综合重点工程地质勘探与岩土综合重点工程核心技术发展现状与展解读.doc

工程地质勘察和岩土工程技术发展现实状况和展起源：探矿工程-岩土钻掘工程 郭书泰摘 要 中国岩土工程专业体制基础形成，正在试行注册岩土工程师制度，业内规范了岩土工程勘察技术和工程地质钻探技术，文中还介绍了地基处理新技术。关键词 岩土工程 勘察 取样 原位测试 地基处理1 岩土工程专业体制现实状况和发展趋势1.1 中国岩土工程专业体制基础形成中国工程勘察体制是在建国早期学习前苏联基础上建立，包含地形测量、工程地质、水文地质3个独立专业。80年代初以来，工程地质勘察逐步向岩土工程过渡。现在，岩土工程专业体制在中国已基础确立。岩土工程是市场经济国家普遍实施专业体制，在发达国家已经有40年左右历史。和工程地质勘察相比，岩土工程要求勘察和设计、施工、监测亲密结合，而不是相互机械分割；要求服务于工程建设全过程，而不是单纯为设计服务；要求在获取系统而正确资料基础上，对岩土工程利用、整改方案深入论证；提出技术可行、经济合理具体提议，而不是单纯地提供岩土技术资料。岩土工程专业人员也能在岩土工程设计、施工、监测、监理岗位上工作。所以，这种体制更贴近工程实际，更重视于处理工程实际问题，从而要求技术人员含有全方面知识，为工程建设做出更大贡献。十几年来，因为建设部和工程勘察协会大力推进和广大科技人员不懈努力，从科研、教学、标准规范到工程实践，岩土工程专业体制在中国已基础形成，但尚不完善。未来岩土工程专业体制将会愈加完善，愈加适应市场经济，岩土工程将会成为工程建设领域中一个很富有活力和良好经济、社会效益行业。1.2 中国外现实状况比较在美国、加拿大等发达国家，岩土工程师关键在咨询企业服务。这些企业集中了一批有理论、有经验工程师，为投资者、为项目设计和施工、为政府和司法部门、为社会各界，提供多种形式服务，其中包含勘察、设计、监测、监理等。她们提供产品是知识、信息，科技含量很高，属于知识密集型企业。在这种企业中，有是高水平科技人才和高质量仪器、电脑，通常设有钻探或岩土工程施工力量，属于第三产业，较之属于第二产业施工企业，其区分、分工是十分清楚。在中国，因为市场经济刚刚起步，岩土工程专业体制尚待完善，故现在从事岩土工程专业单位不定型，有以勘察为主，有以咨询为主，有以施工为主，有多个兼有，这在过渡时期是很自然。但从长远看，知识密集型和劳动密集型分离是迟早事。现在中国勘察行业从业人员较多，工人百分比太大，人员素质不高，和发达国家有一定差距。依据国家建筑勘察技术政策(1996)，这种情况将会改变，国家将在完善法制、规范市场、净化市场基础上，调整产业结构，激励有条件单位改造成这类有高技术含量、和国际接轨企业。经过建国以来数十年工程实践积累，尤其是改革开放以来巨大技术进步，中国岩土工程勘察技术水平已经有了显著提升，已经完全有能力负担各类大型复杂工程勘察、设计和施工，包含高层建筑和超高层建筑、复杂地基处理、深基坑开挖、大型边坡工程、地下工程、移山填沟、围海造陆、海上平台、核电站等。每两年评选一次优异勘察项目，金质奖和银质奖全部含有国际优异水平。但同时也存在着水平参差不齐、结果质量下降甚至弄虚作假，和技术标准、技术方法和技术结果未完全和国际接轨等一系列问题。能够预见，未来，中国市场将逐步完善，中国国际两大市场将逐步融合。比如中国众多著名大企业在国际市场上承揽和完成了很多大型建筑工程和岩土工程项目，同时中国黄河小浪底、长江三峡水利枢纽工程全部有国外著名企业参与建筑工程和岩土工程施工。因为岩土含有很强地域特点，工程经验积累很关键。所以，以后有必需在提倡基础框架一致前提下，形成自己特色和优势，使岩土工程业务制度逐步走向世界。1.3 注册岩土工程师制度建立因为中国外技术交流日趋频繁，中国外两大市场逐步融合，中国立即向国际通例靠拢势在必行。建设部和人事部从1997年实施注册结构师执业资格制度，并于1996年12月在江苏、湖北及重庆进行了注册结构师试点考试，1997年12月正式举行了注册结构工程师执业资格全国统一考试，以后每十二个月举行一次。