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岩土研究院

王长科:岩土工程发展历程、业务内涵、千年大计和发展预期综述

757 2020-11-25 10:53:34

王长科:岩土工程发展历程、业务内涵、千年大计和发展预期综述

1、前言

各类工程建设、矿业工程、环境治理、生态恢复、文化遗产保护和社会管理中都会涉及到岩石与土的问题,这些与岩土有关的工程技术就是岩土工程。岩土问题涉及面宽广,情况复杂,不断梳理和研究岩土工程的内涵,有助于岩土工程的行业发展,有利于社会公众对岩土工程行业的认知,也有助于岩土工程从业人员的继续学习。本文回顾了岩土工程的发展历程、感悟了岩土工程中的千年大计、探讨了岩土的10属性、给出了岩土工程的定义和业务内涵的表述、总结了岩土工程的技术方法,展望了岩土工程的发展预期。文中不妥之处请专家批评指正。


2、古代岩土工程

岩土工程古已有之,只是到了近几十年才提出了岩土工程这个词。按照传说,4200年前,大禹治水修建水利工程;4000年前,黄帝古都的古城(河南古城寨村)采用夯实填土地基;2600年前春秋时代河北邯郸永年广府古城在湿地水中央建成,至今完好;2500年前战国时期的李冰父子利用岩石的热胀冷缩原理修建都江堰,至今造福社会;周朝修建道路;隋朝(6世纪)石匠李春修建赵州桥;明朝(15世纪末)采用大底盘筏板基础建成北京五塔寺金刚宝座塔。

历代水利工程、盐井、矿道、古城、窑洞、地道、土房、石头房、茅草房、塔、楼、殿、阁、道路、栈道、运河、石拱桥、悬索桥、园林等,几乎都包含了地基基础、地基处理、木桩、烧制砖、糯米土、土墙、石墙、挖填、凿井、洞室稳定、岩体稳定、边坡防护、河岸防护、堤坝建设等岩土工程内容,只是当时古人主要是靠能工巧匠的经验,巧借气象地利,运用生产生活经验、几何原理和道法自然思想来完成。


3、近代岩土工程发展

18世纪~19世纪初,科学家和工程师提出了许多著名理论,创造了施工机械,完成了许多铁路工程、水利工程、土木工程。其中在1861~1919年,中国詹天佑修建了京张铁路。从学科专业发展看,这个期间代表性的理论主要有:

1726年,瑞士科学家丹尼尔·伯努利提出流体的流动遵守机械能守恒的伯努利定律,用于地下水压力计算。

1773年,法国库伦建立后来由摩尔发展的摩尔-库仑强度理论;

1776年,法国库伦发表土压力理论;

1856年,法国达西建立了渗透理论——达西定律;

1857年,英国朗肯建立了土压力理论;

1885年,法国J. Boussinesq建立了集中力作用下的弹性应力解答。

以上理论和用于变形计算的胡克定律(1678年)、用于水浮力计算的阿基米德定律(公元前245年),一同构成了现代土力学的基础理论(土力学四个定律:摩尔-库伦定律、胡克定律、达西定律、伯努利定律)。


4、现代岩土工程发展

1925年土力学学科诞生,标志了岩土工程发展从经验阶段开始进入半理论半经验阶段,逐步取得辉煌成就。从学科专业发展看,重要事件主要有:

1921~1923年,太沙基提出土的有效应力原理、固结理论;

1925年,太沙基发表著作《土力学》;

1936年,太沙基发起成立国际土力学及基础工程协会(ISSMFE),召开第一届国际土力学及基础工程学术讨论会;

1949年,中华人民共和国成立。1952年,我国陆续成立工程勘察部门,业务包括四个板块:工程测量、工程地质勘察、水文地质勘察、工程物探;

1957年,成立中国土力学及基础工程学会委员会,并参加国际土力学及基础工程协会,1978年改名为中国土木工程学会土力学及基础工程学会。

1967年,第一届国际岩石力学学术讨论会召开;

1970年,第一届国际工程地质学术讨论会召开;

1979年12月,我国出版《岩土工程学报》创刊号,黄文熙发表文章“为积极开展岩土工程学的研究而努力”;

1979 年 12 月,原国家建工总局组团出国考察西方工业发达国家的岩土工程技术体制;

1980年,国家建工总局提出《关于改革现行工程地质勘察体制为岩土工程体制的建议》;

1986年,原国家计委发出《关于工程勘察单位进一步推行岩土工程的几点意见》,启动推行岩土工程体制,各类工程中的岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程治理、岩土工程监理、岩土工程监测、岩土工程检测等业务,要由熟悉地质条件和岩土性质的岩土工程师承担。实现岩土工程师既“诊病”、又“开方”、又“治病”,这对于提高岩土工程质量、合理安排建设工期和扩大投资效益具有明显作用,也和世界先进国家通行做法相接轨。

