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1概述
根据对现行岩土工程勘查规范的理解,涉及土木工程建设中所有与岩体和土体有关的工程技术问题,都属于岩土工程问题范畴。
如果说修建于岩土体之内或之上的工程都属于土木工程,则岩土工程可以说是土木工程建设中的基础工程,涉及到土木工程建设的各个领域。因此各建设工程建设领域除自身特性外还存在着共同的岩土工程问题。其中普遍的和主要的有地基稳定性问题、边坡稳定性问题、围岩稳定性问题和渗透稳定性问题。
岩土工程工作者首先应了解这些问题的特点,掌握解决它们的一般方法,再结合各类工程的实际,从事相应的设计和治理工作。
2岩土工程问题探讨
2.1地基稳定性
各类土木工程都存在地基稳定性问题。诸如建筑地基、道路地基、大坝地基、桥梁墩台地基等,此类问题均属于下部岩土体承受来自上部结构荷载而产生的地基稳定性问题。
地基稳定性有两方面的含义,一是地基岩土体在上部荷载作用下是否发生破坏,即强度是否满足要求;二是地基岩土体在上部荷载作用下是否发生过量沉降,即变形是否满足要求。因此,建筑地基必须同时满足承载力要求和小于某一沉降量(包括沉降差)的变形要求。
对于岩质地基,岩体强度,是地基稳定性的关键;而对于细粒土和软土地基,沉降变形控制是问题的关键。软土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,合理控制沉降量是非常重要的。对该类地基应该按沉降变形来控制设计标准,这样既可以保证建筑物安全又可节省工程投资。
我们还应该看到地基稳定性问题不仅取决于地基土的特性,还取决于基础形式和上部结构。应考虑基础形式、上部结构和地基的共同作用。例如调整基础宽度,加强基础整体刚度,以减少基地压力和不均匀沉降(如箱基、筏基等);或调整基础埋置深度,使基础与周围土体协同作用来承载上部结构荷载(如摩擦桩等);或采取地基处理,增强地基土的承载力(如机械压(夯)实、堆载预压、换填垫层、复合地基等)。
因此,解决地基稳定性问题,不仅要研究地基土的特性和建筑结构、基础的特点,还要研究二者之间的相互作用,由此才能作出安全经济的设计方案。
2.2边坡稳定性
山区工程建设、堆载、基坑等工程都存在着天然边坡和人工边坡稳定性问题。
一方面是由于自然动力或工程建设改变了自然边坡状态,如坡角侵蚀、开挖、坡体堆载或修建工程等,破坏了边坡原有的平衡状态;另一方面,由于场地条件的限制或经济技术等原因,人工边坡的坡形不能根据其稳定性而设计。如城市深基坑边坡,受基坑外围建筑物的限制,不能按稳定坡角放坡。这些都产生了边坡稳定性问题。
与地基稳定性问题一样,边坡稳定性也要从岩土体强度与变形两方面来评价,具体应结合工程特点与建筑环境来确定以哪方面为主。如深基坑边坡稳定性,若邻近有建筑物,不仅要评价基坑壁的整体稳定性,还必须预测基坑外围土体变形对建筑物的不利影响;若临近没有建筑物,则只考虑施工期坑壁的稳定性即可。而对山区工程建筑边坡的稳定性,则应全面考虑斜坡的整体稳定性和斜坡变形是否超过了建筑物对变形要求的最大限制。
边坡的破坏形式主要有滑坡和崩塌两种。崩塌一般规模较小,影响范围有限。而滑坡是最普遍的边坡破坏形式,无论是自然营力作用下产生的,还是人类工程活动下引发的,其广泛性和工程危害性都是很大的。实际上由于结构面的存在,同等条件下滑坡的稳定性比边坡的稳定性要低得多,因此由工程诱发的老滑坡的复活要远远多于新滑坡的发生。
边坡的稳定性与边坡的坡形、坡角、坡高和边坡岩土体的物理力学性质、水理性质密切相关,对边坡的稳定性评价主要是通过建立力学模型和对潜在崩滑面形状的假定及位置的确定,通过模拟计算,预测其潜在崩塌的可能性。
边坡稳定性评价是进行边坡治理设计的依据。边坡治理一方面可以通过改变坡形或改良土质及水体状态,对岩土体自身应力、应变状态进行调整,使之恢复到稳定状态;另一方面可以采取结构措施,通过支档或锚拉等方法增强其稳定性。
2.3围岩稳定性
由于矿山巷道、公路和铁路隧道、水电工程的大型地下厂房、导流洞、核电工程中的引水洞等地下工程的开挖,改变了岩体的初始应力状态,重新分布的应力若超过了岩体的抗压、抗拉或抗剪强度,便产生了围岩的变形和破坏。
