搜索
再谈岩土工程中的基本思想和误区释疑中国工程勘察大师范士凯一、岩土体工程地质的宏观规律与岩土工程的宏观控制二、基础经典理论和传统方法是必备的基本功三、常见的误区释疑结语汇报提纲一、岩土体工程地质的宏观规律与岩土工程的宏观控制中心思想：工程地质与岩土工程密不可分。前者是基础，后者是延伸，不能相互取代，工程地质学深深扎根于地质学（自然科学）中；岩土工程则属于工程技术，两者有机结合才能解决岩、土、水的工程性质和工程措施问题。岩土体工程地质的宏观规律与岩土工程的宏观控制两种控制论：1、岩体的工程性质——地层岩性\地质构造和岩体结构、即所谓“结构控制论”2、土体的工程地质——地貌单元、地质时代、地层组合、地下水，即所谓“地貌第四纪地质宏观控制论”岩土体工程地质的宏观规律与岩土工程的宏观控制3、宏观控制是定性，是前提和基础。逻辑学上是“大前提”，是“必要条件”。工程中的逻辑思维非常重要，违背了逻辑必然造成错误或浪费。岩土体工程地质的宏观规律与岩土工程的宏观控制实例1403020100-10-20-30-40-50高程二级阶地一级阶地长江河床二级阶地三级阶地403020100-10-20-30-40-50高程陈家墩谌家矶上层滞水潜水金咀街21号公路武钢Q4Q3IalQ承压水4alQ4alQ承压水3alQ2alpKEKEP1C3D3S2D3C3P1T3江汉平原武汉地区概化地质剖面图实例2ⅠⅢⅡⅢⅡⅠ73万年以来13万年以来老平原面老平原面海平面15000年前东海平面比现在低130米，6000年前恢复至现今高度。Ⅰ：粘性土，fak=40～290KPa，Es=2～12MPa；砂土稍密～中密；Ⅱ：粘性土，fak=300～400KPa，Es=13～15MPa；砂土密实（含粘粒）；Ⅲ：粘性土，fak=450～600KPa，Es=16～23MPa；砂土密实（含粘粒），卵石半胶结。Q3Q4Q3Q2Q21万年以来1万年内迭式阶地示意图二、基础经典理论和传统方法是必备的基本功基础经典理论和传统方法是必备的基本功1、地质学与工程地质学的基础——地质学基础、地貌第四纪地质学及工程地质学岩体——中国区域地质、构造地质、岩石分类、岩体力学土体——地貌第四纪地质、太沙基的经典土力学（土的压缩性、土的抗剪强度、挡土墙的土压力，其中有效应力理论是土力学的重要指标）、地基与基础。2、地下水——分类（见笔者撰写的基坑工程指南中表4-1地下水工程分类表）、达西定律V=KI、Q=KIW、裘布依公式（理解每个参数的实际意义和相互间的数字关系）。基础经典理论和传统方法是必备的基本功3、以工程大类划分的工程地质与岩土工程——地基、边坡、隧道（洞室）三大类4、特殊、不良地质类型的基本理论、方法（滑坡、崩塌、泥石流、岩溶、地震）5、数理统计的主要方法（各类指标的统计、回归、判别、因子）和数值分析（有限元、有限差分）6、为小陶攻读博士学位阶段拟定的进修课程基础经典理论和传统方法是必备的基本功一、地学基础部分1、地貌学及第四纪地质学（这是土体工程地质学的基础）；2、构造地质学及中国区域地质学（这是岩体工程地质学的基础）；3、岩体工程地质学（以谷德振教授的理论、方法为主）；4、水文地质学及地下水动力学（水文地质计算）；5、工程地质分析原理（重点在不良物理地质现象——滑坡、崩塌、泥石流、岩溶等）；6、地震工程地质及地震工程（五大地震效应；地震反应分析与地震反应谱）二、岩土工程基础部分高等土力学（含经典土力学）岩石（体）力学；边坡（及滑坡）分析计算；三、现代分析与计算方法多元统计分析——数学地质方法（如概率统计回归分析、判别分析、因子分析、敏感性分析等）；数值分析方法（有限元、离散元或边界元法等）；各种解析计算方法；各种极限平衡分析、计算方法；四、计算机编程及常用软件1、掌握一般的计算机程序设计方法，能即时编制某课题的简单软件；2、尽量多掌握现时工程、水文及岩土方面常见的各类软件。