南京—再谈岩土工程中的基本思想和误区释疑.doc

再谈岩土工程中的基本思想和误区释疑 （提纲） 一、 岩土体工程地质的宏观规律与岩土工程的宏观控制 工程地质与岩土工程密不可分。前者是基础，后者是延伸，二者归根结底是解决岩、土、水的工程性质和工程措施问题。 两种控制论 1、岩体的工程性质地层岩性和地质构造岩体结构即所谓“结构控制论” 2、土体的工程地质地貌单元、地质时代、地层组合、地下水，即所谓“地貌第四纪地质宏观控制论” 3、宏观控制是定性，是前提和基础。逻辑学上是“大前提”，是“必要条件”。工程中的逻辑思维非常重要，违背了逻辑必然造成错误或浪费。 实例图 图1江汉平原武汉地区概化地质剖面图 图2 内迭式阶地示意图 二、 基础经典理论和传统方法是必备的基本功 1、地质学与工程地质学的基础普通地质学、地貌第四纪地质学及工程地质学 岩体中国区域地质、构造地质、岩石分类、岩体力学 土体地貌第四纪地质、太沙基的经典土力学（土的压缩性、土的抗剪强度、挡土墙的土压力）、地基与基础。 2、地下水分类（见笔者撰写的基坑工程指南中表4-1地下水工程分类表）、达西定律、裘布依公式 （理解每个参数的实际意义和相互间的数字关系）。 地下水的综合分类及相应的基坑工程地下水控制原则见表4-1。 地下水综合分类表 表4-1 类型 含水层性质 水力特点 分布区与补给区的关系 动态特征 含水层状态 含水层分布 及水量特点 附 注 上层滞水 孔隙水 人工填土、淤泥透镜体中水、多年冻土融冻层水 无压 一致 随季节变化 层状或透镜状 空间分布的连续性差，有时水量较大 基坑工程对此类水多采用竖向帷幕和坑内集水明排 潜 水 孔隙水 第四系粉土、砂、卵砾石、黄土，第三系半胶结砂砾岩，冻土层中水，岩浆岩全、强风化带中水 无压 一致或临近地表水体补给 随季节变化 层 状 含水层分布及含水特性受所属的地貌单元、地层时代、地层组合控制，宏观规律性强 基坑工程对此类水宜采用竖向帷幕，能落入隔水底板时采用封闭式降水，否则采用开放式降水。降水可采用大口集水井、轻型井点或管井 裂隙水 各类岩体的卸荷、风化裂隙带中水、或构造裂隙、破碎带内水 无压、局部低压 一致或相邻富水区补给 随季节变化 层状、带 状 分布及含水性受岩性和构造影响明显，总体上水量不大 基坑工程对此类水多采用集水明排 岩溶水 可溶岩体的溶蚀裂隙和溶洞中水 一致或临近地表水体补给 随季节变化 层状、脉 状 受岩溶发育规律控制，包气带岩溶季节性含水，其水量不大。饱水带一般水量不大，有时较大 基坑工程对此类浅部岩溶水可采用集水明排或管井降水 承 压 水 孔隙水 第四系层间粉土、砂、卵砾石、黄土，第三系半胶结砂砾岩层间含水层中水，或多年冻土层下部含水层中水 承 压 不 一 致 随季节变化 层 状 冲积平原、河流阶地、河间地块、古河道等均具有二元结构特征，承压水头较高，水量丰富；三角洲和滨海平原具有互层特性，多层层间水呈低压性，水量小于前者 基坑工程对二元结构冲积层承压水宜采用管井降水或竖向及封底帷幕加封闭式降水。临近江、河、湖、海并具有较高承压水头时，封底帷幕很少奏效，宜采用悬挂式帷幕加深井降水，或落底帷幕加封闭式降水 裂隙水 基岩构造盆地、向斜、单斜、断层带中水 随季节变化不明显 层状、带 状 分布受岩性、地质构造控制，一般水量不大 基坑工程很少涉及此类水， 如有涉及可集水明排 岩溶水 临近江、河、湖、海岩溶带中水或构造盆地、向斜、单斜构造中可溶岩层中岩溶水 有季节性变化或随季节变化不明显 层状、脉 状 临近地表水体的可溶岩体岩溶发育带呈层状分布，河间地块或高山区河流有时成地下河。