岩土工程发展现状及进展.doc

浅谈岩土工程发展现状及进展摘要：根据岩土工程学科特点、工程建设对岩土工程发展的要求、以及相关学科的发展趋势,分析了12个应予以重视的研究领域,展望了21世纪岩土工程的发展。关键词：岩土工程,发展,展望引 言 岩土工程研究的对象是岩体和土体。岩体在其形成和存在的整个地质历史过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而有着复杂的结构和地应力场环境。而不同地区的不同类型的岩体，由于经历的地质作用过程不同，其工程性质往往具有很大的差别。岩石出露地表后，经过风化作用而形成土，它们或留存在原地，或经过风、水及冰川的剥蚀和搬运作用在异地沉积形成土层。在各地质时期各地区的风化环境、搬运和沉积的动力学条件均存在差异性，因此土体不仅工程性质复杂而且其性质的区域性和个性很强。 岩石和土的强度特性、变形特性和渗透特性都是通过试验测定。在室内试验中，原状试样的代表性、取样过程中不可避免的扰动以及初始应力的释放，试验边界条件与地基中实际情况不同等客观原因所带来的误差，使室内试验结果与地基中岩土实际性状发生差异。在原位试验中，现场测点的代表性、埋设测试元件时对岩土体的扰动，以及测试方法的可靠性等所带来的误差也难以估计。 岩土材料及其试验的上述特性决定了岩土工程学科的特殊性。岩土工程是一门应用科学，在岩土工程分析时不仅需要运用综合理论知识、室内外测试成果、还需要应用工程师的经验，才能获得满意的结果。 岩土工程是20世纪60年代末至70年代初，将土力学及基础工程、工程地质学、岩体力学三者逐渐结合为一体并应用于土木工程实际而形成的新学科。岩土工程的发展将围绕现代土木工程建设中出现的岩土工程问题并将融人其他学科取得的新成果。岩土工程涉及土木工程建设中岩石与土的利用、整治或改造，其基本问题是岩体或土体的稳定、变形和渗流问题。2 岩土工程的概念 我国的大百科全书中，对岩土工程的定义1是:“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与所有与岩体和土体有关的工程技术问题的新的专业学科。在该学科理论和实践中，强调地质与工程的紧密结合，属于土木工程范畴。”Anon(1999)对岩土工程的定义是:“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。”他认为，由于所有的土木工程项目，不是建于地面上，便是地下工程，因此，岩土工程在土木工程中起到关键性的作用。此外，岩土工程也是露天采矿工程和采油工程的重要组成部分。在抵御地震和滑坡这样的自然灾害中，同样不可或缺。 概念是反映对象的本质属性的思维形式。科学认识的成果，都是通过各种概念来加以总结和概括的。概念不是永恒不变的，而是随着社会历史和人类认识的发展而变化的。岩土工程概念，是随着人们对岩土体性状的认识，以及工程地质学、水文学、岩土力学、支护形式与支护作用原理，工程设计理论与方法等新成就逐步形成与发展的。由于法规总是滞后于科学新成就，因而新旧概念，往往是长期交错、并存使用的。从工程特征来概括，岩土工程概念，可归结为三种:结构工程、岩体工程、地质工程2。三种不同概念，形成于岩土工程发展过程，表征着三个发展阶段的科学认识水平。2.1 结构工程概念 结构工程概念来源于建筑工程。其基本特征是荷载结构模式，把岩土体可能破坏塌落部分作为荷载，由结构来承担，在隧道与地下工程中，发展了塌落拱理论，普氏理论，泰沙基公式等都是确定隧道荷载的方法。在边坡工程中，发展了极限平衡分析法。根据滑动破坏面形状，有直线破坏、折线破坏、圆柱形破坏、对数螺线破坏等。据此，提出了确定边坡滑动荷载的各种方法，常用的条分法，或称瑞典圆弧法。从承受荷载的能力考虑，往往主张采用刚性结构。喷射混凝土、锚杆支护发展之后，如何认识这些新支护技术的作用呢?