岩土工程概念篇1

关键词：建筑施工；新技术；地下工程

引言

地下工程种类很多，施工工作条件特殊，施工环境复杂，因此对施工技术有着较高的要求，建筑施工新技术的发展能够为地下工程的建设提供技术保障，因此，要加大研究力度，对建筑施工新技术进行研究，保证地下工程施工的顺利进行。

1地下岩土和岩土

地下工程作为一种结构物，与地面构筑物的一个重要区别在于它处在岩石或土这种地质环境之中。周围岩土介质的各种物理力学性质及其赋存条件，对地下工程的设计、施工乃至运营都有重要的影响。

岩石是经过地质作用形成的由一种或多种矿物组成的天然集合体。在地壳岩石形成过程中，地质构造作用以及其他漫长的大自然作用破坏了岩石的完整性和连续性，产生了许多裂隙、节理和断层。常常把节理、裂隙、断层和沉积岩与由沉积岩变质的变质岩在生成过程中形成的层理和层面统称为结构面。把由结构面切割出的完整块体称为岩块，因此岩体也就可以认为是由岩块和结构面组成的复杂地质体。

绝大部分土是地表岩石经过漫长地质历史年代的同化作用而生成的。经物理风化的土层矿物成分常与原生矿物一致，如石英、长石、云母等。原生矿物经化学风化形成新的次生矿物成分，主要有粘土矿物，如高岭土、伊利石和蒙脱石。这是土体中两种物理力学性质存在明显的区别。风化后的土体还会受到水、风、冰川等的动力作用，经冲刷、搬运后沉积在一起的土体成分，就变得相对复杂，并可能形成一定的沉积构造。

土体经长期的高压、脱水、固结后，又会形成岩石。因此，岩石和土的区别只是颗粒胶结的强弱。由于土的胶结力弱，因此土的成分对土体的物理力学性质影响更为严重，而岩石则相反，有时甚至两者难以区别。

2隧道与巷道

对于洞道式地下工程，不同的行业有不同的称谓，公路及铁路部门称为隧道，在矿山称为巷道，水利水电部门称之为隧洞，而军事部门则称为坑道或地道，在市政工程中又叫通道或地道。

隧道（tunnel）通常是指修筑在地下或山体内部，两端有出入口，供车辆、行人等通过的通道。大部分隧道的设置以交通运输为主要目的，如交通运输方面的铁路、公路和人行隧道；城市地下铁道隧道、海底及水底隧道等。

巷道（heading、drift等）通常是指为采掘地下矿物而修建的地下空间结构体，包括各种巷道和硐室。矿山隧道一般埋藏比较深，可达数百米甚至几千米，故可称为深埋隧道；矿山巷道的断面一般比交通隧道的小，这些均导致了两种隧道的设计与施工有一定的区别。矿山巷道按作用分主要有运输巷道、通风巷道、人行巷道和硐室。运输巷道是矿车运行的主要通道，负责人员、矿藏、材料、设备的输运和通达。包括车场中的各种巷道、石门、运输巷、材料巷等。通风巷道用于输送新鲜空气，排除有害气体和废气，调节温度。人行巷道专供人员通行。硐室的长度一般比较小，断面相对较大，主要用于安装大型生产设备、存放材料，如机车库、炸药库、变电所、水泵房等。

隧洞通常是指水利发电工程、城市市政方面的各种水工隧道或隧洞等。在水电工程中设置各类水工隧道可实现引水、排水、通风等目的；市政工程中，设置各类公共隧道可实现污水排放、管线铺设等目的。

坑道通常是指军事工程方面的各种国防坑道，是一项隐蔽在地下、水下或山体内部，作为作战、防御、储藏手段的重要结构物，是战争时期的重要场所。

地道或通道一般也称地下人行道。常在道路交叉口，为行人穿越道路而设。

不论何种洞道式工程，从地质条件上可将其分为两大类，即岩石洞道和土层洞道。根据其所处的环境不同可分为山岭隧道、城市隧道、水（海）底隧道、矿山隧道（巷道）等。根据其埋藏深度分为深埋式与浅埋式。对于深埋与浅埋的界限目前尚无明确的指标。

3围岩与围岩压力

未经人为开挖扰动的岩（土）体称为原岩。当在原岩（土）体内进行地下工程开挖后，周围一定范围内岩（土）体原有的应力平衡状态遭到了破坏，导致应力重新分布，引起附近岩（土）体产生变形、位移、甚至破坏，直到出现新的应力平衡为止。将开挖后隧道周围发生应力重新分布的岩（土）体称为围岩，围岩既可以是岩体，也可以是土体。如果在出现新的应力平衡之前已对围岩进行了支护，则围岩的变形和破坏就会引起应力和位移的变化，甚至破坏支护结构。岩体力学中把由于开挖而引起的围岩或支护结构上的力学效应统称为广义的围岩压力。

围岩压力的大小，不仅与岩体的初始地应力状态、岩体的物理力学性质和岩体结构有关，同时还与工程性质、支护结构类型及支护时间等因素有关。显然，当围岩的二次应力不超过围岩的弹性极限时，围岩压力将全部由围岩自身来承担，隧道也就可以不加支护而在一定时期内保持稳定。当二次应力超过围岩的强度极限时，就必须采取支护措施，以保证隧道稳定，此时，围岩压力是由围岩和支护结构共同承担的，可见，作用在支护结构上的压力仅是围岩压力的一部分。因此，把作用在支护结构上的这部分围岩压力称为狭义的围岩压力。通常所说的围岩压力多指狭义围岩压力。

