现代土木工程 7

第7章7.1岩土工程定义及分类岩土工程一词最早译自Geotechnique，早期译为“土工学”，后译为“岩土工程(GeotechnicalEngineering)”，这比“土工”的涵义更为广泛和确切。关于岩土工程的定义，中国土木建筑百科词典对岩土工程的释义为：“以工程地质学、岩体力学、土力学与基础工程学科为基础理论，研究和解决工程建设中与岩土有关的技术问题的一门新兴的应用科学”。(1)岩土工程是以土力学与基础工程、岩石力学与工程为基础，并和工程地质学密切结合的综合性学科。(2)岩土工程以岩石和土的利用、整治或改造作为研究内容。(3)岩土工程服务于各类主体工程的勘察、设计与施工的全过程，是这些主题工程的组成部分。岩土工程又有其特有的、不同于上部结构的自身规律和研究方法，将它们的共同规律从各种主体工程中归纳出来进行研究有助于更好地解决各类工程中的岩土工程问题，

岩土工程或岩土技术是随着人类的出现与发展，不断获得进展的工程技术。岩土工程技术活动的产生可以追溯到史前时期，而形成现代意义上的岩土工程学科尚不足100年。意大利比萨斜塔奠基动工于1173年，而竣工于1372年，历时整整200年，在塔身建至3层半时发生了不均匀沉降，因无法处理而被迫停工，一停就是94年，后于1272年带着倾斜复工，倾斜加剧又被迫停工，一停又是82年。

虎丘斜塔是现存最古老的砖塔，也是唯一保存至今的五代建筑。塔身设计完全体现了唐宋时代的建筑风格。虎丘斜塔被尊称为“中国第一斜塔”和“中国的比萨斜塔”。虎丘塔现高47．5米，塔身全为砖砌，重6000多吨。据记载，由于地基原因，自明代（1368一1644）起，虎丘塔就向西北倾斜，塔顶中心偏离底层中心2.34米，斜度2゜40’。1956年，苏州市政府邀请古建筑专家采用铁箍灌浆办法，加固修整，终于保住了这座亩塔。

岩土工程是一门综合性的学科，是在许多学科先后发展的基础上逐步融合而形成的，岩土工程学科的形成是一个学科综合与交叉的过程，在综合之中又衍生出一些新的学科。因此，岩土工程的分支学科包括基本学科和交叉学科两类。

基本学科:

土力学与基础工程学岩石力学与工程学工程地质学

交叉学科:

在岩土工程基本形成以后，由于工程实践的需要和科学技术发展而逐步形成的分支学科，如环境岩土工程学。(1)气候变暖引起的岩土工程问题。(2)与自然灾害有关的岩土工程问题。(3)与特殊土有关的岩土工程问题(4)由于城市建设引起的岩土工程问题。(5)城市发展引起的岩土工程问题。(6)与放射性核废料和石油储备等相关的岩土工程问题。(7)矿山开采引发的岩土工程问题。(8)土地复垦和再利用有关的岩土工程问题。(9)与历史文化遗产保护有关的岩土工程问题。(10)敏感性生态区的岩土工程问题。岩土工程的基础是岩土工程勘察，根据处理对象其可分为基础工程、地基处理、基坑工程等。7.2岩土工程勘察岩土工程勘察是土木工程建设的基础工作。岩土工程勘察需符合国家、行业颁布的现行有关标准、规范的规定。

(1)岩土工程勘察基本任务

岩土工程勘察是工程建设的前期工作。它是运用工程地质及有关学科的理论知识和各种技术方法，在建设场地及其附近进行调查研究，为工程建设的正确规划、设计、施工和运行等提供可靠的地质资料，以保证工程建筑物的安全稳定、经济合理和正常使用。岩土工程勘察的目的是查明建设地区的工程地质条件，提交岩土工程评价报告，为选择设计方案、设计各类建筑物、制定施工方法、整治地质病害提供可靠依据。

(2)工程地质测绘工程地质测绘与调查的目的是通过对场地的地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水与地表水、不良地质现象进行调查研究的测绘工作。

