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常用岩土工程方法

發布時間:2025-06-10 11:25:57

『壹』 岩土的工程分類方法及其意義是什麼

分類方法,作為建築地基的岩土, 可分為岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。
根據土方開挖難易程度不同,可將土石分為八類,以便選擇施工方法和確定勞動量, 為計算勞動量、機具及工程費用提供依據。
(1)一類土:松軟土。 主要包括砂土、粉土、沖積砂土層、疏鬆的種植土、淤泥(泥炭)等。堅實系數為0.5~ 0.6,採用鍬、鋤頭挖掘,少許用腳蹬。
(2)二類土:普通土。 主要包括粉質黏土,潮濕的黃土,夾有碎石、卵石的砂,粉土混卵(碎)石,種植土、填 土等。堅實系數為0.6~O.8,用鍬、鋤頭挖掘,少許用鎬翻鬆。
(3)三類土:堅土。 主要包括軟及中等密實黏土,重粉質黏土、礫石土,干黃土、含有碎石卵石的黃土、粉 質黏土,壓實的填土等。堅實系數為0.8~1.0,主要用鎬,少許用鍬、鋤頭挖掘,部分用撬 棍。
(4)四類土:砂礫堅土。 主要包括堅硬密實的黏性土或黃土,含碎石、卵石的中等密實的黏性土或黃土,粗卵石, 天然級配砂石,軟泥灰岩等。堅實系數為1.0~1.5,整個先用鎬、撬棍,後用鍬挖掘,部分 使用楔子及大錘。
(5)五類土:軟石。 主要包括硬質黏土,中密的頁岩、泥灰岩、白堊土,膠結不緊的礫岩,軟石灰及貝殼石 灰石等。堅實系數為1.5~4.0,用鎬或撬棍、大錘挖掘,部分使用爆破方法。
(6)六類土:次堅石。 主要包括泥岩、砂岩、礫岩,堅實的頁岩、泥灰岩,密實的石灰岩,風化花崗岩、片麻 岩及正長岩等。堅實系數為4.0~10.0,用爆破方法開挖,部分用風鎬。
(7)七類土:堅石。 主要包括大理石,輝綠岩,玢岩,粗、中粒花崗岩,堅實的白雲石、砂岩、礫岩、片麻 岩、石灰岩,微風化安山岩,玄武岩等。堅實系數為10.0~18.0,用爆破方法開挖。
(8)八類土:特堅石。 主要包括安山岩,玄武岩,花崗片麻岩,堅實的細粒花崗岩、閃長岩、石英岩、輝長岩、 輝綠岩、玢岩、角閃岩等。堅實系數為18.0~25.0以上,用爆破方法開挖。
岩土的工程性能
(1)內摩擦角。
(2)土抗剪強度。
(3)黏聚力。
(4)土的天然含水量。
(5)土的天然密度。
(6)土的干密度。
(7)土的密實度。
(8)土的可松性。

『貳』 岩土工程中的數值模擬方法

岩土工程中的數值模擬技術手段豐富多樣,包括有限元法、邊界元法、離散元法、格子法等,它們各具特色,適用於不同的問題解決。有限元法通過將連續體分割成有限單元,通過節點間的位移關系求解應力和位移,適用於土體變形和應力分布的模擬;邊界元法則關注問題的邊界,通過求解邊界上的位移和應力來推導整個區域的解,適用於滲流問題。

離散元法專注於顆粒間的相互作用,對岩土體的斷裂、崩塌等現象模擬有獨到之處;格子法則基於微觀粒子動力學,常用於處理滲流,如岩土工程中的液化行為。此外,SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法源自流體力學,後來擴展至固體力學領域,尤其擅長處理大變形、破裂和接觸問題,適用於動力響應、邊坡穩定性分析等非線性問題。

物質點法(MPM)結合了拉格朗日-歐拉方法,通過網格和物質點的結合模擬物體的運動和變形,對大變形問題有獨特的優勢。MPM和SPH同屬於粒子法,通過離散粒子模擬物體運動,適應性強,適用於多物理場耦合問題。

選擇何種方法,取決於具體工程的性質和需求。比如有限差分法適用於初值和邊值問題,有限體積法處理守恆方程,而有限元法則是通過單元逼近求解代數方程。邊界元法主要針對邊界問題,粒子法如MPM和SPH則以離散粒子模擬物體運動,各有所長。

