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1、岩土工程 岩土工程:是欧美国家于20世纪60年代在土木工程实践中建 立起来的一种新的技术体制。岩土工程是以求解岩体与土体工程问题，包括地基 与基础、边坡和地下工程等问题，作为自己的研究对象。岩土工程 geotechnical engineering地上、地下和水中的各类工程统称土木工程。土木工程中涉及岩石、土、地 下水的部分称岩土工程。岩土工程专业是土木工程的分支，是运用工程地质学、土力学、岩石力学解 决各类工程中关于岩石、土的工程技术问题的科学。按照工程建设阶段划分，工 作内容可以分为：岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程治理、岩土工程监测、 岩土工程检测。本学科的主要研究方向包括：城市地下
2、空间与地下工程：以城市地下空间 为主体，研究地下空间开发利用过程中的各种环境岩土工程问题，地下空间资源 的合理利用策略，以及各类地下结构的设计、计算方法和地下工程的施工技术（如 浅埋暗挖、盾构法、冻结法、降水排水法、沉管法、TBM法等）及其优化措施 等等。边坡与基坑工程：重点研究基坑开挖（包括基坑降水）对邻近既有建筑 和环境的影响，基坑支护结构的设计计算理论和方法，基坑支护结构的优化设计 和可靠度分析技术，边坡稳定分析理论以及新型支护技术的开发应用等。地基 与基础工程：重点开展地基模型及其计算方法、参数研究，地基处理新技术、新 方法和检测技术的研究，建筑基础（如柱下条形基础、十字交叉基础、筏形
3、基础、 箱形基础及桩基础等）与上部结构的共同作用机理和规律研究等。岩土工程发展前景1引言展望岩土工程的发展，笔者认为需要综合考虑岩土工程学科特点、工程建设 对岩土工程发展的要求，以及相关学科发展对岩土工程的影响。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
4、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、室内外测成果、还 需要应用工程师的经验，才能获得满意的结果
5、。在展望岩土工程发展时不能不重 视岩土工程学科的特殊性以及岩土工程问题分析方法的特点。土木工程建设中出现的岩土工程问题促进了岩土工程学科的发展。例如在土 木工程建设中最早遇到的是土体稳定问题。土力学理论上的最早贡献是1773年 库伦建立了库伦定律。随后发展了 Rankine(1857)理论和Fellenius(1926)圆 弧滑动分析理论。为了分析软粘土地基在荷载作用下沉降随时间发展的过程， Terzaghi(1925)发展了一维固结理论。回顾我国近50年以来岩土工程的发展， 它是紧紧围绕我国土木工程建设中出现的岩土工程问题而发展的。在改革开放以 前，岩土工程工作者较多的注意力集中在水利、铁道
6、和矿井工程建设中的岩土工 程问题，改革开放后，随着高层建筑、城市地下空间利用和高速公路的发展，岩 土工程者的注意力较多的集中在建筑工程、市政工程和交通工程建设中的岩土工 程问题。土木工程功能化、城市立体化、交通高速化，以及改善综合居往环境成 为现代土木工程建设的特点。人口的增长加速了城市发展，城市化的进程促进了 大城市在数量和规模上的急剧发展。人们将不断拓展新的生存空间，开发地下空 间，向海洋拓宽，修建跨海大桥、海底隧道和人工岛，改造沙漠，修建高速公路 和高速铁路等。展望岩土工程的发展，不能离开对我国现代土木工程建设发展趋 势的分析。一个学科的发展还受科技水平及相关学科发展的影响。二次大战后，
7、特别是 在20世纪60年代以来，世界科技发展很快。电子技术和计算机技术的发展， 计算分析能力和测试能力的提高，使岩土工程计算机分析能力和室内外测试技术 得到提高和进步。科学技术进步还促使岩土工程新材料和新技术的产生。如近年 来土工合成材料的迅速发展被称为岩土工程的一次革命。现代科学发展的一个特 点是学科间相互渗透，产生学科交叉并不断出现新的学科，这种发展态势也影响 岩土工程的发展。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入其他 学科取
8、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。2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1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
9、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、Leia粘土、上海粘土、湛
10、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
11、才能更好地为经济建设服务。3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 际工程土的应力-应变关系是很复杂的，具有非线性、弹
12、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
13、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。4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
14、相互作用2。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综合体，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
15、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
16、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。5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