为了适应中国岩土工程专业体制和国际通例接轨，国家建设部和人事部正着手进行全国注册岩土工程师执业资格考试准备工作。据悉，1998年年底进行试点，从1999年开始将进行全国统考。因为岩土工程专业属于知识密集型行业，科技人员个人素质极具关键性，所以，在实施注册岩土工程师制度后，只有注册工程师签字文件才能生效，这么将会大大加强注册工程师荣誉感和责任心。2 岩土取样技术2.1 岩土取样技术标准化岩土工程测试包含室内土工试验、岩石试验、原位测试和现场监测，在整个岩土工程中占有特殊、关键地位。这首先是因为测试数据是分析评价基础，没有完整、可靠、适用测试数据，一切分析评价全部是空中楼阁。岩土工程设计计算正确性和可靠性决定于计算模式和计算参数两个关键原因，计算参数比计算模式更关键。其次，岩土工程测试有较大难度，在钻探取样、样品制备和原位测试过程中，总会有一定程度扰动，对测试结果影响极大。岩土体又是非均质体，有还有显著各向异性，测试结果是否含有代表性是个关键问题。再次，岩土测试方法很多，原理不一，同一指标用不一样方法测试可得不一样结果。所以，要求岩土工程师必需了解多种测试方法适用性。学术界和工程界曾有过优先发展室内试验还是原位测试争论。主张优先发展原位测试人认为，室内试验在钻探取样及运输制备过程中，样品一定程度扰动不可避免，而原位测试可直接在岩土体原位取得数据，既快又好。但实践表明，室内试验仍是不可缺乏，岩土部分基础数据，如粒度成份、密度、含水量、可塑性等指标，只能经过室内试验测定；测定土力学性状时，室内试验可依据需要，控制应力、应变及排水条件，而原位测试极难做到。室内测定指标，其物理力学意义是明确，而有些原位测试得到指标，没有明确物理力学意义。既然室内试验不能废弃，取样技术问题就不能回避了。现在，中国取样质量问题相当严重。首先是土样质量很差，甚至工程技术人员对自己负责工程也持怀疑态度。比如，有些工程在进行深部地层取样时，常常采取单层岩心管，卸取土样时采取惯性方法甩出，当碰到粘性土不易甩出时，土样常常几次甚至十几次伸长变形，产生缩颈现象，受到了严重扰动，这么土样也做为级原状样进行室内试验，难怪工程技术责任人本人全部对室内试验结果心存疑虑。其次是取样技术和国际上通用标准不一致，不被国外认可。相关后一问题，中国家标准准规范工作者已经做了大量工作，岩土工程勘察规范、原状取样技术标准、原状取土器标准全部已相继出台，已经有法可依。而且这些标准既和国际上通用标准一致，也照料了中国国情。2.2 工程地质钻探技术标准化因为工程地质专业和探矿工程专业在岩土钻探钻具、钻头、工艺、目标上全部有部分差异，所以，有必需将建筑工程地质钻探技术标准、原状土取样技术标准相关内容作一介绍。2.2.1 钻孔规格钻孔口径应依据钻探目标和钻进工艺确定。采取原状土样钻孔口径91mm；仅需判别地层钻孔，口径36mm；在湿陷性黄土中，钻孔口径150mm。2.2.2 采取、级土试样钻进要求(1)在软土、砂土中宜采取泥浆护壁。如使用套管，应保持管内水位等于或稍高于地下水位，取样位置应低于套管底部3倍孔径以上距离，以防击入套管时，对拟采取土试样扰动。(2)采取冲洗、冲击、振动等方法钻进时，应在估计取样位置1m以上改用回转钻进。(3)下放取土器前应仔细清孔，孔底残渣厚度不应大于取土器废土段长度(活塞取土器除外)。(4)采取土样宜采取快速静力连续压入法，亦可采取重锤少击方法，但应有导向装置，避免锤击时摇摆。2.3 混凝土灌注桩取心技术多年来，在高速公路及铁路桥梁工程中，单桩荷重越来越大，所以要对混凝土灌注桩进行一定百分比取心，以抽样检验混凝土抗压强度和在灌注中有没有断桩现象。其要求和通常岩石钻探不一样：(1)连续取心，取心率达95%以上；(2)对所取岩心直径有要求，且必需是平面光滑圆柱体；(3)控制孔斜，倾角1，中途不能触筋；(4)所取岩心要符合规格、整齐。现在中国常采取XY1A型全液压高速轻便钻机进行取心。