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勘察成果整理
第七章勘察成果整理
勘察成果整理是在搜集已有资料后,在工程地质测绘、勘探、测试、检验与监测所得各项原始资料和数据的基础上进行的,其主要工作内容是:
岩土参数的分析与选定、岩土工程分析评价、反分析和勘察报告的编写。
第一节 岩土参数的分析与选取
一、岩土参数的可靠性和适用性
岩土参数的分析与选定是岩土工程分析评价和岩土工程设计的基础。
评价是否符合客观实际,设计计算是否可靠,很大程度上取决于岩土参数选定的合理性。
岩土参数可分为两类:
一类是评价指标,用以评价岩土的性状,作为划分地层鉴定类别的主要依据;另一类是计算指标,用以设计岩土工程,预测岩土体在荷载和自然因素作用下的力学行为和变化趋势,并指导施工和监测。
工程上对这两类岩土参数的基本要求是可靠性和适用性。
可靠性是指参数能正确反映岩土体在规定条件下的性状,能比较有把握地估计参数真值所在的区间。
适用性是指参数能满足岩土工程设计计算的假定条件和计算精度要求。
岩土工程勘察报告应对主要参数的可靠性和适用性进行分析,并在分析的基础上选定参数。
岩土参数的可靠性和适用性在很大程度上取决于岩土体受到扰动的程度和试验标准。
它涉及到两个问题:
①取样器和取样方法问题;
②试验方法和取值标准问题。
通过不同取样器和取样方法的对比试验可知,对不同的土体,凡是由于结构扰动强度降低得多的土,数据的离散性也显著增大。
对同一土层的同一指标,采用不同的试验方法和标准发现,所获数据差异很大。
二、岩土参数的统计分析
由于岩土体的非均质性和各向异性以及参数测定方法、条件与工程原型之间的差异等种种原因,岩土参数是随机变量,变异性较大。
故在进行岩土工程设计时,应在划分工程地质单元的基础上作统计分析,了解各项指标的概率系数,确定其标准值和设计值。
岩土参数统计分析前,一定要正确划分工程地质单元体。
不同工程地质单元的数据不能一起统计,否则因不同单元体岩土的物理力学性质参数差异较大而导致统计的数据毫无价值。
由于土的不均匀性,对同一工程地质单元(土层)取的土样,用相同方法测定的数据通常是离散的,并以一定的规律分布,可以用频率分布直方图和分布密度函数来表示。
三、岩土参数的标准值和设计值
岩土参数的标准值是岩土工程设计时所采用的基本代表值,是岩土参数的可靠性估值。
它是在统计学区间估计理论基础上得到的关于参数母体平均值置信区间的单侧置信界限值。
母体平均值μ可靠性估值fk(即标准值)按下式求得:
P(μ α为风险率,是一个可以接受的小概率,符合上式的是单侧置信下限。 当采用此下限值作为设计值时,意味着参数母体平均值可以推断为一个大概率大于设计值,而仅有一个小的风险率可能会小于此值。 在岩土工程勘察成果报告中,应按下列不同情况提供岩土参数值: (1)一般情况下,应提供岩土参数的平均值(fm)、变异系数(δ)、数值范围和数据的个数(n)。 (2)承载能力极限状态计算需要的岩土参数标准值应按式(fk=rsfm)计算;当设计规范另有专门规定的标准值取值方法时,可按有关规范执行。 正常使用极限状态计算需要的岩土参数宜采用平均值。 评价岩土性状需要的岩土参数应采用平均值。 (3)当用以分项系数描述的设计表达式计算时,岩土参数的设计值fd可按下式计算: fd=fk /γ 式中: γ——岩土参数的分项系数,按有关设计规范的规定取值。 第二节 岩土工程分析评价 一、分析评价的内容和要求 岩土工程分析评价是勘察成果整理的核心内容。 它是在各项勘察工作成果和搜集已有资料的基础上,依据工程的特点和要求进行的。 岩土工程分析评价的内容主要包括: (1)场地的稳定性和适宜性。 (2)为岩土工程设计提供场地地层结构和地下水空间分布的参数、岩土体工程性质和状态的设计参数。 (3)预测拟建工程施工和运营过程中可能出现的岩土工程问题,并提出相应的防治对策和措施以及合理的施工方法。 (4)提出地基与基础、边坡工程、地下洞室等各项岩土工程方案设计的建议。 (5)预测拟建工程对现有工程的影响、工程建设产生的环境变化,以及环境变化对工程的影响。 为了做好分析评价工作规定的各项内容,要求做到以下各点: (1)必须与工程密切结合,充分了解工程结构的类型、特点和荷载组合情况,分析强度和变形的风险和储备。 不仅仅是分析地质规律,而要切实解决工程实际问题。 (2)掌握场地的地质背景,考虑岩土材料的非均匀性、各向异性和随时间的变化,评估岩土参数的不确定性,确定其最佳估值。 (3)参考类似工程的经验,以作为拟建工程的借鉴。 (4)理论依据不足、实践经验不多的岩土工程,可通过现场模型试验和足尺试验进行分析评价。 对于重大工程和复杂的岩土工程问题,应在施工过程中进行监测,并根据监测资料适当调整原先制订的设计和施工方案。 而且要预测和监控施工、运营的全过程。 二、分析评价的方法 应采用定性分析评价与定量分析评价相结合的方法来进行。 一般的操作程序是: 在定性分析评价的基础上,方可进行定量分析评价;换言之,不经过定性分析评价是不能直接进行定量分析评价的。 对某些问题则仅作定性分析评价即可,如工程选址及场地对拟建工程的适应性、场地地质背景和工程地质条件分析、岩土性状的描述等。 定性分析和定量分析都应在详细占有资料和数据的基础上,运用成熟的理论和类似工程的经验进行论证,并宜提出多个方案进行比较。 1、定量分析评价的内容 (1)岩土体的变形性状及其极限值。 (2)岩土体的强度、稳定性及其极限值,包括地基和基础、边坡和地下洞室的稳定性。 (3)岩土压力及岩土体应力的分布与传递。 (4)其他各种临界状态的判定问题。 2、定量分析的方法: 定量分析可采用解析法、图解法或数值法。 (1)解析法: 是使用最多的方法,它以经典的刚体极限平衡理论为基础。 这种方法的数学意义严格,但由于应用时对实际地质体有一定的前提假设条件,以及边界条件的确定和计算参数的选取也都存在误差和不确定性,甚至有一定的经验性,所以应有足够的安全储备以保证工程的可靠性。 解析法可分为定值法和概率分析法。 A.定值法也称稳定性系数法或安全系数法。 它将各种计算参数皆取一确定值。 因稳定性系数就是各种参数的函数,即K=f(c、φ、γ…),因而所获得的稳定性系数也是一确定值。 为可靠起见,根据工程的重要性和地质条件的复杂程度,一般用安全系数来保证计算的安全度。 即在强度上根据经验打一折扣,作为安全储备。 其表达式为: K=R/S≥[K] 式中: R、S、K、[K]——分别为抗力、作用力、稳定性系数和安全系数。 B.概率分析法 由于岩土性质的差异性以及勘探、取样和测试的误差,导致许多参数并不是一个确定值,而是具有某种分布的随机变量,所获取的稳定性系数亦相应为随机变量。 因而采用概率分析法进行稳定性评价更为合理,即按破坏概率量度设计的可靠性,将安全储备建立在概率分析的基础上。 概率分析法的表达式为: Pf=P(K<1)≤[Pf ] 式中: Pf、[Pf ]——分别为破坏概率和目标破坏概率。 而稳定的概率则为: R=1-Pf 对确定稳定性系数K的各种计算参数需要进行许多次随机抽样,才能获得K值的概率分布图(图1)。 目前国内的岩土工程计算一般都采用定值法,对特殊工程需要时可辅以概率分析法进行综合评价。 3、岩土工程计算的极限状态 按《规范》规定,岩土工程计算应按极限状态进行。 所谓“极限状态”指的是: 整个工程或工程的一部分,超过某一特定状态就不能满足设计规定的功能要求。 这一特定状态即称为该功能的极限状态。 各种极限状态都有明确的标志或限值。 