工程地質(zhì)勘察與巖土工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展解讀

工程地質(zhì)勘察與巖土工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展來源：探礦工程-巖土鉆掘工程郭書泰摘要我國巖土工程專業(yè)體制基本形成，正在試行注冊巖土工程師制度，業(yè)內(nèi)規(guī)范了巖土工程勘察技術(shù)和工程地質(zhì)鉆探技術(shù)，文中還介紹了地基處理新技術(shù)。關(guān)鍵詞巖土工程勘察取樣原位測試地基處理1巖土工程專業(yè)體制的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.1我國巖土工程專業(yè)體制基本形成我國的工程勘察體制是在建國初期學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)基礎(chǔ)上建立的，包括地形測量、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)3個(gè)獨(dú)立的專業(yè)。80年代初以來，工程地質(zhì)勘察逐步向巖土工程過渡?，F(xiàn)在，巖土工程專業(yè)體制在我國已基本確立。巖土工程是市場經(jīng)濟(jì)國家普遍實(shí)行的專業(yè)體制，在發(fā)達(dá)國家已有40年左右的歷史。與工程地質(zhì)勘察相比，巖土工程要求勘察與設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測密切結(jié)合，而不是彼此機(jī)械分割；要求服務(wù)于工程建設(shè)的全過程，而不是單純?yōu)樵O(shè)計(jì)服務(wù)；要求在獲取系統(tǒng)而準(zhǔn)確資料的基礎(chǔ)上，對巖土工程利用、整治方案深入論證；提出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的具體建議，而不是單純地提供巖土技術(shù)資料。巖土工程專業(yè)人員也能在巖土工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、監(jiān)理崗位上工作。因而，這種體制更貼近工程實(shí)際，更注重于解決工程實(shí)際問題，從而要求技術(shù)人員具備全面的知識，為工程建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。十幾年來，由于建設(shè)部和工程勘察協(xié)會(huì)的大力推動(dòng)和廣大科技人員的不懈努力，從科研、教學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范到工程實(shí)踐，巖土工程專業(yè)體制在我國已基本形成，但尚不完善。將來的巖土工程專業(yè)體制將會(huì)更加完善，更加適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)，巖土工程將會(huì)成為工程建設(shè)領(lǐng)域中一個(gè)非常富有活力和良好經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的行業(yè)。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀比較在美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家，巖土工程師主要在咨詢公司服務(wù)。這些公司集中了一批有理論、有經(jīng)驗(yàn)的工程師，為投資者、為項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工、為政府和司法部門、為社會(huì)各界，提供各種形式的服務(wù)，其中包括勘察、設(shè)計(jì)、監(jiān)測、監(jiān)理等。他們提供的產(chǎn)品是知識、信息，科技含量很高，屬于知識密集型企業(yè)。在這種公司中，有的是高水平的科技人才和高質(zhì)量的儀器、電腦，一般設(shè)有鉆探或巖土工程施工力量，屬于第三產(chǎn)業(yè)，較之屬于第二產(chǎn)業(yè)的施工企業(yè)，其區(qū)別、分工是十分清楚的。