围岩稳定性问题与地基、边坡稳定性问题相似,也是由围岩体强度和变形两方面来控制的。地下空间在开挖后,围岩中的应力会重新分布,硐壁上的径向应力为零,切向应力会发生集中,造成硐壁岩体径向位移,随着硐壁径向位移量增大会使集中的应力不断释放。如果岩体结构松散或岩石软弱,径向会快速位移,应力来不及集中就会释放,围岩松动形成松动圈,松动圈内的岩石裂隙张开,岩体强度也迅速降低,由此会导致岩石大范围塌落;如果岩体完整,岩石较坚硬,径向位移则会相对缓慢,硐壁岩体集中的应力会逐步释放,因而在围岩中自硐壁向外会依次形成松动区、应力集中区和天然应力区,松动区范围随着岩体径向位移的逐渐增大而扩大,导致岩体中的裂隙张开,岩体强度降低。
一般来说地下空间本身对围岩的变形量要求并不严格,然而关键问题是围岩的应力和强度都随其变形量呈非线性的变化,因此控制围岩变形的目的是在尽可能的降低围岩应力的条件下,使围岩保持相对较高的强度,从而降低支护结构上的围岩压力,发挥围岩自身稳定性的潜力。
围岩中的应力与岩体中的初始应力状态、围岩的物理力学性质、岩体结构类型、地下水及洞室的断面形态、大小等因素有关,其重新分布量值很难采用理论公式准确计算。因此适当地选择围岩支护衬砌时间,即根据控制位移量进行支护,既可降低衬砌上的围岩压力,又可使岩体具有足够的强度,达到结构与围岩协同作用的目的。
2.4 渗透稳定性
地下水作为流体介质存在于固体的岩土体介质中,使岩土工程问题更为复杂。地下水在地基、边坡和硐室围岩中都发挥了其不利的作用,其影响主要体现在三个方面:一是改变了岩土体的性质;二是静水压力的作用;三是动水压力的作用。
2.4.1 地下水对各类岩土体性质的作用
地下水对各种岩土体都具有不同程度的软化作用,因岩土体的性质不同,其作用机理和影响程度不同。对于可溶性岩土,如岩盐、石膏岩、芒硝和盐渍土,水体以溶蚀作用为主,地下水将可溶性物质溶解迁移,使部分岩土颗粒间丧失胶结,造成岩土体强度降低。以泥质胶结为主的岩石,遇水软化性极强,主要是由于胶结物溶水,导致矿物颗粒连接减弱,岩体强度降低。在砂质土中地下水主要以重力水的形式存在,砂粒间亲水性弱,但由于水的润滑作用,砂粒间的咬合力和表面摩擦力都会有一定程度的降低,致使土体强度相应减弱。地下水对粘性土的影响显著,因含水量不同,粒间连接力的性质和大小均有差异。含水量低于塑限时,粒间以强结合水连结,土体呈固态,强度高;含水量高于塑限低于液限时,粒间以弱结合水连结,土体呈塑态,强度较低;含水量高于液限时,粒间为自由水,土体呈流态,土体丧失其强度。
2.4.2 静水压力的作用
岩土中的静水压力也可表述为孔隙水压力,根据有效应力原理,总应力等于有效应力与孔隙水之和,而岩土体的变形和强度都是由有效应力引起的。孔隙水压力增大,意味着有效应力降低,减缓了土体的固结变形,岩土体的强度降低;孔隙水压力减小,意味着有效应力增强,增强了土体的固结变形,岩土体的强度增高。
在地基、边坡和地下工程中,静水压力对工程的影响和危害各有其特点:城市大量抽取地下水导致地面沉降,是由于地下水位下降,孔隙水压力降低,有效应力增大所致;在地下水位浅的深基坑工程中,需采取降水或隔水措施以减小或阻止孔隙水压力的不利作用;在斜坡坡体中,孔隙水压力会增大坡体下滑力、减小抗滑力,使边坡稳定性大大降低;在地下工程中,围岩的静水压力增大了围岩压力,降低了围岩的稳定性,在施工过程中会造成塌方或涌水现象。
2.4.3动水压力的作用
动水压力是岩土中的地下水在渗流过程中对岩土颗粒产生的渗透力。地下水沿一定的路径流动,沿流线有水头降或水利梯度,动水压力与水力梯度成正比。在深基坑中,基坑内外水力梯度大时,动水压力超过土的浮容重,则会导致基坑底部流砂或涌土;坝基底部水力梯度大时,会导致管涌或潜蚀,发生渗透变形;边坡中的动水压力会加大下滑力,渗透变形也会使边坡稳定性急剧降低。因此在有地下水流的岩土工程评价中,必须考虑动水压力的影响,并根据土体的物质组成和水力梯度分析其渗透变形的可能性。
3结束语
以上是土木工程建设中普遍和重要的岩土工程问题,处理不当,会造成生命财产的损失。在岩土工程中,还会遇到湿陷性黄土、膨胀性岩土、盐渍土、冻土等特殊土引起的特殊的岩土工程问题,岩土工程师都必须充分地了解这些问题的特点,掌握解决问题的途径
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