对围岩的理论研究表明，围岩本身具有一定的自承载能力，充分发挥围岩的自承载能力，会大大降低隧道支护成本。隧道开挖后，适当控制围岩的变形，对隧道的维护具有重要意义。

围岩压力就其表现形式可分为松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力等。由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式作用在支护结构上的压力称为松动压力，亦称散体压力。开挖必然引起围岩变形，支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。冲击压力是围岩中积蓄的大量弹性变形能受开挖的扰动而突然释放所产生的压力，包括岩爆、岩震和突出等。膨胀压力是岩体遇水后体积发生膨胀而产生的压力，其大小取决于岩体的性质和地下水的活动特征。

4矿山法与新奥法

所谓矿山法，一般是指采用传统的钻眼爆破法或悬臂式掘进机开挖的方法，是一种传统的采用暗挖法施工地下工程的方法。所谓新奥法是20世纪60年代奥地利专家L.V.Rabcewicz总结前人积累的经验后提出来的一套隧道设计、施工的新技术，即新奥地利隧道施工法（NewAustrianTunnellingMethod，NATM），简称“新奥法”。指在采用矿山法施工地下工程时，对挖掘和支护、尤其是对支护进行科学设计和组织的一种思想、理念和方法。它强调的是在岩体被开挖之后，要进行有关变形和力学参数监测，以合理确定一次支护与二次支护的时机，确定初次支护、二次支护的结构形式与尺寸，即信息化施工。它是一套地下工程设计、掘进、衬砌、测试相结合的完整新概念。新奥法在公路与铁路隧道、矿山巷道、地下交通隧道等工程中得到了广泛推广和应用。

因此，矿山法和新奥法是两个完全不同的概念，新奥法涵盖于矿山法之中，二者不具有同体性和可比性。新奥法的基本思想和方法不仅适用于隧道工程，而且同样适用断面相对较小的各类巷道工程。但目前在某些部门还存在混淆，例如某隧道采用钻研爆破法施工，有的人则声称“采用的是新奥法而不是矿山法”、“新奥法比矿山法优越”等，这是完全的概念性错误。

4.1新奥法在地下工程应用的工程案例分析

我司承建施工的某公路隧道最大埋深约130m，设计净高5.0m，净宽14.0m，隧道长940m。隧道区域内主要为微风化黑云母+长花岗岩，局部有微风化煌班岩脉穿插。围岩以Ⅳ-Ⅴ类为主，进口段为Ⅱ-Ⅲ类围岩，岩体裂隙不甚发育，稳定性较好。隧道区域内地表水系不发育，区域内以基岩裂隙水为主，浅部残坡积层赋存松散岩类孔隙水，洞口围岩变化段水系较发达。采用新奥法施工。

4.2新奥法的实际发展与未来展望

实际发展：经20多年的实践和推广，新奥法已在欧洲一些国家如奥地利、联邦德国、瑞典、瑞士、法国等的山岭隧道中普遍使用（占70～80%），并已用于地下铁道，且取得沉降量特别小的显著成果。日本从1976年以来，已有近100座隧道采用了新奥法。中国从60年代初开始推广喷锚支护新技术，到1981年底，采用喷锚支护的地下工程和井巷的总长度已接近7500公里。近年来，又在普济、下坑、大瑶山等铁路隧道采用新奥法进行施工。

新奥法的适用性很广，中国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。但在下列情况下，一般都应采取适当的辅助措施才能施工：①涌水量大的地层；②因涌水产生流沙现象的地层；③围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难场合；④开挖面不能自稳的围岩。

未来展望：新奥法的发展是和喷锚支护的材料、方法和机具等的发展密切相关的。要进一步研制初期和长期强度都高、回弹少、粉尘低、生产率高的喷射混凝土系统，并和高效能的集尘器、自动喷射装置、周期短的材料供应系统配套。研究能缩短喷敷时间，又无公害的新喷敷方法。研究不需用临时堆放场地、易于运输的喷射材料和新的施工工艺，如钢纤维加强喷射混凝土、SEC喷射混凝土、光面爆破和深孔爆破技术、液压凿岩台车（兼作安装锚杆用）、喷射车组（包括机械手）、各种混凝土喷射机、液体速凝剂、粉尘防止剂、树脂锚杆等。

5结语

随着经济的发展和社会的不断进步，建筑工程得到了快速的发展，尤其是地下工程如雨后春笋般涌现，地下建筑工程的出现和发展为城市节约了大量的土地资源，有效地缓解了我国的人地矛盾。地下工程的继续发展对施工技术提出了更高的要求，一定要不断地优化施工技术，提高施工水平，推动城市地下工程的发展。

参考文献

[1]程桦.城市地下工程人工地层冻结技术现状及展望[J].淮南工业学院学报（自然科学版）.2000（02）.

[2]刘，梁鹏.城市地下工程中人工冻结法的防冻胀优化设计研究[J].武汉科技大学学报（自然科学版）.2004（04）.

岩土工程概念篇2

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[2]张在明.对于发展环境岩土工程的初步探讨[J].土木工程学报，2001，34（2）：1-6.

[3]胡中雄，李向约，方晓阳.环境岩土工程概论[J].岩土工程学报，1990，12（1）：98-108.

[4]周健，吴世明，徐建平.环境与岩土工程（岩土工程新进展丛书）[M].北京：北京建筑工业出版社，2001.

[5]朴春德，曹丽文，杨建平.环境岩土工程学课程研究型教学模式探讨[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2012（3）：69-70.