其关键技术参数为：最大钻探深度100m；最大开孔直径150mm；终孔直径75mm；钻杆直径4250mm；每回次进尺1.53.0m。钻头为人造金刚石钻头，采取双层单动取样管，清水循环，可钻取多种强度等级混凝土心样，心样直径可满足试验要求。3 原位测试技术新进展3.1 用原位测试确定土工参数多年来，中国外普遍重视经过原位测试技术确定土工参数，并对测试结果分析应用有了新认识。上海地域经过建筑物沉降观察，认识到由CPT、SPT等用经验关系确定土工设计参数，可能是一个有效路径，尤其是对深层土和难以取土样或难以确保土样质量土。比如上海地域桩基计算沉降远大于实测沉降，除了改善计算模式外，室内土工试验压缩模量Es太低是关键原因。用旁压试验确定粘性土、砂土、粉土压缩模量，经过若干工程试算，均取得令人满意结果。对于砂土，当采取冻结法取砂样时，含水量增高；而不用冻结法取土时，在取样及运输过程中，土中水份易于流失，使含水偏低；但采取放射性同位素探头测定砂土重度和含水量可取得理想结果。用、即可计算砂土孔隙比，从而对砂土密实度作出评价，对于砂土，这是很有意义。对于大型土石方填筑工程，常常需要测定填土含水量和密度，因为土颗粒直径改变较大，传统测试如环刀法、灌砂法等全部有很多限制条件，而且速度较慢，往往不能适应工期要求，采取核子密度仪就能够快速正确地测得填土密实度。采取卵砾石原状样进行室内密度试验是困难，通常采取重型动力触探试验来确定卵砾石密实度和承载力。实践中发觉，测试结果往往受人为原因影响较多，正确性往往较差。现在，用剪切波速法测定卵石层密实度，进而确定承载力是一个简便、快速、正确方法。这种方法已列入规范。多种原位测试方法适用范围详见岩土工程勘察规范。3.2 非破损探测技术发展现代测试技术较传统机械式测试技术已发生了根本性变革，在符合岩土力学理论和满足工程要求前提下，广泛吸收现代电子技术、传感器技术、计算机技术最新成就，将电测技术和信息处理技术结合在一起，制成智能化仪器，应用于工程实践。多年来，中国工程物探顺应了这种变革，开发了适应工程需要新技术、新方法、新领域，并和岩土工程测试亲密结合，逐步显示出了它生命力。因为工程物探含有精度高、成本低特点，在结合工程需要，探测诸如基岩面、地下洞穴、孤石、管线、古墓、防空洞、桩身缺点、破碎带、漏水点等目标物方面，已成为岩土工程勘察不可缺乏技术手段。工程物探现有勘察功效，又有测试功效，称为工程地球物理探测可能更贴切。工程物探技术含量很高，是一个非破碎探测技术，伴随相关物理技术和计算机技术迅猛发展，以后可能会有更大飞跃，是一个关键发展方向。4 地基处理新技术地基处理在岩土工程实践领域最为活跃，老方法不停翻新，新方法层出不穷。这里介绍4种新方法。4.1 CFG桩复合地基可分为两大类，一类由散体材料(砂、碎石、土、钢渣等)组成桩和天然地基复合；另一类由水泥和土结合成桩和天然地基复合。前者桩料是散粒体，在荷载作用下产生侧变形，靠桩间土约束，故在软土中效果不理想。后者如搅拌桩、旋喷桩，因为水泥胶结作用，含有一定凝结强度，较小荷载下无侧向变形，在软土中可将应力向深层传输，起到类似刚性桩作用，超出强度时表现出和混凝土类似脆性。CFG桩按其性质属于后者，是适适用于软土且较为经济合理一个地基处理方法。CFG桩由碎石、石屑、粉煤灰及水泥组成，配合比需要依据桩设计经过试验确定，桩制作和通常灌注桩类似。桩和基础间不是刚性连接，而是其间有一碎石或石屑组成褥垫层，目标是确保桩土共同作用，充足发挥桩间土作用。这种地基处理方法在南京造纸厂、北京罗马花园、石佛营东里住宅小区等工程应用，技术经济效果良好。4.2 砂石桩和低强度混凝土组合型复合地基散体桩工作关键靠桩间土体被动约束，尤其是桩顶24倍桩径范围内，桩间土将承受很大径向应力，轻易使桩体产生膨胀破坏，所以在软弱粘性土中砂石桩复合地基，其承载能力难以提得较高。为改变这种状态，对散体桩复合地基中部分砂石进行桩体增强，在砂石桩中增加一定量、级粉煤灰和少许水泥，成为一个粘结强度较高半刚性桩，称之为低强度混凝土桩，由此组成部分散体砂石桩和部分低强度混凝土组合型复合地基。 