三、常见的误区释疑常见的误区释疑1、数值分析（有限元）的滥用——多数情况下适于定性（边界条件、参数、非均质）；某些条件下（如杆件有限元）可定量使用；2、判别分析中的“模糊”与地质单元、层位、土性脱离（把本不模糊的对象故意模糊）。5101520253035404550123456789101112131415161718地下水位或承压含水层顶板NH（米）NcrN3、地震砂土液化判别中所谓“液化点”的错误概念。正确方法应按散点图或统计N值（删除假N值）。饱和砂土地震液化判别图常见的误区释疑4、岩体稳定性验算中“圆弧法”的误用（岩体中软弱结构面控制滑动，只有全、强风化带和破碎岩体可用圆弧法）。5、岩体锚固设计中取C、Φ值计算“土压力”，设破裂角（45°-Φ/2）分自由端、锚固端——应按岩体结构确定，因为岩体不是土，土力学不适用！（如地铁钟家村站基坑）常见的误区释疑6、岩层“破碎”的误判与风化带划分分类表：硬质岩（全、强、中、微）软质岩（全、强、中、微）——岩芯采取率不是岩层完整性的唯一标准（钻具与方法不同则采取率差别很大）；风化带划分应以岩石结构、矿物成分风化程度，尤其是岩块强度为准；另一个重要标准——钻进速率。常见的误区释疑7、软硬互层岩体中的桩基不应“一摩到底”（摩擦桩，不算端承力）——公路桥梁（不试桩）。8、取原状土样应用取土器取土，而非岩芯管装土。土工试验指标可辨真假：（1）不同时代土层物理力学指标差别显著；（2）同一土样的物理力学指标应匹配（如fak与ES）。常见的误区释疑9、地下水分类、地下水位、水力联系问题（1）岩土工程应理解为“岩、土、水”工程；（2）地下水分类的重要性在于不同类型地下水的工程特性和治水措施不同。见前附表：地下水综合分类表4-1（针对基坑工程）；（3）地下水位的重要价值被忽视“混合水位”不但没用，反而有害于降水设计；上层滞水水位、潜水水位、承压水头应分层止水、分类观测、还应掌握各类水位的季节变幅（如武汉一级阶地的承压水年变幅3—5m，最大8m）；常见的误区释疑9、地下水分类、地下水位、水力联系问题（4）不要随意说“地下水与河流有水力联系”，一般情况下：一级阶地的潜水、承压水与河流有水力联系（随江河水位涨落）；二级阶地（除非临江）的潜水，承压水与江河无水力联系或联系较弱（原因：两阶地间为侵蚀接触，并无“过渡带”）。常见的误区释疑10、与地下水位下降相关联的一些误区一谈到地下水下降就联想到地面沉降，其实：（1）降水引起的地面沉降，主要发生在全新世Q4的含水层中；（2）超固结的“老土”中的含水层（Q3及其以前），既使水位降幅很大也很少产生不良影响的地面沉降；常见的误区释疑（3）真正引起地面沉降的地层是被疏干的含水层及其相邻的欠固结、可释水的部分地层（即压缩层）；（4）降水引起地面破坏性沉降的主要因素是沉降差，它由两方面因素决定—地下水降落漏斗的水力坡度（取决于K、R）和含水层厚度的明显变化（相变）。如二元结构的冲积平原（沉降差1‰）和滨海平原或三角洲（互层频繁、K和R值小，沉降差3‰），前者可大面积、大幅度降水，后者则以隔渗为主和采用封闭式降水。常见的误区释疑11、降水引起的“固结沉降”和含水层未疏干而发生渗透破坏（流土、管涌、突涌）引起的地面沉陷、开裂是两种性质截然不同的变形。（1）降水引起的“固结沉降”符合太沙基一维固结理论，它发生时具有缓变性、相对均匀性和可定量性；（2）渗透破坏不是固结沉降，流砂、管涌和突涌是含水层未被疏干的条件下开挖产生的涌水、冒砂、地下水土流失造成造成地面大量沉陷，伴随地表开裂。其影响范围数十米至上百米。如武汉地铁金色雅园站基坑（见下图）常见的误区释疑5口井降深（a）16口井降深（b）基岩互层土中砂（a）5口井降深至9m时开挖（突涌、地面下沉、连续墙下沉）（b）16口井降至15—16m，顺利挖到底金色雅园站降水过程示意图常见的误区释疑12、基坑工程中地下水控制的基本原则和方法选择（1）、地下水控制是基坑工程的重点，有时是成败的关键。