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地质工程设计理论与方法提纲
前言
地质工程学是一门发展中的新兴学科,地质工程学主要是研究地质体的改造和利用问题,强调地质条件对工程安全的控制性作用,注重以工程措施对地质环境的改造和加固技术的应用。
将地质基础理论、力学分析理论和工程设计理论有机地结合起来,系统地阐述了地质工程学的基本原理和设计计算方法。
地基、边坡、隧道等建设工程,不仅处于一定的地质环境中,还把地质体作为工程结构的一部分。
由于地质体的结构和赋存环境的复杂性,使地质勘察成果往往具有不确定性,既增加工程设计的困难性,也必然增加工程的风险性。
重大工程建设中出现的灾害性事故常常是因为对地质条件认识不足而造成的,其原因不但与勘察工作的深度和质量有关,更与设计工程师无法同地质工程师实现有效的沟通有关。
为了解决地质调查与工程设计脱节问题,20世纪90年代提出了“地质工程学”的概念,并在教育部制定于1999年实施的新学科专业目录中,将相关专业合并与调整,设置了地质工程专业。
基本指导思想是:
①实现地质基础理论与工程设计理论的有机结合,以满足工程建设需要为目标;②按设计功能进行编写,使读者易于掌握地质工程设计的基本原理;③力图形成地质工程学的基本理论体系,为地质工程学科领域的发展起积极的促进作用;④在内容安排上,地质资源与地质工程类各专业的教学要求。
目录
第0章绪论
0.1地质工程学的形成与发展
0.2地质工程学研究的对象和基本工程类型
0.3地质工程学的研究方法
0.4地质工程学与工程地质学的关系
第0章绪论
工程活动都是在一定的地质环境中进行的,有时甚至把地质体作为工程结构的一部分——例如地基工程、边坡工程、隧道工程等都是直接对地质体进行改造和利用。
这些工程活动与地质条件紧密联系,设计工程师不仅需要对设计对象的功能有正确的认识,而且应充分掌握地质环境条件。
由于地质条件的复杂性和不可确知性,这些工程问题涉及的地质条件往往无法在勘察设计阶段完全解决。
对于复杂的地质体来说,即便投入大量的前期地质勘察研究工作,但往往仍然存在不确定性。
把地质勘察的不确定性带到设计中来,必然会增加工程的不可靠性和风险性。
面对大型边坡、大型地下工程等复杂问题,大量的地质资料往往使传统的设计人员无从下手,而地质人员确实无法按照传统从大量的地质信息中凝缩出几个所谓的“参数”供设计人员使用。
大量的工程实践表明,复杂的地质条件是难以查明的,基本设计参数的确定也带有很大的人为主观因素,其结果就是人们无法确认工程的最终安全性等级,也无法确认工程建成后可安全使用多少年。
面对这种困惑的局面,人们在思考更有效的工程安全保障方法,探索更合理的工程建设技术路线;这就要求地质、设计与施工有机结合,并以地质研究为主线贯穿始终。
地质工程学正是适应这样的需求而产生的。
地质工程学是适应大规模地质工程建设而形成的新学科,强调以地质调查研究为基础,以地质条件改造和地质灾害治理为核心,以监控量测和反分析研究来保障工程安全。
地质工程学强调地质条件对工程安全的控制性作用,强调以工程措施对地质环境进行改造,并重视对技术方法和作用效果的研究。
因此,地质工程学是地质学与工程学交叉的新兴学科。
0.1地质工程学的形成与发展
伴随着工程建设经验的积累和工程建设技术水平的提高,人们利用和控制地质环境的能力得到了很大的提升。
同时受建设场地资源的制约,始终有大量的工程建设处于复杂的地质环境条件中。
为了确保工程建设成功,不仅需要深入研究地质条件,更需要有效地利用和改造地质环境。
地质工程学正是在这样的背景下形成和发展的。
地质工程的思想是在工程实践中产生的。
1974年,E.Hoek和J.W.Bray合著的《RockSlopeengineering》一书,首次把岩石边坡作为工程来研究,强调了根据基本地质资料分析与良好的工程知识的结合,提出解决岩石边坡设计问题的方法,体现了地质工程设计的一些基本思想。
