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淺析巖土工程的發(fā)展
導(dǎo)語：隨著多種所有制工程施工企業(yè)的發(fā)展及跨區(qū)域經(jīng)營障礙被打破，巖土工程市場已處于完全競爭狀態(tài)。巖土工程項(xiàng)目承接主要通過公開招投標(biāo)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)，行業(yè)內(nèi)市場化程度較高，市場集中度偏低。
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)對巖土工程發(fā)展的要求，以及相關(guān)學(xué)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(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�；仡櫸覈�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，不能離開對我國現(xiàn)代土木工程建設(shè)發(fā)展趨勢的分析。
一個(gè)學(xué)科的發(fā)展還受科技水平及相關(guān)學(xué)科發(fā)展的影響。二次大戰(zhàn)后，特別是在20世紀(jì)60年代以來，世界科技發(fā)展很快。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算分析能力和測試能力的提高，使巖土工程計(jì)算機(jī)分析能力和室內(nèi)外測試技術(shù)得到提高和進(jìn)步�？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步還促使巖土工程新材料和新技術(shù)的產(chǎn)生。如近年來土工合成材料的迅速發(fā)展被稱為巖土工程的一次革命�，F(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)特點(diǎn)是學(xué)科間相互滲透，產(chǎn)生學(xué)科交叉并不斷出現(xiàn)新的學(xué)科，這種發(fā)展態(tài)勢也影響巖土工程的發(fā)展。
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(yàn)結(jié)果。周鏡院士指出：“眾所周知，目前我國評價(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密度來評價(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。以往人們對巖土材料的共性、或者對某類土的共性比較重視，而對其個(gè)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(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�？磥恚髨D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)。
4 不同介質(zhì)間相互作用及共同分析
李廣信(1998)認(rèn)為巖土工程不同介質(zhì)間相互作用及共同作用分析研究可以分為三個(gè)層次：①巖土材料微觀層次的相互作用;②土與復(fù)合土或土與加筋材料之間的相互作用;③地基與建(構(gòu))筑物之間相互作用[2]。
土體由固、液、氣三相組成。其中固相是以顆粒形式的散體狀態(tài)存在。固、液、氣三相間相互作用對土的工程性質(zhì)有很大的影響。土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的復(fù)雜性從根本上講都與土顆粒相互作用有關(guān)。從顆粒間的微觀作用入手研究土的本構(gòu)關(guān)系是非常有意義的。通過土中固、液、氣相相互作用研究還將促進(jìn)非飽和土力學(xué)理論的發(fā)展，有助于進(jìn)一步了解各類非飽和土的工程性質(zhì)。
與土體相比，巖體的結(jié)構(gòu)有其特殊性。巖體是由不同規(guī)模、不同形態(tài)、不同成因、不同方向和不同序次的結(jié)構(gòu)面圍限而成的結(jié)構(gòu)體共同組成的綜合體，巖體在工程性質(zhì)上具有不連續(xù)性。巖體工程性質(zhì)還具有各向異性和非均一性。結(jié)合巖體斷裂力學(xué)和其它新理論、新方法的研究進(jìn)展，開展影響工程巖體穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)面幾何學(xué)效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)研究也是非常有意義的。
當(dāng)天然地基不能滿足建(構(gòu))筑物對地基要求時(shí)，需要對天然地基進(jìn)行處理形成人工地基。樁基礎(chǔ)、復(fù)合地基和均質(zhì)人工地基是常遇到的三種人工地基形式。研究樁體與土體、復(fù)合地基中增強(qiáng)體與土體之間的相互作用，對了解樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基的承載力和變形特性是非常有意義的。
地基與建(構(gòu))筑物相互作用與共同分析已引起人們重視并取得一些成果，但將共同作用分析普遍應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，其差距還很大。大部分的工程設(shè)計(jì)中，地基與建筑物還是分開設(shè)計(jì)計(jì)算的。進(jìn)一步開展地基與建(構(gòu))筑物共同作用分析有助于對真實(shí)工程性狀的深入認(rèn)識(shí)，提高工程設(shè)計(jì)水平。現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展為地基與建(構(gòu))筑物共同作用分析提供了良好的條件。目前迫切需要解決各類工程材料以及相互作用界面的實(shí)用本構(gòu)模型，特別是界面間相互作用的合理模擬。
5 巖土工程測試技術(shù)
巖土工程測試技術(shù)不僅在巖土工程建設(shè)實(shí)踐中十分重要，而且在巖土工程理論的形成和發(fā)展過程中也起著決定性的作用。理論分析、室內(nèi)外測試和工程實(shí)踐是巖土工程分析三個(gè)重要的方面。巖土工程中的許多理論是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，如Terzaghi的有效應(yīng)力原理是建立在壓縮試驗(yàn)中孔隙水壓力的測試基礎(chǔ)上的，Darcy定律是建立在滲透試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，劍橋模型是建立在正常固結(jié)粘土和微超固結(jié)粘土壓縮試驗(yàn)和等向三軸壓縮試驗(yàn)基礎(chǔ)上的。測試技術(shù)也是保證巖土工程設(shè)計(jì)的合理性和保證施工質(zhì)量的重要手段。
