巖土技術(shù)革新現(xiàn)況分析范文

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1.巖土工程的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1內(nèi)涵

巖土工程的理論基礎(chǔ)包括巖土力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)，巖土工程技術(shù)體系的主要內(nèi)容就是力學(xué)、地質(zhì)學(xué)以及工程的密切結(jié)合。巖土工程是基于傳統(tǒng)力學(xué)理論發(fā)展而來的，比如極限平衡、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、滲透理論等等，并產(chǎn)生了土力學(xué)與巖石力學(xué)兩門學(xué)科。不過大量工程實踐證明僅靠單純的力學(xué)計算可靠性并不高，一些復(fù)雜的實際問題無法得到根本解決。這是由于巖石材料、結(jié)構(gòu)與其它材料相比存在差異，比如鋼筋、混凝土的材質(zhì)比較均勻，材料與結(jié)構(gòu)均是工程師設(shè)計確定好的，有明確的計算條件，所以計算時基于力學(xué)基礎(chǔ)所得的結(jié)果是可信的。但是巖土材料是復(fù)雜地質(zhì)經(jīng)過漫長歷史作用的產(chǎn)物，無法隨意選擇，不具備可控性。所以要查明條件與測定相關(guān)參數(shù)，則要依靠地質(zhì)科學(xué)對這些條件進行正確的認識與理解。

1.2技術(shù)支撐

巖土工程的技術(shù)支撐包括探測、軟件以及施工技術(shù)。其中探測技術(shù)主要包括工程物探測、室內(nèi)試驗、質(zhì)量檢驗、工程監(jiān)測、原位測試以及鉆探取樣等等，不僅有繁多的種類，而且技術(shù)水平也在不斷的發(fā)展、提高。從某種意義講，探測技術(shù)是巖土工程的眼睛，是獲取信息的重要手段，也是進行巖土工程分析的基礎(chǔ)。而現(xiàn)在計算機科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，巖土工程的分析越來越需要計算機軟件的輔助，一些穩(wěn)定分析、滲流分析以及變形分析等，因為參數(shù)多變且條件復(fù)雜，簡單的代數(shù)公式無法描述，所以要采用可以將巖土特性的本構(gòu)關(guān)系反映出來的計算模型，把巖土與結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用同時考慮進來。最后，巖土工程的最終目的就是建造工程，因此施工技術(shù)也非常重要，比如排水與止水、挖土與鉆井、制樁與注漿、錨固及土工合成材料的應(yīng)用等等。提高施工技術(shù)水平不僅可以提高效率、保證質(zhì)量，而且可以促進設(shè)計水平的提升。比如一些地基處理工法、樁基工程的創(chuàng)新等，均是先有施工技術(shù)，設(shè)計計算后續(xù)才跟進。

1.3巖土工程離不開科學(xué)理論的指導(dǎo)

處理問題時如果只憑借直觀的經(jīng)驗而未深刻理解科學(xué)原理，可能會導(dǎo)致原則性或者概念性的錯誤，反之如果對科學(xué)原理有深刻理解則可以舉一反三，透過現(xiàn)象看本質(zhì)。對于巖土工程而言，常用的科學(xué)原理包括力學(xué)原理、巖土性質(zhì)的基礎(chǔ)概念、地下水的運動規(guī)律、巖土與結(jié)構(gòu)的共同作用、地質(zhì)演化規(guī)律、工程與環(huán)境的互相作用等等。比如有效應(yīng)力原理，從材料力學(xué)中分離出一門土力學(xué)，其中有效應(yīng)力原理功不可沒。工程中很多地方都會應(yīng)用到有效應(yīng)力原理，比如強度計算、穩(wěn)定計算的總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法、地基土的固結(jié)沉降、樁的擠土效應(yīng)等等。

2.巖土工程中用到的科學(xué)方法

2.1調(diào)查

所有的科學(xué)研究均始于數(shù)據(jù)的收集，巖土工程同樣要先進行勘察。調(diào)查是一種科學(xué)方法，不僅要求其真實性，而且要強調(diào)其目的性，即調(diào)查活動要出于工程設(shè)計施工的需要。通常設(shè)計人員要親自進行調(diào)查工作，設(shè)計、勘察是一體的，這樣才能保證設(shè)計人員對現(xiàn)場條件的充分掌握，保證勘察工作與設(shè)計需求相符。不過我國由于體制問題巖土工程的勘察、設(shè)計是互相分離的，這也是制約我國巖土工程勘察設(shè)計發(fā)展的原因之一。此外，前期的勘察固然重要，后期檢驗與監(jiān)測也屬于數(shù)據(jù)收集、分析的范圍，也是保證工程質(zhì)量、安全的重要工作。

2.2實驗

此處提出的實驗并非普通的水工試驗或者水質(zhì)分析等，此處所談的是更深意義上的科學(xué)實驗。科學(xué)原理強調(diào)可重復(fù)性，即如果科學(xué)原理得到證明，無論在任何情況下只要條件相同均可發(fā)完全重復(fù)。科學(xué)工作的基本手段即為科學(xué)實驗，而鑒別科學(xué)、偽科學(xué)的重要條件就是可重復(fù)性。比如一些地基處理技術(shù)在正式施工前要進行現(xiàn)場試驗，其主要目的就是為了獲取數(shù)據(jù)，并證實技術(shù)的適用性與可重復(fù)性。

