论岩土工程的发展与展望

2012-08-15赵彩飞梁仁旺

科学之友 2012年3期

赵彩飞，梁仁旺

（太原理工大学，山西太原 030024）

1 引言

岩土工程是一门将岩体力学、工程地质学以及土力学基础工程三者结合在一起，用于土木工程实践的新学科。展望岩土工程的发展，需要综合考虑岩土工程各个学科的特点，结合工程建设中对岩土工程新的要求，以及其相关学科的发展对岩土工程产生的影响。岩土工程所研究的对象为土体和岩体。土体和岩体在其形成的漫长历史过程中，经历了各种各样的地质作用，所以有着相当复杂的结构和力学性质。土体和岩体都存在着地域性的差异，所以不同地区的工程性质也存在着差异。

土和岩石的渗透特性、变形特性以及强度特性均需要通过试验来测定。而由于在取样和试验过程中，都不可避免地改变了试样的边界条件、初始应力等，所以测试得到的结果难免存在误差，因此不估计。

岩石与土的材料以及试验特征，决定了岩土工程这门学科的特殊性。岩土工程学科是一门应用学科，在这门学科的运用中，想要得出满意的结果，需要应用综合的理论知识、室内外试验的检测结果以及工程师的工程经验。岩土工程学的发展是紧紧围绕着土木工程中出现的岩土问题而发展的，国家建设的迅猛发展带动了土木工程的大肆发展，进而推动了岩土工程的的发展；同时由于计算机电子产业的兴起，提高了岩土工程的分析、计算、测试能力；新型材料和新型技术的出现，推动了岩土工程的技术革命。

2 测试岩土技术

在现代岩土工程中，钻探取样是勘测岩土性状的核心办法，钻探技术以及检测技术随着科技的进步已经取得了长足的进步。在工程实践中，运用高新科技实现钻机以及试验的智能化，尽可能节省时间、人力和物力，依然是岩土工程施工的主要方向。

2.1 静力触探（CPT）

CPT为一种电子的测试技术。试验过程中先向土体内压入锥形探头，分析土体对探头反作用所引起的电阻率变化，进而求出侧壁的摩阻以及锥尖的阻力，然后绘制出随深度变化的相关曲线，根据此曲线精确地划分出各地层，并计算各个地层的承载力和抗剪强度。这类试验在计算桩的桩端反力和侧阻力中精度很高。

目前，静力触探向多功能发展，它不仅可以分层鉴别各土层，还可以测试土体的固结系数，判断砂土液化和震陷，估测土的抗剪强度、应力史、地基变形模量、单桩承载力。在新的CPT技术中，声波遥感技术将会取代电阻应变，进而实现无电缆操作试验。试验的贯入深度将不会受到设备和地层的限制，并将目前的4大功能（贯入阻力、孔隙压力、侧壁摩阻和测斜）探头变为不同功能的探头或者多功能探头。

2.2 自钻旁压仪（PMT）

在原位试验当中，边界条件最为明确的一类试验就是自钻旁压仪（PMT），但是其试验成果却很难应用于实践。近年来，由于电脑自动化控制与微处理器的发展，以及临界状态土力学的渐渐成熟，使PMT试验的成果分析有了新的发展；自钻旁压仪和智能化钻机组合，在试验中克服了深度的限制；遥感技术的发展使得后期数据处理能够自动完成。

2.3 标准贯入试验（SPT）

目前，在国际上最常用、应用最广的勘探及原位试验仍是标准贯入试验。到目前为止，SPT仍是在世界上地震和震陷液化发生地区积累最多经验的原位试验，所以，评定液化和震陷最为权威的试验是标准贯入试验。标准贯入试验中，采用智能化钻机在标贯取样和控制自由落锤的冲击能方面得到更好的发展，使得试验数据更加准确。

2.4 侧胀仪（DMT）

侧胀仪也称为应力铲或者扁铲。侧胀仪可以更加快捷、经济、准确地测定土力学的各个重要参数，此方法已被列入欧洲、美国的规范。侧胀仪可用在确定不排水剪切强度CU（黏土）、约束模量M（黏土和砂土）、确定土的分层、计算沉降量、控制压实密度等试验中，也可以测定黏土的侧压力系数和超固结比、模拟侧向荷载下桩的荷载-位移曲线、判断砂土液化程度，还可以得到黏土的渗透系数和固结系数，确定黏土斜坡中滑移面的位置。

3 岩土工程的研究方法

岩土工程作为土木工程的分支，已经广泛涉及到了各行各业，研究岩土工程学的方法也是多种多样的。

3.1 分析岩土工程的可靠度

设计地基基础时，一般设计方向是采用以概率理论为基础的极限状态的设计方法。而由于岩土工程学本身的特殊性，此类设计在岩土工程应用技术上还存在着许多未能解决的问题。目前，结合岩土工程的自身特点，进行岩土工程问题的可靠度分析的理论研究，实现了地基基础设计方法与上部结构设计方向的统一。

3.2 沉降的设计理论

建（构）筑物的地基一般需要同时满足其极限承载力和小于变形沉降量的要求。有时满足承载力的要求后，可不验算其沉降量和变形量，这基本有以下两类情况：一类是对变形量没有严格的要求；另一类是在满足承载力之后，沉降量很小，可不验算。建筑物若建造在深厚的软黏土地基基础上，控制沉降量与差异沉降量是设计的关键。软土地基上的大部分工程事故都是由建筑物沉降所引起的，加固沉降需要加大投资，所以，合理的设计方案不仅可以控制建筑物的沉降，而且可以有效节约工程成本。

3.3 基坑工程中围护体系的变形与稳定

建筑技术不断进步，使得对地下工程的要求逐步增高，深基坑工程量也随之增加，在工程中，基坑稳定性和变形非常重要。计算变形与稳定性需要着重注意以下方面：围护结构的优化设计、土压力的计算、围护结构的变形、围护体系的形式和基坑开挖时对周围造成的影响等。基坑工程是一个非常系统的工程，要同时考虑到土的变形、渗流和稳定这3方面的问题，结合土体和结构的协同合作，作为一个综合性问题来进行考虑。

3.4 复合地基

复合地基是指在处理天然地基的过程中，置换或增强部分土体，又或在天然地基中加入一些材料，因此，加固区是增强体和天然地基两部分共同组成的地基。科学技术的迅速发展，使得复合地基也得到了很多的技术支持，出现了各类型组合形式。根据增强体的方向，复合地基可分为竖向和水平两大类，同时由于荷载的传递机理，竖向复合地基又可分为刚性桩复合地基、柔性桩复合地基和散体材料桩复合地基。

3.5 岩土工程的发展

岩土工程的发展基础是技术创新，新技术的开发带动工程施工工艺的改进，可以进一步提高施工的质量，拓宽岩土工程的涉及范围，岩土工程学科的生命力也得到了加强。在不断发展新技术的基础上，应该特别重视以下几个特殊岩土工程问题的研究：越海越江地下隧道中岩土方面的工程问题；水库区域由于水位的变化引起的山体边坡上的问题；超高层建筑要求的超深基础中的岩土问题；大型地下工程中土体变形、破坏问题等。