巖土工程測試技術(shù)一般分為室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)、原位試驗(yàn)技術(shù)和現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)等幾個(gè)方面。在原位測試方面，地基中的位移場、應(yīng)力場測試，地下結(jié)構(gòu)表面的土壓力測試，地基土的強(qiáng)度特性及變形特性測試等方面將會(huì)成為研究的重點(diǎn)，隨著總體測試技術(shù)的進(jìn)步，這些傳統(tǒng)的難點(diǎn)將會(huì)取得突破性進(jìn)展。虛擬測試技術(shù)將會(huì)在巖土工程測試技術(shù)中得到較廣泛的應(yīng)用。及時(shí)有效地利用其他學(xué)科科學(xué)技術(shù)的成果，將對推動(dòng)巖土工程領(lǐng)域的測試技術(shù)發(fā)展起到越來越重要的作用，如電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測量技術(shù)、光學(xué)測試技術(shù)、航測技術(shù)、電、磁場測試技術(shù)、聲波測試技術(shù)、遙感測試技術(shù)等方面的新的進(jìn)展都有可能在巖土工程測試方面找到應(yīng)用的結(jié)合點(diǎn)。測試結(jié)果的可靠性、可重復(fù)性方面將會(huì)得到很大的提高。由于整體科技水平的提高，測試模式的改進(jìn)及測試儀器精度的改善，最終將導(dǎo)致巖土工程方面測試結(jié)果在可信度方面的大大改進(jìn)。
6 巖土工程問題計(jì)算機(jī)分析
雖然巖土工程計(jì)算機(jī)分析在大多數(shù)情況下只能給出定性分析結(jié)果，但巖土工程計(jì)算機(jī)分析對工程師決策是非常有意義的。開展巖土工程問題計(jì)算機(jī)分析研究是一個(gè)重要的研究方向。巖土工程問題計(jì)算機(jī)分析范圍和領(lǐng)域很廣，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算分析領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大。除前面已經(jīng)談到的本構(gòu)模型和不同介質(zhì)間相互作用和共同分析外，還包括各種數(shù)值計(jì)算方法，土坡穩(wěn)定分析，極限數(shù)值方法和概率數(shù)值方法，專家系統(tǒng)、AutoCAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在巖土工程中應(yīng)用，以及巖土工程反分析等方面。巖土工程計(jì)算機(jī)分析還包括動(dòng)力分析，特別是抗震分析。巖土工程計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方法除常用的有限元法和有限差分法外，離散單元法(DEM)、拉格朗日元法(FLAC)，不連續(xù)變形分析方法(DDA)，流形元法(MEM)和半解析元法(SAEM)等也在巖土工程分析中得到應(yīng)用[3]。
根據(jù)原位測試和現(xiàn)場監(jiān)測得到巖土工程施工過程中的各種信息進(jìn)行反分析，根據(jù)反分析結(jié)果修政設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。這種信息化施工方法被認(rèn)為是合理的施工方法，是發(fā)展方向。
7 巖土工程可靠度分析
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中我國已采用以概率理論為基礎(chǔ)并通過分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在這一點(diǎn)尚未統(tǒng)一。應(yīng)用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法是方向。由于巖土工程的特殊性，巖土工程應(yīng)用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)在技術(shù)上還有許多有待解決的問題。目前要根據(jù)巖土工程特點(diǎn)積極開展巖土工程問題可靠度分析理論研究，使上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法盡早統(tǒng)一起來。
8 環(huán)境巖土工程研究
環(huán)境巖土工程是巖土工程與環(huán)境科學(xué)密切結(jié)合的一門新學(xué)科。它主要應(yīng)用巖土工程的觀點(diǎn)、技術(shù)和方法為治理和保護(hù)環(huán)境服務(wù)。人類生產(chǎn)活動(dòng)和工程活動(dòng)造成許多環(huán)境公害，如采礦造成采空區(qū)坍塌，過量抽取地下水引起區(qū)域性地面沉降，工業(yè)垃圾、城市生活垃圾及其它廢棄物，特別有毒有害廢棄物污染環(huán)境，施工擾動(dòng)對周圍環(huán)境的影響等等。另外，地震、洪水、風(fēng)沙、泥石流、滑坡、地裂縫、隱伏巖溶引起地面塌陷等災(zāi)害對環(huán)境造成破壞。上述環(huán)境問題的治理和預(yù)防給巖土工程師們提出了許多新的研究課題。隨著城市化、工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程加快，環(huán)境巖土工程研究將更加重要。應(yīng)從保持良好的生態(tài)環(huán)境和保持可持續(xù)發(fā)展的高度來認(rèn)識(shí)和重視環(huán)境巖土工程研究。
9 按沉降控制設(shè)計(jì)理論
建(構(gòu))筑物地基一般要同時(shí)滿足承載力的要求和小于某一變形沉降量(包括小于某一沉降差)的要求。有時(shí)承載力滿足要求后，其變形和沉降是否滿足要求基本上可以不驗(yàn)算。這里有二種情況：一種是承載力滿足后，沉降肯定很小，可以不進(jìn)行驗(yàn)算，例如端承樁樁基礎(chǔ);另一種是對變形沒有嚴(yán)格要求，例如一般路堤地基和砂石料等松散原料堆場地基等。也有沉降量滿足要求后，承載力肯定滿足要求而可以不進(jìn)行驗(yàn)算。在這種情況下可只按沉降量控制設(shè)計(jì)。
在深厚軟粘土地基上建造建筑物，沉降量和差異沉降量控制是問題的關(guān)鍵。軟土地基地區(qū)建筑地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差過大造成的，特別是不均勻沉降對建筑物的危害最大。深厚軟粘土地基建筑物的沉降量與工程投資密切相關(guān)。減小沉降量需要增加投資，因此，合理控制沉降量非常重要。按沉降控制設(shè)計(jì)既可保證建筑物安全又可節(jié)省工程投資。
按沉降控制設(shè)計(jì)不是可以不管地基承載力是否滿足要求，在任何情況下都要滿足承載力要求。按沉降控制設(shè)計(jì)理論本身也包含對承載力是否滿足要求進(jìn)行驗(yàn)算。
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