[6]胡敏云，田兴长，许四法.土木工程专业环境岩土工程课程建设探讨[J].高等建筑教育，2009，18（2）：88-90.

[7]沙晨燕，何文珊，童春富，等.上海近期酸雨变化特征及其化学组分分析[J].环境科学研究，2007，20（5）：32-34.

Teachingresearchandpracticeofenvironmentalgeotechnicalengineering

RAOPingping，SONGZhongqiang，ZHANGFeixiang

（DepartmentofCivilEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，P.R.China）

Abstract：

岩土工程概念篇3

关键词：岩土工程；边坡；可靠性分析；综合支护体系

边坡属于岩土工程施工当中所要面对的特殊环境之一，由于边坡环境的特殊性，使得施工过程中土质的稳定性具有较大的波动，而这些都会为施工工程带来巨大的影响，轻则延长施工周期，严重时可能会导致施工单位资金和人员的损失。目前国际上对边坡稳定性的分析方法当中以可靠性分析应用范围最广，于上个世纪70年代就已经开始应用，促进了边坡施工技术的发展。

一、边坡稳定性的概述和特点

（一）边坡稳定性分析的概述

边坡工程的质量是整个岩土工程质量评价的基本指标，其稳定性一般包括三大类，包括安全性、时效性和实用性，当这三个属性全部满足时就说明该边坡工程具有较高的稳定性。从这一概念当中不难看出，边坡本身的稳定性与工程质量呈正比，提高了边坡稳定性，也就是提升了工程的质量。为此，在整个边坡施工的过程中都必须深入地对其稳定性进行分析，而这也是岩土工程质量保证和管理工作的必要前提。而边坡稳定性分析主要就是以实际和计算获得的数据来推算施工区域内边坡土质的稳定性，为施工监理可靠的评价体系和模型，将自然环境当中的自然因素、岩层压力因素、地震影响因素、荷载因素等诸多随机变量引入评估当中，并且由此可以了解边坡稳定性的评价指标具有随机性，只能利用模型对实际情况进行模拟，选出最好的施工方式，增加施工质量。

（二）边坡环境的特点

边坡环境具有复杂性和不确定性的特点。首先，其复杂性主要来源于其岩土地质的属性，在悠久历史的地质变迁过程中，其所涉及到的地质条件、岩土参数等具有极高的复杂性和多边形。其中最为明显的就要数地质当中各岩层属性的复杂程度，随着土层的逐渐深入，边坡环境下的土壤成分会发生较大的变化，因此给岩土工程的施工带来了巨大的阻碍。而我国研究者也提出，边坡的这种复杂性和测量的精准性存在极大的冲突，在测量时根本无法获得准确数值，只有利用最优化设想数据和概率模型相结合才能够得出更加贴近于实际的测量数值。其次，边坡环境还具有不确定性特点，根据其实际情况可以分为物理不确定性、统计不确定性以及模型不确定性三大类。其中物理不确定性主要指的是由于边坡环境的地质变化程度较高，影响因素较多，其变迁情况存在较大的不确定性。而统计不确定性主要指的是边坡环境下各岩层组成具有较大的随机性，因此在统计过程中会严重影响统计的准确率，导致参数、容量等数据较大的波动，产生随机变量。模型不确定性就是指基于不确定性特性基础上，在建立数学模型的过程中出现了非线性随机结构，变量的不确定直接导致模型的不确定特性，其主要是由于变量和未知效应共同作用产生的。

二、边坡环境稳定可靠性分析指标的计算

（一）确定主要变量的参数

边坡稳定可靠性分析在计算的过程中主要是基于数据的不确定性下进行的，其能够最大程度反映边坡环境土质变化的差异特点，进而提高稳定性评价的准确率。在计算的过程中对于模型影响最大的为两个变量（和，其中），将其作为分析稳定性的可靠性变量，而为了使计算过程更加简便，将变异缩小，以此一般将其以定值方式进行处理，确定这些基本变量的最可能值、均数或标准差。其中最可能值指的就是在所有参数当中出现概率最大的数值（这一数值可以为均值），但在实际工作过程中，由于边坡环境的特殊性，使得这一最可能值的计算和获取较为困难，因此可以将这一变量转变为设计采用值进行计算。目前，制约可靠性分析方法的主要因素就在于标准差变量的统计，这一变量无法利用现有的统计学处理方法获得，因此使得现代可靠性分析方法的研究受到了极大的阻碍。

（二）失效概率判断

刚体极限平衡法是一种操作简便，计算结果直观，应用范围广，安全度较高的一种计算方式，也是目前我国岩土和水利工程当中应用最多的边坡稳定可靠性分析方法。以这一理念为基础，确定极限状态方程式，并根据我国工程统计标准来确定失效概率，借此提高对边坡稳定的准确分析。

（三）指标计算方法

在对边坡稳定性的各指标进行计算时，首先应确定边坡的最危险滑动面，一般采用瑞典圆弧法对滑动面进行计算，假设边坡当中的土质均一，可以获得其稳定系数为，公式当中的代表第i条滑动土带的质量；则代表第i条底部滑动面的长度；代表第i条滑动带滑动时的倾斜角度。在计算的过程中要注意，由于该公式下的滑动面的值具有随机性，因此整个公式所代表的是虚拟状态下的工作状态，其需要应对与各种可能性进行计算，并从其中找到安全系数值最小的滑动带，而这条滑动带也就是该边坡环境最危险滑动面。虽然这一计算所需要的数据量十分庞大，并且过程复杂，但是所获得的数据是最接近实际情况的。

三、边坡环境的综合支护体系

边坡环境因其特殊性很容造成滑坡、坍塌、剥落等危险情况，并且由于人为施工因素还可能引发沉陷、崩落等情况，随时可能会对施工人员造成巨大伤害。因此根据边坡的主要特点进行综合支护处理，根据加固方式的不同主要可以分为三种方式，其中最常见的是直接加固方法，包括抗滑桩、挡土墙、抗滑栓、锚杆等；其次是间接加固方法，这种方法主要是在边坡的排水、防水等设施的基础上进行防滑加固；特殊加固法主要以麻面爆破为主，增加边坡的摩擦力，减小滑坡的可能性。

参考文献：

[1]夏元友，李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2012，21（07）：1087-1091.