按工程使用功能,可将极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态二类。 (1)承载能力极限状态 或称破坏极限状态。 它又可分为两种情况: A、岩土体中形成破坏机制;地基的整体性滑动、边坡失稳、挡土结构倾覆、隧洞冒顶或塌帮、渗透破坏等。 B、岩土体的过量变形或位移导致工程的结构性破坏。 由于土体的湿陷、震陷、融陷或其他大变形,造成工程的结构性破坏;由于岩土过量的水平位移,导致桩的倾斜、管道破裂、邻近工程的结构性破坏;由于地下水的浮托力、静水压力或动水压力造成的工程结构性破坏等。 (2)正常使用极限状态 或称功能极限状态。 这种极限状态对应于工程达到正常使用或耐久性能的某种规定限值。 属于正常使用极限状态的情况有: 影响正常使用的外观变形、局部破坏、振动以及其他的特定状态。 例如,由于岩土变形而使工程发生超限的倾斜、沉降、表面裂隙或装修损坏;由于岩土刚度不足而影响工程正常使用的振动;因地下水渗漏而影响工程(地下室)的正常使用等。 岩土工程的分析评价,应根据岩土工程勘察等级区别进行。 对三级岩土工程勘察,应根据邻近工程经验进行分析评价,必要时可结合少量的勘探、测试资料进行。 对二级岩土工程勘察,应在详细勘探、测试工作基础上,结合邻近工程经验进行分析评价。 对一级岩土工程勘察,除按二级要求进行外,尚宜对其中的复杂问题进行专门研究,并结合监测工作对评价结论进行核查。 第三节 反分析 一、反分析的含义 通过工程实体试验或施工监测岩土体实际表现性状所取得的数据,反求某些岩土工程技术参数,并以此为依据验证设计计算、查验工程效果以及分析事故的技术原因。 例如,根据建筑物沉降观测结果,反求地基土层的模量或确定沉降计算的经验系数,并由此验证地基沉降量计算的确切性。 反分析是岩土工程勘察、设计的一个重要特点。 由于岩土工程的影响因素复杂,设计计算所用的数学模型或计算公式都需经过一定的概化和简化;尤其当地质条件较复杂时,岩土参数往往不易准确量测。 所以设计计算的结果就存在误差和不确定性。 此外,测试条件与工程原型之间存在较大的差别(尺寸效应、应力状态),也影响岩土参数的可靠性和适用性。 因此,单纯依靠理论计算又无现成经验的设计,可靠性较低;而以实体试验和原型监测为依据的岩土工程设计则较为可靠、合理。 反分析应以岩土工程实体或足尺试验为分析对象。 根据系统的原型观测,查验岩土体在工程施工和使用期间的表现,检验与预期效果相符的程度。 只要方法得当,反分析可以求得更加符合实际的岩土工程技术参数。 它与室内试验、原位测试一起,构成了求取岩土参数的第三种手段。 也可以说,反分析是前两种测试方法的补充,并借以验证其所求得的参数的实用性。 二、反分析的应用 反分析可分为非破坏性(无损的)反分析和破坏性(已损的)反分析两种情况。 表1非破坏性反分析的应用 工程类型 实测参数 反演参数 房屋建筑工程 沉降量和基坑回弹量观测 岩土变形参数 动力机器基础 稳态或非稳态动力反应,包括位移、速度、加速度 岩土动刚度、动阻尼 挡土结构 水平及铅直位移、倾斜、岩土压力、结构应力 岩土抗剪强度 公 路 路基及路面变形 变形模量、承载比 降水工程、生产井 涌水量及水位降深 渗透系数 表2破坏性反分析的应用 场地类型 实测参数 反演参数 各类场地 地基失稳滑移后的几何参数 岩土强度 滑 坡 滑坡体的几何参数,滑动前后观测数据 滑动面岩土强度 饱水粉细砂 地震前后的密度、强度、水位、上覆压力、标高等 液化临界值 膨胀性土、湿陷性土 土的含水率和变形,建筑物变形的动态观测数据 膨胀压力、湿陷性指标 为了提高反分析结果的可信度,不论何种类型的工程都应做到以下几点: (1)反分析之前,应进行详细的场地勘察工作,了解岩土和地下水条件,以及它们在施工过程中发生的变化。 (2)了解工程实体或足尺结构物在施工和运营过程中实际外加荷载的大小、加荷方式和作用时间。 (3)通过测试和分析,确定岩土体的初始状态变量,如岩土体的初始应力状态、应力历史等。 (4)合理确定岩土体的本构关系或反应模型以及相应的计算方法。 (5)恰当假定分析过程中的排水条件和边界条件。 (6)恰当确定反分析中所需的岩土体辅助参数,如土的重量、隙比、含水率等。 需进行数据统计时,一般只能在内插范围内选取参数,只有在确有把握的情况下,才采用外延方法。 (7)原型观测的项目、手段、方法和要求,应有针对性。 (8)在进行量纲分析、理论分析、统计分析时,应注意反分析工程与设计工程之间在尺寸上的差异。 第四节 岩土工程勘察报告 勘察报告是岩土工程勘察的总结性文件,一般由文字报告和所附图表组成。 此项工作是在岩土工程勘察过程中所形成的各种原始资料编录的基础上进行的。 为了保证勘察报告的质量,原始资料必须真实、系统、完整.因此,对岩土工程分析所依据的一切原始资料,均应及时整编和检查。 一、报告的基本内容 岩土工程勘察报告的内容,应根据任务要求、勘察阶段、地质条件、工程特点等情况确定。 鉴于岩土工程勘察的类型、规模各不相同,目的要求、工程特点和自然地质条件等差别很大,因此只能提出报告基本内容。 1、报告的内容 (1)委托单位、场地位置、工作简况,勘察的目的、要求和任务,以往的勘察工作及已有资料情况。 (2)勘察方法及勘察工作量布置,包括各项勘察工作的数量布置及依据,工程地质测绘、勘探、取样、室内试验、原位测试等方法的必要说明。 (3)场地工程地质条件分析,包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质和不良地质现象等内容,对场地稳定性和适宜性作出评价; (4)岩土参数的分析与选用,包括各项岩土性质指标的测试成果及其可靠性和适宜性,评价其变异性,提出其标准值; (5)工程施工和运营期间可能发生的岩土工程问题的预测及监控、预防措施的建议。 (6)根据地质和岩土条件、工程结构特点及场地环境情况,提出地基基础方案、不良地质现象整治方案、开挖和边坡加固方案等岩土利用、整治和改造方案的建议,并进行技术经济论证; (7)对建筑结构设计和监测工作的建议,工程施工和使用期间应注意的问题,下一步岩土工程勘察工作的建议等。 2、报告的内容结构 工程地质报告书既是工程地质勘察资料的综合、总结,具有一定科学价值,也是工程设计的地质依据。 应明确回答工程设计所提出的问题,并应便于工程设计部门的应用。 报告书正文应简明扼要,但足以说明工作地区工程地质条件的特点,并对工程场地作出明确的工程地质评价(定性、定量)。 报告由正文、附图、附件三部分组成。 (1)绪论,说明勘察工作任务,要解决的问题,采用方法及取得的成果。 并应附实际材料图及其他图表。 (2)通论,阐明工程地质条件、区域地质环境,论述重点在于阐明工程的可行性。 通论在规划、初勘阶段中占有重要地位,随勘察阶段的深入,通论比重减少。 (3)专论,是报告书的中心,重点内容着重于工程地质问题的分析评价。 对工程方案提出建设性论证意见,对地基改良提出合理措施。 专论的深度和内容与勘察阶段有关。 (4)结论,在论证基础上,对各种具体问题作出简要、明确的回答。 二、报告应附的图表 (一)报告应附图表类型 勘察报告应附必要的图表,主要包括: (1)场地工程地质图(附勘察工程布置)。 (2)工程地质柱状图、剖面图或立体投影图。 (3)室内试验和原位测试成果图表。 (4)岩土利用、整治、改造方案的有关图表。 (5)岩土工程计算简图及计算成果图表。 (二)工程地质图 为了确切地反映某一地区的工程地质勘察成果,单用叙述的方式是不够的,必须有图件配合。 