‘壹’ 岩土的工程分类方法及其意义是什么
分类方法，作为建筑地基的岩土， 可分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。
根据土方开挖难易程度不同，可将土石分为八类，以便选择施工方法和确定劳动量， 为计算劳动量、机具及工程费用提供依据。
(1)一类土：松软土。 主要包括砂土、粉土、冲积砂土层、疏松的种植土、淤泥(泥炭)等。坚实系数为0.5～ 0.6，采用锹、锄头挖掘，少许用脚蹬。
(2)二类土：普通土。 主要包括粉质黏土，潮湿的黄土，夹有碎石、卵石的砂，粉土混卵(碎)石，种植土、填 土等。坚实系数为0.6～O.8，用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松。
(3)三类土：坚土。 主要包括软及中等密实黏土，重粉质黏土、砾石土，干黄土、含有碎石卵石的黄土、粉 质黏土，压实的填土等。坚实系数为0.8～1.0，主要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用撬 棍。
(4)四类土：砂砾坚土。 主要包括坚硬密实的黏性土或黄土，含碎石、卵石的中等密实的黏性土或黄土，粗卵石， 天然级配砂石，软泥灰岩等。坚实系数为1.0～1.5，整个先用镐、撬棍，后用锹挖掘，部分 使用楔子及大锤。
(5)五类土：软石。 主要包括硬质黏土，中密的页岩、泥灰岩、白垩土，胶结不紧的砾岩，软石灰及贝壳石 灰石等。坚实系数为1.5～4.0，用镐或撬棍、大锤挖掘，部分使用爆破方法。
(6)六类土：次坚石。 主要包括泥岩、砂岩、砾岩，坚实的页岩、泥灰岩，密实的石灰岩，风化花岗岩、片麻 岩及正长岩等。坚实系数为4.0～10.0，用爆破方法开挖，部分用风镐。
(7)七类土：坚石。 主要包括大理石，辉绿岩，玢岩，粗、中粒花岗岩，坚实的白云石、砂岩、砾岩、片麻 岩、石灰岩，微风化安山岩，玄武岩等。坚实系数为10.0～18.0，用爆破方法开挖。
(8)八类土：特坚石。 主要包括安山岩，玄武岩，花岗片麻岩，坚实的细粒花岗岩、闪长岩、石英岩、辉长岩、 辉绿岩、玢岩、角闪岩等。坚实系数为18.0～25.0以上，用爆破方法开挖。
岩土的工程性能
(1)内摩擦角。
(2)土抗剪强度。
(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)土的密实度。
(8)土的可松性。
‘贰’ 岩土工程中的数值模拟方法
岩土工程中的数值模拟技术手段丰富多样，包括有限元法、边界元法、离散元法、格子法等，它们各具特色，适用于不同的问题解决。有限元法通过将连续体分割成有限单元，通过节点间的位移关系求解应力和位移，适用于土体变形和应力分布的模拟；边界元法则关注问题的边界，通过求解边界上的位移和应力来推导整个区域的解，适用于渗流问题。
离散元法专注于颗粒间的相互作用，对岩土体的断裂、崩塌等现象模拟有独到之处；格子法则基于微观粒子动力学，常用于处理渗流，如岩土工程中的液化行为。此外，SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法源自流体力学，后来扩展至固体力学领域，尤其擅长处理大变形、破裂和接触问题，适用于动力响应、边坡稳定性分析等非线性问题。
物质点法（MPM）结合了拉格朗日-欧拉方法，通过网格和物质点的结合模拟物体的运动和变形，对大变形问题有独特的优势。MPM和SPH同属于粒子法，通过离散粒子模拟物体运动，适应性强，适用于多物理场耦合问题。