[2]孙慕群，符向前.土坡稳定可靠度分析中若干规律的探讨[J].岩土工程技术，2010（02）：109-113.

[3]翟才旺.水利水电岩质边坡的加固技术综述[J].广西水利水电，2012（03）：1-4.

[4]冯光乐，凌天清，等.公路边坡支护方案优化设计[J].交通运输工程学报，2012，02（01）：43-47.

[5]张远明，李梦华.边坡加固处治新技术的研究与应用[J].四川地质学报，2010，20（04）：281-286.

岩土工程概念篇4

关键词：建筑结构设计；概念设计；优化技术;降低工程造价

一、结构优化设计的思路

结构设计就是从建筑及其它专业图纸中所提炼简化出来的结构元素,包括基础、墙、柱、梁、板、楼梯、大样图等。然后用这些结构元素来构成建筑物或构筑物的结构体系,包括竖向和水平的承重及抗力体系,再把各种情况产生的荷载传递至基础。建筑结构设计是一项系统的、全面的工作,在设计中存在的问题是多种多样的,需要扎实的理论知识功底,灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。建筑结构设计的原则是适用、安全、经济、美观、便于施工。

结构优化设计的技术，应用在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。其中房屋工程分部结构的优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包含选型、布置、受力分析、造价分析等内容，并应在满足设计规范和使用要求的前提下，结合具体工程的实际情况，围绕其综合经济效益的目标进行结构优化设计。

目前,建筑物逐步走向多层、高层、甚至超高层。对地基的要求越来越高,天然地基已无法满足工程需要,地基处理方案也越来越多。就桩基而言就有好多种,如现浇钢筋砼灌注桩、预应力钢筋砼管桩、水泥土搅拌桩、碎石桩、高压喷射水泥桩、粉喷水泥桩、粉喷石灰桩等。事实上,各方案造价往往有较大差距,选择经济好的方案能大大降低造价。

具体事例：1、工程概况

在福州地区某小区住宅高层建筑,，由十栋楼组成，其中两栋1#2#楼为18层，结构总高度55.2m，其中八栋3#~10楼为33层,结构总高度99.8m,地下均为1层，地下室埋深为4m。总建筑用地面积120168m2，总建筑面积186836m2。主要功能为地下停车库、设备用房及部分人防地下室,地上部分为商住楼。建筑结构安全等级为二级,所在地区的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.1g,设计地震分组:第二组;场地类别:III类;特征周期Tg=0.55sec,主体均采用剪力墙结构。

2、工程地质概况

据钻孔揭露，场地地层按岩土性质自上而下可分为13个工程地质层，现分述如下：

素填土①厚度0.20-4.30m,杂填土①-1厚度1.00-5.10m,粉质粘土②厚度1.00-2.40m,淤泥③厚度4.40-22.40m,粉质粘土④厚度0.40-12.00m,淤泥质土⑤厚度0.50-14.40m,粉土⑥厚度1.10-3.90m,含泥中砂⑦厚度约1.00-13.50m,粉质粘土⑧厚度0.70-6.80m,淤泥质土⑨厚度0.60-6.70m,含泥中砂⑨-1厚度1.20-7.80m,含泥角砾⑩-1厚度约0.40-3.80m,残积砂质粘性土⑩厚度约0.80-12.20m,全风化花岗岩⑾厚度0.80-7.40m,强风化花岗岩⑿厚度15-28.90m,强风化辉绿岩⑿-1厚度3-3.50m,中风化花岗岩⒀厚度1.10-2.32m。

表1桩基础设计参数表（kpa）

备注:1、桩基参数依据省标《建筑地基基础技术规范》（DBJ13-07-2006）。

2、qSiK为桩的极限侧阻力标准值；qpk为桩的极限端阻力标准值。

3、基础方案

原基础设计采用锤击式预应力高强管桩直径500mm，持力层为强风化花岗岩⑿（强风化辉绿岩⑿-1），桩尖进行持力层1m以上，单桩承载力特征值取2500KN/m2。

18层的1#楼先行施工，由于锤击管桩施工时，产生较大的噪声及震动，周边居民投诉后，政府要求此工程不能采用锤击式预应力高强管桩。后基础设计改为静压式预应力高强管桩，但由于地质表层较差，淤泥较厚，于是施工18层的2#楼时，先在地面铺一层1.50米厚的砖渣并压实，保证静压桩机能正常走机施工。待1#、2#楼桩基施工完，土层开挖后对桩基进行动测检验时，结果是锤击施工的1#楼I类桩为65%、II类桩为15%、III类桩为15%、四类桩为5%，静压施工的2#楼I类桩为50%、II类桩为20%、III类桩为20%、四类桩为10%,经过分析判定，主要原因是地质表层较差，淤泥较厚，基坑开挖时，很难做到分层开挖，一次性开挖较深，挖土机及运土机施工时对管桩产生侧向挤压，造成管桩在淤泥与粉质粘土（硬层）交接处破坏。另静压桩机较重，走机施工时沉陷对已施工的管桩也产生较大的破坏，故产生III类、四类桩更多。由此造成的损失是补桩费用增加60万，工期增加2个月。

