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1、1,各位新同事,上午好！,2,岩土工程 基本理论与应用,代志宏,3,目 录,岩土工程的概念 岩土工程专业体制的现状与发展趋势 岩土工程学的理论体系 岩土理论应用中出现的问题 岩土工程技术的发展,4,1.岩土工程的概念,岩土工程是研究与工程相关的岩体和土体的科学。,5,6,2.岩土工程专业体制的现状与发展趋势,2.1 我国岩土工程专业体制的基本形成 2.2 国内外现状比较 2.3 注册岩土工程师制度的建立,7,我国的工程勘察体制是在建国初期学习前苏联基础上建立的，包括地形测量、工程地质、水文地质3个独立的专业。80年代初以来，工程地质勘察逐步向岩土工程过渡。现在，岩土工程专业体制在我国已基本确立
2、。,8,与工程地质勘察相比： 岩土工程要求勘察与设计、施工、监测密切结合，而不是彼此机械分割； 要求服务于工程建设的全过程，而不是单纯为设计服务； 要求在获取系统而准确资料的基础上，对岩土工程利用、整治方案深入论证； 提出技术可行、经济合理的具体建议，而不是单纯地提供岩土技术资料。,9,岩土工程专业人员也能在岩土工程设计、施工、监测、监理岗位上工作。因而,这种体制更贴近工程实际，更注重于解决工程实际问题，从而要求技术人员具备全面的知识，为工程建设做出更大的贡献。,10,在美国、加拿大等发达国家，岩土工程师主要在咨询公司服务。这些公司集中了一批有理论、有经验的工程师，为投资者、为项目设计和施工、
3、为政府和司法部门、为社会各界，提供各种形式的服务，其中包括勘察、设计、监测、监理等。他们提供的产品是知识、信息，科技含量很高，属于知识密集型企业。,11,在我国，由于市场经济刚刚起步，岩土工程专业体制尚待完善，故目前从事岩土工程专业的单位不定型，有以勘察为主，有以咨询为主，有以施工为主，有的多种兼有，这在过渡时期是很自然的。但从长远看，知识密集型和劳动密集型的分离是迟早的事。目前我国勘察行业从业人员较多，工人比例太大，人员素质不高，与发达国家有一定差距。根据国家建筑勘察技术政策(19962010)，这种状况将会改变，国家将在完善法制、规范市场、净化市场的基础上，调整产业结构，鼓励有条件的单位改
4、造成这类有高技术含量、与国际接轨的企业。,12,通过建国以来数十年工程实践的积累，特别是改革开放以来的巨大技术进步，,我国岩土工程勘察的技术水平已有了显著提高，已经完全有能力承担各类大型复杂工程的勘察、设计和施工,包括高层建筑和超高层建筑、复杂地基处理、深基坑开挖、大型边坡工程、地下工程、移山填沟、围海造陆、海上平台、核电站等。每两年评选一次的优秀勘察项目，金质奖和银质奖都具有国际先进水平。但同时也存在着水平参差不齐、成果质量下降甚至弄虚作假，以及技术标准、技术方法和技术成果未完全与国际接轨等一系列问题。,13,可以预见，未来15年，我国市场将逐步完善，国内国际两大市场将逐渐融合。例如我国众多
5、知名大企业在国际市场上承揽和完成了许多大型建筑工程和岩土工程项目，同时我国的黄河小浪底、长江三峡水利枢纽工程均有国外知名企业参与建筑工程和岩土工程施工。由于岩土具有很强的地域特点，工程经验积累非常主要。因此，今后有必要在提倡基本框架一致的前提下，形成自己的特色和优势，使岩土工程业务制度逐步走向世界。,14,由于国内外技术交流日趋频繁，国内外两大市场逐渐融合，我国尽快向国际惯例靠拢势在必行。 国家要启动注册岩土工程师制度，今后，针对勘察院来说，院法人和执业注册人员对勘察文件和审核签字的文件负质量责任，这也符合谁勘察谁负责的国际惯例，这将是今后行业的一个发展方向。 针对勘察质量问题，建设部准备尽快