工程地质测绘就是填绘工程地质图，根据野外调查综合研究勘察区的地质条件，填绘在适当比例尺地形图上加以综合反映。工程地质测绘方法有实地测绘法和像片成图法，其中实地测绘法是在测区实地进行地面地质调查工作。

(3)工程地质勘探工程地质勘探方法主要有物探、触探、钻探、坑探等方法。物探的全称叫地球物理勘探，它利用专门仪器探测地壳表层各种地质体的物理场，包括电场、磁场、重力场等，通过测得的物理场特性和差异来判明地下各种地质现象，从而获得某些物理性质参数的一种勘探方法。当前常用的物探方法有电阻率法、电位法、地震法、声波法、电视测井法等。

触探是把装有电阻应变仪或电子电位差计的探头顶入或打入地下，根据探头进入地基土地层时所遇到的阻力，可直接得到地基承载力的方法。

钻探是利用钻机在地层中钻孔，以鉴别和划分地层，并可沿孔深取样，用以测定岩石和土层的物理力学性质。

钻探一般分为回转式和冲击式两种。钻探是目前地质勘探的主要手段。如图所示的分别是在陆地上进行的钻探和水上进行的钻探。坑探是在地表向深部掘坑槽或坑洞以取得直观资料和原状土样，以便地质人员直接深入地下了解有关地质现象或进行试验等的地下勘探方法。

(4)工程地质勘察报告的编制地质勘察的最终成果以报告书的形式提出。勘察工作结束后，将取得的野外工作和室内试验的纪录和数据以及搜集到的各种直接和间接资料进行分析整理、检查校对、归纳总结后，作出建筑场地的工程地质评价。7.3基础工程任何建筑物都要建造在一定的地层(土层或岩层)上，因此，工程结构的形式、施工和造价等都与工程场地的工程地质条件密切相关。通常把直接承受建筑物荷载的那一部分地层称为地基。未经人工处理就可以满足设计要求的地基称为天然地基。经过人工加工处理(例如采用换土垫层、深层密实、排水固结、化学加固、加筋土技术等方法进行处理)的地基称为人工地基。地基与基础设计必须满足两个基本条件：

①强度条件②变形条件

根据埋置深度，基础可分为浅基础和深基础。7.3.1浅基础通常把位于天然地基上、埋置深度小于5m的一般基础(柱基或墙基)以及埋置深度虽超过5m，但小于基础宽度的大尺寸基础(如箱形基础)，统称为天然地基上的浅基础。(1)按基础刚度分类①刚性基础②柔性基础

(2)按构造分类①独立基础②条形基础③筏板基础和箱形基础④壳体基础柱下独立基础施工照片①刚性基础刚性基础是由砖、石、素混凝土或灰土等材料做成的基础。其抗压性能较好，而抗拉、抗剪性能较差，一般用于地基承载力较好、压缩性较小的中小型民用建筑。②柔性基础柔性基础指基础内配置受力钢筋，可以抗拉和抗弯，且不受刚性角限制。目前，柔性基础一般指钢筋混凝土基础。它的抗弯刚度较小，地基反力分布与作用和基础上的荷载分布完全一致。

独立基础是整个或局部结构物下的无筋或配筋的单个基础。通常柱基、烟囱、水塔、高炉、机器设备等基础多采用独立基础。条形基础是指基础长度远远大于其宽度的一种基础形式。按上部结构型式可分为墙下条形基础和柱下条形基础。钢筋混凝土条形基础又分为有肋和无肋条形基础。当地基承载力还不能满足要求时，可以采用柱下连梁式交叉基础和柱下交叉条形基础。当柱子或墙传来的荷载很大，地基土较软弱，用单独基础或条形基础都不能满足地基承载力要求时，往往需要把整个房屋底面(或地下室部分)做成一片连续的钢筋混凝土板，作为房屋的基础为筏板基础。

