1概述
根據對現行岩土工程勘查規範的理解,涉及土木工程建設中所有與巖體和土體有關的工程技術問題,都屬於岩土工程問題範疇。
如果說修建於岩土體之內或之上的工程都屬於土木工程,則岩土工程可以說是土木工程建設中的基礎工程,涉及到土木工程建設的各個領域。因此各建設工程建設領域除自身特性外還存在著共同的岩土工程問題。其中普遍的和主要的有地基穩定性問題、邊坡穩定性問題、圍巖穩定性問題和滲透穩定性問題。
岩土工程工作者首先應瞭解這些問題的特點,掌握解決它們的一般方法,再結合各類工程的實際,從事相應的設計和治理工作。
2岩土工程問題探討
2.1地基穩定性
各類土木工程都存在地基穩定性問題。諸如建築地基、道路地基、大壩地基、橋樑墩臺地基等,此類問題均屬於下部岩土體承受來自上部結構荷載而產生的地基穩定性問題。
地基穩定性有兩方面的含義,一是地基岩土體在上部荷載作用下是否發生破壞,即強度是否滿足要求;二是地基岩土體在上部荷載作用下是否發生過量沉降,即變形是否滿足要求。因此,建築地基必須同時滿足承載力要求和小於某一沉降量(包括沉降差)的變形要求。
對於巖質地基,巖體強度,是地基穩定性的關鍵;而對於細粒土和軟土地基,沉降變形控制是問題的關鍵。軟土地區建築地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差過大造成的,合理控制沉降量是非常重要的。對該類地基應該按沉降變形來控制設計標準,這樣既可以保證建築物安全又可節省工程投資。
我們還應該看到地基穩定性問題不僅取決於地基土的特性,還取決於基礎形式和上部結構。應考慮基礎形式、上部結構和地基的共同作用。例如調整基礎寬度,加強基礎整體剛度,以減少基地壓力和不均勻沉降(如箱基、筏基等);或調整基礎埋置深度,使基礎與周圍土體協同作用來承載上部結構荷載(如摩擦樁等);或採取地基處理,增強地基土的承載力(如機械壓(夯)實、堆載預壓、換填墊層、複合地基等)。
因此,解決地基穩定性問題,不僅要研究地基土的特性和建築結構、基礎的特點,還要研究二者之間的相互作用,由此才能作出安全經濟的設計方案。
2.2邊坡穩定性
山區工程建設、堆載、基坑等工程都存在著天然邊坡和人工邊坡穩定性問題。
一方面是由於自然動力或工程建設改變了自然邊坡狀態,如坡角侵蝕、開挖、坡體堆載或修建工程等,破壞了邊坡原有的平衡狀態;另一方面,由於場地條件的限制或經濟技術等原因,人工邊坡的坡形不能根據其穩定性而設計。如城市深基坑邊坡,受基坑外圍建築物的限制,不能按穩定坡角放坡。這些都產生了邊坡穩定性問題。
與地基穩定性問題一樣,邊坡穩定性也要從岩土體強度與變形兩方面來評價,具體應結合工程特點與建築環境來確定以哪方面為主。如深基坑邊坡穩定性,若鄰近有建築物,不僅要評價基坑壁的整體穩定性,還必須預測基坑外圍土體變形對建築物的不利影響;若臨近沒有建築物,則只考慮施工期坑壁的穩定性即可。而對山區工程建築邊坡的穩定性,則應全面考慮斜坡的整體穩定性和斜坡變形是否超過了建築物對變形要求的最大限制。
邊坡的破壞形式主要有滑坡和崩塌兩種。崩塌一般規模較小,影響範圍有限。而滑坡是最普遍的邊坡破壞形式,無論是自然營力作用下產生的,還是人類工程活動下引發的,其廣泛性和工程危害性都是很大的。實際上由於結構面的存在,同等條件下滑坡的穩定性比邊坡的穩定性要低得多,因此由工程誘發的老滑坡的復活要遠遠多於新滑坡的發生。