基坑重大事故90%以上与地下水控制不当或失效有关；（2）基坑工程地下水控制方法分两大类——降水疏干（减压）和帷幕隔渗，有时单独使用，多数联合使用。管井降水和帷幕联合使用的四种类型：（引自湖北省地方标准《基坑管井降水工程技术规程》）常见的误区释疑管井降水应根据水文地质条件，充分考虑隔渗帷幕与降水相结合的地下水渗流规律进行设计。宜按隔渗帷幕插入深度、地层性质、开挖深度和降水井深度等因素形成的四种渗流类型进行计算。常见的误区释疑Ⅰ第一类基坑工程降水当基坑深度浅，周边无隔渗帷幕的开放式降水时，如图5，管井降水基坑涌水量可按该规范附录D计算，也可按大井法公式计算；图5第一类基坑降水示意图常见的误区释疑Ⅱ第二类基坑工程降水基坑帷幕深入降水含水层的隔水底板（落底式帷幕），如图6所示，降水以疏干基坑内地下水为目的，或者以前期减压后期疏干部分承压水为目的。图6第二类基坑降水示意图常见的误区释疑Ⅲ第三类基坑工程降水基坑帷幕深入降水目的承压含水层隔水顶板中，如图7所示，若有潜水疏干时，基坑涌水量可用Q=Vμ公式估算，承压含水层可用第一类基坑工程降水的规定计算基坑涌水量，并考虑含水层顶板至设计安全水位面的距离（m）计算。图7第三类基坑降水示意图常见的误区释疑Ⅳ第四类基坑工程降水基坑帷幕和基坑深度已进入降水目的承压含水层中，即悬挂式帷幕，如图8所示，基坑涌水量分两种情况计算：1、过滤器底端埋深小于帷幕底端埋深（图a）时，基坑渗流为三维空间流，可建立三维渗流模型通过数值方法（有限元或有限差分）求解；2、管井过滤器全部或大部分超出帷幕埋深时（图b）可忽略三维流影响，按第一类基坑工程降水规定计算。图8第四类基坑降水示意图常见的误区释疑（3）不同地貌单元上不同类型地下水的控制方法（组合）有不同的选项①上层滞水或隔水底板埋藏较浅的潜水，多选择竖向帷幕隔渗，辅以坑内排水（集水明排或轻型井点）；②二元结构冲积平原中的下层承压水，多采用悬挂式帷幕隔断浅部水。对下层承压水，多采用深井降水疏干或减压（开放式降水），而不宜采用落底式竖向帷幕或封底式水平帷幕加封闭式降水（误区—水平封底和落底式竖向帷幕）③滨海平原或三角洲中以粘性土（软土）与层间砂土、粉土含水层互层（弱承压水）条件下，宜采用侧边竖向封闭式帷幕（落入相对隔水层）和坑内封闭式降水，而不宜在坑外管井降水。常见的误区释疑④冲积平原中的高阶地（Q3及以前）或黄土高原中的更新世地层中的地下水位很深，浅基坑如遇潜水则往往是一级阶地中的Q4黄土中的地下水，此时宜采用竖向帷幕加轻型井点或管井（视K值大小），深层砂砾含水层则用管井降水。这类地层中降水不必顾虑“地面沉降”；⑤西北高原中必须分清河流的一级阶地和高阶地或洪积扇等不同时代地层组合中地下水的不同特点。如：包头煤化工厂储运场基坑（黄河一级阶地Q4粉土中潜水）与附近河西电厂（山前洪积扇Q3粉土、砂土潜水）的两种控制方案；邯郸市地下商业街Q3地层中含水层的简易处理。常见的误区释疑13、地裂缝成因分析中的“地下水位下降”之说纯属谬误（以西安地裂和焦作白庄地裂为例）（1）国内地裂缝多属构造地裂①多发生在现今构造活动带上，并常与活动断裂伴生（西安处于渭河盆地；焦作白庄处于凤凰岭与朱村断裂两个活动断裂之间；九里山断裂之上；太行山前地裂缝也在山前活动断裂带内）②地裂形态和力学性质及其走向与现今区域构造应力场相吻合。常见的误区释疑（2）地下水位下降引起地裂与固结理论不对号。①探坑揭示，白庄裂缝全部发生在更新世Q2及Q3地层中（如图9），其中可作为含水层的卵石层早已无地下水（上世纪80年代以前就已疏干），而裂缝在近年仍在活动。说明地裂缝形成与地下水位下降无关；②即使在更新世地层中仍有地下水并在近期抽水引起地下水下降，这类老地层的固结沉降量也很微小，特别是沉降差很小（3‰）不能使地面开裂（漏斗坡度很缓）；常见的误区释疑焦作白庄地裂素描图常见的误区释疑③白庄地裂均呈现水平拉裂，无错台；西安地裂还有两裂缝