为增加基础板的刚度，以减小不均匀沉降，高层建筑往往把地下室的底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙一起构成一个整体刚度很强的钢筋混凝土箱形结构为箱形基础。为改善基础的受力性能，基础的形式可不做成台阶状，而做成各种形式的壳体，称做壳体基础。7.3.2

深基础位于地基深处承载力较高的土层上，埋置深度大于5m或大于基础宽度的基础，称为深基础。当建筑场地浅层的土质无法满足建筑物对地基变形和强度方面的要求，而又不宜做地基处理，或建筑物有特殊要求时，可利用下部深层坚实土层或岩层作为持力层，此时可采用深基础形式。常见的深基础有：桩基础、墩基础、沉井(箱)基础、地下连续墙等。(1)桩基础桩基础由设置于土中的桩和承接上部结构的承台组成。根据承台与地面的相对位置不同，分为低承台桩基和高承台桩基；根据达到承载力极限状态时荷载传递的主要方式分为端承桩和摩擦桩两大类。

表7.1桩基础的分类分类依据类型特性或优缺点受力情况端承桩荷载由桩端阻力承受摩擦桩荷载由桩与土的摩擦力承受端承摩擦桩或摩擦端承桩荷载由桩端阻力与桩与土的摩擦力共同承受使用材料木桩储运方便，打桩设备简单，较经济，但承载力较低，适用于常年在地下水位以下的地基混凝土桩现场开孔浇注混凝土成型，所需设备简单，操作方便、经济，但可能产生“缩颈“、断桩、局部夹土和混凝土离析等质量原因钢筋混凝土桩承载力大，不受地下水位限制，但自重大，需笨重的打桩设备钢桩自重轻，承载力高但耗钢量大，成本高，易腐蚀，适用于大型、重型的设备基础以及部分高层建筑施工方法预制桩桩施工速度快、工期短沉管灌注桩无需预先制作和运输，可根据内力大小分段配筋或不配筋以节约钢材，桩长在施工过程中取定，横截面可做成大直径或扩底桩，无预制桩施工时的振动和噪音，但施工周期长，易造成缩颈等质量事故钻、冲、磨孔灌注桩挖孔桩挤土效应挤土桩将桩位处的土大量挤开，使桩周一定范围内的土结构受到严重挠动和破坏，粘性土抗剪强度降低，无粘性土则由于振动挤密提高抗剪强度部分挤土桩桩周土稍有排挤作用，但土的强度和性质改变不大非挤土桩将孔内土体清除出去，桩对土没有排挤作用，桩周土反而可能向孔内移动，桩侧摩阻力有所减小。桩基础的分类(2)墩基础墩基础是在人工或机械成孔的大直径孔中浇筑混凝土(钢筋混凝土)而成，我国多用人工开挖，亦称大直径人工挖孔桩。目前，对于墩基础与大直径桩尚缺乏明确的界限，一般当直径大于1500mm时可称为墩柱式基础。

此外，根据成孔方法可分为钻孔墩、挖孔墩、冲孔墩，一般前两种因成孔较方便而应用较多，冲孔墩应用较少。墩基础因设计计算简单、施工方便而得到广泛应用，(3)沉井基础沉井基础通常是用钢筋混凝土或砖石、混凝土等材料分数节制成的井桶状、圆形、方形或矩形结构物。依靠自身重量，采取边挖土边下沉的方法施工修筑。沉井是开口的，依靠人工或机械将井筒内土挖出，而沉箱是闭口的。采取气压排除箱底水后，再进行挖土形成，故称气压沉箱。

沉井基础的优点：埋深大，承载面积大，能承受较大的垂直荷载和水平荷载，整体性强，稳定性好，既是基础，也是施工时的挡土或挡水围堰，且施工对临近建筑物的影响小，内部空间可利用，常作为工业建筑物尤其是地下建筑物的基础或矿用竖井、地下油库等。沉井基础的缺点：工期长，对粉细砂类土在抽水时容易发生流砂现象，造成沉井倾斜，在下沉过程中如遇独石、树干或井底岩层表面倾斜过大时，都会给施工带来困难。