不少人仍沿着结构工程概念，提出锚杆支护的悬吊理论，在隧道支护中，要求锚杆的长度穿越塌落拱高度范围。工程实践表明，锚杆长度短于塌落拱高度，隧道仍然安全，如何解释呢?人们又提出了组合拱理论，认为系统锚杆与可能塌落范围的部分岩体组成岩石锚杆组合拱，以承担塌落拱形成的荷载。新奥法(NATM)在50年代问世以来，在隧道工程界引起了强烈的反应;主要发明人拉伯塞维兹教授将新奥法定为隧道建筑的概念而不是构筑方法。应当承认，新奥法在隧道构筑史中是有功绩的，它对锚喷支护作用的解释在概念上是有较大的进步;强调正确的施工步骤、现场观测等，对工程测试设计法的形成与发展都有很大的促进作用。同时，我们也应当看到，新奥法不仅在概念上，而且在理论上，都没有真正建立在现代岩体力学的基础上，没有彻底摆脱传统的结构工程概念3，即荷载一结构模式，只是使之变为“荷载部分围岩+支护”模式。这种模式主要体现在新奥法的承载环概念上。新奥法用特性曲线说明了支护对围岩应力的影响，说明了要适当选择支护时机，才能节省支护抗力。但是，它没有进一步说明，应力调整如何使围岩趋于稳定，却引人了承载环概念，把围岩的稳定归结为承载环承载的结果。由此可见，悬吊理论，组合拱理论，新奥法的承载环概念等，都没有摆脱荷载结构模式，应该属于结构工程概念范畴。2.2 岩体工程概念 岩体工程概念，是以现代岩体力学，数值计算方法与支护作用理论等为基本依据的。它的基本特征是，充分发挥围岩的自稳能力，防围岩破坏于未然。支护和适时、合理的施工步骤，主要作用是控制岩体变形与位移，以改善岩体应力状态，提高岩体强度，使岩体与支护共 同达到新的平衡稳定，以获得最佳的效益。岩土工程概念是在推广新奥法，推广锚喷支护技术的过程中逐步形成的。围绕推广应用中出现的两个主要问题:锚喷支护作用原理与适应性以及如何进行工程测试设计问题，国内有关单位开展了广泛的研究试验。这些研究试验，主要是从下列三个方面展开的:有限单元法在岩土工程中的应用;平面应变条件下模型试验技术与试验;在软弱破碎不良岩体中构筑隧道、井巷、大跨度地下工程的工程实践与现场试验。1970年我国才开始研究有限单元法在岩土工程中应用。1972年总字306部队和北京大学数力系共同研究发表了有限元法在锚喷支护坑道工程静力平面问题中的应用，在国内首次考虑地应力与开挖影响，并对40m大跨度地下工程进行了计算分析。接着，他们又与中科院地质所合作，编制了考虑岩层非线性特性的平面有限元程序，对某重要高边坡工程进行计算分析。全国岩土工程界也逐步开展了有限元法应用与研究。这些有限元法成果，从应力分析上揭示了锚喷支护约束围岩变形，调整围岩应力状态，控制塑性区范围的作用。1973年，我国开始研究平面应变条件下模型试验技术与设备，使模型试验较能符合岩土工程实际受力状态。大量的各种尺度、形状的铜体破坏试验与锚喷支护加固铜体的试验，揭示了不同形状岩酮，在不同地应力条件下的破坏形态以及锚喷支护作用机理与加固岩酮的良好效果。锚喷支护引进我国之后，在实际应用中，仍有不少人存在一些疑虑。在软弱破碎不良岩体中能不能用?大跨度地下工程能不能用?作永久性支护行不行?抗动荷载行不行?这些疑虑可归结为锚喷支护的适应性问题。通过大量工程实践与现场试验，有力地回答了适应性问题。锚喷支护不但在软弱破碎不良岩体中能用，在大跨度地下工程也能用，抗动载防护工程更能用，而且在这些工程中，更能显现锚喷支护的优越性与特点。如金川镍矿、张家洼铁矿、下坑隧道、“引大人秦”水工隧道，某人防大铜室，816工程、405工程。这些工程实践，标志着我国推广应用锚喷支护技术获得重大发展。煤炭科学技术自1980年第一期起，开展锚喷支护原理和适应性专题学术讨论，发表了大量有关文章。在此基础上，中国煤炭学会委托煤炭学报和煤炭科学技术编辑部于1980年12月10日至巧日在山东济南市召开了锚喷支护原理与适应性学术讨论会，组织全国各系统77个单位，98位代表，对锚喷支护原理和适应性进行了专题研讨。