邊坡的穩定性與邊坡的坡形、坡角、坡高和邊坡岩土體的物理力學性質、水理性質密切相關,對邊坡的穩定性評價主要是透過建立力學模型和對潛在崩滑面形狀的假定及位置的確定,透過模擬計算,預測其潛在崩塌的可能性。
邊坡穩定性評價是進行邊坡治理設計的依據。邊坡治理一方面可以透過改變坡形或改良土質及水體狀態,對岩土體自身應力、應變狀態進行調整,使之恢復到穩定狀態;另一方面可以採取結構措施,透過支檔或錨拉等方法增強其穩定性。
2.3圍巖穩定性
由於礦山巷道、公路和鐵路隧道、水電工程的大型地下廠房、導流洞、核電工程中的引水洞等地下工程的開挖,改變了巖體的初始應力狀態,重新分佈的應力若超過了巖體的抗壓、抗拉或抗剪強度,便產生了圍巖的變形和破壞。
圍巖穩定性問題與地基、邊坡穩定性問題相似,也是由圍巖體強度和變形兩方面來控制的。地下空間在開挖後,圍巖中的應力會重新分佈,硐壁上的徑向應力為零,切向應力會發生集中,造成硐壁巖體徑向位移,隨著硐壁徑向位移量增大會使集中的應力不斷釋放。如果巖體結構鬆散或岩石軟弱,徑向會快速位移,應力來不及集中就會釋放,圍巖鬆動形成鬆動圈,鬆動圈內的岩石裂隙張開,巖體強度也迅速降低,由此會導致岩石大範圍塌落;如果巖體完整,岩石較堅硬,徑向位移則會相對緩慢,硐壁巖體集中的應力會逐步釋放,因而在圍巖中自硐壁向外會依次形成鬆動區、應力集中區和天然應力區,鬆動區範圍隨著巖體徑向位移的逐漸增大而擴大,導致巖體中的裂隙張開,巖體強度降低。
一般來說地下空間本身對圍巖的變形量要求並不嚴格,然而關鍵問題是圍巖的應力和強度都隨其變形量呈非線性的變化,因此控制圍巖變形的目的是在儘可能的降低圍巖應力的條件下,使圍巖保持相對較高的強度,從而降低支護結構上的圍巖壓力,發揮圍巖自身穩定性的潛力。
圍巖中的應力與巖體中的初始應力狀態、圍巖的物理力學性質、巖體結構型別、地下水及洞室的斷面形態、大小等因素有關,其重新分佈量值很難採用理論公式準確計算。因此適當地選擇圍巖支護襯砌時間,即根據控制位移量進行支護,既可降低襯砌上的圍巖壓力,又可使巖體具有足夠的強度,達到結構與圍巖協同作用的目的。
2.4 滲透穩定性
地下水作為流體介質存在於固體的岩土體介質中,使岩土工程問題更為複雜。地下水在地基、邊坡和硐室圍巖中都發揮了其不利的作用,其影響主要體現在三個方面:一是改變了岩土體的性質;二是靜水壓力的作用;三是動水壓力的作用。
2.4.1 地下水對各類岩土體性質的作用
地下水對各種岩土體都具有不同程度的軟化作用,因岩土體的性質不同,其作用機理和影響程度不同。對於可溶性岩土,如岩鹽、石膏巖、芒硝和鹽漬土,水體以溶蝕作用為主,地下水將可溶性物質溶解遷移,使部分岩土顆粒間喪失膠結,造成岩土體強度降低。以泥質膠結為主的岩石,遇水軟化性極強,主要是由於膠結物溶水,導致礦物顆粒連線減弱,巖體強度降低。在砂質土中地下水主要以重力水的形式存在,砂粒間親水性弱,但由於水的潤滑作用,砂粒間的咬合力和表面摩擦力都會有一定程度的降低,致使土體強度相應減弱。地下水對粘性土的影響顯著,因含水量不同,粒間連線力的性質和大小均有差異。含水量低於塑限時,粒間以強結合水連結,土體呈固態,強度高;含水量高於塑限低於液限時,粒間以弱結合水連結,土體呈塑態,強度較低;含水量高於液限時,粒間為自由水,土體呈流態,土體喪失其強度。
2.4.2 靜水壓力的作用