(4)地下连续墙

地下连续墙可起到挡土、支护、防渗及截流等作用，也可作为地下建筑和基础一部分。

地下连续墙的优点是刚度大，既挡土又挡水，施工时无振动，噪音低，可用于任何土质。施工过程：利用专用的挖槽机械在泥浆护壁下开挖一定长度(一个单元槽段)→挖至设计深度并清除沉渣→插入接头管→吊入钢筋笼→导管浇注混凝土→待混凝土初凝后拔出接头管→逐段施工。此外，结合地下连续墙的特点，工程上产生了逆作法施工工艺，即在作好维护结构的基础上，对基础与上部结构同时进行施工。7.4地基处理地基处理的对象是软弱地基和特殊土地基。地基处理的目的是采用各种地基处理方法以改善地基条件，这些措施包括以下五个方面的内容。(1)改善剪切特性(2)改善压缩特性(3)改善透水特性(4)改善动力特性(5)改善特殊土的不良地基的特性根据地基处理加固原理，将地基处理方法分为六类，即置换法、排水固结法、灌入固化物法、振密、挤密法、加筋法、冷热处理法。

(1)换填法当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换土垫层来处理软弱地基。即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等，并夯实至密实。

(2)预压法预压法是一种有效的软土地基处理方法。该方法的实质是，在建筑物或构筑物建造前，先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，土体密实，提高地基承载力和稳定性。

(3)排水固结法

饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙水缓慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基逐渐固结。同时，随着孔隙水压力的逐渐消散，有效应力逐渐增长，地基土的抗剪强度也相应得到提高。排水固结法在实际工程中通常采用砂井、袋装砂井和塑料排水带进行排水固结

(4)强夯法强夯法是法国L•梅纳1969年首创的一种地基加固方法，即用几十吨重锤从高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。实践证明，经夯击后的地基承载力可提高2～5倍，压缩性可降低200～500％，影响深度在10m以上。

(5)振冲法振冲法是振动水冲击法的简称，按不同土类可分为振冲置换法和振冲密实法两类。振冲法在粘性土中主要起振冲置换作用，置换后填料形成的桩体与土组成复合地基；在砂土中主要起振动挤密和振动液化作用。振冲法的处理深度可达10m左右。

(6)水泥土搅拌法通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软土和固化剂(浆液状或粉体状)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生一系列物理化学反映，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基，处理深度可达8-12m。工艺流程：深层搅拌机定位→预搅下沉→喷浆搅拌提升→重复搅拌下沉→重复搅拌提升直至孔口→关闭搅拌机、清洗→移至下一根桩位。

(7)石灰桩法石灰桩是指采用机械或人工方法在地基中成孔，然后灌入生石灰块或按一定比例加入粉煤灰、炉渣、火山灰等掺合料及少量外加剂进行振密或夯实而形成的桩体。石灰桩适用于加固杂填土、素填土、淤泥、淤泥质土和粘性土地基，对素填土、淤泥、淤泥质土的加固效果尤为显著。石灰桩复合地基

(8)沉管挤密碎石桩法

沉管挤密碎石桩法是指利用振动或冲击沉管方式，在软弱地基中成孔后，填入砂、砾石、碎石等材料并将其挤压入孔中，形成较大直径的由砂石构成的密实状体的地基处理方法。主要包括砂桩法、挤密砂桩法和沉管碎石桩法等。沉管挤密碎石桩施工

(9)冻结法冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工。

(10)加筋法

加筋法是在土中加入条带、成片纤维织物或网格片等抗拉材料，依靠它们限制土的侧移，改善土的力学性能，提高土的强度和稳定性的方法。可用于挡墙、桥台、堤坝、道路路基、地基等工程。

(11)托换技术

托换技术是指为了消除对现有基础建筑物功能与结构等可能带来的影响，对现有基础建筑物进行加固补强、对建筑物的持力层地基进行改良、新基础设置及新旧基础替换等工程。基础需要托换的原因很多，如在现有建筑物下进行隧道施工；地下水位下降引起房屋下沉；原有基础腐蚀或损坏等。根据实际工程对托换技术的要求不同，托换技术可包括增层、纠倾、移位三种不同类型，其中房屋移位的如图所示。