这次会议，突破了传统的“支撑概念”，也即结构工程概念，对岩体工程概念的形成，起到了极大的促进作用。该专题学术讨论总结指出:“今天，锚喷支护理论研究正处于两个转变的时刻:即概念转变与研究方法的转变。所谓概念的转变，就是从“支撑概念”转变为“加固概念”;所谓研究方法的转变，就是从采用结构力学方法研究结构内力，转变为采用岩体力学，岩体工程地质力学的方法，研究围岩的稳定性和支护的加固效果。”1981年2期煤炭学报发表了阐述“加固概念”的论文4。中国金属学会采矿学术委员会和建筑学术委员会，于1981年10月下旬在安徽铜陵市联合召开锚喷支护学术会议，并组织到皖赣铁路下坑隧道现场参观，这次会议的重大贡献是，交流了一批构筑在软弱破碎不良岩体中的隧道、井巷、大跨度地下工程的工程实践经验，较好地解决了锚喷支护适应性问题。如前所述的工程，都是实行理论、设计、施工和测试紧密结合的。他们的经验和成果，有力促进了工程测试设计法的形成与发展。工程测试设计法关键问题之一，是如何根据测试数据判定围岩的稳定状态及支护的加固效果，会上围绕这个问题展开了学术争论。归纳起来，对围岩稳定性判断问题有如下几种不同观点:按位移值判断;按位移速率值判断;按位移值与位移速率值判断;按位移速率状态判断围岩稳定状态。会后，冶金建筑于1982年第二期对会议情况作了报导，并选刊了金川矿区不良岩层巷道围岩变形控制与锚喷支护以及位移观测与围岩稳定性判断两篇有代表性的会议论文。解放军也积极推广锚喷支护技术与新奥法:1980年8月在某地召开了“全军推广锚喷支护技术现场会”;1983年12月在某市召开了“全军锚喷支护与防水会议”。各部门也曾举行过不少学术交流，现场观摩会议。应当说明，除了上述三个主要方面有所突破外，在围岩分类、各种新型锚杆、预应力锚索研制与应用，量测技术与仪器研制，施工机具以及劳保技术等方面，都有不少新成果。总之，岩体工程概念是大量工程实践，许多科学研究试验以及全国学术交流的综合结果，是众多新成果的科学概括。2.3 地质工程概念 地质工程术语，是顾德曼R.E在1974年首先使用的，孙广忠先生在1984年召开的第二届全国工程地质大会上提出了地质工程命题，并给出一个定义:地质工程是以地质体做建筑材料，以地质体做工程结构，以地质环境做建筑环境建筑起来的一种特殊工程。广义地说，地质工程又可称为大地改造工程5。孙先生是从工程地质科学的角度来论述地质工程的。1993年他作了题为工程地质科学的一个重要生长点地质工程的学术报告，他将工程地质的发展划分三个阶段，其中的第三个阶段，就是“以地质改造为主要课题的工程地质灾害及地质灾害防治，施工地质超前预报为特征的地质工程研究阶段。”并提出“地质控制施工法”，地质控制施工法的核心就是超前地质预报和超前地质改造。他还提出“将来的发展方向是工程地质工作者要将地质工程勘探、设计、施工三部分工作三位一体的承担起来，这是工程地质科学的一个新的发展方向，一个重要生长点”。围绕地质工程定义，内涵、方法等问题，在我国引起了一些学术争论，引起了工程地质界，岩体力学界，岩土工程界的广泛关注。我们申请了国家自然科学基金项目，从岩土工程技术科学发展的角度，对地质工程定义，内涵，方法等进行了系统的研究。我们把地质工程定义为，用工程措施控制工程地质体，使之具有服务功能的工程称为地质工程。工程地质体这个术语，原来是没有的。因此我们必须给出界定性的表述。在内或外动力作用下形成并经过地质演化，受环境因素制约，服务于工程的地质体，称为工程地质体。 鉴于工程地质体具有随机性，模糊性等不确定因素，为了有效的解决工程构筑问题，达到工程目的，我们把控制论引用到地质工程上来，提出了“工程地质体控制论”。工程地质体控制论是研究地质工程系统的控制和调节规律的科学。这种理论以概括地表述为:在工程地质体中，采用有效的工程措施，经过反馈调节，适时地控制岩体变形与位移，调整岩体强度，改善岩体应力状态，维护与改善环境稳定性，以期使工程地质体的工程能力得到充分发挥:从而获得地质工程系统的最佳效益，优质高效地实现工程目的。