岩土中的靜水壓力也可表述為孔隙水壓力,根據有效應力原理,總應力等於有效應力與孔隙水之和,而岩土體的變形和強度都是由有效應力引起的。孔隙水壓力增大,意味著有效應力降低,減緩了土體的固結變形,岩土體的強度降低;孔隙水壓力減小,意味著有效應力增強,增強了土體的固結變形,岩土體的強度增高。
在地基、邊坡和地下工程中,靜水壓力對工程的影響和危害各有其特點:城市大量抽取地下水導致地面沉降,是由於地下水位下降,孔隙水壓力降低,有效應力增大所致;在地下水位淺的深基坑工程中,需採取降水或隔水措施以減小或阻止孔隙水壓力的不利作用;在斜坡坡體中,孔隙水壓力會增大坡體下滑力、減小抗滑力,使邊坡穩定性大大降低;在地下工程中,圍巖的靜水壓力增大了圍巖壓力,降低了圍巖的穩定性,在施工過程中會造成塌方或湧水現象。
2.4.3動水壓力的作用
動水壓力是岩土中的地下水在滲流過程中對岩土顆粒產生的滲透力。地下水沿一定的路徑流動,沿流線有水頭降或水利梯度,動水壓力與水力梯度成正比。在深基坑中,基坑內外水力梯度大時,動水壓力超過土的浮容重,則會導致基坑底部流砂或湧土;壩基底部水力梯度大時,會導致管湧或潛蝕,發生滲透變形;邊坡中的動水壓力會加大下滑力,滲透變形也會使邊坡穩定性急劇降低。因此在有地下水流的岩土工程評價中,必須考慮動水壓力的影響,並根據土體的物質組成和水力梯度分析其滲透變形的可能性。
3結束語
以上是土木工程建設中普遍和重要的岩土工程問題,處理不當,會造成生命財產的損失。在岩土工程中,還會遇到溼陷性黃土、膨脹性岩土、鹽漬土、凍土等特殊土引起的特殊的岩土工程問題,岩土工程師都必須充分地瞭解這些問題的特點,掌握解決問題的途徑
1概述
根據對現行岩土工程勘查規範的理解,涉及土木工程建設中所有與巖體和土體有關的工程技術問題,都屬於岩土工程問題範疇。
如果說修建於岩土體之內或之上的工程都屬於土木工程,則岩土工程可以說是土木工程建設中的基礎工程,涉及到土木工程建設的各個領域。因此各建設工程建設領域除自身特性外還存在著共同的岩土工程問題。其中普遍的和主要的有地基穩定性問題、邊坡穩定性問題、圍巖穩定性問題和滲透穩定性問題。
岩土工程工作者首先應瞭解這些問題的特點,掌握解決它們的一般方法,再結合各類工程的實際,從事相應的設計和治理工作。
2岩土工程問題探討
2.1地基穩定性
各類土木工程都存在地基穩定性問題。諸如建築地基、道路地基、大壩地基、橋樑墩臺地基等,此類問題均屬於下部岩土體承受來自上部結構荷載而產生的地基穩定性問題。
地基穩定性有兩方面的含義,一是地基岩土體在上部荷載作用下是否發生破壞,即強度是否滿足要求;二是地基岩土體在上部荷載作用下是否發生過量沉降,即變形是否滿足要求。因此,建築地基必須同時滿足承載力要求和小於某一沉降量(包括沉降差)的變形要求。
對於巖質地基,巖體強度,是地基穩定性的關鍵;而對於細粒土和軟土地基,沉降變形控制是問題的關鍵。軟土地區建築地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差過大造成的,合理控制沉降量是非常重要的。對該類地基應該按沉降變形來控制設計標準,這樣既可以保證建築物安全又可節省工程投資。
