欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

带你深入了解岩土工程专业

277 2021-01-04 16:29:30


作为土木工程的重要分支,岩土工程是土木工程中研究岩石、土及岩土中的水的一门工程技术或技术科学。本文从岩土工程的定义与研究范围出发,分析其与工程地质及及结构工程等相邻专业之间关系密切,并对岩土工程特点进行了深入剖析,提出了“概念设计”在岩土工程中的的重要性。

1、引言

地上、地下和水中的各类工程统称土木工程,而涉及岩石和土的部分称岩土工程。岩土工程是以工程地质学、土力学、岩体力学及地基基础等为理论基础,运用地质测绘、勘探、室外原位测试和室内测试技术等综合手段解决在工程建设中出现的与岩土体有关的工程技术问题。

目前我国新一轮经济大潮已经开启,“先勘察,后设计,再施工”是工程建设必须遵守的程序,而目前国内外各大工程建设的特点是:起点高、投资紧、工期短,这就要求在工程建设中既要确保工程按期、按质、按量完成,又要保证工程勘察的准确定、全面性。在工程建设中,场地工程地质问题、地基基础问题等都成为投资和工期的主要制约因素,一旦处理不当都将会造成严重的后果。与钢筋、混凝土等形成鲜明对比的是岩土体属于自然产物,受自然条件的影响较大,加之我国的工程地质条件十分复杂,尤其是西南山区一带更是地质灾害多发地区,又是地震多发地带,这些综合因素都给岩土工程提出了大量的难题。

为了适应新形势下岩土工程模式,提高岩土工程在工程建设中的地位,笔者从岩土工程的定义与研究范围出发,分析其与工程地质及及结构工程等相邻专业之间关系密切,并对岩土工程特点进行了深入剖析提出了一些看法,旨在与同行们共同探讨。

2、岩土工程的定义

关于岩土工程的定义在不同的规范及学术研究报告中表述方法存在一定的差异。在《岩土工程基本术语标准》(GB/T50279-98)中表述为 “土木工程中涉及岩石、土的利用、处理或改良的科学技术”;而《中国大百科全书》中则将岩土工程视为土木工程的学科分支,其理论基础为岩石力学、工程地质学和土力学基础工程,技术研究的内容表现为岩石与土的处理和整治。除此之外也有专家将岩土工程定义为岩土体的支承体或是荷载材料,并有针对性地对其进行改良与整治。

岩土工程的业务范围很广,涉及土木工程建设中所有与岩体和土体的工程技术问题,笔者认为岩土工程还可表述为:岩土工程是土木工程中研究岩石、土及岩土中的水的一门工程技术或技术科学。

3、岩土工程的研究范围

岩土工程涉及的范围是很广的,不仅涉及天然岩土,还包括各种人工土,包括对天然土的加固和改良,利用排水、压实、加筋、改性、注浆、锚定、设置增强体等方法,改变岩土体的强度、变形和渗透性能。从岩土工程的最显具特征--工程实践方面分析,岩土工程研究主要涉及以下五个方面内容:

第一,支承体。建(构)筑物都建造在岩土体上,岩土作为地基支撑体,需要重点研究的岩土工程问题为承载力和变形问题。

第二,荷载或自承体。类似于基坑工程、边坡工程这样的地面开挖工程以及隧道工程一类的地下开挖工程,需要考虑边坡的稳定与变形问题。这一过程中岩土体既表现为荷载,同时也表现为自承体,且地下水对其的影响较大。

第三,岩土材料。在填方工程中需要大量的岩土作为回填材料。除此之外,水利工程中大坝及围堰或是路堤中也会用到岩土材料。岩土作为材料不仅需要解决其稳定及变形问题,还需要控制其天然回填材料的选用及施工质量的控制。

第四,地质灾害防范。滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降、潜在不稳定斜坡等地质灾害,对工程影响极大,工程防治设计需要结合具体的工程地质条件以及地质演化规律等方面综合考虑进行设计和施工,场地和地基还需要考虑地震效应的影响。