推行岩土工程体制后,工程勘察发生了积极变化,过去搞“工程地质勘察”,重在查明场地、地层、岩土性质和提供设计参数,体现了勘察为设计提供资料。改为搞“岩土工程勘察”后,除了查明场地、地层、岩土性质外,要在读懂工程的基础上,针对工程实施全过程和预见(设计、施工、运维),进行岩土工程分析论证,提供勘察结论和岩土开发、利用、治理及保护的方案建议、岩土相关参数和注意事项,体现了勘察要服务于工程建设全生命周期。张苏民大师说,“工程地质勘察”的重点在地质,而“岩土工程勘察”的核心在工程。二者既相联系,又相区别。

1994年,建设部颁布《岩土工程勘察规范》,替代原《工业与民用建筑工程地质勘察规范》;

1997年,美国《岩土工程学报》(Journal of Geotechnical Engineering)更名为《岩土工程及岩土环境工程学报》(Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering);

1999年,国际土力学及基础工程协会(ISSMFE),更名为国际土力学及岩土工程协会(ISSMGE);

1999年,中外多学会联合召开学术交流会“我们共同的地盘”,呈现岩土工程业务跨界新格局。

2002年,我国举行第一次注册土木工程师(岩土)执业资格考试;

2003年,中国建筑学会、中国岩石力学与工程学会、中国地质学会联办第一次《全国岩土与工程学术大会》;

2009年,住建部颁布《注册土木工程师(岩土)执业及管理工作暂行规定》;

2012年,我国正式实施注册土木工程师(岩土)执业。


5、岩土工程发展新阶段

人类进入新时代,计算机、手机、互联网、物联网、传感器、机器人、卫星、无人机、三维激光扫描、物探技术、通讯技术、大数据、云平台、纳米技术、生物技术、区块链技术等获得了重大发展,节材、节水、节能、节地、低碳、绿色、生态、新能源、地下空间、地铁、地下管廊、高速公路、高速铁路、填海造陆、环境治理、土地整理、国土空间规划、国情监测、智慧城市、智慧工程、地理信息(GIS技术)、BIM技术、深海、深空、深地等,这些人类市场经济社会高质量发展的需求,必将推动岩土工程从传统的地基基础、地基处理、桩、基坑围护、边坡防护、路基路堤、地下工程、地质灾害防护、地震灾害防护等业务内容,向环境、生态、文化、智慧和防灾减灾、防疫、防暴等领域跨界融合发展。


6、岩土属性和岩土工程业务内涵

从人类社会发展看,岩土具有许多和人类活动相关的属性,总结有:

(1)地质体:岩土是地球的组成部分,其形成具有地质成因,具有普遍规律性可循和地域特殊性并存。广义的岩土包括人类活动形成的具有岩土相似特征的堆积物,比如建筑垃圾、尾矿、工业废渣、灰尘等。

(2)空间介质:岩土是三维客观存在。

(3)地基:承载各类基础设施。

(4)材料:建筑材料,水泥、砖、瓷器等基质材料,颜料等。

(5)环境介质:人类生产生活的周围存在,需要环境友好,无毒无害、环境优美、稳定安全。

(6)生态因子:和大气、阳光、降雨、温度、植物、生物等共同组成生态基础,关注土质、养分、微生物、土壤墒情、地温等。

(7)文化载体:文化遗产的载体,比如敦煌石窟、云冈石窟、乐山大佛、石雕、石刻、印纽等岩土文物。

(8)矿产:煤矿石、铁矿石等。

(9)食材:盐、黄泥叫花鸡、石头饼等饮食材料。

(10)药:麦饭石、浮石、芒硝、朱砂等医药、火炸药原材料。


以上岩土的10个属性中除了矿产、食材和药三个属性之外,其他7个属性,都是人类社会发展不同阶段的岩土工程内容。归类为:

(1)岩土建设工程:岩土的建设开发、利用、治理和保护。

(2)岩土环境工程:岩土的环境开发、利用、治理和保护。

(3)岩土生态工程:岩土的生态开发、利用、治理和保护。

(4)岩土文化工程:岩土的文化开发、利用、治理和保护。

岩土环境工程、岩土生态工程和岩土文化工程,是岩土建设工程发展延伸后,跨界融合共同发展的领域。之所以将这三个领域划入岩土工程,是因为这三个领域,对岩土的调绘、鉴别、取样、试验测试、检测、监测,以及开发、利用、治理和保护,涉及到的方法和原理等,和岩土建设工程有相通之处,同样需要运用岩土工程师的经验和能力。