我們還應該看到地基穩定性問題不僅取決於地基土的特性,還取決於基礎形式和上部結構。應考慮基礎形式、上部結構和地基的共同作用。例如調整基礎寬度,加強基礎整體剛度,以減少基地壓力和不均勻沉降(如箱基、筏基等);或調整基礎埋置深度,使基礎與周圍土體協同作用來承載上部結構荷載(如摩擦樁等);或採取地基處理,增強地基土的承載力(如機械壓(夯)實、堆載預壓、換填墊層、複合地基等)。
因此,解決地基穩定性問題,不僅要研究地基土的特性和建築結構、基礎的特點,還要研究二者之間的相互作用,由此才能作出安全經濟的設計方案。
2.2邊坡穩定性
山區工程建設、堆載、基坑等工程都存在著天然邊坡和人工邊坡穩定性問題。
一方面是由於自然動力或工程建設改變了自然邊坡狀態,如坡角侵蝕、開挖、坡體堆載或修建工程等,破壞了邊坡原有的平衡狀態;另一方面,由於場地條件的限制或經濟技術等原因,人工邊坡的坡形不能根據其穩定性而設計。如城市深基坑邊坡,受基坑外圍建築物的限制,不能按穩定坡角放坡。這些都產生了邊坡穩定性問題。
與地基穩定性問題一樣,邊坡穩定性也要從岩土體強度與變形兩方面來評價,具體應結合工程特點與建築環境來確定以哪方面為主。如深基坑邊坡穩定性,若鄰近有建築物,不僅要評價基坑壁的整體穩定性,還必須預測基坑外圍土體變形對建築物的不利影響;若臨近沒有建築物,則只考慮施工期坑壁的穩定性即可。而對山區工程建築邊坡的穩定性,則應全面考慮斜坡的整體穩定性和斜坡變形是否超過了建築物對變形要求的最大限制。
邊坡的破壞形式主要有滑坡和崩塌兩種。崩塌一般規模較小,影響範圍有限。而滑坡是最普遍的邊坡破壞形式,無論是自然營力作用下產生的,還是人類工程活動下引發的,其廣泛性和工程危害性都是很大的。實際上由於結構面的存在,同等條件下滑坡的穩定性比邊坡的穩定性要低得多,因此由工程誘發的老滑坡的復活要遠遠多於新滑坡的發生。
邊坡的穩定性與邊坡的坡形、坡角、坡高和邊坡岩土體的物理力學性質、水理性質密切相關,對邊坡的穩定性評價主要是透過建立力學模型和對潛在崩滑面形狀的假定及位置的確定,透過模擬計算,預測其潛在崩塌的可能性。
邊坡穩定性評價是進行邊坡治理設計的依據。邊坡治理一方面可以透過改變坡形或改良土質及水體狀態,對岩土體自身應力、應變狀態進行調整,使之恢復到穩定狀態;另一方面可以採取結構措施,透過支檔或錨拉等方法增強其穩定性。
2.3圍巖穩定性
由於礦山巷道、公路和鐵路隧道、水電工程的大型地下廠房、導流洞、核電工程中的引水洞等地下工程的開挖,改變了巖體的初始應力狀態,重新分佈的應力若超過了巖體的抗壓、抗拉或抗剪強度,便產生了圍巖的變形和破壞。
圍巖穩定性問題與地基、邊坡穩定性問題相似,也是由圍巖體強度和變形兩方面來控制的。地下空間在開挖後,圍巖中的應力會重新分佈,硐壁上的徑向應力為零,切向應力會發生集中,造成硐壁巖體徑向位移,隨著硐壁徑向位移量增大會使集中的應力不斷釋放。如果巖體結構鬆散或岩石軟弱,徑向會快速位移,應力來不及集中就會釋放,圍巖鬆動形成鬆動圈,鬆動圈內的岩石裂隙張開,巖體強度也迅速降低,由此會導致岩石大範圍塌落;如果巖體完整,岩石較堅硬,徑向位移則會相對緩慢,硐壁巖體集中的應力會逐步釋放,因而在圍巖中自硐壁向外會依次形成鬆動區、應力集中區和天然應力區,鬆動區範圍隨著巖體徑向位移的逐漸增大而擴大,導致巖體中的裂隙張開,巖體強度降低。
一般來說地下空間本身對圍巖的變形量要求並不嚴格,然而關鍵問題是圍巖的應力和強度都隨其變形量呈非線性的變化,因此控制圍巖變形的目的是在儘可能的降低圍巖應力的條件下,使圍巖保持相對較高的強度,從而降低支護結構上的圍巖壓力,發揮圍巖自身穩定性的潛力。