『叄』 除有限單元法外,岩土工程常用到哪些數值方法,並對比其優缺點

岩土工程常用的數值方法包括:有限差分法、邊界元法、離散元法、顆粒元法、不連續變形分析法、流形元法、模糊數學方法、概率論與可靠度分析方法、灰色系統理論、人工智慧與專家系統、神經網路方法、時間序列分析法。
有限單元法的優缺點:有限單元法的理論基礎是虛功原理和基於最小勢能的變分原理,它將研究域離散化,對位移場和應力場的連續性進行物理近似。有限單元法適用性廣泛,從理論上講對任何問題都適用,但計算速度相對較慢。即,物理概念清晰、靈活、通用、計算速度叫慢。
有限差分法:該方法適合求解非線性大變形問題,在岩土力學計算中有廣泛的應用。有限差分法和有限單元法都產生一組待解方程組。盡管這些方程是通過不同方式推導出來的,但兩者產生的方程是一致。另外,有限單元程序通常要將單元矩陣組合成大型整體剛度矩陣,而有限差分則無需如此,因為它相對高效地在每個計算步重新生成有限差分方程。在有限單元法中,常採用隱式、矩陣解算方法,而有限差分法則通常採用「顯式」、時間遞步法解算代數方程。
邊界元法:該方法的理論基礎是Betti功互等定理和Kelvin基本解,它只要離散求解域的邊界,因而得到離散代數方程組中的未知量也只是邊界上的量。邊界元法化微分方程為邊界積分方程,離散劃分少,可以考慮遠場應力,有降低維數的優點,可以用較少的內存解決較大的問題,便於提高計算速度。
離散元法:離散元法的理論基礎是牛頓第二定律並結合不同的本構關系,適用對非連續體如岩體問題求解。該方法利用岩體的斷裂面進行網格劃分,每個單元就是被斷裂面切割的岩塊,視岩塊的運動主要受控於岩體節理系統。它採用顯式求解的方法,按照塊體運動、弱面產生變形,變形是接觸區的滑動和轉動,由牛頓定律、運動學方程求解,無需形成大型矩陣而直接按時步迭代求解,在求解過程中允許塊體間開裂、錯動,並可以脫離母體而下落。離散元法對破碎岩石工程,動態和准動態問題能給出較好解答。
顆粒元法:顆粒元方法是通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質的運動及其相互作用,它採用數值方法將物體分為有代表性的多個顆粒單元,通過顆粒間的相互作用來表達整個宏觀物體的應力響應,從而利用局部的模擬結果來計算顆粒群群體的運動與應力場特徵。 不連續變形分析方法:該方法是並行於有限單元法的一種方法,其不同之處是可以計算不連續面的錯位、滑移、開裂和旋轉等大位移的靜力和動力問題。此方法在岩石力學中的應用備受關注。
流形元法;該方法是運用現代數學「流形」的有限覆蓋技術所建立起來的一種新的數值方法。有限覆蓋是由物理覆蓋和數學覆蓋所組成的,它可以處理連續和非連續的問題,在統一解決有限單元法、不連續變形分析法和其他數值方法的耦合計算方面,有重要的應用前景。
無單元法:該方法是一種不劃分單元的數值計算方法,它採用滑動最小二乘法所產生的光滑函數去近似場函數,而且又保留了有限單元法的一些特點。它只要求結點處的信息,而不需要也沒有單元的信息。無單元法可以求解具有復雜邊界條件的邊值問題,如開裂問題,只要加密離散點就可以跟蹤裂縫的傳播。它在解決岩石力學非線性、非連續問題等方面具有重要價值和發展前景。
混合法:對於復雜工程問題,可採用混合法,即有限單元法、邊界元法、離散元法等兩兩耦合來求解。
模糊數學方法:模糊理論用隸屬函數代替確定論中的特徵函數描述邊界不清的過渡性問題,模糊模式識別和綜合評判理論對多因素問題分析適用。 概率論與可靠度分析方法:運用概率論方法分析事件發生的概率,進行安全和可靠度評價。對岩土力學而言,包括岩石(土)的穩定性判斷、強度預測預報、工程可靠度分析、頂板穩定性分析、地震研究、基礎工程穩定性研究等。
灰色系統理論:以「灰色、灰關系、灰數」為特徵,研究介於「黑色」和「白色」之間事件的特徵,在社會科學及自然科學領域應用廣泛。岩土力學中,用灰色系統理論進行岩體分類、滑坡發生時間預測、岩爆分析與預測、基礎工程穩定性、工程結構分析,用灰色關聯度分析岩土體穩定性因素主次關系等。
人工智慧與專家系統:應用專家的知識進行知識處理、知識運用、搜索、不確定性推理分析復雜問題並給出合理的建議和決策。岩石力學中,可進行如岩土(石)分類、穩定性分析、支護設計、加固方案優化等研究。 神經網路方法:試圖模擬人腦神經系統的組織方式來構成新型的信息處理系統,通過神經網路的學習、記憶和推理過程進行信息處理。岩石力學中,用於各種岩土力學參數分析、地應力處理、地壓預測、岩土分類、穩定性評價與預測等。
時間序列分析法:通過對系統行為的漲落規律統計,用時間序列函數研究系統的動態力學行為。岩石力學中,用於礦壓顯現規律研究、岩石蠕變、岩石工程的位移、邊坡和硐室穩定性等、基礎工程中降水、開挖、沉降變形等與時間相關的問題。