纵观岩土工程业务的发展历程,基本反映了人类社会的发展历程。在人类生存和发展初级阶段,基础设施建设是重要任务,这时的岩土工程的业务主要是岩土建设工程,人类进入高质量发展阶段,人类将日益关注环境、生态,岩土工程师的任务开始向环境、生态、文化以及社会管理等领域延伸。不仅岩土工程这样发展,其他各相关专业都将走向跨界融合发展,这符合社会发展规律。

岩土工程的业务发展,除了上述的横向延伸发展外,纵向也将获得发展,岩土工程的纵向业务范围包括:

(1)岩土工程咨询:进行考察、地调、初步勘察、方案创作和投资分析,提出投资建设方案,并对整个岩土工程实施进行管理、把关、优化、监督、检测和控制。

(2)岩土工程勘察:查明场地、地基、地层及岩土的工程性质,通过方案论证和预期分析,提供勘察结论和岩土开发、利用、治理及保护的方案建议、注意事项与相关岩土参数。

(3)岩土工程设计:岩土工程的设计计算、施工方案和工程量。

(4)岩土工程施工:岩土工程的建设。

(5)岩土工程检测:岩土工程的工程质量测定。

(6)岩土工程监测:岩土工程的实时监控量测和安全报警。

(7)岩土工程监护:岩土工程运行期间的监测和维修。

(8)岩土工程修复:岩土工程的加固、维修。

(9)岩土工程迁移:基础托换、纠偏、顶升和平移。

(10)岩土工程拆除。

岩土工程业务主要有:岩土工程勘察、挖填、场地、地基、路基、地基处理、基础、桩、基坑、边坡、挡土墙、地下水治理、土工建筑物、车辆地面力学工程、土工合成材料工程应用、隧道及地下空间工程、深部岩土力学及地下工程、不良地质、特殊岩土(膨胀岩、膨胀土、湿陷性黄土、污染土、盐渍土、软土、冻土等)、土岩爆破、岩土防护工程、岩土地震工程、地质灾害防治、岩土气侯工程、岩土环境工程(土壤修复、垃圾处理等)、岩土景观工程、岩土生态工程、地质旅游工程、岩土文化遗产保护工程等。

岩土工程工法原理主要有:挖、填、换、垫、钻、振、冲、挤、钉、撑、密、拌、注、浸、固、护、桩、锚、喷、井、盾、冻、烧、电、拦、挡、堤、坝、加筋、复合、排水、防渗、滤土、生物、化学。

岩土工程具有综合性、复杂性、地区性、跨界性、探索性、技艺性。需要因地制宜、因势利导,要体现“求是”、“先进”、“绿色”、“巧妙”。

世界土力学奠基人太沙基(Karl von Terzaghi)说:“土力学不仅是一门科学,而且是一门技艺”。我国岩土工程界一代宗师黄文熙说:“岩土工程犹如医学”。土力学家王正宏说:“运用电子计算机解决岩土工程问题,如果不加判断地进行输入,那么输入的是废料,输出的是垃圾。”

岩土工程是按照研究对象“岩土”来定名的,是各类工程的支撑性专业,各类工程有建筑、市政、公路、铁路、地铁、桥梁、隧道、水利、港口、电力、地矿、冶金、石化、油气、化工、机场、国防、军工等。有的工程,比如土石坝、河道治理、水土保持、挡土墙、石拱桥、隧道、地下空间工程等,整个工程就是岩土工程。岩土工程遍存于各类工程,但其表现形式往往是建筑、水利、交通等工程。

记得茅以升先生说过,一个土木工程师,如果对岩土工程研究不深,就不是一个合格的土木工程师。对岩土工程的重要性给予了充分肯定。


7、岩土工程定义的发展

回顾几个定义:

定义1:中国大百科全书:以工程地质学、土力学、岩石力学及地基基础工程学为理论基础,以解决和处理在建设过程中出现的所有与岩体和土体有关的工程技术问题的新的专业学科。 (王钟琦)

定义2:《岩土工程基本术语标准》 1998 :土木工程中涉及岩石、土的利用、处理或改良的科学技术。 (王正宏)

定义3:Ann(1999):岩土工程是土力学、岩石力学、工程地质及其他与土木工程、采矿工业、环境保护有关的学科的应用。

定义4:王长科(2018):岩土工程是指各类工程及社会发展中关于地形地质、岩石、土、地下水、地下气体、地下洞室、固体危废、土壤污染物、土壤微生物等的勘察、检测、监测及其开发、利用、治理和保护的工程技术及工程设施的总称。