各相关部门针对3#~10#楼33层的高层基础进行讨论，起初统一意见是将桩基改为C35冲（钻）孔灌注桩直径800mm，持力层仍为强风化花岗岩⑿（强风化辉绿岩⑿-1），桩尖进行持力层8m以上，单桩承载力特征值取4000KN/m2。安排先试桩两根并做静载，其中1#试桩进入持力层8m,2#试桩进入持力层10m,并同时进行桩底高压注浆,达到砼龄期28天后进行静载试验，结果是1#桩的承载力特征值3000KN/m2,2#桩的承载力特征值3200KN/m2。由此判断采用冲（钻）孔灌注桩，单桩承载力过低，且工期较长、造价较高，不适用于这个工程。

决定尝试仍采用静压式预应力高强管桩，但需水泥搅拌桩进行基础表层加固、并适当设置消压孔的方式。水泥搅拌桩是利用深层搅拌机械将水泥浆或水泥粉输送到地基深处与软土强制搅拌，利用与软土间的物理化学反应，使软土硬结为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土。水泥搅拌桩与桩间同承担上部结构传来的载荷，形成复合地基。水泥搅拌桩加固地基的作用保证静压桩机施工时不沉陷、不对已施工的管桩产生侧向挤压破坏，且表层已形成硬层，基坑开挖时挖土机及运土机施工时对管桩产生侧向挤压影响较小。由于33层的建筑，管桩布置较密，布置消压孔的作用是减小管桩施工时产生的挤土效应（避免管桩相互挤压破坏及对周边民房的破坏）。

水泥搅拌桩的设计内容为桩径500mm、桩长度从地面标高算起约10米、水泥掺量20%、水灰比0.5、采用硅酸盐水泥标号为42.5R、采用梅花型布桩间距约1.414米。消压孔的设计内容为取孔直径300mm、取土长度约15米、在桩基原位布置、数量为管桩总数的1/4。水泥搅拌桩施工完22天后开始进行打静压桩，后进行基坑开挖,结果3#楼的桩基I类桩为80%、II类桩为20%，全部合格。由此判断当遇到类似的地质情况时，这种地基处理技术非常合适，且具有设备简单、操作方便、质量可靠、施工速度快、成本低、无污染、无振动以及对周围环境无不良影响等优点，尤其适用于当前对环境问题日益重视的城市工程建设。

优化技术的实现，可以最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。同时，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。

二、结构概念设计的重要性

对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是所说的概念设计。

概念设计是统领结构设计的全过程。“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等是建筑结构设计中非常重要的概念。一般认为,概念设计做得好的结构工程师,随着他的不懈追求,其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富,设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是,随着社会分工的细化,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,更不愿创新,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳。

概念设计处理的实际建筑设计问题，概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案。

三、结语

岩土工程概念篇5

关键词：岩土工程安全度总安全系数法

Abstract：Thisarticlediscussesthedevelopmentprocess,developmenttrendandexistingproblemsfromthegeotechnicalengineeringcharacteristicsofgeotechnicalengineeringreliability.

Keywords：rockandsoilengineering；degreeofsafety；totalsafetyfactormethod

中图分类号：P58文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02

一、岩土工程的特点

1、岩土体结构的不确定性

自然界的岩石，不仅强度和模量多种多样，差别悬殊，而且总是或稀或密、或宽或窄、或长或短地存在着各种裂隙，这是岩石区别于混凝土的主要特点，这些裂隙有的粗糙，有的光滑，有的平直，有的弯曲；有的充填，有的不充填，有的产状规则，有的规律性很差，裂隙的成因多种多样，有的岩浆凝固收缩形成的原生节理，有沉积间断形成的层理，有构造应力形成的构造节理，有表生作用形成的卸荷节理和风化裂隙，还有变质作用形成的片理、劈理等等，在岩石中构成极为多样非常复杂的裂隙系统。显然，结构面是岩体中最薄弱的环节，就力学性质而言，岩石材料的力学参数、结构面的力学参数和岩体的力学参数是不同的，有很大区别。

2、岩土参数的不确定性

混凝土和钢材的材质不仅可控，而且相对均匀，变异性较小，且其性能指标不因所在位置而变化，岩土则不同，不仅指标的变异性大，而且即使是同一种土，同一种岩石，其性能指标也随位置的不同而变化。

同一类型岩土体测试数据的离散性有两方面原因，一是由于取样、运输、样品制备、试验操作等环节的扰动，取值、计算等产生的误差，使测试数据随机分布，其变异性更大；二是岩土测试数据还和样品的位置有关。岩土工程的测试可以分为室内试验、原位测试和原型监测三大类，还有各种模型试验，极为多样，各有各的特点和用途，同一种参数，测试方法不同，得出的成果数据也不同，如土的模量有压缩、变形模量、旁压模量、反演模量等。

3、裂隙水和孔隙水压力的多变性

岩体中的地下水沿着岩体中的裂隙和洞穴流动，随着裂隙和洞穴的形态和分布的不同，有脉状裂隙水、网状裂隙水、层状裂隙水、岩溶水等不同的地下水类型，不同地段岩体的富水性、透水性和水压力差别非常大，摸清裂隙岩溶水的规律有时非常困难。孔隙水的水位和压力水头都是变化的，有季节变化，有多年变化，还有因工程建设、开采地下水、水资源调配等人为原因产生的变化，特别是人类扰动造成的变化更难以预测，地下水的压力既有静水压力，又有渗透力，可能造成严重的渗透破坏。