1976年,美国工程地质学家R.E.Goodman在《MethodsofGeologicalEngineeringinDiscontinuousRock》著作中,首次使用了“地质工程(GeologicalEngineering)”这个术语,提出了地质工程的概念。
认为地质工程的主要任务是调查和评价地质条件,对不良地质条件进行处理,同时将岩体看作工程结构的一部分。
但在Goodman的研究中,地质工程仍停留于工程地质勘察领域,只是更强调岩体的工程特性而已。
我国将地质工程作为一个命题首先进行探讨的是孙广忠教授。
他在1984年提出了岩体改造原理,强调工程地质、岩石力学和地质工程三位一体。
1993年出版了《工程地质与地质工程》专著,对地质工程的定义、特性、工作内容、工作方法进行了论述。
1996年出版了《地质工程理论与实践》,论述了地质工程的概念、定义、理论和方法,提出地质工程的基本原理是地质控制论。
2004年出版了《地质工程学原理》,提出“地质工程是以地质体做建筑材料、以地质体做工程结构或以地质体赋存环境做建筑环境建筑起来的一种特殊工程,如地基、边坡、地下工程、钻井、地质灾害防治、地质环境整治等可以统称为地质工程”。
他论述了地质工程基本理论:
地质构造控制论、岩体结构控制论、土体结构控制论、地质环境因素控制论。
胡海涛教授于1992年提出了狭义和广义地质工程的划分。
狭义的地质工程指各类工程,如建筑、土木、水利、道路和采矿都不可避免地要进行地基、边坡和地下洞室开挖以及防渗、排水等。
在这一层次上,地质工程基本上等同于岩土工程。
广义地质工程,主要对地质体进行改良——强化或弱化,或对一个地区的资源开发、地质灾害防治和地质环境保护等进行改善地质环境的各项工程。
罗国煜教授于1992年在对地质工程的研究中,强调了充分利用地质体潜能和对地质体进行改造的观点。
地质工程立足于地质体特性,应用的不是一般工程技术,而是具有鲜明特色的地质工程技术。
他认为地质工程服务于三个层次:
全球性系统、地区性系统和地带性系统。
它是减缓地质灾害的有力武器。
殷跃平教授在1994年认为,地质工程是工程地质的新拓展,它是与岩土工程密不可分的一种技术。
岩土工程主要解决建立于工程岩体之上的地基稳定,以及一般边坡和洞室稳定的评价、改造和控制问题,岩土体结构是岩土工程的核心。
地质工程面对的是复杂地质体,并且这种地质体处在不断的变形破坏过程中,它解决的是建立于复杂地质体之上的山体稳定性和区域地壳稳定性的评价、改造与控制问题。
地质工程的理论基础是“工程地质过程改造与控制论”。
从上述不同学者对地质工程学的论述中可以看出,地质工程学是在岩体力学和工程地质学的基础上形成和发展的,虽然从不同的角度对地质工程的定义进行了阐述,但都强调地质工程研究的对象是地质体。
我们认为地质工程应包括两个基本点:
一是地质条件对工程安全的控制性作用,二是地质灾害防治技术的开发和应用。
地质工程学的研究对象是以地质体为主要工程结构的一类特殊工程,如边坡工程、地下洞室工程、地基工程等。
地质工程学研究的基本思路是以地质条件研究为基础,有针对性地提出合理的工程施工方法和加固治理工程措施及防灾设计。
地质工程学研究的目标是防止地质灾害的发生、保障工程的安全使用。
0.2地质工程学研究的对象和基本工程类型
地质工程学研究的对象是地质体。
地质体处于一定的地质环境中,受断层、节理、片理、接触界面等宏观地质界面切割而具有复杂的结构特征,这些地质界面统称为结构面或不连续面。
由于地质体在其形成和存在的整个地质历史时期中,经受过各种复杂的地质作用,使其工程性质变得十分复杂,主要表现为如下3个方面。
(1)不连续性:
由于地质体中存在着各种结构面,使得力学性质上具有不连续性。
(2)非均匀性:
地质体的物理力学性质随空间位置不同而具有差异。
(3)各向异性:
地质体的性质随结构面分布和物质成分变化的方向性而变化。
