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岩土工程勘察岩土工程勘察朱志铎东东南南大大学学二二00一三年九月一三年九月目录土木工程与岩土工程土木工程与岩土工程岩土工程勘察概况及基本技术要求岩土工程勘察概况及基本技术要求工程地质测绘和调查工程地质测绘和调查工程勘探工程勘探土工试验土工试验原位测试原位测试岩土工程勘察的主要类别及基本要求岩土工程勘察的主要类别及基本要求特殊性岩土的勘察评价特殊性岩土的勘察评价地质灾害的勘察评价地质灾害的勘察评价岩土工程分析评价岩土工程分析评价实例研讨实例研讨1.岩土参数的分析与选取2.岩土工程分析评价3.反分析4.岩土工程勘察报告岩土工程分析评价岩土工程分析评价勘察成果整理是在搜集已有资料后，在工程地质测绘、勘探、测试、检验与监测所得各项原始资料和数据的基础上进行的，其主要工作内容是：岩土参数的分析与选定、岩土工程分析评价、反分析和勘察报告的编写。1.岩土参数的分析与选取一.岩土参数的可靠性和适用性岩土参数的分析与选定是岩土工程分析评价和岩土工程设计的基础。评价是否符合客观实际，设计计算是否可靠，很大程度上取决于岩土参数选定的合理性。岩土参数可分为两类：一类是评价指标，用以评价岩土的性状，作为划分地层鉴定类别的主要依据；另一类是计算指标，用以设计岩土工程，预测岩土体在荷载和自然因素作用下的力学行为和变化趋势，并指导施工和监测。工程上对这两类岩土参数的基本要求是可靠性和适用性。可靠性是指参数能正确反映岩土体在规定条件下的性状，能比较有把握地估计参数真值所在的区间。适用性是指参数能满足岩土工程设计计算的假定条件和计算精度要求。岩土工程勘察报告应对主要参数的可靠性和适用性进行分析，并在分析的基础上选定参数。岩土参数的可靠性和适用性在很大程度上取决于岩土体受到扰动的程度和试验标准。它涉及到两个问题：（1）取样器和取样方法问题；（2）试验方法和取值标准问题。通过不同取样器和取样方法的对比试验可知，对不同的土体，凡是由于结构扰动强度降低得多的土，数据的离散性也显著增大。对同一土层的同一指标，采用不同的试验方法和标准发现，所获数据差异很大。二.岩土参数的统计分析由于岩土体的非均质性和各向异性以及参数测定方法、条件与工程原型之间的差异等种种原因，岩土参数是随机变量，变异性较大。故在进行岩土工程设计时，应在划分工程地质单元的基础上作统计分析,了解各项指标的概率系数，确定其标准值和设计值。岩土参数统计分析前，一定要正确划分工程地质单元体。不同工程地质单元的数据不能一起统计，否则因不同单元体岩土的物理力学性质参数差异较大而导致统计的数据毫无价值。由于土的不均匀性，对同一工程地质单元（土层）取的土样，用相同方法测定的数据通常是离散的，并以一定的规律分布，可以用频率分布直方图和分布密度函数来表示。三.岩土参数的标准值和设计值岩土参数的标准值是岩土工程设计时所采用的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。它是在统计学区间估计理论基础上得到的关于参数母体平均值置信区间的单侧置信界限值。母体平均值μ可靠性估值fk（即标准值）按下式求得：P（μfk）=α为风险率，是一个可以接受的小概率，符合上式的是单侧置信下限。当采用此下限值作为设计值时，意味着参数母体平均值可以推断为一个大概率大于设计值，而仅有一个小的风险率可能会小于此值。在岩土工程勘察成果报告中，应按下列不同情况提供岩土参数值：（1）一般情况下，应提供岩土参数的平均值(fm)、变异系数（δ）、数值范围和数据的个数(n)。（2）承载能力极限状态计算需要的岩土参数标准值应按式(fk=rsfm)计算；当设计规范另有专门规定的标准值取值方法时，可按有关规范执行。正常使用极限状态计算需要的岩土参数宜采用平均值。评价岩土性状需要的岩土参数应采用平均值。(3)当用以分项系数描述的设计表达式计算时，岩土参数的设计值fd可按下式计算：fd＝fk/γ式中：γ——岩土参数的分项系数，按有关设计规范的规定取值。