岩土、隧道和地下工程研究

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1、岩土 隧道和地下工程研究 内容概要 岩土及地下工程的定义岩土力学的沿革萌芽期的岩土力学 1773 1923年 经典土力学的形成与发展 1923 1963年 现代土力学的发展岩土工程的演变早期的岩土工程近代岩土工程现代岩土工程 隧道及地下工程的发展历史与技术进步古代隧道及地下工程近代隧道及地下工程与新技术诞生现代隧道及地下工程与技术进步展望工程实践的新要求与岩土力学发展趋势岩土工程与地下工程的发展态势未来隧道挑战 岩土及地下工程的定义 岩土及地下工程是什么 房屋基础 桥梁基础 天然基础 浅基础 桩基础 地下会议室 新加坡 地下歌剧院 俄罗斯 地下图书馆 岩土工程一词译自Geotechnique或

2、GeotechnicalEngineering 早期曾译为 土工学 20世纪50 60年代后译为 岩土工程 台湾的岩土工程即大地工程 Geo Engineering 关于岩土工程的定义 中国土木建筑百科词典 以工程地质学 岩体力学 土力学与基础工程学科为基础理论 研究和解决工程建设中与岩土有关的技术问题的一门新型的应用科学 美国地质协会的 地质词典 及 韦伯斯特大词典 运用科学方法和工程原理 使地球更适应于人类居住条件 以及为了勘测资源和利用资源的一门学科 岩土工程基本属于标准 土木工程中涉及岩石和土的利用 处理或改良的科学技术 这一定义包含以下三个层次的内容 1 岩土工程是以土力学与基础工程

3、 岩石力学与工程等理论为基础 并和工程地质学密切结合的综合性学科 2 岩土工程以岩石和土的利用 整治或改造作为研究内容 岩土工程是从工学的角度 以工程为目的研究岩石和土的工程性质 当岩土的工程性质或岩土环境不能满足工程要求时 就需要采取工程措施对岩土进行整治和改造 不仅涉及对岩土性质的认识 而且需要研究如何采用有效的 经济的方法实现工程目的 3 岩土工程服务于各类主体工程的勘察 设计与施工的全过程 是这些主体工程的重要组成部分 岩土工程研究的主要对象是岩体和土体 岩土体是自然 历史的产物 其形成过程包含了一系列物理的 化学的和生物的作用 岩土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

4、的地质作用 因而有着复杂的结构和地应力场环境 其工程性质往往具有很大的差别 岩土工程学科是土木工程学科的一个重要分支学科 也是寓于各主体工程之中的学科 它服务于建筑工程 就是建筑工程的一部分 服务于桥梁工程 就是桥梁工程的组成部分 但岩土工程又有其特有的 不同于上部结构的自身规律和研究方法 将它们的共同规律从各种主体工程中归纳出来研究有助于更好地解决各类工程中的岩土工程问题 这是岩土工程学之所以能发展成一门学科的客观基础 隧道及地下工程 Tunnelandundergroundworks 是指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划 勘测 设计 施工和运营养护的一门应用科学和工程技术 是土木工程

5、专业的一个分支 也指在岩体 层 或土体 层 中修筑的各种类型的通道和地下构筑物 交通运输 铁路 道路 运河隧道 及地下铁道和水下隧道等 工业和民用建筑 市政 防空 采矿 储存和生产等用途的地下工程 军事 各种坑道 或地道 发射井等 水力发电工程 地下发电厂房以及其他各种水工隧洞 为解决城市土地利用 环境保护等方面综合开发利用的地下空间 如地下街 各种构筑物之间的联络通道等 岩土力学的沿革 1 萌芽期的岩土力学 1773 1923年 18世纪60年代的欧洲工业革命和19世纪中叶的二次工业革命 推动了社会生产力的发展 出现了水库 铁路和码头等现代工程 提出了许多有待解决的岩工程问题 如地基承载力

6、边坡稳定 支档结构物的稳定性等 同时施工机械的出现 也为现代岩土工程的发展提供了物质条件 工程中出现的事故和难题促使人们进行土力学理论探索和岩土工程的技术创新 开始出现土力学的许多经典理论 整个过程持续了大约160年 为20世纪太沙基土力学体系的形成准备了条件 土力学发展中的里程碑式人物 土力学的第一个理论是1773年由法国科学家库伦 C A Coulomb 建立并由摩尔 O Mohr 发展了土的Mohr Coulomb强度理论 它为土压力 地基承载力和土坡稳定分析奠定了基础 法国科学家库伦 CharlesAugustindeCoumomb 1736 1806年 1856年 法国工程师达西 H