总体上含水丰富、水量大 一般基坑工程较少涉及此类水，超深基坑若涉及浅部岩溶承压水时，水量不大者可用管井降水或集水明排；水量很大且强排无效时，宜做帷幕堵塞岩溶通道后降水疏干 注此表参照一些类似的分类表改编而成,为使基坑工程地下水控制更有针对性地使用此表，特另加附注。 3、以工程大类划分的工程地质与岩土工程地基、边坡、隧道（洞室）三大类 4、特殊、不良地质类型的基本理论、方法（滑坡、崩塌、泥石流、岩溶、地震） 5、数理统计的主要方法（各类指标的统计、回归、判别、因子） 三、常见的误区释疑 1、数值分析（有限元）的滥用 多数情况下适于定性；某些条件下（如杆件有限元）可参考使用； 2、判别分析中的“模糊”与地质单元、层位、土性脱离（把本不模糊的对象故意模糊）。 3、地震砂土液化判别中所谓“液化点”的错误概念。正确方法应按散点图或统计N值（删除假N值）。 图3 饱和砂土地震液化判别图 4、岩体稳定性验算中“圆弧法”的误用（岩体中软弱结构面控制滑动）。 5、岩体锚固设计中取C、Φ值计算“土压力”，设破裂角（45-Φ/2）分自由端、锚固端应按岩体结构确定，因为岩体不是土，土力学不适用（如地铁钟家村站基坑）。 6，岩层“破碎”的误判与风化带划分， 分类表 硬质岩（全、强、中、微） 软质岩（全、强、中、微） 岩芯采取率不是岩层完整性的唯一标准；风化带划分应以岩石结构、矿物成分风化程度，尤其是岩块强度为准。 7、软硬互层岩体中的桩基不应“一摩到底”（摩擦桩，不算端承力）公路桥梁（不试桩）。 8、取原状土样应用取土器取土，而非岩芯管装土。土工试验指标可辨真假（1）不同时代土层物理力学指标差别显著；（2）同一土样的物理力学指标应匹配。 9、地下水分类、地下水位、水力联系问题 （1）岩土工程应理解为“岩、土、水”工程； （2）地下水分类的重要性在于不同类型地下水的工程特性和治水措施不同。见前附表地下水综合分类表4-1（针对基坑工程） （3）地下水位的重要价值被忽视 “混合水位”不但没用，反而有害于降水设计； 上层滞水水位、潜水水位、承压水头应分层止水、分类观测、还应掌握各类水位的季节变幅（如武汉一级阶地的承压水年变幅35m，最大8m）； （4）不要随意说“地下水与河流有水力联系”，一般情况下 一级阶地的潜水、承压水与河流有水力联系（随江河水位涨落）； 二级阶地（除非临江）的潜水，承压水与江河无水力联系或联系较弱（原因两阶地间为侵蚀接触，并无“过渡带”）。 10、与地下水位下降相关联的一些误区 一谈到地下水下降就联想到地面沉降，其实 （1）降水引起的地面沉降，主要发生在全新世Q4的含水层中； （2）超固结的“老土”中的含水层（Q3及其以前），既使水位降幅很大也很少产生不良影响的地面沉降； （3）真正引起地面沉降的地层是被疏干的含水层及其相邻的欠固结、可释水的部分地层（即压缩层）； （4）降水引起地面破坏性沉降的主要因素是沉降差，它由两方面因素决定地下水降落漏斗的水力坡度（取决于K、R）和含水层厚度的明显变化（相变）。如二元结构的冲积平原（沉降差3‰），前者可大面积、大幅度降水，后者则以隔渗为主和采用封闭式降水。 11、降水引起的“固结沉降”和含水层未疏干而发生渗透破坏（流土、管涌、突涌）引起的地面沉陷、开裂是两种性质截然不同的变形。 （1）降水引起的“固结沉降”符合太沙基一维固结理论，它发生时具有缓变性、相对均匀性和可定量性； （2）渗透破坏不是固结沉降，流土、管涌、突涌是含水层未被疏干的条件下开挖产生的涌水、冒砂，地下水土流失造成造成地面大量沉陷，伴随地表开裂，其影响范围数十米至上百米。