6、实施注册岩土工程师制度，将来的勘察报告必须由注册岩土工程师签字才有效，否则不能作为设计和岩土治理的依据。在注册岩土工程师制度没有启动之前，建设部于1999年下发的关于加勘察设计质量管理的通知中，明确了要由勘察单位总工程师签字和勘察单位的技术负责人、项目负责人签字。将来会过渡到注册岩土工程师签字。 可以预见，注册岩土工程师对一个单位将会具有非常重要的作用。注册岩土工程师制度启动以后，一个单位如果没有注册岩土工程师，报告的签发就会有问题。一个单位拥有注册岩土工程师的数量将是单位能力和技术水平的体现。这样将会大大加强注册工程师的荣誉感和责任心。,15,3.岩土工程学的理论体系,3.1 理论体系构成
7、3.2 岩土力学的发展 3.2.1 岩土力学理论体系 3.2.2 岩土材料的本质特性 3.2.3 岩土工程问题的特点 3.2.4 现有岩土力学理论的不足 3.2.5 岩土力学发展前景展望,16,岩土工程,原本属于土木工程范畴，通过大量工程实践，在工程地质学、水文地质学、土力学、岩体力学等学科的基础上,与土木工程学相互渗透,已形成一门新的具有边缘学科性质的独立学科，并正在逐渐形成一个新的完整的学科体系。作为一门应用科学，主要应包括基础理论与应用技术两部分。,17,18,近年来，基础理论研究有了长足的发展。20世纪80年代以来，由于在基岩地区工程建设的日益增多，中科院地质研究所在岩土力学的基础上,
8、进一步把裂隙岩体的力学特性作为岩体力学的研究核心，提出“岩体结构”的新概念,创立了“岩体工程地质力学”，并进一步发展成“岩体结构力学”。原地矿部地质力学研究所用地质力学理论结合构造应力场的分析,研究岩石变形与流动，称为“岩石力学”。岩体工程地质力学与岩石力学、岩体结构力学等理论，基本是相辅相成，相互渗透，形成多学科交叉，为岩土力学输入了新的血液。,19,应当指出,对于岩土力学的研究，不能忽视地下水的作用。在岩土工程中,经常会遇到水的问题。例如开挖基坑或矿山坑道。在施工阶段首先就要解决地下水的疏干问题。否则就会影响基坑或坑道的稳定性。 近年来对岩体水力学的研究，已逐渐形成一门专门学科，并将成为岩
9、土工程基础理论的重要组成部分之一。,20,21,22,岩土材料与其它材料根本不同之处可能在于它的天然性，而它的结构性和不均匀性正是来源于天然性。岩土材料是地质过程中形成的天然材料，其关键因素是颗粒之间的胶结，胶结的不均匀性导致结构的形成。这种不均匀性可能是原生的，例如粘土颗粒可能先凝结成团粒，然后堆积在一起，团粒内部的胶结力就大于团粒之间的胶结力，也可能是次生的，例如岩体风化或其它地质过程中某些部位胶结被破坏，从而形成胶结弱的或无胶结的节理、裂隙和断层等软弱带。 如果排除人工填土，建议把岩土材料定义为:地质过程中天然形成的具有结构性的材料。,23,岩土力学的任务是解决岩土工程问题，从数学上看，
10、就是把岩土工程问题抽象为一个边值问题，通过数学分析求其解答。人们兴建各种岩土工程，正是为了改造自然,而且正是因为改造对象的天然性导致岩土工程问题与其它工程问题相比具有许多独特之处。 把这些特点初步归纳如下：,24,(1)地应力的控制作用,在开挖过程中，单纯地应力作用就可能引起岩体破坏，发生岩爆，这已是众所周知的。在土力学中，又何尝不是如此。开挖边坡中，假定不同的初始侧压力系数，计算得出的位移将有很大差别。由于高侧压力的影响，超固结土边坡可能多次发生滑动。,25,(2)体积力构成荷载的主要部分,除了地基问题中体积力相对不重要以外，无论边坡工程、隧道工程还是堤坝工程，体积力都是作用于岩土体结构上的
11、主要荷载甚至唯一荷载。因此，岩土体结构的主要破坏方式是自重作用下的剪切破坏。这时，剪切面的相当一部分位于岩土体的深部，围压的影响很大。因此，把金属力学和结构力学中的研究方法生硬地搬到岩土力学研究中，自然难于符合实际。有的研究论文采用平面应力问题的研究方法，不考虑围压的影响，所得结论只能反映岩土体表层的破坏过程。,26,(3)多相耦合作用,由于孔隙和裂隙的存在，岩土工程问题往往涉及固相、液相和气相的耦合作用，而冻土问题中还要考虑冰相和温度场。因此，与金属和混凝土结构工程相比，岩土工程问题的控制方程要复杂得多，需要研究的领域也要多得多。,27,(4)边界条件和初始条件的不确定性,岩土工程问题边界条