第五,环境岩土工程问题。岩土工程中的环境问题涉及废弃物填埋、地质水文条件评估以及土石文物保护等方面的问题,随着环保理念的不断渗透,人地和谐与可持续发展战略逐渐得到落实,关于岩土工程中的环境保护也日渐成为一种社会共识。

4、岩土工程与临近专业之间的关系

岩土工程与工程地质、结构工程、水利水电工程、道路桥梁和隧道工程、港口和航道工程、采矿工程等专业关系密切,且相互搭接,边界模糊。这里仅从岩土工程与工程地质的关系以及岩土工程与结构工程的关系方面谈点个人的认识:

4.1 与工程地质之间的关系

工程地质是一门应用地质学的原理研究与工程建设有关地质问题的学科,主要研究内容涉及地质灾害、岩石与第四纪沉积物、岩土体稳定性和地震等。贯穿于工程规划,勘察,设计,施工与维护等各个阶段。从事工程地质的地质师侧重于研究地质现象、地质成因和演化、地质规律、地质与工程的相互协调,既要保证工程的安全可靠,又要保证不会诱发和加剧工程地质灾害,造成工程建设遭受地质灾害的危害。

岩土工程是属于地质与工程紧密结合的专业学科,是运用工程地质学、土力学、岩石力学、结构力学、土工试验等多学科知识研究岩土体(包括其中的水)作为支承体、荷载、介质或材料、必要时对其改良或治理的一门工程技术。它包括岩土工程勘察、设计、试验、施工和监测,涉及工程建设的全过程。从事岩土工程的工程师是根据工程目标和地质条件,建造满足使用要求和安全要求的工程或工程的一部分,解决工程建设中的岩土技术问题。

工程地质和岩土工程分别属于地质学和土木工程决定了它们之间的既有区别又有联系的关系,业界流传的“工程地质是岩土工程的基础,岩土工程是工程地质的延伸”是有一定道理的。岩土是自然历史的产物,具有独特性和显著地时空变异性,无论何种力学模型都难以全面而准确的描述它的性状,在复杂地质条件下,再细致的勘查测试也难以完全查明岩土性状的时空分布;岩土又有很强的地区特点,各种地区往往形成各种各样的特殊岩土。因此,单纯的理论计算和试验分析与实际之间存在很多不一致,需要岩土工程师根据工程特点及其所处的工程地质环境,凭借经验对关键技术问题的把握,进行临场处置。尤其是在地质构造复杂的山区,有经验的工程地质学家,通过地面地质调查测绘,就可大致定性推断出工程的基本模型,利用多种勘探测试技术获得相应的原始数据,逐渐构造出工程地质模型。没有地质学基础,对滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害,断层、褶皱以及结构面的空间分布、地下水的赋存和运动规律等的识别根本无从说起,尤其在地质复杂的山区,岩土工程师必须具有扎实的地质学知识才能顺利的开展工作。

4.2 与结构工程之间的关系

结构工程与岩土工程的区别是显而易见的。结构工程师面临的是自己选定或设计的、可控的钢筋、混凝土等材质相对均匀的人造材料,计算条件建立在材料力学、结构力学的基础上,条件十分明确,计算结果是可信的。岩土工程师单纯的计算是不可靠的,原因就在于工程地质条件的不确知性和岩土参数的不确定性,不同程度地存在计算条件的模糊性和信息的不完全性。

结构工程与岩土工程关系密切,互相搭接。建造在地基上的建(构)筑物都受地基的稳定和变形制约,而结构和地基又相互作用、相互影响,地基的稳定和过量变形直接影响结构的安危和功能,同时结构的荷载分布和不同刚度又会产生地基变形。在工程建设中,结构工程师和岩土工程师虽然有所分工,有所侧重,但相互配合的居多,比如关于地基设计均需要结构工程师进行统一规划,遇到较为复杂的基地问题时则需要岩土工程师共同参与讨论。岩土工程师吃透工程地质和设计需求是非常重要的,地基勘察与设计需要先对结构型式、分布及荷载等问题进行进一步了解,明确地基结构的刚度及限制要求,这对于地基设计至关重要。因此,结构工程师应当具备必要的岩土知识,岩土工程师也必须具备必要的结构知识。