一.分析评价的内容和要求岩土工程分析评价是勘察成果整理的核心内容。它是在各项勘察工作成果和搜集已有资料的基础上，依据工程的特点和要求进行的。岩土工程分析评价的内容主要包括：(1)场地的稳定性和适宜性。(2)为岩土工程设计提供场地地层结构和地下水空间分布的参数、岩土体工程性质和状态的设计参数。(3)预测拟建工程施工和运营过程中可能出现的岩土工程问题，并提出相应的防治对策和措施以及合理的施工方法。2.岩土工程分析评价(4)提出地基与基础、边坡工程、地下洞室等各项岩土工程方案设计(或建议)。(5)预测拟建工程对现有工程的影响、工程建设产生的环境变化，以及环境变化对工程的影响。做好分析评价工作规定的各项内容，要求做到：(1)必须与工程密切结合，充分了解工程结构的类型、特点和荷载组合情况，分析强度和变形的风险和储备。不仅仅是分析地质规律，而要切实解决工程实际问题。(2)掌握场地的地质背景，考虑岩土材料的非均匀性、各向异性和随时间的变化，评估岩土参数的不确定性，确定其最佳估值。(3)参考类似工程的经验，以作为拟建工程的借鉴。(4)理论依据不足、实践经验不多的岩土工程，可通过现场模型试验和足尺试验进行分析评价。对于重大工程和复杂的岩土工程问题，应在施工过程中进行监测，并根据监测资料适当调整原先制订的设计和施工方案。而且要预测和监控施工、运营的全过程。二.分析评价的方法应采用定性分析评价与定量分析评价相结合的方法来进行。一般的操作程序是：在定性分析评价的基础上，方可进行定量分析评价；换言之，不经过定性分析评价是不能直接进行定量分析评价的。对某些问题则仅作定性分析评价即可，如工程选址及场地对拟建工程的适应性、场地地质背景和工程地质条件分析、岩土性状的描述等。定性分析和定量分析都应在详细占有资料和数据的基础上，运用成熟的理论和类似工程的经验进行论证，并宜提出多个方案进行比较。1.定量分析评价的内容(1)岩土体的变形性状及其极限值。(2)岩土体的强度、稳定性及其极限值，包括地基和基础、边坡和地下洞室的稳定性。(3)岩土压力及岩土体应力的分布与传递。(4)其他各种临界状态的判定问题。2.定量分析的方法定量分析可采用解析法、图解法或数值法。（1）解析法是使用最多的方法，它以经典的刚体极限平衡理论为基础。这种方法的数学意义严格，但由于应用时对实际地质体有一定的前提假设条件，以及边界条件的确定和计算参数的选取也都存在误差和不确定性，甚至有一定的经验性，所以应有足够的安全储备以保证工程的可靠性。解析法可分为定值法和概率分析法。A、定值法也称稳定性系数法或安全系数法。它将各种计算参数皆取一确定值。因稳定性系数就是各种参数的函数，即K＝f(c、γ…)因而所获得的稳定性系数也是一确定值。为可靠起见，根据工程的重要性和地质条件的复杂程度，一般用安全系数来保证计算的安全度。即在强度上根据经验打一折扣，作为安全储备。其表达式为：Ｋ＝Ｒ/Ｓ≥［Ｋ］式中：R、S、K、［Ｋ］——分别为抗力、作用力、稳定性系数和安全系数。B、概率分析法由于岩土性质的差异性以及勘探、取样和测试的误差，导致许多参数并不是一个确定值，而是具有某种分布的随机变量，所获取的稳定性系数亦相应为随机变量。因而采用概率分析法进行稳定性评价更为合理，即按破坏概率量度设计的可靠性，将安全储备建立在概率分析的基础上。概率分析法的表达式为：Ｐf＝Ｐ（Ｋ＜1）≤［Ｐf］式中：Pf、［Ｐf］——分别为破坏概率和目标破坏概率。而稳定的概率则为：Ｒ＝１－Ｐf对确定稳定性系数K的各种计算参数需要进行许多次随机抽样，才能获得K值的概率分布图。目前国内的岩土工程计算一般都采用定值法，对特殊工程需要时可辅以概率分析法进行综合评价。3.岩土工程计算的极限状态按《规范》规定，岩土工程计算应按极限状态进行。所谓“极限状态”指的是：整个工程或工程的一部分，超过某一特定状态就不能满足设计规定的功能要求。这一特定状态即称为该功能的极限状态。各种极限状态都有明确的标志或限值。