另外,由于地质体赋存于一定的地质环境中,具有特定的地下水渗流场、温度场和初始地应力场。
环境场特征对地质工程问题分析具有重要的意义。
目前对地质工程基本类型的划分还有不同的看法。
胡海涛教授(1992)将地质工程分三类:
采掘地质资源工程、防治地质灾害工程和保护地质环境工程。
梁炯鋆等(1992)按空间位置,并结合岩(土)工程分类习惯,将地质工程分为:
①地下建筑地质工程,如交通隧道、人防工程、城市地下建筑隧道等;②地面建筑地质工程,如建筑基础、河道建筑、露天开采等;③特殊建筑地质工程,如核废料存储工程、水封油库工程等。
殷跃平教授(1994)认为,从地质工程的任务,即对山体稳定性和区域地壳稳定性进行评价、改造与控制出发,可初步划分出以下基本类型:
采矿地质工程,防灾地质工程,环境改良地质工程,水能开发和跨流域引水地质工程,过江或深埋隧道地质工程,核废料地下处置和活动断裂防治等其他类型地质工程。
孙广忠教授(2004)从工程类型角度进行了划分:
土木建筑行业中的地基、边坡、隧道、地下洞室、建筑基坑工程;国防工程中的各类掩体工程;地质资源勘察工作中的钻探工程、山地工程;地质资源开发中地面开采的露天矿坑工程、地下开采的井巷工程;石油开采中的油井工程;地下水采取中的水井工程;天然气开采中的采气井工程;地质灾害防治工程、地质环境治理工程等。
应该注意到地质工程研究对象的基本属性是工程建设项目,这类项目的特殊性在于结构的安全性,关键是地质体的变形与稳定。
控制地质体变形的关键因素是地质结构和地质环境,这些因素往往随空间位置而发生明显变化,地下工程与地面工程的地质环境有很大差别,区域尺度上的地质结构与小尺度范围的地质结构也有很大差别。
另外,从工程结构和功能上看,地下工程与地面工程有很大的差别,区域性工程与局部性工程在功能上有很大差别。
综合考虑地质因素和工程因素,我们认为地质工程的基本类型可划分为三大类:
①地下建筑地质工程,如隧道、地下洞室、人防工程、城市地下建筑等;②地面建筑地质工程,如建筑基础、边坡、崩塌和滑坡及泥石流防治工程等;③区域地质环境治理工程,如区域地面沉降、抗震防灾工程等。
0.3地质工程学的研究方法
由于研究对象差异和解决问题方式的不同,地质思维和工程思维之间存在着很大的差异。
地质学家所关注的是地质体的成因和历史演化过程,而工程专家则总是注意到建筑物的结构、尺寸和荷载,并考虑材料应力、变形和强度。
解决地质工程问题需要这两类思维的融合与相互渗透。
在地质工程问题研究中,需要把握地质体的形成演化过程,从整体上掌握地质体结构特征和在空间上的变化规律,并据此确定防灾治理方案。
但在实施地质体加固设计时,又需要有工程思维,充分考虑材料应力、变形和强度。
地质工程的主体是地质体,但在这类工程中地质体往往与建筑结构相互作用而构成一个整体,如坝体与坝基、隧道围岩与衬砌、边坡与加固支挡系统等。
从整个工程以及科技发展的成熟程度来看,地质体常常成为大型地质工程的主要矛盾,也就是说地质体对工程的经济与技术起控制作用。
对于开挖和加载后的地质体稳定性来说,地质因素往往是构成矛盾的主要方面。
地质分析不仅能为其他分析方法的正确使用提供资料,而且能直接对地质体的变形破坏发展过程作出定性的判断。
只有重视地质条件分析,才能正确评价潜在的地质灾害问题,确定合理的加固防灾方案。
为了有效解决地质工程问题,仅仅停留在地质分析上是不够的。
毫无疑问,无论是对岩体结构等影响地质体变形和稳定等内在因素的力学作用分析,还是对降雨和荷载作用等外部影响因素的分析,都需要通过定量的力学计算来实现。
地质工程问题的最基本目标与其他工程结构是相同的,都是要实现对结构变形和破坏的有效控制。
这里最根本的差异是地质体结构的复杂性和力学特性的不可确知性。
因此,为了实现地质工程问题的正确分析,应该在地质分析的基础上开展定量的试验研究和数学力学计算分析,达到从现象分析到内在力学作用机理分析的有机结合。