在我國，由于市場經(jīng)濟(jì)剛剛起步，巖土工程專業(yè)體制尚待完善，故目前從事巖土工程專業(yè)的單位不定型，有以勘察為主，有以咨詢?yōu)橹?，有以施工為主，有的多種兼有，這在過渡時(shí)期是很自然的。但從長遠(yuǎn)看，知識密集型和勞動(dòng)密集型的分離是遲早的事。目前我國勘察行業(yè)從業(yè)人員較多，工人比例太大，人員素質(zhì)不高，與發(fā)達(dá)國家有一定差距。根據(jù)國家《建筑勘察技術(shù)政策》(1996～2010)，這種狀況將會(huì)改變，國家將在完善法制、規(guī)范市場、凈化市場的基礎(chǔ)上，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)有條件的單位改造成這類有高技術(shù)含量、與國際接軌的企業(yè)。通過建國以來數(shù)十年工程實(shí)踐的積累，特別是改革開放以來的巨大技術(shù)進(jìn)步，我國巖土工程勘察的技術(shù)水平已有了顯著提高，已經(jīng)完全有能力承擔(dān)各類大型復(fù)雜工程的勘察、設(shè)計(jì)和施工，包括高層建筑和超高層建筑、復(fù)雜地基處理、深基坑開挖、大型邊坡工程、地下工程、移山填溝、圍海造陸、海上平臺、核電站等。每兩年評選一次的優(yōu)秀勘察項(xiàng)目，金質(zhì)獎(jiǎng)和銀質(zhì)獎(jiǎng)都具有國際先進(jìn)水平。但同時(shí)也存在著水平參差不齊、成果質(zhì)量下降甚至弄虛作假，以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方法和技術(shù)成果未完全與國際接軌等一系列問題。可以預(yù)見，未來15年，我國市場將逐步完善，國內(nèi)國際兩大市場將逐漸融合。例如我國眾多知名大企業(yè)在國際市場上承攬和完成了許多大型建筑工程和巖土工程項(xiàng)目，同時(shí)我國的黃河小浪底、長江三峽水利樞紐工程均有國外知名企業(yè)參與建筑工程和巖土工程施工。由于巖土具有很強(qiáng)的地域特點(diǎn)，工程經(jīng)驗(yàn)積累非常主要。因此，今后有必要在提倡基本框架一致的前提下，形成自己的特色和優(yōu)勢，使巖土工程業(yè)務(wù)制度逐步走向世界。1.3注冊巖土工程師制度的建立由于國內(nèi)外技術(shù)交流日趨頻繁，國內(nèi)外兩大市場逐漸融合，我國盡快向國際慣例靠攏勢在必行。建設(shè)部和人事部從1997年實(shí)施注冊結(jié)構(gòu)師執(zhí)業(yè)資格制度，并于1996年12月在江蘇、湖北及重慶進(jìn)行了注冊結(jié)構(gòu)師試點(diǎn)考試，1997年12月正式舉行了注冊結(jié)構(gòu)工程師執(zhí)業(yè)資格全國統(tǒng)一考試，今后每年舉行一次。為了適應(yīng)我國巖土工程專業(yè)體制與國際慣例接軌，國家建設(shè)部和人事部正著手進(jìn)行全國注冊巖土工程師執(zhí)業(yè)資格考試的準(zhǔn)備工作。據(jù)悉，1998年年底進(jìn)行試點(diǎn)，從1999年開始將進(jìn)行全國統(tǒng)考。由于巖土工程專業(yè)屬于知識密集型行業(yè)，科技人員的個(gè)人素質(zhì)極具重要性，因此，在實(shí)行注冊巖土工程師制度后，只有注冊工程師簽字的文件才能生效，這樣將會(huì)大大加強(qiáng)注冊工程師的榮譽(yù)感和責(zé)任心。2巖土取樣技術(shù)2.1巖土取樣技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化巖土工程測試包括室內(nèi)土工試驗(yàn)、巖石試驗(yàn)、原位測試和現(xiàn)場監(jiān)測，在整個(gè)巖土工程中占有特殊、重要的地位。這首先是由于測試數(shù)據(jù)是分析評價(jià)的基礎(chǔ)，沒有完整、可靠、適用的測試數(shù)據(jù)，一切分析評價(jià)都是空中樓閣。巖土工程設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性決定于計(jì)算模式和計(jì)算參數(shù)兩個(gè)主要因素，計(jì)算參數(shù)比計(jì)算模式更重要。