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岩土研究院

岩土体特性、岩土工程问题和工作方法介绍

471 2020-12-22 08:57:41

一、岩土体的特性

岩土体具有不连续性、多相性和变异性三类主要特征。

不连续性主要指土体的碎散性和岩体的结构面切割形成的岩体,以及组成它们的物质成分、颗粒大小、节理裂隙的分布、坡体结构等造成岩土体性质出现的不均匀性。

多相性主要指岩土体中结合水、自由水、气体等与土体中的土颗粒和岩体中的岩块等共同组成,导致岩土体的性质随同这些“相”的变化与组成而不同,相之间不同的比例和相互作用导致岩土体形成了复杂的物理力学性质。

变异性主要指岩土体在漫长的地质历史中形成,每一粒土体,每一块岩体都是经历风化、沉积、岩浆运动、应力作用等地质活动形成,各自都具有独特的物质成分和相关性质。

岩土体的以上主要三类特征,造成在工程应用中应首先充分认识具体的岩土体地质条件,建议合理的地质模型。在此基础上排除与研究对象本质无关或关联度很小的非本质因素,建立合理的概念模型,在此基础上,加强岩土体本质性质的提炼,对其理想化、抽象化,从而建立合理的计算模型或数值模型,继而通过数学手段进行问题的分析、模型、量化。

从这个过程可以明显的看出,岩土体的工程问题的分析是具有一定假设、理想化的,这对岩土体工程来说是由于其具有不连续性、多相性和变异性三类主要特征所决定了的。因此,往往与传统中经典的力学计算是具有较大差异的,计算结果与工程实际情况存在较大的偏差是可以理解的。如理论力学中的质点假设,材料力学与结构力学中的线弹性假设,是我们解决复杂问题的基础理论,但这种完全符合假设的岩土体在工程中没有的。解决岩土工程实际问题时需采用抽象、理想化后,采用相近的理论去近似的解决问题。

这也说明了岩土体计算分析中的经过实践检验的工程经验是非常重要的,由其提供的修正系数是必不可少的,大量工程归纳总结形成的经验公式在解决岩土工程问题中是行之可取的。那种认为可以完全通过精确计算解决岩土程的态度是不合理的,那种单纯依靠计算机进行模拟解决岩土工程的理念是不可取的。因为岩土工程的复杂性,计算理论的局限性,往往存在计算结果产生一因多果或一果多因的情况,即岩土工程必须贯彻“定性是基础,定量是手段”的正确岩土工程理念。因此,岩土工程是一门艺术也是有一定的道理的。

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二、岩土工程问题

岩土工程的问题主要解决岩土体的抗剪强度、变形和渗透三大问题。

抗剪强度主要指影响岩土体稳定性的剪切强度。在理论是岩土体不抗拉,而真正在压力作用压坏的岩土体也是几乎没有的,因为它是通过压剪、拉剪形式破坏的。因此,岩土体工程的抗剪强度研究或治理贯彻始终,是岩土工程的核心问题。

对于土体来说,土的强度本质上是由土颗粒之间的摩擦力和粘聚力所决定的。主要由土体固结情况、物质成分、含水率和水敏性等因素共同决定;对于岩体来说,岩体的强度主要是由结构面的性质决定的,即主要由结构面的闭合情况、胶结特征、结构面的形态、充填物、贯通性、结构面的含水率与水敏性等共同决定的。

变形主要指土体中的土颗粒,岩体中的结构面相对位置发生变化或土颗粒破碎、岩体破裂、孔隙压缩。土体由于孔隙率较高,在力的作用下其变形量一般情况下远大于岩体。岩土体中的含水率越高,导致其有效应力越低,故其力学性质越差。换句话说,力学性质越低的岩土体,其受内、外应力作用下抗变形的能力就越差。这也就是松散土质坡体往往较岩质坡体,富水坡体较干燥坡体更易发生沉降、失稳的原因。也是填方工程中严格要求控制压实度、孔隙率的原因。

渗透主要指岩土体中的自由水和弱结合水传递的静水压力或动水压力。对于土体而言,主要指存在于孔隙中的自由水或与土体结合的弱结合水;对于岩体而言,主要指存在于结构面、岩块孔隙中的基岩裂隙水。由于多种原因水在岩土体中产生不等势而发生移动时,就会对岩土体产生推挤或拖曳作用而对稳定性产生影响。

以上岩土体的强度、变形和渗透往往是相互关联的。岩土体强度的衰减往往伴随着变形,而变形与渗流耦合往往对岩土体的有效应力和渗流场产生影响,继而影响岩土体的强度。因此,孤立的将三者切割分开解决岩土工程问题往往是不合理的。也就是说,岩土工程问题的解决,应需将岩土体的强度、变形和渗透三大问题相互联系,在相互协调作用中有效分析和解决问题。换句话说,目前岩土体病害治理中一味强调工程支挡而忽视地下水或地表水的截疏排是不合理的,轻则造成工程造价大幅攀升,重则随着岩土体的时效转换,最终仍可能造成岩土体的变形、失稳。因此,说岩土工程是老中医学科是有一定道理和渊源的。


三、岩土工程的工作方法

岩土工程的感性的,处治设计是典型的概念设计,解决岩土工程问题最基本的工作方法是理论与实践相结合,是土工试验与工程经验相结合,必须贯彻合理定性分析基础上的必要计算分析方法。

由于岩土体的复杂性,因此,土工试验对认识岩土体的性质具有相当重要的作用,是合理选取计算模型与数值模型建立的必要环节,是设计所需参数的重要方法。那种对土工试验不重视,认为土工试验不重要,或全凭经验建立 模型与选取参数的经验主义者是偏激的。

如软土地基处治,有的工程处治设计往往只采用一个点的试验覆盖整个待处治范围,采用多少年前的一个历史久远的经验数据分析计算区内软土,是的“以点概面”和顽固的经验主义典型。甚至有的试验人员本身也是概念不清。如在粘土的三轴饱和不排水剪试验中得出的内摩擦角高达18︒,这完全是不应该的,或许试验人员自身就没有分清三轴与快剪而得出的错误结论。

常说“基础不牢,地震山摇”。试验数据的欠缺或错误,如何能有效解决岩土工程的计算和模拟正确,那又如何有效进行岩土程问题的处治。

对于实践性很强的岩土工程,应始终贯彻从现场中来,到现场中去的基本理念。最忌讳纸上谈兵,只有在一线获得大量直观的感性认识,才能为理性认识岩土工程奠定基础。只有掌握了丰富的理论知识,然后在实践中去打磨、积累大量的工程经验,方能提出符合具体岩土体的性质的工程解决方案,方能依据合理的模型得出较为合理的计算或模拟结论。


稿源:《悠游2019》

作者:成永刚

本文仅供学术经验分享之用

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