从岩土工程技术科学发展的角度，地质工程概念是随着工程建设需要、工程实践经验、工程技术与工程地质学发展以及系统工程学应用而逐步形成的。它的基本特征是，地质工程作为一个系统，充分考虑岩体、环境因素、工程措施三者的相互作用，把科学、技术、管理三者结合起来，以谋求最佳效益。由上述可见，在我国对地质工程定义，内涵，方法等存在两种不同理论。以工程地质界为主体的一些同志，把地质工程归人工程地质科学，作为工程地质科学发展的一个阶段，其方法是地质控制施工法。以岩土工程界为主体的一些同志，把地质工程归人岩土工程技术科学，作为岩土工程概念发展的一个新概念，其方法是工程地质体控制论。我们认为，地质工程两种理论，将会殊途同归的，其归结点，就是岩土工程的实践与发展。 岩土工程概念，如果从支护作用特征来概括，也可归结为三种:支撑概念，加固概念，控制概念。这些概念，与从工程特征概括的岩土工程概念是相对应的。支撑概念对应于结构工程概念;加固概念对应于岩体工程概念;控制概念对应于地质工程概念。在一些文献中，两者都时有出现。今后，还是采用从工程特征概括的概念为妥，因为用工程特征来概括，更科学、更全面、更实际。3 岩土工程的研究对象和目标 岩土工程作为一门综合性的技术学科,以工程地质学、岩石力学、土力学和基础工程学为基本内容,以研究岩土体为工作对象,合理利用、整治和改造岩体和土体。岩体和土体是岩土工程的基本问题,如何评价,如何开挖利用都必须考虑它的稳定性,由此而派生的物性探测、参数测试、计算方法、监测预报、改性措施、先进的施工机械和组织等随之迅速发展,并推动了岩土工程的发展,丰富了岩土工程内涵。因此,作为岩土工程的目标就是要做到经济合理和有效可靠。4岩土工程的研究方法 岩土工程作为土木工程的分支，已经广泛涉及到了各行各业，研究岩土工程学的方法也是多种多样的,以下介绍几种岩土工程的研究方法6。4.1 分析岩土工程的可靠度 设计地基基础时，一般设计方向是采用以概率理论为基础的极限状态的设计方法。而由于岩土工程学本身的特殊性，此类设计在岩土工程应用技术上还存在着许多未能解决的问题。目前，结合岩土工程的自身特点，进行岩土工程问题的可靠度分析的理论研究，实现了地基基础设计方法与上部结构设计方向的统一。4.2 沉降的设计理论 建（构）筑物的地基一般需要同时满足其极限承载力和小于变形沉降量的要求。有时满足承载力的要求后，可不验算其沉降量和变形量，这基本有以下两类情况：一类是对变形量没有严格的要求；另一类是在满足承载力之后，沉降量很小，可不验算。建筑物若建造在深厚的软黏土地基基础上，控制沉降量与差异沉降量是设计的关键。软土地基上的大部分工程事故都是由建筑物沉降所引起的，加固沉降需要加大投资，所以，合理的设计方案不仅可以控制建筑物的沉降，而且可以有效节约工程成本。4.3 基坑工程中围护体系的变形与稳定 建筑技术不断进步，使得对地下工程的要求逐步增高，深基坑工程量也随之增加，在工程中，基坑稳定性和变形非常重要。计算变形与稳定性需要着重注意以下方面：围护结构的优化设计、土压力的计算、围护结构的变形、围护体系的形式和基坑开挖时对周围造成的影响等。基坑工程是一个非常系统的工程，要同时考虑到土的变形、渗流和稳定这3方面的问题，结合土体和结构的协同合作，作为一个综合性问题来进行考虑。4.4复合地基 复合地基是指在处理天然地基的过程中，置换或增强部分土体，又或在天然地基中加入一些材料，因此，加固区是增强体和天然地基两部分共同组成的地基。科学技术的迅速发展，使得复合地基也得到了很多的技术支持，出现了各类型组合形式。根据增强体的方向，复合地基可分为竖向和水平两大类，同时由于荷载的传递机理，竖向复合地基又可分为刚性桩复合地基、柔性桩复合地基和散体材料桩复合地基。5 岩土工程的发展阶段 岩土工程的发展历史不仅可以追溯到人类有历史之前，而且应当说地球上一有人类，就有岩土工程活动。