事实上,地质工程问题的监测和反分析研究常常是必需的,只有通过反复修正认识才能获得较为可靠的分析结果。
地质工程不仅要查明问题,更需要针对问题采取合理的工程措施进行加固,防止产生过大的变形和地质体的破坏,确保工程的使用功能和有效期内的安全性。
为了全面提升地质工程的技术水平,一方面我们要强调地质调查分析的基础性地位,另一方面我们需要大力发展工程加固技术和地质因素控制技术,如锚固技术、支撑技术、抗滑技术、排水技术和监测技术等。
发展这些技术是达到地质工程建设目标的保证条件。
因此,地质工程学研究应实现分析与技术的统一:
一是要认识到地质条件对工程安全的控制性作用,全面认识地质环境特征,让地质研究贯穿于工程建设的始终;二是重视对不稳定地质体加固和地质灾害防治技术的开发和利用,提高工程技术措施的有效性,实现工程建设的功能要求和安全目标。
0.4地质工程学与工程地质学的关系
地质工程学研究地质体的改造和利用,其基本目标是确保地质体的稳定,防止因地质体变形和破坏对工程结构字全产生影响。
地质工程学强调地质条件对工程安全的控制性作用,注重工程措施对地质环境的改造技术方法和作用效果研究。
因此,地质工程研究不仅要查明地质条件,更需要针对地质体的特点采取合理的工程措施,控制地质体的变形和破坏,确保工程的应用功能和有效期内的安全性。
工程地质学的任务是研究与工程建设有关的地质问题,其基本任务是查明岩土性质、地质构造、地貌、水文地质条件、自然地质现象和天然建筑材料等工程地质条件,并依据工程地质条件分别对岩土体稳定性进行分析评价。
地质工程学是在工程地质学研究的基础上发展起来,是工程地质学的新拓展。
在工程实践上,工程地质工作是认识自然环境,地质工程工作则是在认识自然环境的基础上改造与保护自然环境。
因此,工程地质工作是地质工程工作的一个重要组成部分。
地质工程工作必须建立在查明建筑区域工程地质条件的基础上,从地质结构控制论的观点出发进行工程设计与施工。
第1章锚杆设计理论和方法
1.1概述
锚杆支护是一种重要的支护方式,主动支护。
1.2锚杆材料
锚杆的构成:
杆体
粘结剂
锚杆垫板
1.2.1杆体材料
一般为各种型号的热轧刚。
1.2.2粘结材料
水泥质
树脂类
水泥质:
水泥沙桨或纯水泥浆、快硬水泥药卷
1.2.3锚杆垫板
1.3锚杆体设计
1.3.1砂浆锚杆
1.3.2块硬水泥卷锚杆
1.3.3树脂药卷锚杆
1.3.4缝管锚杆
1.3.6其他锚杆介绍
屈服锚杆
精扎螺纹钢锚杆
可回收锚杆:
机械式、力学式、化学式
自进式:
注浆钻进、注浆涨壳、注浆
土中打入式
化学名:
亚甲基双萘磺酸钠(NNO)
性状:
本品为米黄色或米棕色粉末(干品)或棕黄色液体(湿品),干品易溶于任何硬度的水中,耐酸碱、硬水及盐,扩散性与保护胶体性能好,无渗透及起泡性,对蛋白质及聚酰胺纤维(毛、丝、涤纶等)有亲和力,对棉、粘胶、麻等纤维素无亲和力,可与阴离子型和非离子型表面活性剂同时使用。
属阴离子表面活性剂。
喷锚边坡防护
1.适用条件
凡易于喷浆(喷射混凝土)防护的岩质边坡,当岩层风化破碎严重、节理发育,在破碎岩层较厚的情况下,如果继续风化,将导致坠石或小型崩塌,从而影响整个边坡的稳定性。
它具有较高的强度,较好的抗裂性能,能使坡面内一定深度内的破碎岩层得以加强,并能承受少量的破碎体所产生的侧压力。
2.构造要求
1为防止坡面水的冲刷,沿喷浆(喷射混凝土)坡面顶缘外侧设置一条小型截水沟。
2锚固深度视边坡岩层的破碎程度及破碎层的厚度而定,用1:
3的水泥沙浆固结。
3喷浆厚度不小于3cm,喷射混凝土的厚度不小于5cm。
4锚杆的类型有树脂锚杆、全长砂浆锚杆、塑料锚杆、水泥锚杆和缝管锚杆。
5提高锚杆承载力的措施主要有延长锚固段长度、二次压浆、采用端头扩大或多段扩大头锚杆、重复高压灌浆和改变锚杆传力特征的剪力或压力型锚杆。
其中二次压浆和重复高压灌浆比较实用有效。
第2章预应力锚索
什么是预应力?