『肆』 岩土工程勘察方法

岩土工程勘察方法很多,目前主要採用的方法有岩土工程物探、岩土工程鑽探和岩土工程坑探三種方法。一個工程在不同的勘察階段,物探和勘探的使用應有所側重。一般地說,在勘察的初級階段,主要進行岩土工程測繪,物探和鑽探往往是配合測繪工作的,其中應較多地採用物探手段;鑽探和坑探主要用來驗證物探成果和取得基準剖面。隨著勘察程度的提高,為了深入研究各種岩土工程問題,便以進行確切的分析、評價,鑽探和坑探工程將愈來愈被廣泛地採用,成為主要的勘察手段,而物探工作則作為勘探工程的輔助手段。

本節將簡單介紹物探和勘探在岩土工程勘察中的適用條件,所要解決的主要問題等。

一、岩土工程物探

物探全稱地球物理勘探,它是運用專門儀器來探測地殼表層各種地質體的物理場,從而進行地層劃分以判定地質結構、水文地質條件及物理地質現象,並提供各種分析資料和岩土體某些特徵數據的一種勘探方法。

該方法只有在地質介質存在一定程度的不均一性——即各層的物理狀態、物理性質存在較大差異時,才能成功地運用。

(1)物探方法種類:①電法;②震法;③測井法;④重力法;⑤磁法;⑥核子(放射性)勘探;⑦遙感物探方法。這些種類的方法,在岩土工程勘察中已獲得採用。其中前三種方法應用最廣泛,而後幾種方法在區域地殼穩定性分析中,應用最廣泛。

(2)物探解決的問題:①電法--(電測深、電剖面)電阻率法;劃分岩層--近水平;查明褶皺形態、尋找斷層、確定產狀、查找主導充水隙裂方向;查明覆蓋層厚度、基岩起伏及風化殼厚度;查明含水層分布情況、埋深發育情況、埋深厚度及深度尋找古河道;研究滑坡及下滑速度--充電法;②震法、聲波法:震法(確定第四系覆蓋層厚度、基岩起伏和埋深;查明地下構造情況--追索斷層和裂隙密度等;探測地下水位確定含水層;測定岩土的彈性力學參數)和聲測法(劃分風化帶;圍岩分類;岩體裂隙系數;小構造;圍岩松動和岩柱穩定)。目前聲波法運用在岩土工程勘察中較廣泛,具體將在第7章中加以討論。

(3)物探的特點主要優點是:①透視性強,可進行立體填圖;②效率高,儀器輕便,成本低;③綜合性強;④成果代表性強(岩體的綜合指標);⑤可以進行定量評價。

其缺點為:①局限性:地表淺部,表部,深部成果有一定變化范圍;②條件性:物理量差異大,地形平坦,開闊,岩層有一定厚度,沿導線水平小於20°,地區差異性大;③多解性:深部誤差大。