4、地质作用和地质演化的复杂性

有些地质作用在岩土工程中必须考虑的，如地震活动引起的液化、震陷、塌陷、边坡失稳、永久性地面变形和诱发各种地质灾害，河水、湖水、海水运动产生的冲刷、侵蚀、搬运和淤积，对水利工程和航道工程的影响，地下水的地质作用造成岩溶发育，形成潜蚀，土洞，塌陷，使工程失稳；风化作用一般是比较缓慢的，但有的岩石在一定条件下风化作用发展很快，危害工程的安全，还有其它的不良地质作用，都反映出岩土工程中的地质作用和地质演化的复杂性。

5、计算模式的不确切性

岩土工程在理论和计算方面已具有了长足发展，包括各种岩土本构模型，各种解析法和数值法计算，相应地研发了许多计算软件，但用到工程上则不一定都能得到满意的结果，因为除了参数的不确定性外，计算模式的不确定性也是重要的问题。学术界虽然提出了理论上比较完善的计算方法，但由于其计算参数难以准确测试和工程经验不足，反而不如用简易计算方法加经验修正更方便，更切合实际。因而采用回归分析建立经验方程的方法在岩土工程勘察设计中被广泛应用。如国标《地基基础设计规范GB50007-2002》中的沉降经验修正系数为0.2～1.3，就是为了弥补由于钻探、取样、试验、取值、计算等环节的误差积累，而在岩土工程设计常常采用经验系数修正的方法，同时也体现了岩土工程设计中计算模式的不确切性。

6、理论导向和经验判断

单纯的理论计算往往是不可靠的，其主要原因就在于岩土工程设计充满着不确定性和信息的不完全性，地质边界的不确定性，岩土性能指标的不确定性，原始应力和孔隙水压力的不确定性，外荷载及其分布的不确定性，岩土应力应变模型的不确定性，计算理论和计算方法的不确定性等，使岩土工程设计不得不依靠经验判断或综合判断。理论只能是一个导向，在理论导向和经验判断的基础上作出设计决策。

二、岩土工程可靠性分析

目前工程可靠度研究有：结构可靠度的基本理论；结构体系可靠度；结构模糊可靠度；结构可靠度分析的蒙特卡洛法；随机有限元；结构动力可靠度；结构抗震可靠度；施工期和老化期可靠度等。而结构构件的可靠度和结构体系的可靠度是不同的，目前还主要处在构件可靠度的水平上，真正的结构体系可靠度研究还有许多工作尚未达到实用阶段。工程结构生命全过程可分为三个阶段：一、施工阶段，混凝土从流动到硬结，有浇筑、养护、拆模等过程，施工不当造成先天不足；二、从永久荷载、可变荷载和偶然荷载作用，分析工程结构的风险率，目前的可靠度设计主要在这个阶段；三、老化阶段，随着使用时间的增加，材料劣化，抗力降低，与材料质量、荷载情况、使用环境、腐蚀介质等因素有关，属于结构耐久性问题。目前施工阶段和老化阶段的可靠度研究虽然取得了一定进展，但处于定性概念阶段。

三、可靠度在岩土工程设计规范中应用问题

我国上世纪80年代前，设计规范均采用容许应力或单一安全系数法，《建筑结构设计统一标准GBJ68-84》及随后《工程结构可靠度设计统一标准GB50153-92》的，对结构设计规范和地基基础设计规范的修订产生了很大影响。目前《港口工程地基规范JTJ250-98》和《地基基础设计规范DGJ08-1999》是地基基础设计采用概率极限状态设计原则最有代表性的规范。

《港口规范》修订时贯彻了《港口工程结构可靠度设计统一标准》的规定，进行了岩土性能参数统计分析，地基可靠度计算分析，编制计算机程序等项工作，既总结了国内经验，又吸收了部分国外先进技术，实现了向以可靠度理论为基础，以分项系数表达的概率极限状态设计方法的转轨，并与国际标准《结构可靠度总原则ISO2394》接轨。

《上海规范》根据《工程结构可靠度设计统一标准GB50153-92》和《建筑结构设计统一标准GBJ68-84》的要求，修改了各种类型地基基础承载力计算，采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法，并以分项系数表达的极限状态表达式进行计算。安全度与原规范设计的水准基本相当，实现了与上部结构设计原则的匹配。

由于岩土工程固有的特点和积累不足，普遍推行概率极限状态设计还存在困难。《建筑地基基础设计规范GB50007-89》为了遵循《统一标准》曾采用地基承载力标准值、设计值等术语，但因本质上仍是容许值，并不符合《统一标准》规定的这些术语之本意，反而造成误解和混乱，故在2002版本时放弃了套用结构设计规范的原则，大体上回到了74规范位置。行标《建筑桩基技术规范JGJ94-94》曾采用了概率极限状态的设计原则，即用概率和数理统计分析荷载、承载力的变异性与规律，利用既有工程经验，在安全与经济之间寻求合理的平衡，用“校准法”确定目标可靠度，并用分项系数表达的极限状态设计表达式进行设计计算。但该规范尚属不完全的可靠度分析，而且由于载荷试验为主要设计依据，而载荷试验成果已经包含了桩型、土性等因素，又为了与国际《建筑地基基础设计规范》协调，在2007年修订时由分项系数调整为原来的单一安全系数。