12、件的不确定性包括两个方面，一是边界位置的不确定性，二是边界上的要素值的不确定性。岩土工程修建在地壳上，人们不能把整个地球或地壳作为研究的范围，只能从其中划出一块进行考察，但如何划法带有一定的任意性，这就是边界位置的不确定性。岩土工程暴露在自然环境中，最不确定的倒不是边界荷载，而是耦合分析中降水量、蒸发量等自然要素的变化。初值条件的不确定性除了前面提到的地应力的不确定以外，还有孔隙中的初始吸力的分布和节理裂隙分布的不确定性等。,28,岩土力学理论对岩土工程的指导意义是不容置疑的。例如有效应力原理对发展排水压密加固技术的指导作用。但是,正如在上世纪50年代说过，土力学是一种技艺()，这就意味着当时
13、主要还是依靠经验解决岩土工程问题。可以说,这一情况到今天还没有根本改变。但是，今天的岩土力学水平终究不能与时代同日而语。当今的岩土工程设计仍不能完全依赖理论计算，但理论计算已成为设计的重要依据。记得上世纪80年代在组织三峡深水围堰第一轮分析计算时，长江水利委员会司兆乐总工曾提出计算分析结果能达到”精确定性、粗略定量”的目标。20年后的今天，虽然不能说这一目标己完全实现，但对相当一部分岩土工程来说做到这一点已没有困难。但是另一方面，仍然有不少岩土工程问题尚无法依靠现有的理论分析水平求解。这些问题可初步归纳成以下几点：,29,（1）难于测定天然岩土材料的计算参数,土体由于取样扰动，岩体由于体积太大
14、，导致原状岩土材料的力学参数无法测定。例如，一段时期，广东在良好的残积土上修建多层建筑也普遍采用桩基，就是因为取样扰动造成测定的压缩系数偏高，在此背景下导致设计中的不恰当决策。,30,（2）未考虑逐渐破坏过程,现有的边坡稳定分析和土压力计算等方法均基于极限分析理论，未考虑逐渐破坏过程。造成的后果必然是采用峰值强度计算太冒进,而采用残余强度计算又太保守。,31,（3）未考虑地应力的影响,在地下洞室开挖中，地应力的影响已得到普遍的重视。但是在其它岩土工程问题中往往不考虑这一影响。例如边坡稳定分析中，无论是条分法或有限元强度折减法均是如此。而超固结土坡中由于水平应力很大导致滑坡的易发性,这早已是众所
15、周知的事实。,32,（4）对多节理裂隙岩体还缺乏有效分析手段,对于含少量节理的岩体，已经发展了一批计算方法，如节理元、接触力元、刚体弹簧元。但对大量裂隙的岩体，只有走等效连续介质的途径。从断裂力学观点出发或是从损伤力学观点出发建立等效介质的本构关系，均是可以考虑的方案。但是未能考虑围压的影响，是目前研究中普遍存在的不足之处。也许岩土破损力学可以在一定程度上克服这一缺点。,33,(1)发展原位测试技术,土样从土层取出后地应力就被卸除，即使再精细的取土技术也很难保证室内测定的参数与原位一致。节理岩体更无法取样试验。因此，发展原位测试技术，是获得可靠计算参数的必要途径。,34,(2)加强破坏和变形的
16、细观机制研究，减少凑合表观现象的假设性研究,“大胆假设，小心求证”仍是科学研究的一种手段，但是，如果只求表观现象上的吻合，不深究真实的机理，只求知其然，不求知其所以然，这一态度不符合真正的科学精神。当前岩土力学中大行其道的屈服面的研究，在某种意义上正是这一种研究思路的反映。从等向硬化到运动硬化，从单屈服面到多屈服面，再到边界面和次加荷屈服面及超加荷屈服面，越来越复杂的屈服面假设无非为了凑合试验结果。但如要凑出主应力轴旋转也能产生体积收缩的实验现象，恐怕还要增加屈服面的复杂性。回顾一下科学史上托勒密的地心说，不难发现两者在一定程度上有相似之处。,35,(3)建立渐进破坏理论,到目前为止,有关岩土
17、材料的渐进破坏和剪切带形成过程的研究对象仍限于室内二轴或三轴压缩试样，远未涉及实际工程问题，而且许多学者纯粹把这一过程当作数学问题进行研究。笔者认为，解决这一问题的关键在于建立能合理反映岩土材料结构破损过程的本构模型，并且研究的重点应当是针对边坡和洞室开挖等围压降低过程中的结构体破损现象。,36,(4)开展风化过程的数值模拟研究,如果说前面提到的渐进破坏是指修建工程引起的话，风化引起的岩土材料弱化破坏则是自然过程。如果这一过程发生在工程影响的范围内，则就不仅仅是地质学家研究的事。当然,研究这一问题的难度很大，因为除了力学因素外，还涉及温度循环和湿度循环等物理因素及雨水淋溶和地下水侵蚀等化学因素