二、岩土工程鑽探

岩土工程鑽探是為工程建築物的設計、施工服務的,它具有綜合目的,因而對鑽進方法、鑽孔結構、鑽進過程中的觀測編錄等方面均有特殊要求。

岩土工程鑽探的岩心採取率要求較高。為保證獲得較高的采心率,針對不同的勘探對象,應採用相應的鑽進方法。如在軟弱地層或斷層破碎帶中鑽進時,要盡量減少沖洗液或用干鑽,降低鑽速,縮短鑽程,最好採用雙層岩心管。在土層中鑽進時,以採用干鑽為宜,並應適當縮短鑽程。為了保證准確地測定地下水位和水文地質試驗工作的正常進行,必須按含水層的位置和試驗工作的要求,確定孔身結構及鑽進方法。一般的岩土工程鑽孔終孔直徑為91mm。若在基岩面以上的砂卵石居中作抽水試驗時,開孔口徑以325mm為宜。為了保證取得准確的水文地質參數,必須採用清水鑽進或干鑽,不允許使用泥漿加固孔壁的方法。一般鑽孔要直,不能發生彎曲;孔壁要求光滑規則,同一孔徑段應大小一致。這些要求在鑽探操作工藝上給予滿足。

1.鑽探的特點及適用條件

在岩土工程鑽探中,為了研究岩土的物理力學性質,經常要採取岩土樣。堅硬岩石的取樣可利用岩心,但其中的軟弱夾層和斷層破碎帶取樣時,必須採取特殊措施。為了取得質量可靠的原狀土樣,則必須配備專門的取土器,並應注意取樣方法和操作工序,以盡量使土樣不受或少受擾動。

勘探線、點的布置應密切結合地質情況和工程要求。一般情況下要垂直於地層走向、地貌、地形、構造線布置;同時要結合工程建築物的輪廓布置。除工程深隧洞、岩溶區鑽探(>100~500m)外,通常情況下孔深不大,約百米以內,一般為10~20m。孔徑一般情況下變化較大,岩土工程鑽孔為小口徑鑽孔(36mm,46mm,56mm,66mm),地質鑽孔為一般鑽孔(75mm,95mm,108mm,112mm,132mm,150mm,168mm)和大口徑鑽孔(300mm,500mm,1000mm,1300mm,2500mm)。鑽進多具綜合性目的,使一孔多用,例如:作勘探孔,試驗孔,取樣孔,長觀孔,處理孔。如斜孔,變徑孔等。

2.鑽探方法

自然地質條件是復雜的,各種鑽探方法和設備都有一定的使用條件。選擇鑽探方法和設備時,應視鑽探的目的和地質條件而定。目前,岩土工程勘探中常用的鑽探方法,可分為沖擊鑽探、回轉鑽探、沖擊回轉鑽探和振動鑽探等四種。在岩土工程勘探中,主要採用沖擊鑽探和回轉鑽探;按動力來源又可將它們分為人力的和機械的兩種。機械回轉鑽探鑽進效率高,孔深大,又能採取岩心,所以在岩土工程勘探中使用最為廣泛。

3.鑽探孔的種類

鑽孔的類型有多種分類方法,一般在岩土工程勘察中,可按照目的與用途來區分;也可以按照鑽孔方向來劃分,主要是指鑽孔的角度及其方向。鑽孔的角度即是鑽機的立軸鑽桿與地平線的夾角,也叫做鑽孔傾角。

按照鑽孔傾角及其變化情況,可將鑽孔分為鉛直孔、斜孔、水平孔和定向孔四種;在岩體勘察中也有按照孔徑的大小來劃分的。在進行岩土工程勘探時,究竟採用何種角度及方向鑽孔,需視鑽孔的具體任務及地形地質條件而定。

(1)按目的與用途分:①首先可分為勘探孔(一般孔主要是了解地層岩性、結構)和控制孔(主要為了解地層及結構、重要部位);②試驗孔(岩土工程試驗孔,水文地質試驗孔);③工程處理孔--灌漿孔、輸水孔、導水孔、錨桿孔等;④長期觀測孔。

