巖土技術革新現況分析范文

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1.巖土工程的科學技術基礎

1.1內涵

巖土工程的理論基礎包括巖土力學與工程地質學，巖土工程技術體系的主要內容就是力學、地質學以及工程的密切結合。巖土工程是基于傳統力學理論發展而來的，比如極限平衡、應力應變關系、滲透理論等等，并產生了土力學與巖石力學兩門學科。不過大量工程實踐證明僅靠單純的力學計算可靠性并不高，一些復雜的實際問題無法得到根本解決。這是由于巖石材料、結構與其它材料相比存在差異，比如鋼筋、混凝土的材質比較均勻，材料與結構均是工程師設計確定好的，有明確的計算條件，所以計算時基于力學基礎所得的結果是可信的。但是巖土材料是復雜地質經過漫長歷史作用的產物，無法隨意選擇，不具備可控性。所以要查明條件與測定相關參數，則要依靠地質科學對這些條件進行正確的認識與理解。

1.2技術支撐

巖土工程的技術支撐包括探測、軟件以及施工技術。其中探測技術主要包括工程物探測、室內試驗、質量檢驗、工程監測、原位測試以及鉆探取樣等等，不僅有繁多的種類，而且技術水平也在不斷的發展、提高。從某種意義講，探測技術是巖土工程的眼睛，是獲取信息的重要手段，也是進行巖土工程分析的基礎。而現在計算機科學技術不斷發展，巖土工程的分析越來越需要計算機軟件的輔助，一些穩定分析、滲流分析以及變形分析等，因為參數多變且條件復雜，簡單的代數公式無法描述，所以要采用可以將巖土特性的本構關系反映出來的計算模型，把巖土與結構的協同作用同時考慮進來。最后，巖土工程的最終目的就是建造工程，因此施工技術也非常重要，比如排水與止水、挖土與鉆井、制樁與注漿、錨固及土工合成材料的應用等等。提高施工技術水平不僅可以提高效率、保證質量，而且可以促進設計水平的提升。比如一些地基處理工法、樁基工程的創新等，均是先有施工技術，設計計算后續才跟進。

1.3巖土工程離不開科學理論的指導

處理問題時如果只憑借直觀的經驗而未深刻理解科學原理，可能會導致原則性或者概念性的錯誤，反之如果對科學原理有深刻理解則可以舉一反三，透過現象看本質。對于巖土工程而言，常用的科學原理包括力學原理、巖土性質的基礎概念、地下水的運動規律、巖土與結構的共同作用、地質演化規律、工程與環境的互相作用等等。比如有效應力原理，從材料力學中分離出一門土力學，其中有效應力原理功不可沒。工程中很多地方都會應用到有效應力原理，比如強度計算、穩定計算的總應力法、有效應力法、地基土的固結沉降、樁的擠土效應等等。

2.巖土工程中用到的科學方法

2.1調查

所有的科學研究均始于數據的收集，巖土工程同樣要先進行勘察。調查是一種科學方法，不僅要求其真實性，而且要強調其目的性，即調查活動要出于工程設計施工的需要。通常設計人員要親自進行調查工作，設計、勘察是一體的，這樣才能保證設計人員對現場條件的充分掌握，保證勘察工作與設計需求相符。不過我國由于體制問題巖土工程的勘察、設計是互相分離的，這也是制約我國巖土工程勘察設計發展的原因之一。此外，前期的勘察固然重要，后期檢驗與監測也屬于數據收集、分析的范圍，也是保證工程質量、安全的重要工作。

2.2實驗

此處提出的實驗并非普通的水工試驗或者水質分析等，此處所談的是更深意義上的科學實驗。科學原理強調可重復性，即如果科學原理得到證明，無論在任何情況下只要條件相同均可發完全重復。科學工作的基本手段即為科學實驗，而鑒別科學、偽科學的重要條件就是可重復性。比如一些地基處理技術在正式施工前要進行現場試驗，其主要目的就是為了獲取數據，并證實技術的適用性與可重復性。