其次，巖土工程測試有較大難度，在鉆探取樣、樣品制備和原位測試過程中，總會(huì)有一定程度的擾動(dòng)，對測試成果的影響極大。巖土體又是非均質(zhì)體，有的還有明顯的各向異性，測試結(jié)果是否具有代表性是個(gè)重要問題。再次，(4)采取土樣宜采用快速靜力連續(xù)壓入法，亦可采用重錘少擊方法，但應(yīng)有導(dǎo)向裝置，避免錘擊時(shí)搖晃。2.3混凝土灌注樁取心技術(shù)近年來，在高速公路及鐵路橋梁工程中，單樁荷重越來越大，因此要對混凝土灌注樁進(jìn)行一定比例的取心，以抽樣檢驗(yàn)混凝土的抗壓強(qiáng)度和在灌注中有無斷樁現(xiàn)象。其要求與一般巖石鉆探不同：(1)連續(xù)取心，取心率達(dá)95%以上；(2)對所取巖心的直徑有要求，且必須是平面光滑的圓柱體；(3)控制孔斜，傾角≯1°，中途不能觸筋；(4)所取巖心要符合規(guī)格、整齊。目前國內(nèi)常采用XY1A型全液壓高速輕便鉆機(jī)進(jìn)行取心。其主要技術(shù)參數(shù)為：最大鉆探深度100m；最大開孔直徑150mm；終孔直徑75mm；鉆桿直徑42～50mm；每回次進(jìn)尺1.5～3.0m。鉆頭為人造金剛石鉆頭，采用雙層單動(dòng)取樣管，清水循環(huán)，可鉆取各種強(qiáng)度等級的混凝土心樣，心樣直徑可滿足試驗(yàn)要求。3原位測試技術(shù)新進(jìn)展3.1用原位測試確定土工參數(shù)近年來，國內(nèi)外普遍重視通過原位測試技術(shù)確定土工參數(shù)，并對測試成果的分析應(yīng)用有了新的認(rèn)識。上海地區(qū)通過建筑物的沉降觀測，認(rèn)識到由CPT、SPT等用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定土工設(shè)計(jì)參數(shù)，可能是一個(gè)有效的途徑，特別是對深層土和難以取土樣或難以保證土樣質(zhì)量的土。例如上海地區(qū)樁基的計(jì)算沉降遠(yuǎn)大于實(shí)測沉降，除了改善計(jì)算模式外，室內(nèi)土工試驗(yàn)的壓縮模量Es太低是主要原因。用旁壓試驗(yàn)確定粘性土、砂土、粉土的壓縮模量，通過若干工程的試算，均取得令人滿意的結(jié)果。對于砂土，當(dāng)采用凍結(jié)法取砂樣時(shí)，含水量增高；而不用凍結(jié)法取土?xí)r，在取樣及運(yùn)輸過程中，土中水份易于流失，使含水偏低；但采用放射性同位素探頭測定砂土重度和含水量可取得理想的結(jié)果。用γ、ω即可計(jì)算砂土孔隙比，從而對砂土的密實(shí)度作出評價(jià)，對于砂土，這是很有意義的。對于大型土石方填筑工程，經(jīng)常需要測定填土的含水量和密度，由于土顆粒的直徑變化較大，傳統(tǒng)測試如環(huán)刀法、灌砂法等均有許多限制條件，而且速度較慢，往往不能適應(yīng)工期要求，采用核子密度儀就可以快速準(zhǔn)確地測得填土的密實(shí)度。采取卵礫石的原狀樣進(jìn)行室內(nèi)密度試驗(yàn)是困難的，一般采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)來確定卵礫石的密實(shí)度和承載力。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果往往受人為因素影響較多，準(zhǔn)確性往往較差?，F(xiàn)在，用剪切波速法測定卵石層的密實(shí)度，進(jìn)而確定承載力是一個(gè)簡便、快速、準(zhǔn)確的方法。這種方法已列入規(guī)范。各種原位測試方法的適用范圍詳見《巖土工程勘察規(guī)范》。3.2非破損探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代測試技術(shù)較傳統(tǒng)機(jī)械式的測試技術(shù)已發(fā)生了根本性的變革，在符合巖土力學(xué)理論和滿足工程要求的前提下，廣泛吸收現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成就，將電測技術(shù)與信息處理技術(shù)結(jié)合在一起，制成智能化儀器，應(yīng)用于工程實(shí)踐。