对于岩土工程设计规范是否采用可靠度的问题，专家之间存在不同意见：部分认为《统一标准》实施后急需解决岩土工程设计中如何贯彻概率极限状态设计和采用分项系数表达式的问题，首先要解决地基极限承载力和对土的参数进行概率统计，再进一步解决可靠指标β等问题，部分认为在设计方法的发展水平上，岩土和结构差距较大，应从实际出发。勘察测试获得的指标，特别是是土的抗剪强度指标，可靠性差，不确定因素多，还需依靠经验。认为用地基容许承载力即可，精度很差或连精度的大致范围都不清楚的设计进行可靠性分析，是没有意义的。许多勘察设计人员认为，目前规范体系中地基与上部结构计算之间不同的配套方式，不同的术语，使勘察设计人员无所适从。

目前的问题是，土木工程往往是结构工程与岩土工程的组合，结构与岩土相互作用，前者已经应用可靠度设计，后者仍沿用传统的定值方法，处理好二者关系成了一个难题。目前各本规范对这个问题的处理又各不相同，术语、设计原则，作用和抗力的取值等重要问题都存在较大差别，造成设计工作很大不便，甚至出现错误。

参考文献：

［1］中国建筑科学研究院《GB50153―2008工程结构可靠性设计统一标准》中国建筑工业出版社2009

岩土工程概念篇6

关键词：岩土力学本科教学教学大纲

引言

岩土力学（Geomechanics）是土木工程、水利工程以及交通工程等工程学科中一门重要的专业基础课[1]。在使学生获得有关岩土力学学科的基本理论、基本知识的和基本技能的同时，岩土力学课程还将为后续课程（如地基基础与地基处理、岩土工程设计、地下空间开发等专业课程）提供岩土力学基本知识，也为从事岩土科学技术的专门研究奠定必要的理论基础。教学大纲是教师编写教案以及教学的主要依据，同时也是检查和评定学生学业成绩和衡量教师教学质量的重要标准，其在整个课程体系建设及教学质量评价中都占据极为重要的地位[2]。本文第一作者曾在澳大利亚纽卡斯尔大学（TheUniversityofNewcastle，Australian，简称UoN）从事博士后研究，第二作者也曾作为访问教授在纽卡斯尔大学从事合作研究，有机会学习了该校在岩土力学课程教学大纲编制上的特色。[1]

本文首先介绍了纽卡斯尔大学岩土力学教学大纲，对教学目的、教学内容、先修课程及教学方法、考核方式等内容进行了重点阐述。随后，从教学内容的新颖性、计算机应用的广泛性、实验教学的深入性等三个方面对其教学大纲的特色进行了分析，并对我国岩土力学的教学大纲修订提出了借鉴意见。[2]

一、UoN本科岩土力学教学大纲简介

1.1教学目的

岩土力学-1的教学目的：从工程角度识别和理解土和岩石的物理、化学特性；理解工程地质的基本概念，并了解如何将其应用到土木工程实践中；理解有效应力原理及其在岩土力学和岩土工程设计中的应用；掌握利用达西定律和渗流理论计算水在饱和土体中的流速；理解软土的一维固结理论；掌握对土中应力及变形特性的评价，并能引入沉降和固结的概念；掌握利用室内和现场试验对土和岩石的基本特性进行阐述的能力；

岩土力学-2教学目的：理解摩擦性材料的摩尔-库伦破坏准则及其在岩土工程设计中的应用；理解土体的抗剪强度及强度参数；初步了解临界状态岩土力学理论；应用强度破坏准则来分析条形基础、垫式基础、重力式挡土墙以及边坡稳定性；通过室内试验进一步加强对土体强度的认识和理解。[3]

1.2教学内容

作为岩土力学和岩土工程的入门课程，岩土力学-1的主要教学内容包括：土和岩石的物理特性及分类方法；土和岩石的指标特性；岩体的性质；岩石的结构；场地测绘；土的分类；风化作用；粘土的胶结作用；土壤化学；土体内部的毛细作用、渗流及流网；有效应力原理；土体的沉降、固结及压实。

岩土力学-2的主要教学内容则包括：强度准则；应用有效应力原理对土或岩石的强度特性进行评估；土体的摩尔-库伦强度理论；土体的抗剪强度；临界状态岩土力学；基础及地下连续墙的设计；土的抗震性能；边坡稳定性。

1.3先修课程及教学方法

岩土力学-1的先修课程为工程力学基础和材料力学，其教学方法主要包括课堂讲授、室内试验及现场试验。岩土力学-2则是在岩土力学-1的基础上开设，与岩土力学-1相比，其教学方法中增加了课后辅导的环节，通过选聘优秀的博士研究生担任课程助教，提高对学生答疑的数量和质量。

1.4考核方式

岩土力学-1的成绩评定主要包括：课后大作业，即在整个教学过程中，要求学生完成3个关于岩土力学计算方面的大作业；室内试验的平时考核，即在每一节室内试验课上，对每一个学生的实验表现进行成绩评定；室内试验的期末考试，即在学期末要求学生能够独立完成主要土工试验的操作；现场试验报告，即在学期中开展的现场勘察与试验后，对学生完成的现场试验报告进行评价；期终考试，以闭卷形式进行，题型多样，全面考察学生对岩土力学-1课程中核心知识的掌握和理解。