7.5基坑工程随着城市化进程的日益深化，城市用地日趋紧张。为解决城市人口、资源、环境三大危机，城市建设应向三维空间发展，即实行立体化的再开发，已把对城市地下空间的开发利用作为实施城市可持续发展的重要途径。由于城市建(构)筑密度较大、交通拥挤、施工条件差、环境要求严格，使得基坑开挖和支护成为岩土工程一大难题。目前基坑开挖与支护工程具有以下一些特点：

(1)基坑越挖越深(2)工程地质条件越来越差

(3)地区性强(4)基坑支护方法众多7.5.1放坡开挖在深基坑开挖施工中，往往可以通过选择并确定安全合理的基坑边坡坡度，使基坑开挖后的土体在无加固及无支撑的条件下，依靠土体自身的强度，在新的平衡状态下取得稳定的边坡并维持整个基坑的稳定状况，这类无支护措施下的基坑开挖方式通常称为放坡开挖。放坡开挖土袋或块石堆砌支护短桩支护7.5.2被动支护

(1)围护墙采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土桩、钢板桩等桩型按队列式布置组成的墙体均归为排桩式围护墙。对于不能放坡或不能应用水泥土桩等重力式支护结构，开挖深度在6～10m左右，各安全等级的基坑均可采用排桩围护墙支护。排桩围护墙通常由桩土间隔组成，故一般需另外设置止水帷幕。挖孔桩－槽钢－内支撑支护7.5.2被动支护

(2)撑锚体系①内支撑内支撑是设置于基坑内部，承受围护墙传来的水土压力等外荷载的结构体系，由支撑、围擦(腰梁)和立柱等构件组成，排桩式围护墙顶部还设置帽梁。多层水平支撑单层斜支撑钢管支撑排桩－钢管井字形支撑腰梁、锚杆、内支撑梁支护内支撑梁支护②拉锚当施工场地周围条件许可且工程地质较好时，可采用坑外拉锚形成对围护墙的支撑作用。锚固体系通常有地面拉锚和土层锚杆两种。地面拉锚需要有足够的场地设置锚桩或其它锚固装置。土层锚杆可随支护深度的不同设置为单排或多排。因锚杆需要土层提供较大的锚固力，故锚杆式支护结构较适合于砂土或粘土地基，而不宜用于软粘土地层中。土层锚杆在深基坑支护中被广泛应用，它设置在围护墙背后，为挖土、地下结构施工创造了条件。地面拉锚式土层拉锚式灌注桩－腰梁－拉锚支护7.5.3主动支护这是以充分发挥和提高基坑周围土体自支撑能力的新型支护方法。发挥和提高土体自支撑能力可以从物理、化学和几何的途径着手，相应的支护型式主要有以下几种。

(1)水泥土墙支护利用水泥材料作固化剂，通过特殊的拌和机械(如深层搅拌机或高压旋喷机)就地将原状土和固化剂(粉体或浆体)强制拌和，经过土与固化剂(或掺和料)产生一系列物理化学作用，形成具有一定强度、整体性和水稳性的重力式支护结构。水泥土桩与桩或排与排之间可相互咬合紧密排列，也可按网格式排列，水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定。一般适用于开挖深度不大于6m，基坑侧壁安全等级为二、三级，且水泥土桩施工范围内地基土承载力不大于150kPa的情况。由于工后型钢拔出技术、钢管甚至竹木加劲部分地取代型钢加劲技术的研究成功，使SMW工法在我国得到推广应用并有所创新。在上海、广州、深圳等沿海城市，当前正在广泛使用。上海交通轨道明珠线宝兴路车站，采用该技术的基坑开挖深度达14m，挡墙深度达25.2m。在南京地下铁道工程淤泥质土中已成功应用达到31m。

(2)土钉墙支护土钉墙是在新奥法的基础上基于