(2)孔按鑽進方向分:①鉛直孔:適用於岩層傾角小於30°,岩性均一、岩層平緩時用;②斜孔岩層傾角大於60°的或陡傾的斷層破碎帶與岩層、岩層傾向相反的方向鑽進,查明河谷地質結構更為方便;③水平孔,例如隧洞超前孔、應力測量孔、排水孔;④定向鑽孔。如圖1-2所示。

(3)按鑽孔孔徑大小分:①一般鑽孔:開孔直徑168mm,終孔直徑91mm;②大口徑孔:孔徑為300mm、500mm一般為打井孔(抽水)。孔徑750mm、850mm、950mm、1050mm、1150mm、1300mm、2000mm、2500mm多為井內觀測、取樣、試驗用;③小口徑孔:孔徑小於66mm者:該類孔鑽進速度快,壽命長,岩心採取率高,岩心完整性好,孔徑均勻,鑽機能量消耗小。

圖1-2 定向鑽孔

4.岩土工程鑽探的特殊要求

通常在岩體勘察中要求岩心採取率大於80%,對於軟弱夾層,風化岩,斷層破碎帶也要求其岩心採取率大於65%;對於水文地質鑽孔,要求(變徑,終孔直徑小於91mm)分層止水,各含水層的水位、水量、水質、滲透系數、抽水等進行描述,一般情況下在沖積層中開孔直徑以325mm為宜,要求清水鑽進或干鑽,孔壁光滑不堵孔;對於孔斜測量一般情況下要求:孔深小於75m,孔斜在1°的范圍內;對於深度大於100m的孔,孔斜每100m進行一次校正,在終孔時要保證小於2°。對於孔深度要求每50m測深一次,終孔一次,校正的誤差要小於0.1%,分層深度的量測正負要小於0.05m。非連續取心鑽進的回次進尺,螺紋鑽進時,要小於1.0m,岩心鑽進要小於2.0m。選用金剛石鑽頭,口徑為75mm取層岩心管來確定RQD指標。地下水位以下取樣時,應採用干鑽,同時要求原位試驗與鑽進同時進行,取樣應符合技術要求。

5.鑽孔編錄及資料整理

為了全面、准確地反映鑽探工程所反映的第一手地質資料,在鑽過程中必須認真、細致地做好觀測與編錄工作。主要是對岩心觀察、描述、編錄和鑒定。工作的內容是:描述其顏色、礦物成分和顆度成分、結構和構造,正確地定名。對於土體(無粘性土和粘性土)應觀察其緻密程度和稠度狀態。對於岩體應確定節理、裂隙的類型、延續性、蝕變充填情況、傾角、間距等,並進行裂隙統計。對風化岩石,應將岩心按風化程度進行分帶和描述。必要時編制岩心素描及岩心柱狀圖。

通過對岩心的各種統計,可獲得岩心採取率、岩心獲得率和岩石質量指標(RQD)等定量指標。

岩心採取率是指所取岩心的總長度與本回次進尺的百分比。總長度包括比較完整的岩心和破碎的碎塊、碎屑及碎粉物質。岩心獲得率是指比較完整的岩心長度與進尺的百分比。它不計入不成形的破碎物質。

一般情況下,應按照下面的順序每次進尺進行逐項填寫:其描述內容包括孔深、進尺、顏色、成分、結構構造、密實性(主要指砂類土)、稠度狀態、干濕程度、裂隙類型、風化程度、取樣位置、樣品編號、岩心回收率、岩石的RQD指標。

要進行簡單計算的指標是:岩心採取率(即岩心總長度與總進尺之比)、岩心獲取率(即成形岩心總長度與總進尺之比)、岩石質量指標(RQD)(即大於10cm岩心總長度與總進尺之比)。另外要記錄下初見水位及穩定水位、水樣取樣地點等內容。

鑽探工作結束後,要進行鑽孔資料整理。鑽探法在鑽進過程中,必須隨時做好鑽孔記錄,這是一項極重要的工作。從鑽機定位後由開鑽到終孔為止,記錄每一鑽的深度,鑒別與描述每一鑽取出的土樣,進行定名,並立刻寫在記錄表中,作為繪制地質剖面圖的原始依據。國家規范要求:野外記錄應由經過專業訓練的人員承擔,記錄應真實及時,按鑽進回次逐段填寫,嚴禁事後追記。

