論巖土工程的發(fā)展與展望

趙彩飛，梁仁旺

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 引言

巖土工程是一門將巖體力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)以及土力學(xué)基礎(chǔ)工程三者結(jié)合在一起，用于土木工程實(shí)踐的新學(xué)科。展望巖土工程的發(fā)展，需要綜合考慮巖土工程各個(gè)學(xué)科的特點(diǎn)，結(jié)合工程建設(shè)中對巖土工程新的要求，以及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展對巖土工程產(chǎn)生的影響。巖土工程所研究的對象為土體和巖體。土體和巖體在其形成的漫長歷史過程中，經(jīng)歷了各種各樣的地質(zhì)作用，所以有著相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。土體和巖體都存在著地域性的差異，所以不同地區(qū)的工程性質(zhì)也存在著差異。

土和巖石的滲透特性、變形特性以及強(qiáng)度特性均需要通過試驗(yàn)來測定。而由于在取樣和試驗(yàn)過程中，都不可避免地改變了試樣的邊界條件、初始應(yīng)力等，所以測試得到的結(jié)果難免存在誤差，因此不估計(jì)。

巖石與土的材料以及試驗(yàn)特征，決定了巖土工程這門學(xué)科的特殊性。巖土工程學(xué)科是一門應(yīng)用學(xué)科，在這門學(xué)科的運(yùn)用中，想要得出滿意的結(jié)果，需要應(yīng)用綜合的理論知識、室內(nèi)外試驗(yàn)的檢測結(jié)果以及工程師的工程經(jīng)驗(yàn)。巖土工程學(xué)的發(fā)展是緊緊圍繞著土木工程中出現(xiàn)的巖土問題而發(fā)展的，國家建設(shè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了土木工程的大肆發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)了巖土工程的的發(fā)展；同時(shí)由于計(jì)算機(jī)電子產(chǎn)業(yè)的興起，提高了巖土工程的分析、計(jì)算、測試能力；新型材料和新型技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了巖土工程的技術(shù)革命。

2 測試巖土技術(shù)

在現(xiàn)代巖土工程中，鉆探取樣是勘測巖土性狀的核心辦法，鉆探技術(shù)以及檢測技術(shù)隨著科技的進(jìn)步已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。在工程實(shí)踐中，運(yùn)用高新科技實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)以及試驗(yàn)的智能化，盡可能節(jié)省時(shí)間、人力和物力，依然是巖土工程施工的主要方向。

2.1 靜力觸探（CPT）

CPT為一種電子的測試技術(shù)。試驗(yàn)過程中先向土體內(nèi)壓入錐形探頭，分析土體對探頭反作用所引起的電阻率變化，進(jìn)而求出側(cè)壁的摩阻以及錐尖的阻力，然后繪制出隨深度變化的相關(guān)曲線，根據(jù)此曲線精確地劃分出各地層，并計(jì)算各個(gè)地層的承載力和抗剪強(qiáng)度。這類試驗(yàn)在計(jì)算樁的樁端反力和側(cè)阻力中精度很高。

目前，靜力觸探向多功能發(fā)展，它不僅可以分層鑒別各土層，還可以測試土體的固結(jié)系數(shù)，判斷砂土液化和震陷，估測土的抗剪強(qiáng)度、應(yīng)力史、地基變形模量、單樁承載力。在新的CPT技術(shù)中，聲波遙感技術(shù)將會(huì)取代電阻應(yīng)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無電纜操作試驗(yàn)。試驗(yàn)的貫入深度將不會(huì)受到設(shè)備和地層的限制，并將目前的4大功能（貫入阻力、孔隙壓力、側(cè)壁摩阻和測斜）探頭變?yōu)椴煌δ艿奶筋^或者多功能探頭。

2.2 自鉆旁壓儀（PMT）

在原位試驗(yàn)當(dāng)中，邊界條件最為明確的一類試驗(yàn)就是自鉆旁壓儀（PMT），但是其試驗(yàn)成果卻很難應(yīng)用于實(shí)踐。近年來，由于電腦自動(dòng)化控制與微處理器的發(fā)展，以及臨界狀態(tài)土力學(xué)的漸漸成熟，使PMT試驗(yàn)的成果分析有了新的發(fā)展；自鉆旁壓儀和智能化鉆機(jī)組合，在試驗(yàn)中克服了深度的限制；遙感技術(shù)的發(fā)展使得后期數(shù)據(jù)處理能夠自動(dòng)完成。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）

目前，在國際上最常用、應(yīng)用最廣的勘探及原位試驗(yàn)仍是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。到目前為止，SPT仍是在世界上地震和震陷液化發(fā)生地區(qū)積累最多經(jīng)驗(yàn)的原位試驗(yàn)，所以，評定液化和震陷最為權(quán)威的試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)中，采用智能化鉆機(jī)在標(biāo)貫取樣和控制自由落錘的沖擊能方面得到更好的發(fā)展，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