为了将某一工程地区内的工程地质条件和问题,确切而直观地反映出来,最好的方法是编制工程地质图。 工程地质图是工程地质工作全部成果的综合表达,工程地质图的质量 标志着编图者对工程地质问题的预测水平,工程地质图是工程地质学家(技术人员)提供给规划、设计、施工和运行人员直接应用的主要资料,它对工程的布局、选址、设计及工程进展起到决定性的影响。 工程地质图一般包括平面图、剖面图、切面图、柱状图和立体图,并附有岩土物理力学性、水理性等定量指标。 工程地质图除为规划设计使用外,还可为下一阶段的工程地质勘察工作的布置指出方向。 1、工程地质图基本特点 (1)工程地质图是针对工程目的而编制的地质图件,它不同于一般地质图,它应该提供具有鲜明工程特色的信息,并按照与比例尺相称的精度,反映对某一地区的工程地质评价。 (2)综合测绘、勘探、试验、长期观测所获得的成果,反映区内综合 的或某一方面的工程地质条件。 (3)图的类型、比例尺、因工程对象和勘察阶段而不同。 (4)依据一系列基础图件(地质图、地貌图、水文地质图等),并结合各种勘探试验成果,综合分析“编制”而成。 它不是基础图件的简单重叠,而是各种基础资料的重新组合。 常以套图(系列图)的形式出现。 2、工程地质图的发展 (1)1976年由IAEG召开的工程地质编图学术会议,会后出版了“工程地 质图及编制指南”,并附有样图,对编图原则和方法提出综合性建议。 (2)我国已编制了1: 400万中国工程地质图(1990),省级1: 100万工程地质图。 如湖北省1: 100万环境地质图系,含11幅图件,反映地貌、构造、岩性、山体稳定性、岩溶发育程度、河湖变迁、自然灾害、水文地质、工程地质、旅游地质等内容。 (3)1990年8月6日—10日在荷兰阿姆斯特丹举行的第六届国际工程地质大会,将工程地质图列为第一项议题(收到论文36篇),归纳工程地质编图工作的最新进展。 (4)环境地质图的编制(和工程地质相关图件)。 3、工程地质图的最新进展 (1)出现综合性多层次多因素的环境工程地质图; (2)灾害预测地质图的发展,如滑坡灾害分区图(按概率分区); (3)计算机及GIS系统在工程地质编图中的应用,也是目前编图工作的主流和热点。 4、环境地质图 (1)环境地质图包括图件内容 A、基础资料图,示出岩土类型、基岩等值线、采矿区、竖井、平硐、钻 孔位置、填土、滑坡及边坡角、工程特性及矿床、地下水资源等。 B、演绎图,矿产资源、地基条件、设置地下贮存建筑物的潜力。 C、环境潜力图(环境容量图),矿产、地下水和农业有关的资源开发问题,指导开发并指出建筑物不应覆盖的地段或不允许场地填土污染的地段,或其他限制(如不良地基、滑坡、塌陷敏感地段或洪涝敏感地段)。 (2)环境地质图的目标 A、在详细程度上能满足地方规划的有用信息; B、在广度上能提供结构规划权系及其评价手段; C、能提供考虑发展的建议书文义; D、能帮助专业工程师和地质学家对收集到的基本资料进行快速评价。 5、工程地质图的类型 根据多年来实际出现的类型,大致可按内容和用途分类如下: (1)按内容分类 A、工程地质条件图(基本工程地质图) 综合反映工作区的工程地质条件,以及对条件的总体评价,但不作分区。 它表示各类建筑物区的基本工程地质条件及综合评价,有时也可针对某类建筑的特点,有选择地表示某些条件或因素,以便使用图件重点突出,便于生产部门使用。 又称综合图。 B、工程地质分析图(分析图) 针对某一重要的专门工程地质问题,分析有关因素的变化规律的图件。 图中只反映某一种因素或某一种岩、土指标的变化规律,常以等值线图的形式出现。 如建筑物持力层顶板埋深或高程等值线图、地下水等水位线图、岩土渗透性(K值)等值线图,岩土c、f值、压缩系数a、变形摸量E等值线图等。 显然,编制这类图件需要大量数据,一般在详细勘察阶段才有可能编制。 