展了一維固結(jié)理論?；仡櫸覈?0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。

　　人口的增長加速了城市發(fā)展，城市化的進程促進了大城市在數(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60年代末至70年代初，將土力學及基礎(chǔ)工程、工程地質(zhì)學、巖體力學三者逐漸結(jié)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(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。筆者認為下述12個方面是應給予重視的研究領(lǐng)域，從中可展望21世紀巖土工程的發(fā)展。

　　2.區(qū)域性土分布和特性的研究

　　經(jīng)典土力學是建立在無結(jié)構(gòu)強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(zhì)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(zhì)。然而人們以往對砂的工程性質(zhì)的了解，主要根據(jù)對石英質(zhì)砂的大量室內(nèi)外試驗結(jié)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(jù)石英質(zhì)砂地層中的經(jīng)驗，特別是唐山地震中的經(jīng)驗。有的規(guī)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(zhì)，與標準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(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(tǒng)的研究較少。

　　對各類各地區(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)濟建設(shè)服務。

　　3.本構(gòu)模型研究

　　在經(jīng)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(wěn)定分析則將土體視為剛塑性體，采用極限平衡法分析。采用比較符合實際土體的應力-應變-強度(有時還包括時間)關(guān)系的本構(gòu)模型可以將變形計算和穩(wěn)定分析結(jié)合起來。

　　自Roscoe與他的學生(1958～1963)創(chuàng)建劍橋模型至今，各國學者已發(fā)展了數(shù)百個本構(gòu)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(guān)系則更為復雜?？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。

　　因為實際工程土的應力-應變關(guān)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(fā)揮度、以及巖土的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)、溫度等均對其有影響。

　　開展巖土的本構(gòu)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(nèi)時模型和損傷模型，以及結(jié)構(gòu)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(chǔ)。工程實用模型應是為某地區(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(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用本構(gòu)模型、適用于沉降分析的上海粘土實用本構(gòu)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(gòu)模型研究的方向。

　　在以往本構(gòu)模型研究中不少學者只重視本構(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)模型驗證以及推廣應用研究。只有這樣，才能更好為工程建設(shè)服務。

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