组合型复合地基特点是既能发挥砂石桩优点，又因为低强度混凝土桩插入而使砂石桩侧限约束作用得到加强，从而降低散体桩桩顶部分压胀变形，避免产生压胀破坏可能。同时发挥半刚性桩能向深部传输荷载作用，使复合地基承载力大幅提升，地基变形得以减轻，提升复合地基整体安全度。为使两种不一样刚度桩体共同作用和变形协调，在桩顶设置了一定厚度砂石料垫层。经过它流动赔偿作用使之较为均匀地分布基底应力，并能使桩间土和基础有良好接触，确保不一样刚度桩体和土共同负担荷载。4.3 夯坑基础夯坑基础实质是，基坑不是挖出来，而是用夯锤夯成。基坑含有基础形状和尺寸，所以无须支模而直接浇筑混凝土。在夯成基坑同时，坑底和坑周土被扎实，降低了土压缩性，提升了地基承载力。为深入提升地基承载能力，降低基础沉降，在夯坑底部还可合适填入碎石、砾石、粗砂等，形成扩大土核。夯坑基础可广泛应用于湿陷性黄土、填土、通常粘性土，比常规施工方法可节省土方2/34/5，降低基础造价1/32/3，工效高，技术简便，易于推广。对处理湿陷性土、填土是经济有效方法。4.4 超载预压加固软土超载预压排水固结法加固软土，已在中国广泛应用，如深圳福田保税区、南油围海造陆、宁波机场、温州机场等。用此法大面积加固地基，效果良好，现在取得较为成熟设计和施工经验，积累了大量十分宝贵原型监测数据。超载预压排水固结法从施工角度看，包含加载和排水两方面。加载方法有堆载预压和真空预压两种或两种方法复合，依据技术要求和经济比较选择。排水方法已经过了一般砂井、袋装砂井或塑料排水板3个发展阶段，因为插塑排水板工效高、质量好、综合成本低，现已全方面推广，发展很快。插板机在中国有10多个，按移动方法分有步履式、履带式、轮胎式；按贯入方法分有静压式、振动式、锤击式；按插管断面分有圆形、矩形、菱形。为减小对土扰动，以静压、菱形断面为好。性能良好插板机效率高，长15m排水板，包含插入、拔出、移位，不到2min即可完成。4.5 劈裂注浆在岩石或土中注浆，对改善岩土力学和渗透性能有显著效果。过去，注浆关键在强渗透地层中应用；多年来，在软土中劈裂注浆进行了部分试验研究，取得了良好效果。 依据岩土条件、注浆材料及工艺，注浆作用有充填、渗透、挤压、劈裂等方法。对于渗透系数K5cm/s软粘性土，不管用什么浆液，注浆时全部会产生劈裂现象。浆液在软土中流动分鼓泡压密、劈裂流动、被动土压力发挥3个阶段。劈裂注浆结果形成一个不规则柱体，在地层中形成方向各异、厚薄不一片状、条状、团块状注浆体，分布呈随机性，加固后抗压强度提升12倍，动剪模量提升52%138%，在上海深基坑开挖中应用，效果良好。5 结语(1)伴随岩土工程专业体制建立和逐步完善，它将会成为很含有发展潜力行业。(2)实施注册岩土工程师制度，加强了技术人员责任心，将会使岩土工程勘察、设计、施工质量有一个很大提升。(3)因为市场经济对探矿工程专业冲击影响，利用本行业岩土钻探、工程物探设备好、技术力量强优势，拓展新应用领域已成为一条必由之路。相信探矿工程专业在灌注桩施工、工程地球物理探测、边坡支护、地基处理方面将会大有作为。本文曾得到我院顾宝和、李耀刚、兰晓林等同志大力支持，在此一并致谢。作者介绍：郭书泰：男，建设部综合勘察研究设计院岩土所综合技术部副主任，高级工程师；前后毕业于南京建筑工程学院勘测系、华北水利电力学院结构系。作者单位：地址：100007 北京市东直门内大街177号。6 参考文件1 顾宝和.岩土工程勘察技术现实状况及发展问题述评.工程勘察，1998，(4).2 顾宝和.中国岩土工程理论和实践若干新进展.全国建筑工程勘察科技情报网建网十五周年综合科技情报交流会论文选集.济南：山东省地图出版社，1993.3 张在明.中国外工程勘察行业发展水平及趋势研究.全国建筑工程勘察科技情报网建网十五周年综合科技情报交流会论文选集.济南：山东省地图出版社，1993.4 徐国存.混凝土灌注桩岩心取样钻探新工艺.工程勘察，1998，(3).