18、。,37,4. 岩土理论应用中出现的问题,4.1 典型设计问题分析 4.2 典型工程事故分析 4.3 现有规范中值得讨论的几个问题 4.4 计算参数的可靠性,38,(1)不必要地采用桩基: 在良好的地基上仍采用桩基是当前设计中的一个突出问题。据不完全统计,在我国南方残积土地基上已建成的28幢1433层高层建筑中有26幢按桩基设计。而改为筏基后不但节约了大量费用,而且运行良好。,39,(2)采用过多过长的桩: 软土地基上建高层或重型建筑物,采用桩基是不可避免的,但是,打桩过密,不但浪费,而且会造成地面隆起和挤坏相邻建筑等危害。例如上海地区18个失效的港口工程中有10例就是由于沉桩挤土效应引起的。
19、有的过于强调桩尖必须到达中风化、甚至微风化岩。在地质条件良好的情况下,这不但浪费,也延误了施工进度,有的甚至把桩打坏。,40,(3)过大的基础埋深: 广东某地采用了8的基础埋深,这在无冻害及抗风能力足够的条件下实无必要。,41,(4)过缓的边坡: 这种情况通过常发生在无地基破坏问题的堆石边坡,在的坡度达到12,原因显然与采用过低的内摩擦角有关。,42,(5)过多的挖土: 对重要建筑物的地基,挖除十分软的黏土是完全必要的。但过于强调必须建筑在基岩上,良好的沙卵石层也必须挖除,在水利工程中也是常见的。除了由此造成投资增加和工期延长外,有时人工填筑料还不如天然沉积物密实。,43,(1)过快的施工进度
20、:软土上填方工程的破坏很多与此有关。如果事先对软土的固结和强度增长过程进行分析,施工过程严格按设计进行,则这类事故是完全可避免的。,44,(2)存在没有发现的软弱层:许多事故与勘测中的疏忽有关。例如广东五湾码头的破坏与抛石基床下存在的淤泥馄砂层当作砾砂层直接有关。,45,(3)忽略了应当考虑的荷载:大面积堆载和抽水引起的大面积沉降往往在设计中未被考虑。由此而产生的作用于桩上的负摩擦力造成桩基的过大沉降和桩身破坏现象已累见不鲜。60年代上海张华浜码头基桩破坏也是没有考虑大量抽取地下水引起的地面沉降的结果。此外,后方堆载和前方开挖对桩的侧向荷载也常常估计不足,从而引起桩体的严重位移甚至破坏。,46
21、,(4)排水处理不当:当存在地下水流时,未采取足够的排水措施,是水工建筑物和基坑失事的主要原因,另一方面,基坑抽水也是造成相邻建筑物损害的重要原因。,47,(5)欠固结土的测试手段不当:欠固结土很容易因扰动而压密,从而得到过高的参数。有关这一问题,下面将进一步讨论。,48,(6)对土的某些特性认识不足:例如对膨胀土、黄土和易液化土的某些特性。但这里必须区分两种情况。一是人们普遍认识不足,连规范中也没有反映;二是个别设计人员的经验不足而又学习不够。,49,(1)承载力:,承载力的概念来源于地基的破坏。目前,有关这方面已经成熟的理论是基于刚塑性模型的极限平衡理论。按照这一理论,土体破坏问题的控制方
22、程由静力平衡和滑移运动两组微分方程组成,因此,极限平衡问题本身是一个静不定问题。大家知道,微分方程的解答不仅取决于材料的物理特性,还决定于边界条件。极限承载力作为极限平衡方程组的解答,显然并不仅仅决定于土的特性。由此可见,现有规范中对每一种地基土给定一个承载力值的做法是不科学的。总之,容许承载力理应根据上层结构与地基共同作用的特点由设计单位确定,那种由勘测单位在设计前就提供承载力的做法在理论上是不通的,在实践上是十分有害的,前面有关广东地区不适当地采用桩基的例子与此不无关系。,50,(2)沉降计算:,在局部荷载作用下侧向变形是不可避免的,因此用分层总和法计算的沉降量理应小于实测值,如果要用经验