常作为重要工程地质图件的辅助图件。 C、工程地质分区图 按照工程地质条件中各要素的主次顺序相似程度分区,并可作几级划分,图面上只有分区界限和区的代号,各区的工程地质特征在所附的说明表中说明,并作出评价。 常与工程地质图(条件图)相互配合使用。 使用于中、小比例尺,大范围。 D、综合分区图 图中既表示工程地质条件的有关资料,又有分区并对各区的建筑适宜性作出评价。 是生产部门中常用的形式,这种图件适于条件简单或中等复杂程度的地区,对于条件复杂地区,则图中内容过多,重点不突出,适于大比例尺、小范围。 (2)按用途分类 A、通用工程地质图 以表示工程地质条件为主要内容,以岩土类型及其工程地质性质为主体,综合地质结构、水文地质等因素,并提出一般性工程地质评价。 通用图可为各种工程建设服务,应用范围广而精度低,小比例尺,大范围,用于区域规划。 (如中华人民共和国自然地图集1: 1000万,中国工程地质图1: 400万。 ) B、专用工程地质图 为某一类工程建筑服务,具有专门性,在全面反映工程地质条件的基础上,根据具体建筑的需要和存在的工程地质问题,加以筛选,使重点突出,避免因反映因素过多而使图面复杂化。 这种图可有各种比例尺,但是小比例尺专用工程地质图,其收集资料精度较低,实际上只能反映基本条件,因而趋于通用图,用于规划阶段。 中大比例尺,所反映的数据精度较高,专用性加强,因而专用工程地质图,应以中、大比例尺为主。 6、编图中的工程地质单元体划分和分区问题 工程地质单元体的划分和工程地质分区是工程地质编图中的两项重要问题,也是在争论中逐步得到统一和发展的问题,涉及到工程地质学中的基本理论。 (1)岩土的工程地质制图单元划分问题 工程地质图的中心内容是反映以岩土类型为主体的各种工程地质单元体。 不同比例尺的图件对岩土类型划分的详细程度不同。 比例尺愈小,单元体概括性愈高,随比例尺加大,则要求逐渐突出岩土的微型特征作为单元体的划分依据。 CEGM(Committeeof Engineering GeologicalMap)标准,国际 工程地质协会(IAEG)工程地质编图委员会建议,按4级划分工程地质制 图单元。 A、工程地质类型(Engineering GeologicalType---E.T)工程地质类型是最小一级单元体,在大比例尺工程地质图上才有条件划分。 B、岩石类型(Lithological Type----L.T)是基本单元,用于大、中比例尺工程地质图。 C、岩石综合体(LithologicalComplex----L.C)是中单元,用于中、小比例尺工程地质图。 D、岩组(Lithological Suite----L.S)最大单元,用于小比例尺工程地质图。 各级单元体的划分标志如下表: 单元级别 名称 地质成因 地质历史 工程地质特征 均一程度 D 岩组(L.S) 属于同一地质时期、大地构造及地理环境,有成因联系 相似 相近 不均一、各向异性 C 岩石综合体(L.C) 属于同一构造及地理环境 相同 相似,但不能给出综合体的指标,只能给出个别岩类指标 岩石类型均一但可进一步分类 B 岩石类型(L.T) 相同 相同 相似,可以给出单元体指标范围值,但不能给出平均值 岩性均一,物质成分、结构、构造相似,但物理状态不同 A 工程地质类型(E.T) 相同 相同 相同,可以给出岩土物理力学性质指标的确切值 均一,物理状态一致 中国工程地质图的岩土类型单元划分标准,以地质成因—地质特征—工程 地质性质作为岩土单元划分原则。 A、岩体: 按建造(成因、地质特征)及工程地质特征 建造: 岩浆岩、碎屑岩、碳酸盐岩、变质岩、松散土。 工程地质特征: 按强度及结构
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