按工程使用功能，可将极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态二类。（1）承载能力极限状态或称破坏极限状态。它又可分为两种情况：A、岩土体中形成破坏机制地基的整体性滑动、边坡失稳、挡土结构倾覆、隧洞冒顶或塌帮、渗透破坏等。B、岩土体的过量变形或位移导致工程的结构性破坏由于土体的湿陷、震陷、融陷或其他大变形，造成工程的结构性破坏；由于岩土过量的水平位移，导致桩的倾斜、管道破裂、邻近工程的结构性破坏；由于地下水的浮托力、静水压力或动水压力造成的工程结构性破坏等。（2）正常使用极限状态或称功能极限状态。这种极限状态对应于工程达到正常使用或耐久性能的某种规定限值。属于正常使用极限状态的情况有：影响正常使用的外观变形、局部破坏、振动以及其他的特定状态。例如，由于岩土变形而使工程发生超限的倾斜、沉降、表面裂隙或装修损坏；由于岩土刚度不足而影响工程正常使用的振动；因地下水渗漏而影响工程(地下室)的正常使用等。一.反分析的含义通过工程实体试验或施工监测岩土体实际表现性状所取得的数据，反求某些岩土工程技术参数，并以此为依据验证设计计算、查验工程效果以及分析事故的技术原因。例如，根据建筑物沉降观测结果，反求地基土层的模量或确定沉降计算的经验系数，并由此验证地基沉降量计算的确切性。反分析是岩土工程勘察、设计的一个重要特点。由于岩土工程的影响因素复杂，设计计算所用的数学模型或计算公式都需经过一定的概化和简化；尤其当地质条件较复杂时，岩土参数往往不易准确量测。所以设计计算的结果就存在误差和不确定性。3.反分析此外，测试条件与工程原型之间存在较大的差别（尺寸效应、应力状态），也影响岩土参数的可靠性和适用性。因此，单纯依靠理论计算又无现成经验的设计，可靠性较低；而以实体试验和原型监测为依据的岩土工程设计则较为可靠、合理。反分析应以岩土工程实体或足尺试验为分析对象。根据系统的原型观测，查验岩土体在工程施工和使用期间的表现，检验与预期效果相符的程度。只要方法得当，反分析可以求得更加符合实际的岩土工程技术参数。它与室内试验、原位测试一起，构成了求取岩土参数的第三种手段。也可以说，反分析是前两种测试方法的补充，并借以验证其所求得的参数的实用性。二.反分析的应用反分析可分为非破坏性(无损的)反分析和破坏性(已损的)反分析两种情况。渗透系数涌水量及水位降深降水工程、生产井变形模量、承载比路基及路面变形公路岩土抗剪强度水平及铅直位移、倾斜、岩土压力、结构应力挡土结构岩土动刚度、动阻尼稳态或非稳态动力反应，包括位移、速度、加速度动力机器基础岩土变形参数沉降量和基坑回弹量观测房屋建筑工程反演参数实测参数工程类型非破坏性反分析的应用破坏性反分析的应用膨胀压力、湿陷性指标土的含水率和变形，建筑物变形的动态观测数据膨胀性土、湿陷性土液化临界值地震前后的密度、强度、水位、上覆压力、标高等饱水粉细砂滑动面岩土强度滑坡体的几何参数，滑动前后观测数据滑坡岩土强度地基失稳滑移后的几何参数各类场地反演参数实测参数场地类型为了提高反分析结果的可信度，不论何种类型的工程都应做到以下几点：(1)反分析之前，应进行详细的场地勘察工作，了解岩土和地下水条件，以及它们在施工过程中发生的变化。(2)了解工程实体或足尺结构物在施工和运营过程中实际外加荷载的大小、加荷方式和作用时间。(3)通过测试和分析，确定岩土体的初始状态变量，如岩土体的初始应力状态、应力历史等。(4)合理确定岩土体的本构关系或反应模型以及相应的计算方法。(5)恰当假定分析过程中的排水条件和边界条件。(6)恰当确定反分析中所需的岩土体辅助参数，如土的重量、隙比、含水率等。需进行数据统计时，一般只能在内插范围内选取参数，只有在确有把握的情况下，才采用外延方法。(7)原型观测的项目、手段、方法和要求，应有针对性。(8)在进行量纲分析、理论分析、统计分析时，应注意反分析工程与设计工程之间在尺寸上的差异。勘察报告是岩土工程勘察的总结性文件，一般由文字报告和所附图表组成。此项工作是在岩土工程勘察过程中所形成的各种原始资料编录的基础上进行的。为了保