7、 Darcy 通过室内渗透试验研究 建立了有孔介质中水的渗透理论 即著名的达西定律 1857年英国学者朗肯 W J M Rankin 提出了建立在土体的极限平衡条件分析基础上的土压力理论 它与库伦理论被后人并称为古典土压力理论 至今仍具有重要理论价值和一定的实用价值 1869年俄国学者卡尔洛维奇 发表了世界上第一本 地基与基础 教程 1885年法国学者布辛内斯克 J V Boussinesq 和1892年弗拉曼 W Flamant 分别提出了均匀的 各向同性的半无限体表面在竖直集中力和线荷载作用下的位移和应力分布理论 1889年俄国学者库迪尤莫夫 首次应用模型试验研究地基破坏基础下沉时地基内土

8、颗粒位移的情况 20世纪初 土力学继续取得进展 1920年普朗德尔 I Prandtl 根据塑性平衡的原理 研究了坚硬物体压入较软的 均匀的 各向同性材料的过程 导出了著名的极限承载力公式 这些早期的著名理论奠定了土力学的基础 20世纪初 岩土力学的理论与工程应用取得了较好的发展 当时 瑞典 巴拿马 美国 德国等相继发生重大滑坡坍方事故 表明当时的一些分析方法不能满足处理事故的要求 于是纷纷成立了专门委员会或委托专家进行调查研究 瑞典为处理铁路沿线不断出现的坍方问题 在国家铁路委员会内设立岩土委员会 巴拿马运河为处理可能堵塞运河的一段河段边坡事故 成立了专门委员会 美国土木工程师协会设立了研究

9、滑坡的特别委员会 德国的基尔运河为处理施工中的滑坡事故设立了调查委员会 德国克莱 K Krey 开始对挡土墙和堤坝所受的土压力进行广泛的调查研究 瑞典由于Stigbetg码头的破坏 成立了港口特别委员会 对该码头滑动原因进行分析 导致了著名的瑞典圆弧滑动法的产生 1920年 瑞典国家铁路委员会的岩土委员会成立了一个岩土实验室 它可能是世界上第一个岩土实验室 2 经典土力学的形成与发展 1923 1963年 约1913年土力学发生转折的时候 也正是太沙基对土力学进行探索研究并形成飞跃的阶段 1906 1912年间 年轻的太沙基在所从事的结构工程和水电站工程工作中 看到许多地基工程的意外失败事故

10、发现当时对于土的力学性质的认识远未能解决实际工程问题 在1921 1923年间次年改成了土力学有效应力概念和土的固结理论 这些成果终于奠定了他作为土力学创始人的地位 并使他被公认为土力学和基础工程方面的权威 土力学家太沙基 KarlVonTerzaghi 1883 1963年 正如太沙基所说的那样 直到20世纪30年代 地质勘探的唯一办法是根据工长的靴子后跟在基槽土面留下的痕迹而作出地基承载力的判断 他建立了一套野外勘探与室内试验的方法 使土的力学性质的研究和地质条件密切结合 太沙基于1948年做了如下的评价 土力学创始于1776年库伦土压力理论的发表 是个很有才能的开端 但再后来的一个世纪里

11、就几乎没有什么进步 研究工作多少局限于改进干的纯净的无粘性的砂作用于挡土墙背的计算方法 针对此课题发表的一些论文和课题实际的重要性很不相称 在工程实践中 大多数施工难点与事故是由于渗流产生的压力所引起的 但这些压力并未受到重视 因此 他们对于要面对实际的工程师来说 用处不大 这些理论多半在教室里才会有用处 20世纪中叶 太沙基的 理论土力学 及太沙基和派克 R B Peck 合著的 工程实用土力学 是对土力学的全面总结 使岩土工程技术具有了坚实的理论基础 从感性走向理性并对岩土工程的发展产生了深远的影响 RalphBrazeltonPeck 1912 年 太沙基最重要助手卡萨格兰德 A Cas