23、系数纠正,其值应大于1。然而按照规范,下列沉降计算公式中 经验系数随压缩模量的降低可以从0.2变化到1.4,而上海地基规范中则规定其值随附加压力0的增大可以从0.7变化到1.3。人们不知道,在制定规范时是否深入分析过此系数须要如此大的变化的原因。我们认为,计算结果不符合实际的原因很多,但是最主要的莫过于计算参数的不合适。因此,合理的途径应是对加以修正。,51,(3)高层建筑物的埋置深度:,高层建筑物埋置深度理应根据当地的气候、地质条件及建筑物本身的高宽比及其用途确定,而钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(3-91)则笼统规定,埋置深度采用天然地基或桩基时分别不小于高度的1/12或1/15。广
24、东东莞有一幢43层建筑,为了满足1/15高度的埋深要求,先全部挖深8进行桩基承台的施工然后又整个回填8填土。如果挖深后利用地下空间做停车场或将承台埋置于2深处,显然合理得多。,52,(4)抗震分析中的拟静力法:,最近修订的水工建筑物抗震设计规范仍规定土石坝用拟静力法进行抗震验算。拟静力法的缺点是十分明显的,它完全无视地震加速度时空分布的不均匀性。而最主要的是,尚没有一个土工建筑物破坏实例证明地震惯性力起了决定性的作用。相反,却可以举出一些地震破坏与惯性力无关的实例,最著名的如海城地震中震后80分钟左右发生滑坡的辽宁石门岭水库大坝。实践证明,用拟静力法设计往往低估含易液化土边坡的破坏可能性,典型
25、的如唐山地震中滑坡的密云水库大坝,而对无液化能的边坡,则往往高估其破坏的可能性。特别是堆石边坡,世界上尚无地震滑坡的实例。在堆石坝设计中采用过缓的边坡,不无与这种拟静力法的规定有关。,53,选用的计算参数偏低造成设计过于保守。 例如, 规范中对=20.0的土类,修正系数竟然小到0.2,也就是说计算沉降是实测值的5倍。无论是分层总和法本身,还是沉降计算公式中的0或,均不可能有这么大的误差,唯一能说服人的理由是偏小了5倍。计算参数不可靠的原因主要是测试技术粗劣造成的。就软粘土来说,不同扰动程度的典型压缩曲线将如图1所示。,54,由图可见,在附加应力较小,土的结构未受到大的破坏以前,扰动土样的显著偏
26、低,而当附加压力很大,土的结构发生大量破坏时,取样和测试中结构已先期受到破坏的扰动土样将给出偏高的值。从这一点看,上海规范的规定(以0=60为界,小于此值时1.0)是有一定道理的。当附加荷载相当大时,土的结构发生大量破坏,压缩模量可能显著低于重塑土的值,此时如加荷过快,引起过大的孔隙水压力(=/可能大于1),是导致软基破坏的主要原因。,55,另一方面,硬粘土受到扰动时,试样的孔隙比将变大,如果试验前让试样泡水并任其膨胀,孔隙比将进一步变大。由此测出的值自然偏小(图2)。越硬的土值可能偏小越多。取土深度越大,往往扰动也越励害,因此,桩基的计算沉降更是比实测值大得多。,强度指标偏低的情况也普遍存在
27、。在这方面,更有许多令人困惑的现象。例如:(1)明明是取样扰动使测定的强度偏低,却还要用小值平均值的办法整理参数;(2)上海规范还规定按峰值强度的70%计算内摩擦角和凝聚力;,56,(3)由于采用过低的强度指标而导致计算土压力过大,使许多挡土结构的设计过不了关。为此又采用人为降低土压力的所谓水-土合算法。这种办法不妨称为“负负得正法”,即用错误的参数和错误的计算方法去达到比较符合实际的目的。,57,(4)堆石体的实际内摩擦角均在40以上,高的甚至超过50,而许多设计单位的采用值往往在3040之间,按此计算现有堆石坝中普遍采用的11.4的边坡将是不稳定。十分遗憾的是,现有规范中对计算参数的可靠性问题未作任何说明。 因此,规范中至少要明确以下两点: 试样的孔隙比与原位孔隙比相比不能相差过大,否则试验结果不能作为设计依据; 应强调发展原位测试技术,室内试验测定的结果与原位测试结果相差较大时应以原位测试为主。 以上情况也引出一个问题,如果测试的结果本身不可靠,在此基础上花很多力气进行可靠度计算的研究是否值得。当务之急应是提高测试技术的水平。,