如武汉地铁金色雅园站基坑（见图4） 图4 金色雅园站降水过程示意图 12、基坑工程中地下水控制的基本原则和方法选择 （1）、地下水控制是基坑工程的重点，有时是成败的关键。基坑重大事故90以上与地下水控制不当或失效有关； （2）基坑工程地下水控制方法分两大类降水疏干（减压）和帷幕隔渗，有时单独使用，多数联合使用； （3）不同地貌单元上不同类型地下水的控制方法（组合）有不同的选项，如 ①上层滞水或隔水底板埋藏较浅的潜水，多选择竖向帷幕隔渗，辅以坑内排水（集水明排或轻型井点）； ②二元结构冲积平原中的下层承压水，多采用悬挂式帷幕隔断浅部水。对下层承压水，多采用深井降水疏干或减压（开放式降水），而不宜采用落底式竖向帷幕或封底式水平帷幕加封闭式降水（误区水平封底和落底式竖向帷幕） ③滨海平原或三角洲中以粘性土（软土）与层间砂土、粉土含水层互层（弱承压水）条件下，宜采用侧边竖向封闭式帷幕（落入相对隔水层）和坑内封闭式降水，而不宜在坑外管井降水。 ④冲积平原中的高阶地（Q3及以前）或黄土高原中的更新世地层中的地下水位很深，浅基坑如遇潜水则往往是一级阶地中的Q4黄土中的地下水，此时宜采用竖向帷幕加轻型井点或管井（视K值大小），深层砂砾含水层则用管井降水。这类地层中降水不必顾虑“地面沉降”； ⑤西北高原中必须分清河流的一级阶地和高阶地或洪积扇等不同时代地层组合中地下水的不同特点。如包头煤化工厂储运场基坑（黄河一级阶地Q4粉土中潜水）与附近河西电厂（山前洪积扇Q3粉土、砂土潜水）的两种控制方案；邯郸市地下商业街Q3地层中含水层的简易处理。 13、地裂缝成因分析中的“地下水位下降”之说纯属谬误（以西安地裂和焦作白庄地裂为例） （1）国内地裂缝多属构造地裂 ①多发生在现今构造活动带上，并常与活动断裂伴生（西安处于汾渭地堑；焦作白庄处于凤凰岭与朱村断裂两个活动断裂之间、九里山断裂之上；太行山前地裂缝也在山前活动断裂带内） ②地裂形态和力学性质及其走向与现今区域构造应力场相吻合。 （2）地下水位下降引起地裂与固结理论不对号。 ①探坑揭示，白庄裂缝全部发生在更新世Q2及Q3地层中（如图5），其中可作为含水层的卵石层早已无地下水（上世纪80年代以前就已疏干），而裂缝在近年仍在活动。说明地裂缝形成与地下水位下降无关； ②即使在更新世地层中仍有地下水并在近期抽水引起地下水下降，这类老地层的固结沉降量也很微小，特别是沉降差很小（3‰）不能使地面开裂（漏斗坡度很缓）； ③白庄地裂均呈现水平拉裂，无错台；西安地裂还有两裂缝交叉时水平错位。均说明不是沉降差造成裂缝； ④西安地区的水井大多在100多米以下抽取第三系或第四系卵石层中水，超压密含水层疏干后固结量极小（因为Es很大）。成都市巨厚卵石层中降水，地面无沉降；总之，地裂成因分析中“地下水位下降”之说还是由于陷入了不管什么时代地层、是否含水层（压缩层），只要抽水就会引起地面沉降的误区所致。 14、岩溶地面塌陷的模糊认识 （1）岩溶地面塌陷不是石灰岩溶洞塌陷而是覆盖层塌陷（另稿“岩溶地面塌陷机理、类型及分布规律”） （2）地下河不是到处都有，岩溶水的垂直分带是理解岩溶水分布规律的基础（见图6） 14 图5、焦作白庄地裂素描 图6 岩溶水的垂直分带示意图 （3）防塌陷措施灌洞或帷幕最优，“盖封”不宜，其他如绕避、桩基、托换等。 场地深圳、汉南、大冶； 桥桩武咸高架桥桩孔灌浆； 水利清江、水布垭电站的灌浆帷幕； 矿山阳新赵家湾铜矿的注浆帷幕； 深圳大运中心土洞与溶洞探测与处理对象的选择。 