选择何种方法，取决于具体工程的性质和需求。比如有限差分法适用于初值和边值问题，有限体积法处理守恒方程，而有限元法则是通过单元逼近求解代数方程。边界元法主要针对边界问题，粒子法如MPM和SPH则以离散粒子模拟物体运动，各有所长。
‘叁’ 除有限单元法外，岩土工程常用到哪些数值方法，并对比其优缺点
岩土工程常用的数值方法包括：有限差分法、边界元法、离散元法、颗粒元法、不连续变形分析法、流形元法、模糊数学方法、概率论与可靠度分析方法、灰色系统理论、人工智能与专家系统、神经网络方法、时间序列分析法。
有限单元法的优缺点：有限单元法的理论基础是虚功原理和基于最小势能的变分原理，它将研究域离散化，对位移场和应力场的连续性进行物理近似。有限单元法适用性广泛，从理论上讲对任何问题都适用，但计算速度相对较慢。即，物理概念清晰、灵活、通用、计算速度叫慢。
有限差分法：该方法适合求解非线性大变形问题，在岩土力学计算中有广泛的应用。有限差分法和有限单元法都产生一组待解方程组。尽管这些方程是通过不同方式推导出来的，但两者产生的方程是一致。另外，有限单元程序通常要将单元矩阵组合成大型整体刚度矩阵，而有限差分则无需如此，因为它相对高效地在每个计算步重新生成有限差分方程。在有限单元法中，常采用隐式、矩阵解算方法，而有限差分法则通常采用“显式”、时间递步法解算代数方程。
边界元法：该方法的理论基础是Betti功互等定理和Kelvin基本解，它只要离散求解域的边界，因而得到离散代数方程组中的未知量也只是边界上的量。边界元法化微分方程为边界积分方程，离散划分少，可以考虑远场应力，有降低维数的优点，可以用较少的内存解决较大的问题，便于提高计算速度。
离散元法：离散元法的理论基础是牛顿第二定律并结合不同的本构关系，适用对非连续体如岩体问题求解。该方法利用岩体的断裂面进行网格划分，每个单元就是被断裂面切割的岩块，视岩块的运动主要受控于岩体节理系统。它采用显式求解的方法，按照块体运动、弱面产生变形，变形是接触区的滑动和转动，由牛顿定律、运动学方程求解，无需形成大型矩阵而直接按时步迭代求解，在求解过程中允许块体间开裂、错动，并可以脱离母体而下落。离散元法对破碎岩石工程，动态和准动态问题能给出较好解答。
颗粒元法：颗粒元方法是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用，它采用数值方法将物体分为有代表性的多个颗粒单元，通过颗粒间的相互作用来表达整个宏观物体的应力响应，从而利用局部的模拟结果来计算颗粒群群体的运动与应力场特征。 不连续变形分析方法：该方法是并行于有限单元法的一种方法，其不同之处是可以计算不连续面的错位、滑移、开裂和旋转等大位移的静力和动力问题。此方法在岩石力学中的应用备受关注。
流形元法；该方法是运用现代数学“流形”的有限覆盖技术所建立起来的一种新的数值方法。有限覆盖是由物理覆盖和数学覆盖所组成的，它可以处理连续和非连续的问题，在统一解决有限单元法、不连续变形分析法和其他数值方法的耦合计算方面，有重要的应用前景。
无单元法：该方法是一种不划分单元的数值计算方法，它采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数去近似场函数，而且又保留了有限单元法的一些特点。它只要求结点处的信息，而不需要也没有单元的信息。无单元法可以求解具有复杂边界条件的边值问题，如开裂问题，只要加密离散点就可以跟踪裂缝的传播。它在解决岩石力学非线性、非连续问题等方面具有重要价值和发展前景。