岩土工程的定义发展反映了岩土工程实践的历史发展情况。


8、岩土工程中的千年大计和千年大计中的岩土工程

岩土工程是各类工程直接承载于地、最先实施、最底层、最基础、最隐蔽的部分,失事后果严重。因此,岩土工程的安全度,必须经得起岩土自身性质的不确定性,以及日后使用期内的功能使用、地震、降雨、风雪、地下水、地面标高、环境因素等使用条件与环境条件的不确定性的考验。工程建设百年大计,而岩土工程要体现千年大计。

总结古建、古城、古塔、古桥、古河等,之所以屹立千年,其中的奥妙除了岩土的性能使用留有余地外,在文化理念和工程质量上,总结有以下几点:

(1)智慧:感悟自然,生活经验,哲学指导,几何学原理。结合好了:刚柔、虚实、有意和无意(巧妙、巧合)、快和慢、人与自然。

(2)千年大计思想:科学、巧妙、细致、稳固、合理、周到、顺势、扬长避短、耐久、有余地、可维修、自适应、自平衡、自维护、协同自然(位置、方向、阳光、风向、温度等)。 

(3) 拥有下列质量属性:

1) 功能性

2) 实用性

3) 耐久性

4) 空间性

5) 巧妙性

6) 经济性

7) 符合性

8) 安全性

9) 时间性

10) 绿色性

11) 视觉性

12) 方便性

13) 拓展性

14) 维护性

15) 自适应性

16) 协同自然性

17) 文化性。


9、岩土工程发展预期

当前,传感器、卫星、通讯、网络、无人机、计算机软硬件、手机、地理信息、云端、大数据、虚拟等数据产业发展突飞猛进,岩土工程在前述横向、纵向上的发展外,岩土工程信息化也将获得突飞猛进。智慧测量、智慧勘察、智慧物探、数据自动采集、机器人装备、地质地理信息、三维数值分析、信息化施工、智慧桩、智慧锚杆、智慧地基处理、智慧基坑围护、智慧岩土工程、绿色岩土工程、装配式岩土工程、岩土工程数据库、岩土工程GIS、岩土工程BIM、智慧工地,自动实时监测、智慧报警、智慧监护,将成为突破方向。

岩土工程企业发展也将迎来新发展新适应,传统型的勘察部门将分别向建设型、服务型、咨询型、专业型、承包型、技能型、混合型等方向发展,随着市场经济社会高质量发展的不断深化,岩土工程专业将越来越深入到社会发展的各行各业,越来越会创造价值、越来越受到社会各界的关注和重视,越来越成为规划建设千年大计的基础性专业。

值得注意的是,岩土工程因其研究对象岩土的复杂性,在推进岩土工程信息化的同时,要更加注意经验积累,岩土工程实践的技艺性特点没有变。


10、结束语

岩土工程涉及岩土的学问, 是地利工程,巧借自然和改造自然,做好岩土工程需要德位相配。岩土工程师除应具备相关业务知识和经验外,尚应具备人文自然品德素质,有:热爱自然、保护环境、尊重生态;热爱生活、通情达理、诚信友善;爱岗敬业、勤学苦练、宁静致远。

岩土工程本是土木工程的一部分,“岩土工程”和“土木工程”,以及古代的“大兴土木”,共有一个“土”字,足以说明岩土工程的古老性、关键性,同时,岩土又具有多种属性,又足以说明,岩土工程的发展前景十分广阔,伴随人类社会发展而发展。岩土工程既是一个古老的专业,又是一个不断发展、充满活力、永远年轻的专业。



参考文献

1、吴奕良、何立山.  深化岩土工程体制改革是新时代的历史使命. 微信公众平台《勘察设计前沿》, 2019-06-14

2、沈小克、韩煊、周宏磊、孙保卫.  岩土工程在可持续发展中的新使命. 工程勘察, 2013年第4期 

3、沈小克. 改革开放40年工程勘察行业回顾及展望. 建筑时报,2018-12-05

4、王长科.  走近岩土工程和岩土工程师.  微信公众平台《岩土工程学习与探索》,2018-01-16

5、王长科主编.  工程建设中的土力学及岩土工程问题—王长科论文选集.  北京:中国建筑工业出版社,2018

6、王长科. 谈勘察结论与建议的编写. 知识星球平台《岩土工程师》, 2019-10-10

7、王长科. 做好岩土工程需要德位相配. 微信公众平台《岩土工程学习与探索》,2018-11-05


稿源: 岩土工程学习与探索

作者:王长科

本文仅供学术经验分享之用

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