15、地下室底板抗浮问题存在两大误区 其一， 不管基坑处于何种地层，是否有含水层存在，只要底板埋深超过一定深度一律进行抗浮设计，且将抗浮水位设定在地面（0.00）标高； 其二，不管基坑开挖方式、支护与隔渗形式如何，只要底板埋深超过一定深度也一律进行抗浮设计，也将抗浮水位设定在地面标高。 由于以上两种误解，往往在某些地质条件和支护形式下本来不需要抗浮或不必将抗浮水位设置在地面标高时，仍按水位在地面进行设计，花费几百万甚至上千万投资去打抗拔桩或抗浮锚杆，浪费十分惊人 其实，发生底板上浮基本上有三种情况 （1）地下室底板埋在潜水含水层中，底板没进入潜水或承压含水层底板，竖向隔渗帷幕也未进入隔水底板（如图7）。此时，抗浮水位标高（a）为历年最高潜水位，（b）为历年最高承压水位。 图7.地下室埋于潜水、承压水含水层中， 帷幕（墙）未进入隔水底板引起上浮 （2）放坡式开挖的基坑，地下室外墙与边坡之间回填土不密实、透水（如图8）。此时，造成上浮的是地表水，水位标高在地面。 图8.回填土不密实，形成人工含水层上浮 （3）地下室外墙与竖向围护结构（排桩或帷幕）之间的空间（0.8-1.0m）回填不密实形成水柱造成上浮（图9），此时，造成上浮的是地表水，水位标高在地面。 图9.地下室外墙与支护间回填不严密，形成水柱造成上浮 以上三种情况如无法补救则应考虑抗浮（桩、锚）； 以下两类（三种）情况，可不考虑抗浮 （1） 地下建筑物埋于不透水层，周边回填土密实不透水，地表有可靠的防水，排水措施时，可不考虑抗浮（湖北省建筑地基基础技术规范第11.4.11），参看图8、图9，做好回填和地表防水、排水； （2） 地下室处于潜水或承压含水层中，但围护结构为地下连续墙或有保证不透水的隔渗帷幕（如三轴搅拌水泥土帷幕、素混凝土墙、自凝灰浆连续墙等），以下几种情况可不考虑抗浮（如图10） 图10.潜水或承压含水层中地下室不需抗浮的几种条件 综上，关于地下室是否考虑抗浮（桩、锚、压重）措施，主要取决于以下三方面因素 1） 场地地层（含水层、隔水层）组合及地下室类型特点； 2） 支护结构类型（连续墙、排桩、喷锚等）； 3） 隔渗帷幕类型、深度和地面防水、排水措施。 勘察和设计人员应密切配合，根据以上三方面因素综合考虑，合理确定。在指导思想上，应主要着眼于主动隔渗、防渗，而非被动地抗浮。 16、关于“全球变暖是因CO2排放“温室效应“理论是伪科学地貌及第四纪地质学关于地球气候变化历史的学习“新”得。 （1）地球气候冷暖的周期性变化是自然规律，不是所谓碳（CO2）排放所致。 ①冰期、间冰期、后冰期。第四纪至今200万年中经历过四次大冰期和三次间冰期（早更新世两次冰期、中更新世一次冰期、晚更新世一次冰期，其间有三次间冰期，全新世至今未冰后期）这已是举世公认的事实，已被大量、确凿的地质、古生物、古气候研究所证实。 ②海平面升降是气候变化的重要标志 由武汉长江一级阶地Q4 沉积厚度50m（年龄1万年）引出东海平面升降问题，地貌学及第四纪地质学教科书（1981年版）中找到答案 i.武汉长江一级阶地Q4（一万年）沉积厚度50米，基岩标高-30m，一万年前长江如何入东海从老教科书中找到了答案。 ii.书中说“距今15000年前左右，海平面降至最低，位于现代海平面下-130米“，根据大量C14年龄资料，距今14000年开始世界海平面有一次急剧上升（气候急剧变暖），在6000年前达到现在海平面高度，以后逐渐趋于稳定（见图11）。 认为这是世界进入冰后期，气候转暖，冰川大量融化引起海平面上升，形成全新世海侵。 