岩土工程三个热点问题的讨论

岩土工程三个热点问题的讨论梁金国河北建设勘察研究院有限公司要讨论的三个热点问题1、高边坡与基坑支护设计；2、超大直径工程井的施工现状与发展；3、桩基承载力的计算方法。高边坡与基坑支护设计1、高边坡的定义岩质边坡＞30m土质边坡＞20m2、基坑类别的划分浅基坑＜6m深基坑6——15m超深基坑＞15m高边坡稳定分析与基坑支护设计常用的计算理论和方法1、极限平衡法2、弹性抗力法3、数值分析法岩体斜坡稳定性三维动态预测的量化计算本项研究属于河北省自然科学基金项目。其选题主要原因是地质灾害已经成为人类生存环境的一个主要问题，尤其是在工程建设规模不断扩大的今天，它是世界上很多地区制约经济发展和生活安全的重要因素之一。近20年来，本项目的主要研究人均从不同时间开始致力于滑坡和岩体边坡的稳定性预测和评价方面的研究。理论意义工程地质学的发展依赖于对岩土体介质属性认识的发展。上世纪70年代以来，工程地质学科对岩体介质的认识已经经过了连续弹性介质、裂隙介质两个阶段。自《岩体工程地质力学基础》一书问世以来，标志着对工程岩体力学问题的研究已进入岩体结构介质为主要对象的研究阶段。现场勘察和大工程实例都说明，绝大多数岩体失稳都是结构体失去平衡状态造成的，岩体斜坡失稳也是如此。岩体结构是控制岩体变形和破坏的根本因素。《岩体工程地质力学基础》一书著者谷德振先生认为：“无论工程地质问题多么复杂，归纳起来就是一个与工程有关的岩体稳定问题。岩体之所以失稳，影响因素很多，最关键问题在于岩体内部存在着一些软弱结构面，根据这些软弱结构面的空间分布和组合关系形成了岩体结构的概念。”各类地质工程的岩体结构失稳的客观规律和评价方法有待于探索。旨在实现边坡稳定性及其相关问题评价的新突破。工程意义目前，岩体边坡坡角的设计仍停留在经验设计阶段，岩体高边坡在削坡还是加固的决策问题上缺乏理论根据，缺乏对边坡整体与开挖前稳定性的预测功能。这是由于目前所有的岩体边坡三维稳定性分析方法都还停留在岩体边坡单一滑块稳定性计算方式的。以往为了确定滑动面的位置及滑坡的体积、滑动结构面的面积耗费大量的时间和人力与物力，人们希望有捷径可走。技术路线﹙1﹚首先把把岩体斜坡地质结构类型的划分为：单滑动面五面体、同倾向双滑动面楔形四面体、非同倾向双滑动面平行六面体、多滑动面多面体地质结构岩体边坡等4类。（2）提出了单位结构体与优势结构体概念岩体实质是三维无限非连续天然结构介质，含有无穷多个相似形的结构体，我们定义1米坡高边坡的某种结构体为单位结构体。所谓优势结构体，指经过工程地质调查和实体比例投影对比，最易失稳定一种或几种结构体。优势结构体分析，按组合交线倾角的从大到小和它与斜坡倾向交角的由小到大，同时考虑到滑动结构面抗剪指标大或小综合分析，依次排序。依次计算各个结构体的稳定状态。（3）应用实体比例投影方法求出单位结构体滑动面的面积和体积。﹙4﹚是建立斜坡稳定性数字化动态模型，以单位结构体为工具，按动、静水压力的变化规律，求出它们任意坡高为变量的稳定性系数函数表达式，组合成为岩体斜坡稳定性三维动态数字化模型。本项研究提出可以包罗地壳任何边坡的四种地质结构类型的稳定性数字化动态模型计16个，边坡坡角随坡高的动态变化模型7个，提出了边坡治理决策综合判据。単滑动面五面体地质结构动态三维稳定性动态数字化模型为例：任意坡高斜坡的稳定性系数为sin)sin(sin201sin)sin(sin1tan12101tan1tantantannCnCnK式中：α01—滑动结构面与侧向切割面的组合交线的倾角，可用赤平投影法求得。α，β—斜坡的坡角及滑动结构面倾角；C，C1—滑动结构面及侧向切割面的内聚力；φ,φ1—滑动结构面及侧向切割面内摩擦角；n—坡高；γ—岩体的容重；α1—侧向切割面的倾角；从上式可知，随着坡高n的增加，稳定性系数不断减小，滑动面与侧向切割面的内聚力和摩擦角增加，稳定性系数会增加；滑动面倾角增加，侧向切割面的倾角越大，稳定性系数减小。该解析解模型充分地反映了地下水等工程地质条件对斜坡稳定性影响的客观规律。