2.4 側(cè)脹儀（DMT）

側(cè)脹儀也稱為應(yīng)力鏟或者扁鏟。側(cè)脹儀可以更加快捷、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地測定土力學(xué)的各個(gè)重要參數(shù)，此方法已被列入歐洲、美國的規(guī)范。側(cè)脹儀可用在確定不排水剪切強(qiáng)度CU（黏土）、約束模量M（黏土和砂土）、確定土的分層、計(jì)算沉降量、控制壓實(shí)密度等試驗(yàn)中，也可以測定黏土的側(cè)壓力系數(shù)和超固結(jié)比、模擬側(cè)向荷載下樁的荷載-位移曲線、判斷砂土液化程度，還可以得到黏土的滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)，確定黏土斜坡中滑移面的位置。

3 巖土工程的研究方法

巖土工程作為土木工程的分支，已經(jīng)廣泛涉及到了各行各業(yè)，研究巖土工程學(xué)的方法也是多種多樣的。

3.1 分析巖土工程的可靠度

設(shè)計(jì)地基基礎(chǔ)時(shí)，一般設(shè)計(jì)方向是采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法。而由于巖土工程學(xué)本身的特殊性，此類設(shè)計(jì)在巖土工程應(yīng)用技術(shù)上還存在著許多未能解決的問題。目前，結(jié)合巖土工程的自身特點(diǎn)，進(jìn)行巖土工程問題的可靠度分析的理論研究，實(shí)現(xiàn)了地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向的統(tǒng)一。

3.2 沉降的設(shè)計(jì)理論

建（構(gòu)）筑物的地基一般需要同時(shí)滿足其極限承載力和小于變形沉降量的要求。有時(shí)滿足承載力的要求后，可不驗(yàn)算其沉降量和變形量，這基本有以下兩類情況：一類是對變形量沒有嚴(yán)格的要求；另一類是在滿足承載力之后，沉降量很小，可不驗(yàn)算。建筑物若建造在深厚的軟黏土地基基礎(chǔ)上，控制沉降量與差異沉降量是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。軟土地基上的大部分工程事故都是由建筑物沉降所引起的，加固沉降需要加大投資，所以，合理的設(shè)計(jì)方案不僅可以控制建筑物的沉降，而且可以有效節(jié)約工程成本。

3.3 基坑工程中圍護(hù)體系的變形與穩(wěn)定

建筑技術(shù)不斷進(jìn)步，使得對地下工程的要求逐步增高，深基坑工程量也隨之增加，在工程中，基坑穩(wěn)定性和變形非常重要。計(jì)算變形與穩(wěn)定性需要著重注意以下方面：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、土壓力的計(jì)算、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、圍護(hù)體系的形式和基坑開挖時(shí)對周圍造成的影響等。基坑工程是一個(gè)非常系統(tǒng)的工程，要同時(shí)考慮到土的變形、滲流和穩(wěn)定這3方面的問題，結(jié)合土體和結(jié)構(gòu)的協(xié)同合作，作為一個(gè)綜合性問題來進(jìn)行考慮。

3.4 復(fù)合地基

復(fù)合地基是指在處理天然地基的過程中，置換或增強(qiáng)部分土體，又或在天然地基中加入一些材料，因此，加固區(qū)是增強(qiáng)體和天然地基兩部分共同組成的地基?？茖W(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得復(fù)合地基也得到了很多的技術(shù)支持，出現(xiàn)了各類型組合形式。根據(jù)增強(qiáng)體的方向，復(fù)合地基可分為豎向和水平兩大類，同時(shí)由于荷載的傳遞機(jī)理，豎向復(fù)合地基又可分為剛性樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基和散體材料樁復(fù)合地基。

3.5 巖土工程的發(fā)展

巖土工程的發(fā)展基礎(chǔ)是技術(shù)創(chuàng)新，新技術(shù)的開發(fā)帶動(dòng)工程施工工藝的改進(jìn)，可以進(jìn)一步提高施工的質(zhì)量，拓寬巖土工程的涉及范圍，巖土工程學(xué)科的生命力也得到了加強(qiáng)。在不斷發(fā)展新技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該特別重視以下幾個(gè)特殊巖土工程問題的研究：越海越江地下隧道中巖土方面的工程問題；水庫區(qū)域由于水位的變化引起的山體邊坡上的問題；超高層建筑要求的超深基礎(chǔ)中的巖土問題；大型地下工程中土體變形、破壞問題等。

4 結(jié)束語

總而言之，將巖土工程與現(xiàn)代科技緊密結(jié)合，不斷克服各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，提高勘探、設(shè)計(jì)、研究水平是巖土工程一直以來的方向。此外，多接觸國際先進(jìn)技術(shù)，互相交流工程經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)巖土工程事業(yè)的共同發(fā)展，將巖土工程學(xué)科推向新的高度。

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