主要成果有:①鑽孔柱狀圖,即將孔內岩層情況,按一定比例尺編制柱狀圖,並作岩性描述;還應在相應位置上標明岩心採取率、沖洗液消耗量、地下水位、岩心風化分帶、代表性的岩土物理力學性質指標,以及取樣位置及項目等;②岩土工程剖面圖及岩土工程立體投影圖(具體編圖將在第8章中討論)。如果孔內作過試驗,則應將試驗成果也在相應位置上標出;③鑽孔操作及水文地質日誌圖;④岩心素描圖及其說明,其格式見表1-15所示。

野外鑒別地基土要求快速,但又無儀器設備,主要憑感覺和經驗。對碎石土和砂土的鑒別方法,是利用日常熟悉的食品如綠豆、小米、砂糖、玉米面的顆粒作為標准,來進行對比鑒別;對粘性土與粉土的鑒別方法,可根據手搓滑膩感或砂粒感等感覺,加以區分和鑒別。土的野外描述內容如下:

(1)顏色:土樣的顏色取決於組成該土的礦物成分和含有的其他成分。描述時從色在前,主色在後。例如,黃褐色,以褐色為主色,帶黃色;若土中含氧化鐵,則土呈紅色或棕色;土中含大量有機質,則土呈黑色,表明此土層不良;土內含較多的碳酸鈣、高嶺土,則土呈白色;

(2)密度:土層的松密是鑒定土質優劣的重要方面。在野外描述時可根據鑽進的速度和難易,來判別土的密實程度。同時可在鑽頭提起後,在鑽側面窗口部位用刀切出一個新鮮面來觀察,並用大拇指加壓的感覺來判定松密。在鑽孔記錄表上註明每一層土屬於密實、中密或稍密狀態;

(3)濕度:土的濕度分為乾的、稍濕的、濕的與飽和的四種。通常,地下水位埋藏深,在旱季地表土層往往是乾的;接近地下水位的粘性土或粉土因毛細水上升、往往是濕的;在地下水位以下,一般是飽和的;

表1-15 鑽孔野外記錄表

(4)粘性土的稠度:粘性土的稠度是決定該土工程性質好壞的一個重要指標。分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑、流塑五種;

(5)含有物:土中含有非本層土成分的其他物質,稱為含有物。例如:碎磚、爐碴貝殼、氧化鐵等。有些地區有粉質粘土或粉土中含堅硬的姜石;海濱等地往往含貝殼,記錄表中應註明含有物的大小和數量;

(6)其他:碎石土與砂土應描述級配、礫石含量、最大粒徑、主要礦物成分。粘性土應描述斷面形態、孔隙大小、粗糙程度、是否有層理等。土中若有特殊氣味,如海濱有魚腥味等,亦應加以註明。石灰碴、植物根、有機質或古池塘往往含貝殼。鄰近設施對土質的影響,如管道漏水則使粘性土稠度變軟、地下水位抬高。

取土樣的標准表格,如表1-16所示。

三、岩土工程坑探

岩土工程勘察中常用的岩土工程坑探的類型及適用條件有:探槽、試坑、淺井、豎井(斜井)平硐和石門(或平巷等)。前三者為輕型坑探工程,後三種為重型坑探工程(圖1-3)。

表1-16 土樣標簽

圖1-3 岩土工程常用的坑探類型示意圖

1—槽探;2—試坑;3—豎井;4—平硐;5—石門;6—淺井

坑探險的特點:直觀細致性、精確可靠性、取樣靈活性。

一般情況下坑探占勘察工作量的10%。主要用於:若岩層露頭很差,但覆蓋較薄(3m以內)時可採用,主要為測繪服務;或者用於校核、補充其他勘察資料;也可以用於原狀樣的採取或做大型原位測試;另外,在工程重點部位及特殊問題的研究時,也可用岩土工程坑探。

坑探要求描述的內容有:地質剖面,岩石、軟弱面、軟弱帶的產狀,斷裂及破壞的詳細情況,岩石物理狀態的可靠性資料保持原狀結構和狀態的岩土樣,要在坑道內做原位測試。必要時可編制平硐展視圖,通常採用的比例尺為1:25~1:100。

參考文獻

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