2.3推理

科學(xué)推理包括兩大類別，即演繹推理與歸納推理。其中演繹推理是從一般到特殊，歐幾里德幾何就是其中最典型的例子，它開始于幾條最基本的公理，卻推導(dǎo)出一系列的定理。力學(xué)計算的思維模式通常都是演繹推量，其以力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，再結(jié)合具體條件，構(gòu)建出對應(yīng)的模型后進行求解，其所強調(diào)的是基于設(shè)定條件的定量計算。這一過程由于推導(dǎo)嚴密，因此只要條件相符且保證數(shù)據(jù)的正確性，就可以得出可信的結(jié)論。而歸納推理恰恰相反，其是由特殊到一般的過程，典型的例子就是地質(zhì)學(xué)的創(chuàng)立。地質(zhì)學(xué)通過大量的野外調(diào)查獲取大量的信息，再對這些數(shù)據(jù)進行對比分析，總結(jié)出科學(xué)規(guī)律，推斷地層的次序、地質(zhì)歷史時期的氣候、巖漿活動等等內(nèi)容，其是一個從粗到細、不斷完善的過程。比較而言，兩種推理方法各有優(yōu)缺點，利用演繹推理要注意實際條件與計算條件的差異以及計算參數(shù)的可靠性。巖土工程有著條件不確知性以及參數(shù)不確定性的特點，無法完全查清地質(zhì)條件，而且?guī)r土參數(shù)有一定的離散性，再加上巖土體與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的互相作用，所以導(dǎo)致測試條件與工程實際的差異較大。盡管力學(xué)計算的發(fā)展很迅速，再輔助一些計算軟件，但是計算結(jié)果和工程實際還是存在一些差別的，甚至?xí)泻艽蟛顒e。而以歸納推理為基礎(chǔ)進行分析判斷，則強調(diào)宏觀把握，其對于數(shù)據(jù)的與綜合能力的要求比較高，且定量化較差，甚至?xí)艿降刭|(zhì)、人為因素的局限。因此在實際巖土工程設(shè)計中要采用綜合判斷的方法，即將兩種推理方法結(jié)合應(yīng)用，輔以必要的工作，提高判斷的合理性。

2.4驗證

真理總是可以經(jīng)得起檢驗的，而工程相關(guān)的科學(xué)理論更是要確鑿無疑，其質(zhì)量與安全才能得到保證。有些推斷因為沒有十足把握，所以更加需要驗證。比如物探是根據(jù)儀器所檢測的巖土體物性差異，來推斷巖土體的分布，其屬于間接勘探，因為多解性普遍存在，所以出現(xiàn)推斷差錯也不可避免，所以要進行驗證。

3.巖土工程的新科技

3.1變形

巖土工程一個非常常見的問題即為變形，傳統(tǒng)的變形問題是巖土的應(yīng)力應(yīng)變，其理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，且總結(jié)了十分豐富的經(jīng)驗。隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護要求的不斷提高，巖土工程也會涉及到一些新領(lǐng)域，產(chǎn)生一些新技術(shù)。比如垃圾填埋，其變形通常分為兩部分，一是基于自重壓力的壓縮變形，其機理和巖土的應(yīng)力應(yīng)變大概相同；另一部分是垃圾中有機物降解導(dǎo)致的變形，其屬于生物化學(xué)的范疇，這對于巖土工程師而言就是一個新問題。細菌作用于有機物后會把固體物質(zhì)分解為氣體與液體，再利用收集系統(tǒng)導(dǎo)出，填本就會發(fā)生沉降。填埋工藝決定了沉降的速度，比如好氧填埋的穩(wěn)定速度比較快，而厭氧填埋的穩(wěn)定時間就比較長。因為填埋體成分、壓實程度、氧氣供應(yīng)、填埋厚度與次序等均有所不同，所以差異沉降無可避免，嚴重的話會破壞防滲膜以及封蓋層。這種沉降分析存在較大難度，目前主要采用反分析法。

3.2滲透

傳統(tǒng)的巖土工程對于滲透問題主要側(cè)重于層狀含水層以及強透水層的問題，其中透水層與隔水層有著比較明顯的區(qū)別。不過應(yīng)用于文物保護中傳統(tǒng)的理論與方法適用性就不強，因為石窟文物保護中，研究的對象巖體處于包氣帶，地下水沿著網(wǎng)狀、脈狀以及諸多變化的巖石裂縫滲流，雖然數(shù)量不大但是帶來的危害卻很大。巖土工程的勘察主要是了解裂隙水的滲流通道，采用針對性的防治措施。再比如上述的垃圾填埋場，如果其所建的巖土體透水性較小，屬于傳統(tǒng)的不透水層，而在垃圾填埋場就要考慮到其滲濾液是否會滲透。針對這種情況現(xiàn)在還缺乏相應(yīng)的實測數(shù)據(jù)，無法對污染物的運移規(guī)律數(shù)據(jù)進行實測，這也是環(huán)境巖土工程的核心問題之一。通常利用彌散理論解決地下水中溶質(zhì)運移的問題。彌散理論所研究的是多孔介質(zhì)中溶混物質(zhì)的運移機理，其所描述的是溶混流體間彼此驅(qū)替的復(fù)雜現(xiàn)象。如果兩種流體在多孔介質(zhì)中接觸，濃度高的物質(zhì)一定會運移致濃度低的物質(zhì)，界面會形成一個過渡混合帶，該混合帶會不斷擴大，最終趨于均勻化，這種現(xiàn)象即為彌散現(xiàn)象。彌散包括縱向彌散與橫向彌散，其呈現(xiàn)出非穩(wěn)定性、不可逆性、隨時間變化而變化的特點，造成彌散的原因多種多樣，比如水流動、濃度梯度所造成的分子擴散；流體和介質(zhì)發(fā)生的離子交換、化學(xué)與生物反應(yīng)等作用；介質(zhì)中存在不流動水以及介質(zhì)流速的均勻性等，這些現(xiàn)象均會發(fā)生彌散，不過其中最主要的還是力學(xué)的對流彌散與分子濃充梯度導(dǎo)致的分子擴散。