近年來，我國工程物探順應(yīng)了這種變革，開發(fā)了適應(yīng)工程需要的新技術(shù)、新方法、新領(lǐng)域，并與巖土工程測試密切結(jié)合，逐步顯示出了它的生命力。由于工程物探具有精度高、成本低的特點(diǎn)，在結(jié)合工程需要，探測諸如基巖面、地下洞穴、孤石、管線、古墓、防空洞、樁身缺陷、破碎帶、漏水點(diǎn)等目的物方面，已成為巖土工程勘察不可缺少的技術(shù)手段。工程物探既有勘察的功能，又有測試的功能，稱為"工程地球物理探測"也許更貼切。工程物探技術(shù)含量很高，是一種非破碎探測技術(shù)，隨著相關(guān)的物理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，今后15年可能會(huì)有更大的飛躍，是一個(gè)重要的發(fā)展方向。4地基處理新技術(shù)地基處理在巖土工程實(shí)踐領(lǐng)域最為活躍，老方法不斷翻新，新方法層出不窮。這里介紹4種新方法。4.1CFG樁復(fù)合地基可分為兩大類，一類由散體材料(砂、碎石、土、鋼渣等)組成的"樁"與天然地基復(fù)合；另一類由水泥與土結(jié)合成的"樁"與天然地基復(fù)合。前者"樁"料是散粒體，在荷載作用下產(chǎn)生側(cè)變形，靠"樁間土"約束，故在軟土中效果不理想。后者如攪拌樁、旋噴樁，由于水泥的膠結(jié)作用，具有一定的凝結(jié)強(qiáng)度，較小的荷載下無側(cè)向變形，在軟土中可將應(yīng)力向深層傳遞，起到類似剛性樁的作用，超出強(qiáng)度時(shí)表現(xiàn)出與混凝土類似的"脆性"。CFG樁按其性質(zhì)屬于后者，是適用于軟土且較為經(jīng)濟(jì)合理的一種地基處理方法。CFG樁由碎石、石屑、粉煤灰及水泥組成，配合比需要根據(jù)樁的設(shè)計(jì)通過試驗(yàn)確定，樁的制作與一般灌注樁類似。樁與基礎(chǔ)間不是剛性連接，而是其間有一碎石或石屑組成的褥墊層，目的是保證樁土共同作用，充分發(fā)揮樁間土的作用。這種地基處理方法在南京造紙廠、北京羅馬花園、石佛營東里住宅小區(qū)等工程應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果良好。4.2砂石樁與低強(qiáng)度混凝土組合型復(fù)合地基散體樁的工作主要靠樁間土體的被動(dòng)約束，特別是樁頂2～4倍樁徑范圍內(nèi)，樁間土將承受很大的徑向應(yīng)力，容易使樁體產(chǎn)生膨脹破壞，因而在軟弱粘性土中的砂石樁復(fù)合地基，其承載能力難以提得較高。為改變這種狀態(tài)，對散體樁復(fù)合地基中的部分砂石進(jìn)行樁體增強(qiáng)，在砂石樁中增加一定量的Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰與少量水泥，成為一種粘結(jié)強(qiáng)度較高的半剛性樁，稱之為低強(qiáng)度混凝土樁，由此構(gòu)成部分散體砂石樁與部分低強(qiáng)度混凝土組合型復(fù)合地基。組合型復(fù)合地基的特點(diǎn)是既能發(fā)揮砂石樁的優(yōu)點(diǎn)，又由于低強(qiáng)度混凝土樁的插入而使砂石樁的側(cè)限約束作用得到加強(qiáng)，從而減少散體樁樁頂部分的壓脹變形，避免產(chǎn)生壓脹破壞的可能。同時(shí)發(fā)揮半剛性樁能向深部傳遞荷載的作用，使復(fù)合地基的承載力大幅提高，地基變形得以減輕，提高復(fù)合地基的整體安全度。為使兩種不同剛度樁體的共同作用與變形協(xié)調(diào)，在樁頂設(shè)置了一定厚度的砂石料墊層。通過它的流動(dòng)補(bǔ)償作用使之較為均勻地分布基底應(yīng)力，并能使樁間土與基礎(chǔ)有良好的接觸，保證不同剛度樁體與土共同承擔(dān)荷載。4.3夯坑基礎(chǔ)夯坑基礎(chǔ)的實(shí)質(zhì)是，基坑不是挖出來的，而是用夯錘夯成的?；泳哂谢A(chǔ)的形狀和尺寸，因而不必支模而直接澆筑混凝土。在夯成基坑的同時(shí)，坑底和坑周的土被夯實(shí)，減少了土的壓縮性，提高了地基承載力。