创新点：建立的岩体斜坡稳定性三维动态模型，突破了目前岩体斜坡稳定性单个滑动体技术的现状。模型推导中提出了动态积分的概念。提出了相邻坡高的稳定系数的比值大于或等于1.00162才可以考虑用削坡的治理的决策判据，填补了边坡治理决策判据的空白。应用效果2007年张家口地质五队应用単滑动面数字化动态分析方法和単滑动面地质结构边坡定量设计方法对平流寺采矿边坡进行了稳定性计算与中场1200米坡长的岩体边坡定量设计，使勘察和设计缩短了工期。河北建设勘察研究院有限公司于2004对“平-涉S202公路岩质边坡高边坡勘察”勘察过程中在2公里坡长的石英岩危险陡坡勘察与治理方案中应用了此项成果，对70余米的高边坡应用本项目的岩体边坡坡角动态模型技术获得的稳定坡角，提出三段式削坡治理方案。大幅度地缩短了工期，体现出了明显的经济效益，受到了应用单位的赞誉。该工程项目获得中国城市规划协会2005年度全国城市勘察测量一等奖。对西柏坡“解放军总部”旧址滑坡勘察中应用単滑动面斜坡稳定性动态数字化模型建立的反分析方法，求得该滑坡滑动面的抗剪强度。这种把天然地质体作为实验场的方法不仅省去了昂贵的野外试验投资，而且保证了试验成果的代表性。也证明了此成果另一个很有应用价值的作用。以上的应用实例预示了此项研究成果的广阔应用前景和重大的社会效益与经济效益。基坑支护设计中的几个难题1、目前流行的几个基坑支护设计软件（不管是极限平衡法还是弹性抗力法），都只考虑了平面问题，没考虑基坑的空间分布状态，解决不了空间效应问题。《深基坑双排桩支护结构设计理论与应用》中国建筑工业出版社20082、在边坡稳定性计算方面，目前采用的岩土体力学参数只是统计意义上的均值或范围值。由于地质体的复杂性，很难做到准确取值。3、在建立模型时不得不做人为的简化，因边坡及其所处地质环境和力学环境的复杂性，使得边坡的边界条件无法较为客观地确定，从而使分析结果往往与实际情况不符。4、对基坑稳定性的监测、预报的方法和理论还没有系统化和理论化，真正的基坑失稳预报系统还很少，预警值还不明确。超大直径工程井的施工现状与发展一、大口径的定义从上世纪八十年代就开始使用“大口径钻机”、“大口径钻井”、“大口径工程”这些词，大口径的定义是什么？何为“大口径”？我们应该给“大口径”下个定义。过去有关“大口径”方面的划分情况：1、桩基规范小桩：d≤250mm中等直径桩：250mm＜d＜800mm大直径桩：d≥800mm2、钻头所有有关“大口径”钻头的描述其直径都大于800mm。3、水井通常人们说的“大口井”是指人工开挖的、直径大于800mm的井。大口径工程井的定义：1、大口径工程井：d≥800mm2、超大口径工程井：d≥2000mm二、我国大口径钻机的发展和贡献在我个人收集的有关资料中，最早进行大口径钻孔施工的时间是1963年，由过之光先生在葛洲坝地质勘察中用建设部综合勘察院钻探机具厂（现在的郑州市探矿机械厂）生产的红星300型打了直径800mm的岩石取芯孔，当时的取芯目的是为了查明岩石的裂隙发育情况。1977年他们又在红星300型的基础上改进生产了红星400型，成为以后进行大口径桩基设计的主要设备之一。新河钻探机械厂在1973年就生产了我国第一台潜水工程钻机，1976年通过鉴定。由达式宇、范孟斌先生相继研制完成的QSZ—800、QSZ—1250型潜水工程钻机应该说是回转钻机系列的一种创新，动力装置紧挨工作面，有节能和低噪声的优点。天津探矿机械厂生产的SPC—300型车装水文钻机，是20世纪80~90年代一直很受欢迎的钻机，它的突出特点是移位方便、自带动力、施工效率高。1980年广东省佛山公路局首先使用SPC—300型车装水文钻机施工直径1.5m、深36m的灌注桩孔。1982年他们又在此基础上改进制造了GJC—300H型钻机，扭矩为15kN.m。铁道部大桥工程局桥梁机械厂在20世纪80年代生产的BDM—2型大口径钻机，扭矩达40kN.m，开创了我国大口径钻机的先河，后来他们又在此基础上生产了BDM—4型大口径钻机，扭矩达80kN.m。90年代他们又研制成功KTY3000型全液压动力头钻机，从而结束了我国无大扭矩动力头钻机的历史。