混合法：对于复杂工程问题，可采用混合法，即有限单元法、边界元法、离散元法等两两耦合来求解。
模糊数学方法：模糊理论用隶属函数代替确定论中的特征函数描述边界不清的过渡性问题，模糊模式识别和综合评判理论对多因素问题分析适用。 概率论与可靠度分析方法：运用概率论方法分析事件发生的概率，进行安全和可靠度评价。对岩土力学而言，包括岩石（土）的稳定性判断、强度预测预报、工程可靠度分析、顶板稳定性分析、地震研究、基础工程稳定性研究等。
灰色系统理论：以“灰色、灰关系、灰数”为特征，研究介于“黑色”和“白色”之间事件的特征，在社会科学及自然科学领域应用广泛。岩土力学中，用灰色系统理论进行岩体分类、滑坡发生时间预测、岩爆分析与预测、基础工程稳定性、工程结构分析，用灰色关联度分析岩土体稳定性因素主次关系等。
人工智能与专家系统：应用专家的知识进行知识处理、知识运用、搜索、不确定性推理分析复杂问题并给出合理的建议和决策。岩石力学中，可进行如岩土（石）分类、稳定性分析、支护设计、加固方案优化等研究。 神经网络方法：试图模拟人脑神经系统的组织方式来构成新型的信息处理系统，通过神经网络的学习、记忆和推理过程进行信息处理。岩石力学中，用于各种岩土力学参数分析、地应力处理、地压预测、岩土分类、稳定性评价与预测等。
时间序列分析法：通过对系统行为的涨落规律统计，用时间序列函数研究系统的动态力学行为。岩石力学中，用于矿压显现规律研究、岩石蠕变、岩石工程的位移、边坡和硐室稳定性等、基础工程中降水、开挖、沉降变形等与时间相关的问题。
‘肆’ 岩土工程勘察方法
岩土工程勘察方法很多，目前主要采用的方法有岩土工程物探、岩土工程钻探和岩土工程坑探三种方法。一个工程在不同的勘察阶段，物探和勘探的使用应有所侧重。一般地说，在勘察的初级阶段，主要进行岩土工程测绘，物探和钻探往往是配合测绘工作的，其中应较多地采用物探手段；钻探和坑探主要用来验证物探成果和取得基准剖面。随着勘察程度的提高，为了深入研究各种岩土工程问题，便以进行确切的分析、评价，钻探和坑探工程将愈来愈被广泛地采用，成为主要的勘察手段，而物探工作则作为勘探工程的辅助手段。
本节将简单介绍物探和勘探在岩土工程勘察中的适用条件，所要解决的主要问题等。
一、岩土工程物探
物探全称地球物理勘探，它是运用专门仪器来探测地壳表层各种地质体的物理场，从而进行地层划分以判定地质结构、水文地质条件及物理地质现象，并提供各种分析资料和岩土体某些特征数据的一种勘探方法。
该方法只有在地质介质存在一定程度的不均一性——即各层的物理状态、物理性质存在较大差异时，才能成功地运用。
(1)物探方法种类：①电法；②震法；③测井法；④重力法；⑤磁法；⑥核子(放射性)勘探；⑦遥感物探方法。这些种类的方法，在岩土工程勘察中已获得采用。其中前三种方法应用最广泛，而后几种方法在区域地壳稳定性分析中，应用最广泛。
(2)物探解决的问题：①电法--(电测深、电剖面)电阻率法；划分岩层--近水平；查明褶皱形态、寻找断层、确定产状、查找主导充水隙裂方向；查明覆盖层厚度、基岩起伏及风化壳厚度；查明含水层分布情况、埋深发育情况、埋深厚度及深度寻找古河道；研究滑坡及下滑速度--充电法；②震法、声波法：震法(确定第四系覆盖层厚度、基岩起伏和埋深；查明地下构造情况--追索断层和裂隙密度等；探测地下水位确定含水层；测定岩土的弹性力学参数)和声测法(划分风化带；围岩分类；岩体裂隙系数；小构造；围岩松动和岩柱稳定)。目前声波法运用在岩土工程勘察中较广泛，具体将在第7章中加以讨论。