5、岩土工程的特点

前面已经提到岩土工程研究对象是岩石和土。岩土是一种最复杂的材料,岩石的裂隙性和土的孔隙性决定了岩土工程的特点。

岩石发育有裂隙是其区别于混凝土的主要特点,裂隙概化为“结构面”,岩石和结构面统称为岩体,岩石、结构面和岩体力学性能差异很大。同样,土是一种散粒材料,存在孔隙,土的三相决定了土的物理力学性质,孔隙的存在导致土压力分为有效压力和孔隙压力,在土木工程计算中便有了总应力法和有效应力法两种原理和方法。搞清结构面的产状、参数和分布,把握好孔隙压力是岩土工程的重点,也是难点。

岩土参数的获得往往需要靠试验作为支撑,由于测试方法的多样性以及同一岩土体测试数据的离散型,决定了岩土参数的不确定性。因为岩土体在取样、运输和实验操作中极易受到外界的干扰,同时样品位置也会对岩土体测试数据产生一定影响,这也是岩土体的独有特点。自然界的岩土无论何种力学模型都难以全面而准确的描述它的性状;岩土具有显著的时空变异性,在复杂地质条件下,再细致的勘查测试也难以完全查明岩土性状的时空分布;岩土又有很强的地区特点,不同地区往往形成各种各样的特殊岩土。土样分层的合理性、土样均匀性以及试验操作水平都会对试验结果造成很大的影响,必须通过对一定数量样品进行统计分析才能得到代表值。岩土工程测试包括野外原位测试、室内试验和监测三大类,还有各种模型试验,特点和用途均不相同。同一种参数,又因测试方法不同而得出不同的成果数据。选用合理的测试方法成为岩土工程计算能否达到预期效果的重要环节。这种测试方法的多样性,是岩土工程区别于其他工程技术一个重要特点。

由于条件的不确定性和参数的不确定性,导致信息的不完全性,使单纯的计算结果不仅不精确,也不一定可靠,因而“不求计算精确,只求判断正确,强调概念设计”已是当今岩土界的一种共识。概念设计是一种设计理念,早年顾宝和大师就较为系统的阐述过概念设计的精髓,强调地质学的定性分析与力学的定量分析相结合,强调分析成因演化,宏观把握,综合判断。概念设计必须贯穿工程的始终。

6、结束语

综上所述,岩土材料种类繁多,组合多样,又有各种地质背景和水文地质条件;在与工程的相互作用中,所处的地位和承担的角色又各不相同。岩土体属自然界产物,主要受自然条件的影响,不确定、不稳定性很强,不能由工程师选定和控制,只能通过勘察查明而又不能完全查明;岩土参数因土样分层的合理性、土样均匀性以及试验操作水平不同也具有不确定性。虽然目前土力学、岩石力学、计算机水平都具有很高的水平,由于计算假定、计算模型、计算方法、计算参数等与实际之间的很多不一致,使单纯的计算结果与工程实际有很大的差别,需要靠工程师的理论基础和丰富的工程经验进行综合判断。 “经验+理论方能比翼双飞”,没有经验的人肯定解决不了复杂的工程问题,忽视理论也极易将局部经验误为普遍真理,犯概念性错误。在合理的工程地质分析基础之上,进行信息化施工和动态设计,利用监测成果积累科学数据,使得岩土工程概念设计越来越向可靠度设计发展是岩土工程今后的发展方向。因此,岩土工程迄今还是一门不严谨、不完善、不够成熟的技术科学,处在“发展中”的一门科学技术,存在相当大的风险性,困难很大,当然潜力也很大。