现在又研制成功了KTY4000型全液压动力头钻机，并在武汉天兴洲和南京大胜关长江大桥上得到了应用。山东地质探矿机械厂研制生产的冲击反循环钻机，领导了一次冲击钻机的革命，尤其是后来改进生产的液压冲击反循环钻机，它从根本上解决了噪音污染、排渣效率低的问题，在对付碎石类土地层方面，成为首选设备。河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂在1990年研制生产了WJJ—3A型大口径钻机，扭矩为43kN.m，1991年通过鉴定达到国内先进水平。2000年他们研制成功并生产的GYD—400型全液压动力头大口径工程钻机，扭矩达235kN.m，成为当时国内大口径钻机之最。这期间他们还生产了GF—200--300型系列产品，2002年，他们根据市场需求，又研制生产了GYD-200、GYD-300型全液压动力头钻机。这些钻机最突出的特点就是经济适用。洛阳矿山机械厂是国内生产大扭矩全液压回转钻机的主要厂家之一，目前扭矩已达到500kN.m。上世纪末到现在，国内很多厂家开始生产旋挖钻机，其发展速度和规模相当惊人。目前旋挖钻机的最大扭矩达到420kN.m。深度可达100m。三、市场需求1、环保的要求⑴低噪声；⑵尽量减少泥浆污染；⑶不能产生空气污染。2、资源要求⑴低成本（包括设备购置和辅助材料）；⑵低消耗（主要是电力、燃料）；⑶用人少。3、使用要求⑴多功能（正、反循环、泵吸反循环、气举反循环）；⑵多用途（回转、冲击、冲抓等）；⑶操作方便（自动化程度高、劳动强度小）；⑷移动方便（钻机移位、运输）。四、大口径钻机的发展趋势1、无循环液在1984年孙孝庆先生就提出“无循环液钻进”，目前我国引进的旋挖钻机系列产品，都属于这一类。由于环保的需求，这是将来的发展方向。2、大扭矩这是大口径钻井的需求。现在桩基设计的桩径越来越大，而且采矿竖井施工也要求采用大口径钻机，这都需要大扭矩。我们最近要定购的竖井设备，开孔直径达到10m，其扭矩达500kN.m。3、智能化这既是文明生产的需求，也是质量管理的需求。孔深、孔径、垂直度等都能显示，人机对话实现电脑控制，操作系统程序化。而且钻孔的所有检测数据都能储存和打印。机械故障能够显示或报警。4、高效率这是建设市场发展的需求，也是钻机市场竞争的需求。钻机工作照片单桩竖向极限承载力计算1一般规定2原位测试法3经验参数法4后注浆灌注桩5我的新方法1一般规定（1）设计采用的单桩竖向极限承载力标准值规定如下：设计等级为甲级的建筑桩基，通过单桩静载荷试验确定。设计等级为乙级的建筑桩基，应通过单桩静载荷试验确定，当地质条件简单时，可参照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数确定。设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位测试和经验参数确定。（2）单桩竖向极限承载力标准值、极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值的确定规定如下：单桩竖向静载试验按现行《建筑基桩检测技术规范》（JGJ-106）执行。对于大直径端承桩，可通过深层平板（平板直径应与孔径一致）载荷试验确定极限端阻力。对于嵌岩桩，可通过岩基平板（直径0.3m）载荷试验确定极限端阻力标准值，通过嵌岩短墩确定极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值。2原位测试法（1）根据单桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩和预应力混凝土管桩单桩竖向极限承载力标准值时，如无当地经验，可按下式计算：ukskpksikiskpQQQuqlpA桩端阻力修正系数α按表取值注：桩长15≤l≤30m，α值按l值直线内插；l为桩长（不包括桩尖高度）桩长（m）l1515≤l≤3030l≤60α0.750.75-0.900.