(3)物探的特点主要优点是：①透视性强，可进行立体填图；②效率高，仪器轻便，成本低；③综合性强；④成果代表性强(岩体的综合指标)；⑤可以进行定量评价。
其缺点为：①局限性：地表浅部，表部，深部成果有一定变化范围；②条件性：物理量差异大，地形平坦，开阔，岩层有一定厚度，沿导线水平小于20°，地区差异性大；③多解性：深部误差大。
二、岩土工程钻探
岩土工程钻探是为工程建筑物的设计、施工服务的，它具有综合目的，因而对钻进方法、钻孔结构、钻进过程中的观测编录等方面均有特殊要求。
岩土工程钻探的岩心采取率要求较高。为保证获得较高的采心率，针对不同的勘探对象，应采用相应的钻进方法。如在软弱地层或断层破碎带中钻进时，要尽量减少冲洗液或用干钻，降低钻速，缩短钻程，最好采用双层岩心管。在土层中钻进时，以采用干钻为宜，并应适当缩短钻程。为了保证准确地测定地下水位和水文地质试验工作的正常进行，必须按含水层的位置和试验工作的要求，确定孔身结构及钻进方法。一般的岩土工程钻孔终孔直径为91mm。若在基岩面以上的砂卵石居中作抽水试验时，开孔口径以325mm为宜。为了保证取得准确的水文地质参数，必须采用清水钻进或干钻，不允许使用泥浆加固孔壁的方法。一般钻孔要直，不能发生弯曲；孔壁要求光滑规则，同一孔径段应大小一致。这些要求在钻探操作工艺上给予满足。
1.钻探的特点及适用条件
在岩土工程钻探中，为了研究岩土的物理力学性质，经常要采取岩土样。坚硬岩石的取样可利用岩心，但其中的软弱夹层和断层破碎带取样时，必须采取特殊措施。为了取得质量可靠的原状土样，则必须配备专门的取土器，并应注意取样方法和操作工序，以尽量使土样不受或少受扰动。
勘探线、点的布置应密切结合地质情况和工程要求。一般情况下要垂直于地层走向、地貌、地形、构造线布置；同时要结合工程建筑物的轮廓布置。除工程深隧洞、岩溶区钻探(＞100～500m)外，通常情况下孔深不大，约百米以内，一般为10～20m。孔径一般情况下变化较大，岩土工程钻孔为小口径钻孔(36mm，46mm，56mm，66mm)，地质钻孔为一般钻孔(75mm，95mm，108mm，112mm，132mm，150mm，168mm)和大口径钻孔(300mm，500mm，1000mm，1300mm，2500mm)。钻进多具综合性目的，使一孔多用，例如：作勘探孔，试验孔，取样孔，长观孔，处理孔。如斜孔，变径孔等。
2.钻探方法
自然地质条件是复杂的，各种钻探方法和设备都有一定的使用条件。选择钻探方法和设备时，应视钻探的目的和地质条件而定。目前，岩土工程勘探中常用的钻探方法，可分为冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探和振动钻探等四种。在岩土工程勘探中，主要采用冲击钻探和回转钻探；按动力来源又可将它们分为人力的和机械的两种。机械回转钻探钻进效率高，孔深大，又能采取岩心，所以在岩土工程勘探中使用最为广泛。
3.钻探孔的种类
钻孔的类型有多种分类方法，一般在岩土工程勘察中，可按照目的与用途来区分；也可以按照钻孔方向来划分，主要是指钻孔的角度及其方向。钻孔的角度即是钻机的立轴钻杆与地平线的夹角，也叫做钻孔倾角。
按照钻孔倾角及其变化情况，可将钻孔分为铅直孔、斜孔、水平孔和定向孔四种；在岩体勘察中也有按照孔径的大小来划分的。在进行岩土工程勘探时，究竟采用何种角度及方向钻孔，需视钻孔的具体任务及地形地质条件而定。
(1)按目的与用途分：①首先可分为勘探孔(一般孔主要是了解地层岩性、结构)和控制孔(主要为了解地层及结构、重要部位)；②试验孔(岩土工程试验孔，水文地质试验孔)；③工程处理孔--灌浆孔、输水孔、导水孔、锚杆孔等；④长期观测孔。