在结构承受外荷载之前,预先对在外荷载作用下的受拉区施加压应力,以改善结构使用的性能的结构型式称之为预应力结构。
如木桶,在还没装水之前采用铁箍或竹箍套紧桶壁,边对木桶壁产生一个环向的压应力,若施加的压应力超过水压力引起的拉应力,木桶就不会开裂漏水。
在圆形水池上作用预应力就象木桶加箍一样。
同样,在受弯构件的荷载加上去之前给构件施加预应力就会产生一个和与荷载作用产生的变形相反的变形,荷载要构件沿他作用方向发生变形之前必须最先把这个与荷载相反的变形抵消,才能继续使构件沿荷载方向发生变形。
这样,预应力就象给构件多施加了一道防护一样。
2.1概述
一种主要承受拉力的杆状构件,通过钻孔将钢绞线过高强度钢丝固定于深部的稳定地层中,并在被加固体表面通过张拉产生预应力,从而达到被加固体稳定和限制变形的目的。
2.2预应力锚索类型
分类形式繁多:
外锚头分类
锚索体种类分类
锚固段结构受力分类
拉力型锚索
压力型锚索
荷载分散型锚索
(拉力分散型、压力分散型、剪力型、拉压分散型)
2.3锚固设计
2.3.1概述
锚固设计:
针对特定的地层条件和锚固形式,确定锚索承载能力和锚固长度。
传力方法
a.机械装置(如涨壳式内锚头)
b.注浆体
c.扩大锚头(扩孔、高压注浆)
锚索的破坏形式
a.界面破坏
b.地层呈椎体状破坏
c.锚索体材料破坏
d.注浆体破坏(压碎或破裂)
e.锚索群体破坏
2.3.2锚固设计的一般要求
设计原则
调查试验研究锚固区地层的工程地质、水文地质条件和工程重要性;
具有安全性和经济性
不对相邻构筑物的影响
服务年限
注重试验(性能试验,差异太答应调整参数重新试验)
土层条件(禁止地层)
有机质土层
稠度指数0.9以下土层
液限50%以上的土层
相对密度0.3以下的土层
水文条件(防腐蚀)
PH值小于6.5
CaO>30mg/L
CO2>15mg/L
MH+4>15mg/L
Mg+2>100mg/L
SO4-2>200mg/L
设计内容
锚固类型及尺寸
锚固力及预应力值
锚索体材料及截面面积
注浆体与地层间的粘结长度
注浆体与锚索体之间粘结长度
锚固段长度、张拉段长度和锚固深度
张拉长度
锚索的结构形式及防腐措施
锚头的锚固形式及防腐措施
锚固力应满足的条件
容许锚固力(Ta)=极限锚固力(Tu)/安全系数(Sf)
容许锚固力大于或等于工作锚固力(Tw)
设计锚固力(Td)大于或等于工作锚固力
2.3.3锚固段形式
A型:
用于硬岩或硬粘土,无扩孔,低压或无压注浆,锚固力受界面控制;
B型:
软弱裂隙岩体或非粘土,有效直径增加,低压注浆(小于1Mpa),锚固力取决于底层抗剪力;
C型:
软岩到各类土层,扩孔,高压注浆,锚固力复杂;
D型:
粘性土,人工扩孔,锚固力:
地层抗剪力和端部承载力。
2.3.4注浆体与地层界面的锚固力计算
影响因素
岩石的强度
锚索类型
锚固段形式
施工工艺
注浆体与地层结合面的力学问题
锚索与地层的相互作用
所以:
确定锚索锚固力的最好方法是在特定地层条件下进行严格的锚索试验
A型
假设条件
应力均匀分布
无扩孔,注浆体无压缩
沿界面滑移或剪切破坏
岩层
Tu=πDLτsL=TwSf/(πDτs)
土层
Tu=απDLCuL=TwSf/(απDCu)
B型
确定有效直径困难
低压注浆,参考桩的设计方法
Tu=nLtan(FEI)
L=TwSf/nLtan(FEI)
C型
机理清楚,参照经验及大量实验结果
D型
2.3.5锚索体与注浆体界面的锚固力计算
剪应力分布和传递机理尚不成熟,参照钢筋预应力混凝土研究得到。
剪应力包括三个因素
物理粘着力
机械嵌鼓力
表面摩擦力
2.3.6锚索内锚固段的长度确定
问题复杂,研究成果有限。
锚索的锚固长度应符合下列要求:
2.3.7锚固段在稳定地层中的锚固深度
锚固深度:
稳定地层表面至锚固段中点的地层厚度。
岩体中的锚固深度
在干燥非粘性土中的锚固深度
饱和非粘性土中的锚固深度
粘性土中的锚固深度
2.3.9锚固段的相互作用
2.3.10安全系数
2.4岩体和锚固体间粘结强度的确定方法
关系到:
安全性、经济性。
目前缺乏定量研究。
RMR:
岩体分类指数
1.7土钉墙[]
土钉墙是一种较新式的结构物,它主要由“钉”(即锚杆)、混凝土面板(挂网喷射混凝土)、锚板组成。
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