2.3推理

科學推理包括兩大類別，即演繹推理與歸納推理。其中演繹推理是從一般到特殊，歐幾里德幾何就是其中最典型的例子，它開始于幾條最基本的公理，卻推導出一系列的定理。力學計算的思維模式通常都是演繹推量，其以力學基本原理為基礎，再結合具體條件，構建出對應的模型后進行求解，其所強調的是基于設定條件的定量計算。這一過程由于推導嚴密，因此只要條件相符且保證數據的正確性，就可以得出可信的結論。而歸納推理恰恰相反，其是由特殊到一般的過程，典型的例子就是地質學的創立。地質學通過大量的野外調查獲取大量的信息，再對這些數據進行對比分析，總結出科學規律，推斷地層的次序、地質歷史時期的氣候、巖漿活動等等內容，其是一個從粗到細、不斷完善的過程。比較而言，兩種推理方法各有優缺點，利用演繹推理要注意實際條件與計算條件的差異以及計算參數的可靠性。巖土工程有著條件不確知性以及參數不確定性的特點，無法完全查清地質條件，而且巖土參數有一定的離散性，再加上巖土體與結構復雜的互相作用，所以導致測試條件與工程實際的差異較大。盡管力學計算的發展很迅速，再輔助一些計算軟件，但是計算結果和工程實際還是存在一些差別的，甚至會有很大差別。而以歸納推理為基礎進行分析判斷，則強調宏觀把握，其對于數據的與綜合能力的要求比較高，且定量化較差，甚至會受到地質、人為因素的局限。因此在實際巖土工程設計中要采用綜合判斷的方法，即將兩種推理方法結合應用，輔以必要的工作，提高判斷的合理性。

2.4驗證

真理總是可以經得起檢驗的，而工程相關的科學理論更是要確鑿無疑，其質量與安全才能得到保證。有些推斷因為沒有十足把握，所以更加需要驗證。比如物探是根據儀器所檢測的巖土體物性差異，來推斷巖土體的分布，其屬于間接勘探，因為多解性普遍存在，所以出現推斷差錯也不可避免，所以要進行驗證。

3.巖土工程的新科技

3.1變形

巖土工程一個非常常見的問題即為變形，傳統的變形問題是巖土的應力應變，其理論已經相當成熟，且總結了十分豐富的經驗。隨著人們對生態環境保護要求的不斷提高，巖土工程也會涉及到一些新領域，產生一些新技術。比如垃圾填埋，其變形通常分為兩部分，一是基于自重壓力的壓縮變形，其機理和巖土的應力應變大概相同；另一部分是垃圾中有機物降解導致的變形，其屬于生物化學的范疇，這對于巖土工程師而言就是一個新問題。細菌作用于有機物后會把固體物質分解為氣體與液體，再利用收集系統導出，填本就會發生沉降。填埋工藝決定了沉降的速度，比如好氧填埋的穩定速度比較快，而厭氧填埋的穩定時間就比較長。因為填埋體成分、壓實程度、氧氣供應、填埋厚度與次序等均有所不同，所以差異沉降無可避免，嚴重的話會破壞防滲膜以及封蓋層。這種沉降分析存在較大難度，目前主要采用反分析法。

3.2滲透

傳統的巖土工程對于滲透問題主要側重于層狀含水層以及強透水層的問題，其中透水層與隔水層有著比較明顯的區別。不過應用于文物保護中傳統的理論與方法適用性就不強，因為石窟文物保護中，研究的對象巖體處于包氣帶，地下水沿著網狀、脈狀以及諸多變化的巖石裂縫滲流，雖然數量不大但是帶來的危害卻很大。巖土工程的勘察主要是了解裂隙水的滲流通道，采用針對性的防治措施。再比如上述的垃圾填埋場，如果其所建的巖土體透水性較小，屬于傳統的不透水層，而在垃圾填埋場就要考慮到其滲濾液是否會滲透。針對這種情況現在還缺乏相應的實測數據，無法對污染物的運移規律數據進行實測，這也是環境巖土工程的核心問題之一。通常利用彌散理論解決地下水中溶質運移的問題。彌散理論所研究的是多孔介質中溶混物質的運移機理，其所描述的是溶混流體間彼此驅替的復雜現象。如果兩種流體在多孔介質中接觸，濃度高的物質一定會運移致濃度低的物質，界面會形成一個過渡混合帶，該混合帶會不斷擴大，最終趨于均勻化，這種現象即為彌散現象。彌散包括縱向彌散與橫向彌散，其呈現出非穩定性、不可逆性、隨時間變化而變化的特點，造成彌散的原因多種多樣，比如水流動、濃度梯度所造成的分子擴散；流體和介質發生的離子交換、化學與生物反應等作用；介質中存在不流動水以及介質流速的均勻性等，這些現象均會發生彌散，不過其中最主要的還是力學的對流彌散與分子濃充梯度導致的分子擴散。