(2)孔按钻进方向分：①铅直孔：适用于岩层倾角小于30°，岩性均一、岩层平缓时用；②斜孔岩层倾角大于60°的或陡倾的断层破碎带与岩层、岩层倾向相反的方向钻进，查明河谷地质结构更为方便；③水平孔，例如隧洞超前孔、应力测量孔、排水孔；④定向钻孔。如图1-2所示。
(3)按钻孔孔径大小分：①一般钻孔：开孔直径168mm，终孔直径91mm；②大口径孔：孔径为300mm、500mm一般为打井孔(抽水)。孔径750mm、850mm、950mm、1050mm、1150mm、1300mm、2000mm、2500mm多为井内观测、取样、试验用；③小口径孔：孔径小于66mm者：该类孔钻进速度快，寿命长，岩心采取率高，岩心完整性好，孔径均匀，钻机能量消耗小。
图1-2 定向钻孔
4.岩土工程钻探的特殊要求
通常在岩体勘察中要求岩心采取率大于80%，对于软弱夹层，风化岩，断层破碎带也要求其岩心采取率大于65%；对于水文地质钻孔，要求(变径，终孔直径小于91mm)分层止水，各含水层的水位、水量、水质、渗透系数、抽水等进行描述，一般情况下在冲积层中开孔直径以325mm为宜，要求清水钻进或干钻，孔壁光滑不堵孔；对于孔斜测量一般情况下要求：孔深小于75m，孔斜在1°的范围内；对于深度大于100m的孔，孔斜每100m进行一次校正，在终孔时要保证小于2°。对于孔深度要求每50m测深一次，终孔一次，校正的误差要小于0.1%，分层深度的量测正负要小于0.05m。非连续取心钻进的回次进尺，螺纹钻进时，要小于1.0m，岩心钻进要小于2.0m。选用金刚石钻头，口径为75mm取层岩心管来确定RQD指标。地下水位以下取样时，应采用干钻，同时要求原位试验与钻进同时进行，取样应符合技术要求。
5.钻孔编录及资料整理
为了全面、准确地反映钻探工程所反映的第一手地质资料，在钻过程中必须认真、细致地做好观测与编录工作。主要是对岩心观察、描述、编录和鉴定。工作的内容是：描述其颜色、矿物成分和颗度成分、结构和构造，正确地定名。对于土体(无粘性土和粘性土)应观察其致密程度和稠度状态。对于岩体应确定节理、裂隙的类型、延续性、蚀变充填情况、倾角、间距等，并进行裂隙统计。对风化岩石，应将岩心按风化程度进行分带和描述。必要时编制岩心素描及岩心柱状图。
通过对岩心的各种统计，可获得岩心采取率、岩心获得率和岩石质量指标(RQD)等定量指标。
岩心采取率是指所取岩心的总长度与本回次进尺的百分比。总长度包括比较完整的岩心和破碎的碎块、碎屑及碎粉物质。岩心获得率是指比较完整的岩心长度与进尺的百分比。它不计入不成形的破碎物质。
一般情况下，应按照下面的顺序每次进尺进行逐项填写：其描述内容包括孔深、进尺、颜色、成分、结构构造、密实性(主要指砂类土)、稠度状态、干湿程度、裂隙类型、风化程度、取样位置、样品编号、岩心回收率、岩石的RQD指标。
要进行简单计算的指标是：岩心采取率(即岩心总长度与总进尺之比)、岩心获取率(即成形岩心总长度与总进尺之比)、岩石质量指标(RQD)(即大于10cm岩心总长度与总进尺之比)。另外要记录下初见水位及稳定水位、水样取样地点等内容。
钻探工作结束后，要进行钻孔资料整理。钻探法在钻进过程中，必须随时做好钻孔记录，这是一项极重要的工作。从钻机定位后由开钻到终孔为止，记录每一钻的深度，鉴别与描述每一钻取出的土样，进行定名，并立刻写在记录表中，作为绘制地质剖面图的原始依据。国家规范要求：野外记录应由经过专业训练的人员承担，记录应真实及时，按钻进回次逐段填写，严禁事后追记。