图11 最近两万年来海平面升降曲线 （摘自C14年龄测定方法及其应用，贵阳地化所编，稍有变化） 此外，中国北方近几千年古气候变化也显示小周期的冷暖变化。如天津市中心区在近代地层中存在三条“贝壳堤”（海侵）。说明有三次海平面上升（变暖）和海退（变冷）。 另如,我国著名气象学家竺可桢曾撰文称3000年前洛阳曾产柑橘，说明当地气候在变冷；安阳殷墟出土化石中有大象化石，也说明当时是暖湿气候。 试问，上述事实与所谓碳排放的“温室效应”有何关系 ③古气候研究的地质学方法和证据 至上世纪80年代之前，地学界对古气候研究就已取得大量证据，证明了第四纪古气候的周期性变化，没有一点和CO2有关。 i.生物化石气候证据 生物化石（动、植物）可以指出各种气候类型。如极地气候、温带气候、森林气候、干旱气候等等。 某些生物种属的分布，受到温度（或纬度）限制，称为“窄温性”，这类生物化石又分为“示冷”或“示暖”组合。利用这些化石的分布可以推知各地区气候的冷暖变化。如猛犸象生活在极地苔原上，但在欧洲、亚洲、北美的中纬度地区第四纪地层中都曾找到它的化石，这是极地气候带曾经扩大的证据。 ii.沉积物气候证据 冰碛物寒冷气候的标志 有机物气候变暖的证据 风化壳和古土壤反映间冰期温湿气候 黄土和风砂沉积代表干旱气候（沙尘暴） iii.地貌和冰缘结构气候证据 冰斗现代冰川位于雪线附近，古冰斗可推测雪线位置。 滨海贝壳堤海侵线位置。 大陆架上埋藏河谷当年海退标志，等等。 iv.深海沉积物中的气候证据 深海有孔虫“门氏有孔虫”组合生活于赤道（示暖）；“饰带透明虫”生活于寒冷水域（示冷） 其他碳酸盐含量分析、浮冰碎屑含量分析、氧同位素分析等都能提供古水温数值。 （2）地球第四纪气候变化的根本原因是太阳和地球内部的周期性变化。 几种假说 ① 米兰科维奇利用地球轨道要素（轨道偏心率e、黄道面倾斜ε、岁差Ρ等）的长期变化与太阳辐射量之间关系解释气候变化； ② 辛普森利用太阳辐射变化解释第四纪冰期出现原因； ③ 弗林特把太阳辐射和造山运动（地形变化）结合起来分析地球变化； ④ 北京大学大气环流变化造成异常气候（干旱和多雨洪水） 洋流异常引起大气环流异常 地球自转速率、偏心率和海底地壳温度（地幔岩浆活动）引起洋流异常。 ⑤ 总之，从整个地球活动和太阳等天文因素变化探索气候变化的原因，才是一条根本途径。 （3）国内外气象、天文、地质学家的质疑之声 ① 哥本哈根大会外的反对派科学家的示威、散发传单 揭露研究中心造假、称其为“人类科学史上最大的丑闻”； ② 承续成、赵宗慈质疑全球变暖，害苦了广东、福建、云南果农。 ③ 环球时报09.12.11“全球变暖，谎言还是事实” ④ 环球时报09.12.18“影响气候变化，人类微不足道” （4）基本观点 ①不是反对节能减排，而是反对碳排放造成全球变暖和强迫发展中国家定量减排； ②地球气候的冷、暖变化是周期性的（冰期、间冰期、冰后期）。6000年以来地球气候处于波动式稳定变化中，一些年份变暖，一些年份变冷； ③气候冷暖的大周期变化是以自然因素（太阳和地球）为主导的，人类不可抗拒；碳排放“温室效应”只影响小气候； ④ 地球气候变化的研究应该是多学科的（气候、天文、地质）的综合研究，不能只靠数学模型，不能只是一家之言。 结语 1、 宏观控制论是法宝，逻辑推定是主要思维方式； 2、 地质基础、力学经典理论和传统方法是必备基本功，要精通； 3、 经验与理论相辅相成今后几十年工作中要不断总结经验，同时要与相关理论对上号； 4、 牢固树立工程地质与岩土工程的技术、经济与社会价值观“安全可靠”同时要“经济合理”，这是工程地质与岩土工程的两大目标。