只不过岩土工程形成为一门专门学科，至今尚不足100 年。人类发展的历史就交织着岩土工程发展的历史，岩土工程的发展经历了以下四个阶段7。 第一阶段：岩土工程起始于人类依靠穴居以躲避洪水猛兽和风霜雨雪侵袭的时代，包括其后原始人利用土、木、石等自然资源，以谋求改善生存生活和生产条件的时代。此中人类的种种活动无不包含了或有赖于岩土工程。而在其早期，岩土工程活动以解决栖身之处和防治水患为首要目的。人类经过聚居时代、部落时代等等而产生了城市，道路桥梁渐渐为人类生活交往、生产活动及统治者进行治理和对敌进攻等所必需, 于是出现了与岩土工程密切相关的又一重要工程领域。 第二阶段：自18 世纪 60 年代起至 20 世纪20 年代中期或 1925 年太沙基发表划时代的土力学名著之前。第二次工业革命极大地推动了世界各国生产力的发展，使工场手工业渐渐向近代大工业机器生产发展。岩土工程施工随之由纯粹的手工操作、体力劳动,发展为半机械化或局部机械化作业。尤其是此时陆上交通进入了铁路时代，以及码头、水库等的兴建，都带来了一系列新的岩土工程技术问题，促使人们开始进行理论探索与技术创新，为此拉开了岩土工程学术研究的序幕。 第三阶段：此时期始于太沙基发表土力学名著的 1925 年。自 1925 年以来，特别是二战后的 50 余年以来，与土力学理论不断获得发展和完善的同时，在相关学科科技进步以及世界各地社会经济总体不断增长的有力推动下，岩土工程不论在我国或在世界范围，不论其类型、规模、数量或质量而言，都取得了前所未有的巨大进展，此时期可称为岩土工程学科的创建奠基和初具框架的时期。 第四阶段：进入 21 世纪，以电子计算机技术、航天技术、信息技术为代表的一系列现代高新技术的兴起，已引发了人类历史上前所未有的一场科技革命。就我国而言，在新的世纪里将会出现史无前例的工程建设高潮，大量的复杂的岩土工程问题都将急需研究攻克，岩土工程的重要性必将更为突出。岩土工程学科必将出现新的突破。因此可以预料，岩土工程学将在21世纪迅速实现由第三阶段向第四阶段的转变。6岩土工程的展望岩土工程的发展将围绕现代土木工程建设中出现的岩土工程问题并将融入其他学科取得的新成果。岩土工程涉及土木工程建设中岩石与土的利用、整治或改造,其基本问题是岩体或土体的稳定、变形和渗流问题。笔者认为下述12个方面是应给予重视的研究领域,从中可展望21世纪岩土工程的发展8-11。6.1区域性土分布和特性的研究 经典土力学是建立在无结构强度理想的粘性土和无粘性土基础上的。但由于形成条件、形成年代、组成成分、应力历史不同,土的工程性质具有明显的区域性。周镜在黄文熙讲座12中详细分析了我国长江中下游两岸广泛分布的、矿物成分以云母和其它深色重矿物的风化碎片为主的片状砂的工程特性,比较了与福建石英质砂在变形特性、动静强度特性、抗液化性能方面的差异,指出片状砂有某些特殊工程性质。然而人们以往对砂的工程性质的了解,主要根据对石英质砂的大量室内外试验结果。周镜院士指出:“众所周知,目前我国评价饱和砂液化势的原位测试方法,即标准贯入法和静力触探法,主要是依据石英质砂地层中的经验,特别是唐山地震中的经验。有的规程中用饱和砂的相对密度来评价它的液化势。显然这些准则都不宜简单地用于长江中下游的片状砂地层”。我国长江中下游两岸广泛分布的片状砂地层具有某些特殊工程性质,与标准石英砂的差异说明土具有明显的区域性,这一现象具有一定的普遍性。国内外岩土工程师们发现许多地区的饱和粘土的工程性质都有其不同的特性,如伦敦粘土、波士顿蓝粘土、曼谷粘土、Oslo粘土、Lela粘土、上海粘土、湛江粘土等。这些粘土虽有共性,但其个性对工程建设影响更为重要。我国地域辽阔、岩土类别多、分布广。以土为例,软粘土、黄土、膨胀土、盐渍土、红粘土、有机质土等都有较大范围的分布。如我国软粘土广泛分布在天津、连云港、上海、杭州、宁波、温州、福州、湛江、广州、深圳、南京、武汉、昆明等地。