主要成果有：①钻孔柱状图，即将孔内岩层情况，按一定比例尺编制柱状图，并作岩性描述；还应在相应位置上标明岩心采取率、冲洗液消耗量、地下水位、岩心风化分带、代表性的岩土物理力学性质指标，以及取样位置及项目等；②岩土工程剖面图及岩土工程立体投影图(具体编图将在第8章中讨论)。如果孔内作过试验，则应将试验成果也在相应位置上标出；③钻孔操作及水文地质日志图；④岩心素描图及其说明，其格式见表1-15所示。
野外鉴别地基土要求快速，但又无仪器设备，主要凭感觉和经验。对碎石土和砂土的鉴别方法，是利用日常熟悉的食品如绿豆、小米、砂糖、玉米面的颗粒作为标准，来进行对比鉴别；对粘性土与粉土的鉴别方法，可根据手搓滑腻感或砂粒感等感觉，加以区分和鉴别。土的野外描述内容如下：
(1)颜色：土样的颜色取决于组成该土的矿物成分和含有的其他成分。描述时从色在前，主色在后。例如，黄褐色，以褐色为主色，带黄色；若土中含氧化铁，则土呈红色或棕色；土中含大量有机质，则土呈黑色，表明此土层不良；土内含较多的碳酸钙、高岭土，则土呈白色；
(2)密度：土层的松密是鉴定土质优劣的重要方面。在野外描述时可根据钻进的速度和难易，来判别土的密实程度。同时可在钻头提起后，在钻侧面窗口部位用刀切出一个新鲜面来观察，并用大拇指加压的感觉来判定松密。在钻孔记录表上注明每一层土属于密实、中密或稍密状态；
(3)湿度：土的湿度分为干的、稍湿的、湿的与饱和的四种。通常，地下水位埋藏深，在旱季地表土层往往是干的；接近地下水位的粘性土或粉土因毛细水上升、往往是湿的；在地下水位以下，一般是饱和的；
表1-15 钻孔野外记录表
(4)粘性土的稠度：粘性土的稠度是决定该土工程性质好坏的一个重要指标。分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五种；
(5)含有物：土中含有非本层土成分的其他物质，称为含有物。例如：碎砖、炉碴贝壳、氧化铁等。有些地区有粉质粘土或粉土中含坚硬的姜石；海滨等地往往含贝壳，记录表中应注明含有物的大小和数量；
(6)其他：碎石土与砂土应描述级配、砾石含量、最大粒径、主要矿物成分。粘性土应描述断面形态、孔隙大小、粗糙程度、是否有层理等。土中若有特殊气味，如海滨有鱼腥味等，亦应加以注明。石灰碴、植物根、有机质或古池塘往往含贝壳。邻近设施对土质的影响，如管道漏水则使粘性土稠度变软、地下水位抬高。
取土样的标准表格，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类型及适用条件有：探槽、试坑、浅井、竖井(斜井)平硐和石门(或平巷等)。前三者为轻型坑探工程，后三种为重型坑探工程(图1-3)。
表1-16 土样标签
图1-3 岩土工程常用的坑探类型示意图
1—槽探；2—试坑；3—竖井；4—平硐；5—石门；6—浅井
坑探险的特点：直观细致性、精确可靠性、取样灵活性。
一般情况下坑探占勘察工作量的10%。主要用于：若岩层露头很差，但覆盖较薄(3m以内)时可采用，主要为测绘服务；或者用于校核、补充其他勘察资料；也可以用于原状样的采取或做大型原位测试；另外，在工程重点部位及特殊问题的研究时，也可用岩土工程坑探。
坑探要求描述的内容有：地质剖面，岩石、软弱面、软弱带的产状，断裂及破坏的详细情况，岩石物理状态的可靠性资料保持原状结构和状态的岩土样，要在坑道内做原位测试。必要时可编制平硐展视图，通常采用的比例尺为1：25～1：100。
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