為進(jìn)一步提高地基承載能力，減少基礎(chǔ)沉降，在夯坑底部還可適當(dāng)填入碎石、礫石、粗砂等，形成擴(kuò)大的土核。夯坑基礎(chǔ)可廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土、填土、一般粘性土，比常規(guī)施工方法可節(jié)省土方2/3～4/5，降低基礎(chǔ)造價(jià)1/3～2/3，工效高，技術(shù)簡便，易于推廣。對處理濕陷性土、填土是經(jīng)濟(jì)有效的方法。4.4超載預(yù)壓加固軟土超載預(yù)壓排水固結(jié)法加固軟土，已在我國廣泛應(yīng)用，如深圳福田保稅區(qū)、南油圍海造陸、寧波機(jī)場、溫州機(jī)場等。用此法大面積加固地基，效果良好，現(xiàn)在取得較為成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，積累了大量的十分寶貴的原型監(jiān)測數(shù)據(jù)。超載預(yù)壓排水固結(jié)法從施工角度看，包括加載和排水兩方面。加載方法有堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓兩種或兩種方法復(fù)合，根據(jù)技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)比較選用。排水方法已經(jīng)過了普通砂井、袋裝砂井或塑料排水板3個(gè)發(fā)展階段，由于插塑排水板工效高、質(zhì)量好、綜合成本低，現(xiàn)已全面推廣，發(fā)展很快。插板機(jī)在我國有10多種，按移動(dòng)方式分有步履式、履帶式、輪胎式；按貫入方法分有靜壓式、振動(dòng)式、錘擊式；按插管斷面分有圓形、矩形、菱形。為減小對土的擾動(dòng)，以靜壓、菱形斷面為好。性能良好的插板機(jī)效率高，長15m的排水板，包括插入、拔出、移位，不到2min即可完成。4.5劈裂注漿在巖石或土中注漿，對改善巖土的力學(xué)與滲透性能有明顯的效果。過去，注漿主要在強(qiáng)滲透地層中應(yīng)用；近年來，在軟土中劈裂注漿進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，取得了良好的效果。根據(jù)巖土條件、注漿材料及工藝，注漿作用有充填、滲透、擠壓、劈裂等方式。對于滲透系數(shù)K＜5cm/s的軟粘性土，無論用什么漿液，注漿時(shí)都會(huì)產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象。漿液在軟土中的流動(dòng)分鼓泡壓密、劈裂流動(dòng)、被動(dòng)土壓力發(fā)揮3個(gè)階段。劈裂注漿的結(jié)果形成一個(gè)不規(guī)則柱體，在地層中形成方向各異、厚薄不一的片狀、條狀、團(tuán)塊狀注漿體，分布呈隨機(jī)性，加固后抗壓強(qiáng)度提高1～2倍，動(dòng)剪模量提高52%～138%，在上海深基坑開挖中應(yīng)用，效果良好。5結(jié)語(1)隨著巖土工程專業(yè)體制的建立和逐漸完善，它將會(huì)成為非常具有發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)。(2)實(shí)行注冊巖土工程師制度，加強(qiáng)了技術(shù)人員的責(zé)任心，將會(huì)使巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量有一個(gè)很大的提高。(3)由于市場經(jīng)濟(jì)對探礦工程專業(yè)的沖擊影響，利用本行業(yè)巖土鉆探、工程物探設(shè)備好、技術(shù)力量強(qiáng)的優(yōu)勢，拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域已成為一條必由之路。相信探礦工程專業(yè)在灌注樁施工、工程地球物理探測、邊坡支護(hù)、地基處理方面將會(huì)大有作為。本文曾得到我院顧寶和、李耀剛、蘭曉林等同志的大力支持，在此一并致謝。作者簡介：郭書泰：男，建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院巖土所綜合技術(shù)部副主任，高級工程師；