人们已经发现上海粘土、湛江粘土和昆明粘土的工程性质存在较大差异。以往人们对岩土材料的共性、或者对某类土的共性比较重视,而对其个性深入系统的研究较少。对各类各地区域性土的工程性质,开展深入系统研究是岩土工程发展的方向。探明各地区域性土的分布也有许多工作要做。岩土工程师们应该明确只有掌握了所在地区土的工程特性才能更好地为经济建设服务。6.2本构模型研究 在经典土力学中沉降计算将土体视为弹性体,采用布西奈斯克公式求解附加应力,而稳定分析则将土体视为刚塑性体,采用极限平衡法分析。采用比较符合实际土体的应力-应变-强度(有时还包括时间)关系的本构模型可以将变形计算和稳定分析结合起来。自Roscoe与他的学生(19581963)创建剑桥模型至今,各国学者已发展了数百个本构模型,但得到工程界普遍认可的极少,严格地说尚没有。岩体的应力-应变关系则更为复杂。看来,企图建立能反映各类岩土的、适用于各类岩土工程的理想本构模型是困难的,或者说是不可能的。因为实际工程土应力-应变关系是很复杂的,具有非线性、弹性、塑性、粘性、剪胀性、各向异性等等,同时,应力路径、强度发挥度、以及岩土的状态、组成、结构、温度等均对其有影响。开展岩土的本构模型研究可以从两个方向努力:一是努力建立用于解决实际工程问题的实用模型;一是为了建立能进一步反映某些岩土体应力应变特性的理论模型。理论模型包括各类弹性模型、弹塑性模型、粘弹性模型、粘弹塑性模型、内时模型和损伤模型,以及结构性模型等。它们应能较好反映岩土的某种或几种变形特性,是建立工程实用模型的基础。工程实用模型应是为某地区岩土、某类岩土工程问题建立的本构模型,它应能反映这种情况下岩土体的主要性状。用它进行工程计算分析,可以获得工程建设所需精度的满意的分析结果。例如建立适用于基坑工程分析的上海粘土实用本构模型、适用于沉降分析的上海粘土实用本构模型,等等。笔者认为研究建立多种工程实用模型可能是本构模型研究的方向。在以往本构模型研究中不少学者只重视本构方程的建立,而不重视模型参数测定和选用研究,也不重视本构模型的验证工作。在以后的研究中特别要重视模型参数测定和选用,重视本构模型验证以及推广应用研究。只有这样,才能更好为工程建设服务。6.3不同介质间相互作用及共同分析 李广信(1998)认为岩土工程不同介质间相互作用及共同作用分析研究可以分为三个层次:岩土材料微观层次的相互作用;土与复合土或土与加筋材料之间的相互作用;地基与建(构)筑物之间相互作用13。土体由固、液、气三相组成。其中固相是以颗粒形式的散体状态存在。固、液、气三相间相互作用对土的工程性质有很大的影响。土体应力应变关系的复杂性从根本上讲都与土颗粒相互作用有关。从颗粒间的微观作用入手研究土的本构关系是非常有意义的。通过土中固、液、气相相互作用研究还将促进非饱和土力学理论的发展,有助于进一步了解各类非饱和土的工程性质。与土体相比,岩体的结构有其特殊性。岩体是由不同规模、不同形态、不同成因、不同方向和不同序次的结构面围限而成的结构体共同组成的合体,岩体在工程性质上具有不连续性。岩体工程性质还具有各向异性和非均一性。结合岩体断裂力学和其它新理论、新方法的研究进展,开展影响工程岩体稳定性的结构面几何学效应和力学效应研究也是非常有意义的。当天然地基不能满足建(构)筑物对地基要求时,需要对天然地基进行处理形成人工地基。桩基础、复合地基和均质人工地基是常遇到的三种人工地基形式。研究桩体与土体、复合地基中增强体与土体之间的相互作用,对了解桩基础和复合地基的承载力和变形特性是非常有意义的。地基与建(构)筑物相互作用与共同分析已引起人们重视并取得一些成果,但将共同作用分析普遍应用于工程设计,其差距还很大。大部分的工程设计中,地基与建筑物还是分开设计计算的。进一步开展地基与建(构)筑物共同作用分析有助于对真实工程性状的深入认识,提高工程设计水平。现代计算技术和计算机的发展为地基与建(构)筑物共同作用分析提供了良好的条件。