圍巖中的應力與巖體中的初始應力狀態、圍巖的物理力學性質、巖體結構型別、地下水及洞室的斷面形態、大小等因素有關,其重新分佈量值很難採用理論公式準確計算。因此適當地選擇圍巖支護襯砌時間,即根據控制位移量進行支護,既可降低襯砌上的圍巖壓力,又可使巖體具有足夠的強度,達到結構與圍巖協同作用的目的。
2.4 滲透穩定性
地下水作為流體介質存在於固體的岩土體介質中,使岩土工程問題更為複雜。地下水在地基、邊坡和硐室圍巖中都發揮了其不利的作用,其影響主要體現在三個方面:一是改變了岩土體的性質;二是靜水壓力的作用;三是動水壓力的作用。
2.4.1 地下水對各類岩土體性質的作用
地下水對各種岩土體都具有不同程度的軟化作用,因岩土體的性質不同,其作用機理和影響程度不同。對於可溶性岩土,如岩鹽、石膏巖、芒硝和鹽漬土,水體以溶蝕作用為主,地下水將可溶性物質溶解遷移,使部分岩土顆粒間喪失膠結,造成岩土體強度降低。以泥質膠結為主的岩石,遇水軟化性極強,主要是由於膠結物溶水,導致礦物顆粒連線減弱,巖體強度降低。在砂質土中地下水主要以重力水的形式存在,砂粒間親水性弱,但由於水的潤滑作用,砂粒間的咬合力和表面摩擦力都會有一定程度的降低,致使土體強度相應減弱。地下水對粘性土的影響顯著,因含水量不同,粒間連線力的性質和大小均有差異。含水量低於塑限時,粒間以強結合水連結,土體呈固態,強度高;含水量高於塑限低於液限時,粒間以弱結合水連結,土體呈塑態,強度較低;含水量高於液限時,粒間為自由水,土體呈流態,土體喪失其強度。
2.4.2 靜水壓力的作用
岩土中的靜水壓力也可表述為孔隙水壓力,根據有效應力原理,總應力等於有效應力與孔隙水之和,而岩土體的變形和強度都是由有效應力引起的。孔隙水壓力增大,意味著有效應力降低,減緩了土體的固結變形,岩土體的強度降低;孔隙水壓力減小,意味著有效應力增強,增強了土體的固結變形,岩土體的強度增高。
在地基、邊坡和地下工程中,靜水壓力對工程的影響和危害各有其特點:城市大量抽取地下水導致地面沉降,是由於地下水位下降,孔隙水壓力降低,有效應力增大所致;在地下水位淺的深基坑工程中,需採取降水或隔水措施以減小或阻止孔隙水壓力的不利作用;在斜坡坡體中,孔隙水壓力會增大坡體下滑力、減小抗滑力,使邊坡穩定性大大降低;在地下工程中,圍巖的靜水壓力增大了圍巖壓力,降低了圍巖的穩定性,在施工過程中會造成塌方或湧水現象。
2.4.3動水壓力的作用
動水壓力是岩土中的地下水在滲流過程中對岩土顆粒產生的滲透力。地下水沿一定的路徑流動,沿流線有水頭降或水利梯度,動水壓力與水力梯度成正比。在深基坑中,基坑內外水力梯度大時,動水壓力超過土的浮容重,則會導致基坑底部流砂或湧土;壩基底部水力梯度大時,會導致管湧或潛蝕,發生滲透變形;邊坡中的動水壓力會加大下滑力,滲透變形也會使邊坡穩定性急劇降低。因此在有地下水流的岩土工程評價中,必須考慮動水壓力的影響,並根據土體的物質組成和水力梯度分析其滲透變形的可能性。
3結束語
以上是土木工程建設中普遍和重要的岩土工程問題,處理不當,會造成生命財產的損失。在岩土工程中,還會遇到溼陷性黃土、膨脹性岩土、鹽漬土、凍土等特殊土引起的特殊的岩土工程問題,岩土工程師都必須充分地瞭解這些問題的特點,掌握解決問題的途徑