相对而言，岩土力学-2的考核方式较为简单，包括室内试验报告和期终考试两部分，其中期终考试仍以闭卷形式进行。

二、UoN本科岩土力学教学大纲特色分析

2.1教学内容新颖

纽卡斯尔大学岩土力学课程在重视基础知识讲授的同时，还对学科前沿知识进行介绍，其中最突出的表现就是对临界状态土力学的讲授。作为现代土力学的基石，土的临界状态理论和剑桥模型由土力学中著名的剑桥学派提出并建立，其提供了一个统一的理论框架用于描述和预测土的变形和破坏行为，将土的弹性和塑性变形及土的强度有机地联系起来，建立了土的最基本的关系，即土的本构关系。临界状态的概念最早由Roscoe等于1958年[3]提出，随后，原始剑桥模型[4]于1963年建立，并在1968年建立了修正剑桥模型[5]。土的临界状态及剑桥模型，为现代土力学的诞生和发展奠定了基础。然而，在我国的本科岩土力学教学内容中，这一部分的内容则很少被提及，仅有极个别土力学教材单列篇章进行详细介绍[6]。因此，在今后的教学过程中，应加强对土的临界状态及剑桥模型的讲授，强化学生对土的本质特征的了解。

在讲授土的组成、结构及基本力学特性时，纽卡斯尔大学还对非饱和土力学做一些简单介绍。作为当前国际岩土力学界的一大研究热点问题，非饱和土力学近年来受到越来越多研究者的关注。而我国对非饱和土的研究起步相对较晚，目前尚未有独立的教材，在岩土力学的教学过程中也很少涉及。但随着理论研究的深入和实际工程的需要，非饱和土力学的重要性逐渐被相关教学工作者认识并接受。在今后的教学过程中，应逐步引入对非饱和土力学中一些基本概念的介绍。

此外，纽卡斯尔大学的岩土力学课程还包括了关于土壤化学的内容。近些年来，随着环境问题的日益突出，环境岩土问题也备受关注，例如城市垃圾填埋场建设与安全运营、高放核废料地质储存等工程中，都涉及到土壤化学的内容。岩土力学的教学也应紧跟科学和工程发展的前沿，将该部分内容逐渐纳入到教学内容中。

2.2重视计算机的应用

纽卡斯尔大学土木工程系建有澳大利亚岩土科学与工程国家研究中心（CGSE），其在计算岩土力学领域的研究一直处于世界领先水平。在岩土力学的教学环节中，纽卡斯尔大学也非常重视介绍计算机在岩土力学中的应用，鼓励学生尝试使用商业计算机软件或者开放的计算机程序进行一些土力学问题的计算。通过计算机强大的计算能力与传统经验公式计算的对比，激发学生的学习热情和科研兴趣，为他们以后进一步深造奠定基础。此外，在进行土力学室内试验教学时，纽卡斯尔大学还鼓励学生通过自行开发计算机控制程序，来对试验过程进行计算机控制，例如通过计算机程序实现对试验中材料特性、初始条件、边界条件以及应力路径的设定与控制。[4]

反观我国当今的土力学教材及教学内容，大都基于经验公式进行计算，对计算机在岩土力学中的应用介绍较少，在计算机快速发展的当今社会，应鼓励学生使用计算机来解决一些土力学中的问题。[5]

2.3实验教学比重大

岩土工程是一门实践性很强的学科，各种试验测试占据重要地位。在岩土力学课程中，无论是室内试验还是现场试验，都是整个课程体系建设的重要组成部分。纽卡斯尔大学的岩土力学课程教学大纲中，实验教学占有相当大的比重，其中室内试验涵盖了基本的土工试验。在教学手段上，室内试验实行小班教学，并由相关专业的博士研究生担任助教，在实验演示完毕后，每位学生都需要进行独立地操作，并且由助教对每位学生的表现进行打分，作为该门课程期末成绩的组成部分。在学期期末，还将针对室内试验部分进行专门的考试，考查学生对试验的掌握及动手操作能力，其成绩也将在期末总成绩中占有一定的比重。除了室内试验之外，纽卡斯尔大学的岩土力学教学大纲中还设置了现场试验环节，组织学生到现场开展土力学现场试验，从而增强学生对土性的认识以及对土的工程应用的了解。现场试验教学环节之后，每位学生都要求完成相应的实验报告，报告的完成质量与得分也将作为期末成绩的组成部分。[6]

三、结语

本文介绍了澳大利亚纽卡斯尔大学的本科岩土力学教学大纲，从教学目的、教学内容、先修课程及教学方法、考核方式等方面对其进行了阐述。基于此，对其对其教学大纲的特色进行了分析，着重探讨了其教学内容上的新颖性、计算机在教学中应用程度高以及实验教学比重大等几方面的特点。通过本文的阐述与分析，可为我国岩土力学的教学提供一些借鉴：（1）教学内容在重视基础知识的同时，应紧跟学科发展的前沿，引入学科热点问题；（2）逐步提高计算机在教学中的应用程度，通过使用计算机解决土力学问题，来启发学生的思维、增强学生的学习兴趣；（3）加强实验教学环节，不断培养、提高学生独立的动手实验能力，并注重对实验结果的分析和讨论。

参考文献：

[1].李大勇，崔煜，国外土力学本科教学探讨――以挪威科技大学为例，力学与实践，2010，32（5）：99-101

[2].胡海岩.对力学教育的若干思考.力学与实践，2009，31（1）：70-72

[3].Roscoe，K.H.，Schofield，A.N.andWroch，C.P.（1958），ontheyieldingofsoils，Geotechnigue，8（1），22-53

[4].Roscoe，K.H.andSchofield，A.N.（1963），Mechanicalbehaviourofanidealised‘wet’clay，Pro.EuropeonConf.onsoilMechanicsandFoundationEngineering，Wiesbaden，Vol1，pp47-54