目前迫切需要解决各类工程材料以及相互作用界面的实用本构模型,特别是界面间相互作用的合理模拟。6.4岩土工程测试技术 岩土工程测试技术不仅在岩土工程建设实践中十分重要,而且在岩土工程理论的形成和发展过程中也起着决定性的作用。理论分析、室内外测试和工程实践是岩土工程分析三个重要的方面。岩土工程中的许多理论是建立在试验基础上的,如Terzaghi的有效应力原理是建立在压缩试验中孔隙水压力的测试基础上的,Darcy定律是建立在渗透试验基础上的,剑桥模型是建立在正常固结粘土和微超固结粘土压缩试验和等向三轴压缩试验基础上的。测试技术也是保证岩土工程设计的合理性和保证施工质量的重要手段。岩土工程测试技术一般分为室内试验技术、原位试验技术和现场监测技术等几个方面。在原位测试方面,地基中的位移场、应力场测试,地下结构表面的土压力测试,地基土的强度特性及变形特性测试等方面将会成为研究的重点,随着总体测试技术的进步,这些传统的难点将会取得突破性进展。虚拟测试技术将会在岩土工程测试技术中得到较广泛的应用。及时有效地利用其他学科科学技术的成果,将对推动岩土工程领域的测试技术发展起到越来越重要的作用,如电子计算机技术、电子测量技术、光学测试技术、航测技术、电、磁场测试技术、声波测试技术、遥感测试技术等方面的新的进展都有可能在岩土工程测试方面找到应用的结合点。测试结果的可靠性、可重复性方面将会得到很大的提高。由于整体科技水平的提高,测试模式的改进及测试仪器精度的改善,最终将导致岩土工程方面测试结果在可信度方面的大大改进。6.5岩土工程问题计算机分析 虽然岩土工程计算机分析在大多数情况下只能给出定性分析结果,但岩土工程计算机分析对工程师决策是非常有意义的。开展岩土工程问题计算机分析研究是一个重要的研究方向。岩土工程问题计算机分析范围和领域很广,随着计算机技术的发展,计算分析领域还在不断扩大。除前面已经谈到的本构模型和不同介质间相互作用和共同分析外,还包括各种数值计算方法,土坡稳定分析,极限数值方法和概率数值方法,专家系统、AutoCAD技术和计算机仿真技术在岩土工程中应用,以及岩土工程反分析等方面。岩土工程计算机分析还包括动力分析,特别是抗震分析。岩土工程计算机数值分析方法除常用的有限元法和有限差分法外,离散单元法(DEM)、拉格朗日元法(FLAC),不连续变形分析方法(DDA),流形元法(MEM)和半解析元法(SAEM)等也在岩土工程分析中得到应用14。根据原位测试和现场监测得到岩土工程施工过程中的各种信息进行反分析,根据反分析结果修政设计、指导施工。这种信息化施工方法被认为是合理的施工方法,是发展方向。6.6岩土工程可靠度分析 在建筑结构设计中我国已采用以概率理论为基础并通过分项系数表达的极限状态设计方法。地基基础设计与上部结构设计在这一点尚未统一。应用概率理论为基础的极限状态设计方法是方向。由于岩土工程的特殊性,岩土工程应用概率极限状态设计在技术上还有许多有待解决的问题。目前要根据岩土工程特点积极开展岩土工程问题可靠度分析理论研究,使上部结构和地基基础设计方法尽早统一起来。6.7环境岩土工程研究 环境岩土工程是岩土工程与环境科学密切结合的一门新学科。它主要应用岩土工程的观点、技术和方法为治理和保护环境服务。人类生产活动和工程活动造成许多环境公害,如采矿造成采空区坍塌,过量抽取地下水引起区域性地面沉降,工业垃圾、城市生活垃圾及其它废弃物,特别有毒有害废弃物污染环境,施工扰动对周围环境的影响等等。另外,地震、洪水、风沙、泥石流、滑坡、地裂缝、隐伏岩溶引起地面塌陷等灾害对环境造成破坏。上述环境问题的治理和预防给岩土工程师们提出了许多新的研究课题。随着城市化、工业化发展进程加快,环境岩土工程研究将更加重要。应从保持良好的生态环境和保持可持续发展的高度来认识和重视环境岩土工程研究。6.8按沉降控制设计理论 建(构)筑物地基一般要同时满足承载力的要求和小于某一变形沉降量(包括小于某一沉降差)的要求。