12、agrande 在土的分类 土坡的渗流 抗剪强度 砂土液化等方面的研究成果影响至今 如粘性土分类的塑性土中的 A 线 即是以他 Arthur 命名的 卡萨格兰德培养了包括简布 N Janbu 等著名土力学人才 简布在土的压缩性研究 边坡稳定性等方面为土力学的发展作出了杰出的贡献 ArthurCasagrande 1902 1981年 此后 太沙基 斯开普敦 A W Skempton 迈耶霍夫 G G Meyerhof 魏锡克 A S Vesic 和汉森 B Hansen 等对地基承载力理论分别进行了修正 补充和发展 提出了各种地基极限承载力公式 泰勒 D W Taylor 和简布发展了土坡稳定

13、性理论 比奥 A M Biot 建立了土骨架压缩和渗透耦合的三维固结理论等 这些成就为现代土力学的发展提供了重要理论依据 3 现代土力学的发展现代土力学的概念最早出现在20世纪50年代初 当时主要考虑了土体两个基本特性 压硬性和剪胀性 例如斯开普敦 Skemton 提出的著名公式 其中孔隙压力系数就是土的剪胀性的体现 而简布提出的模量公式中对的考虑就是压硬性的体现 1963年 罗斯科 Roscoe 发表了著名的剑桥模型 提出了第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性模型 创建了临界状态土力学 他的成就标志着现代土力学的诞生 经过40多年的努力 目前现代土力学的理论已渐趋成熟 并且在下列几个方面取得

14、了重要进展 1 非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用 2 损伤力学模型的引入与结构性模型的初步研究 3 非饱和固结理论的研究 4 砂土液化理论的研究 5 剪切带理论及渐进破损问题的研究 6 土的细观力学研究等 岩土工程的演变 1 早期的岩土工程从一些历史遗迹考古中发现 原始人就已经利用土 木 石等自然资源以谋求改善生存和生产条件 人类的活动从一开始就离不开岩土工程 我国北京周口店发现的 北京猿人 洞穴可能是迄今所知世界上最早的岩土工程有关的遗址 在我国夏代大禹治水 把土地分为九个等级 从疏导入手 换来九州平安 这是在4200余年前的一项非凡的防治水患的岩土工程 我国古代最早的浅基础遗迹

15、可以追溯到陕西西安市半坡村的新石器时代遗址和殷墟遗址出土的房舍的土台和石础 烧制和使用石灰的技术 后来很快从我国并从美索不达米亚传播至世界各地 石灰胶泥乃成为世界各地砌筑砖石基础的良好的交接材料 并且导致出现了沿用至今的砖砌大放脚独立基础和条形基础 距今1300多年的隋朝石匠李春主持修建的赵州石拱桥 是世界桥梁史上一座杰出的名桥 其桥台设置于密实粗砂层上 地基处理非常合理 以致保存完好并使用至今 用石灰做基础工程的材料 保存至今的古代著名的工程实例 有我国的万里长城和西藏佛塔 埃及的金字塔和古罗马的加普亚军用大道等 始于隋朝 公元6世纪 开凿的我国大运河跨径长江 淮河和黄河流域 秀逸万里 举世

16、闻名 若没有处理好岩土问题 岂能穿越地质条件迥然不同的辽阔地区而成为亘古奇迹 我国桩基础的使用 可以追溯至距今六 七千年的河姆渡文化期 在河姆渡遗址发掘中 到处可见数量众多的木桩及木构件 五代的杭州湾大海塘大规模的采用了木桩加石承台 明清时代的北京御桥 南京石头城都采用了木桩基础 我国古代虽有 堪舆学 与 择地术 为房屋建筑选择场地 但只能讨论场地地面 没有可能了解地基的深部 而在国外 由于对地质条件缺乏了解 一些地基基础问题而引发的工程病害或事故并不少见 著名的意大利比萨斜塔 竣工时塔身就倾斜了2 1m 其后倾斜不断加剧以致不得不进行纠斜处理 为岩土工程界留下了许多值得探讨的课题 2 近代岩土工程1885年 美国芝加哥建成了世界上第一座具有现代意义的钢结构高层建筑 10层的家庭保险公司大楼 高55m 1902年 美国辛辛那提建成16层的登格尔斯大楼 是世界上第一座钢筋混凝土高层建筑 随后 在美国纽约等市 乃至世界各地 兴起了建造高层建筑之风 19世纪末 芝加哥在遭受特大火灾后的重建工程中成功采用了 人工挖孔桩 这种桩型对桩基技术乃至岩土工程技术的一大贡献 100余年来一直受到世界各地