有时承载力满足要求后,其变形和沉降是否满足要求基本上可以不验算。这里有二种情况:一种是承载力满足后,沉降肯定很小,可以不进行验算,例如端承桩桩基础;另一种是对变形没有严格要求,例如一般路堤地基和砂石料等松散原料堆场地基等。也有沉降量满足要求后,承载力肯定满足要求而可以不进行验算。在这种情况下可只按沉降量控制设计。在深厚软粘土地基上建造建筑物,沉降量和差异沉降量控制是问题的关键。软土地基地区建筑地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差过大造成的,特别是不均匀沉降对建筑物的危害最大。深厚软粘土地基建筑物的沉降量与工程投资密切相关。减小沉降量需要增加投资,因此,合理控制沉降量非常重要。按沉降控制设计既可保证建筑物安全又可节省工程投资。按沉降控制设计不是可以不管地基承载力是否满足要求,在任何情况下都要满足承载力要求。按沉降控制设计理论本身也包含对承载力是否满足要求进行验算。6.9基坑工程围护体系稳定和变形 随着高层建筑的发展和城市地下空间的开发,深基坑工程日益增多。基坑工程围护体系稳定和变形是重要的研究领域。基坑工程围护体系稳定和变形研究包括下述方面:土压力计算、围护体系的合理型式及适用范围、围护结构的设计及优化、基坑工程的“时空效应”、围护结构的变形,以及基坑开挖对周围环境的影响等等。基坑工程涉及土体稳定、变形和渗流三个基本问题,并要考虑土与结构的共同作用,是一个综合性课题,也是一个系统工程。基坑工程区域性、个性很强。有的基坑工程土压力引起围护结构的稳定性是主要矛盾,有的土中渗流引起流土破坏是主要矛盾,有的控制基坑周围地面变形量是主要矛盾。目前土压力理论还很不完善,静止土压力按经验确定或按半经验公式计算,主动土压力和被动土压力按库伦(1776)土压力理论或朗肯(1857)土压力理论计算,这些都出现在Terzaghi有效应力原理问世之前。在考虑地下水对土压力的影响时,是采用水土压力分算,还是采用水土压力合算较为符合实际情况,在学术界和工程界认识还不一致。作用在围护结构上的土压力与挡土结构的位移有关。基坑围护结构承受的土压力一般是介于主动土压力和静止土压力之间或介于被动土压力静止土压力之间。另外,土具有蠕变性,作用在围护结构上的土压力还与作用时间有关。6.10复合地基 随着地基处理技术的发展,复合地基技术得到愈来愈多的应用。复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换,或在天然地基中设置加筋材料,加固区是由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。复合地基中增强体和基体是共同直接承担荷载的。根据增强体的方向,可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两大类。根据荷载传递机理的不同,竖向增强体复合地基又可分为三种:散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。复合地基、浅基础和桩基础是目前常见的三种地基基础形式。浅基础、复合地基和桩基础之间没有非常严格的界限。桩土应力比接近于10的土桩复合地基可以认为是浅基础,考虑桩土共同作用的摩擦桩基也可认为是刚性桩复合地基。笔者认为将其视为刚性桩复合地基更利于对其荷载传递体系的认识。浅基础和桩基础的承载力和沉降计算有比较成熟的理论和工程实践的积累,而复合地基承载力和沉降计算理论有待进一步发展。目前复合地基计算理论远落后于复合地基实践。应加强复合地基理论的研究,如各类复合地基承载力和沉降计算,特别是沉降计算理论;复合地基优化设计;复合地基的抗震性状;复合地基可靠度分析等。另外各种复合土体的性状也有待进一步认识。加强复合地基理论究的同时,还要加强复