岩土工程是人类改造世界,发展生存空间,营造现代物质文明方面的一项重要系统工程。随着科学技术的迅猛发展,未来的岩土工程必将在现有先进水平的基础上获得突破性的发展。
通过钻探取样直观地掌握岩土性状,仍将是未来岩土工程勘测的核心方法,但是钻探技术和测试技术将有长足的进步,象航天技术移植过来的伺服式测斜仪一样,登上月球的月球车和登上火星的漫游号火星车技术都会有朝一日转向民用,这些仪器的特点是遥感和自动控制。对于钻探取样的繁重体力劳动,将完全由机器人或机械手所取代。在各种传感器和中央控制系统的指挥下,液压系统可以自动树立钻架或钻塔,自动安装钻机和装拆钻杆,自动取样和保留岩土样,自动采集各种数据和进行数据处理。目前转盘式的钻杆装拆的机械手已经在车装钻机上应用,进一步的智能化钻机的出现指日可待。
原位试验仍将是必不可少的勘测手段, 随着原位试验精度的提高,不仅使昂贵的钻探取样、室内土工试验的工作量减少到最低限度,且岩土工程勘测的效率也将大大提限度,且岩土工程勘测的效率也将大大提高。原位试验技术的发展同样以智能化为方向,而遥感遥控和数据采集处理自动化是普遍的技术方法。
原位试验方法将由目前的十几种逐渐简化为四种,即四雄并立的局面。这四种方法由于在本世纪积累了大量经验,并已列入规范,将继续得到发展和应用,但在技术和智能化程度将上一个新的台阶,现在技术和智能化程度将上一个新的台阶,现将简述四种方法的现状和发展。
1 原位测试方面
1.1 静力触探(CPT)
CPT是一种电子测试技术,通过向土内压入一个锥形探头,通过土对锥头作用的反力引起电阻率的变化,测求锥尖阻力和侧壁摩阻,绘制出随深度而变的相关曲线,从而精确地划分地层,计算各层的抗剪强度和承载力,特别是模拟计算桩的侧阻力和桩端反力有很高的精度。目前CPT正在向多功能的方向发展可测孔隙压力的静力触探(CPTU)已成常规,用途甚广,除了分层鉴别土层之外,可测固结系数,估测土的应力史,单桩承载力,地基变形模量、抗剪强度,并判定砂土震陷和液化。CPT与测波速技术相结合,发展成为SCPT,可作下孔法、跨孔法求剪切波速 从而求算剪切模量 。求状态参数,反映地基的天然状态(state parameter),更正了对相对密度的认识,扩大了原位试验的应用范围。
未来的CPT技术,声波遥感将取代电阻应变,从而实现无电缆操作,贯入深度将不受地层和设备的限制,并将扩大目前四功能(贯入阻力、侧壁摩阻、孔隙压力和测斜)探头为多功能探头或不同功能探头,液压技术也将得到发展实现自动化操作。
1.2标准贯入试验(SPT)
标准贯入试验仍然是国际上应用最广泛,最常用、最主要的勘探及原位试验。目前更强调标准的或标准化的标准贯入试验,以期国际上更为有效的进行交流。目前为止SPT是在世界上地震和震陷液化实际发生地区积累最多的原位试验,故而是评定液化和震陷最主要的试验。未来的SPT,将与智能化钻机结合,在控制自由落锤的冲击能和标贯取样方面得到进一步的发展,实测的资料可与CPT等综合分析,在土的类别和强度指标,桩基设计参数和液化等级判定等方面将取得更精确更可靠的判别资料。
1.3自钻旁压仪(PMT)
自钻旁压仪(PMT)是原位试验中边界条件最明确的试验,但其试验成果付诸实际应用一向存在困难。近年来微处理器和电脑自动化控制的进展,临界状态土力学的成熟,使得PMT试验成果分析有了新的发展,例如进行握住试验求土的原位固结系数,加强试验卸荷阶段的量测,可推求地基土的不排水抗剪强度、剪切模量、摩擦角和剪胀角状态参数等,状态参数是比相对密度更好的描述砂土性状的指标。测土的水平向应力以PMT为最好。CPT测量锥尖阻力 值不能可靠地反映土的变形性能,而PMT则可给出相当可靠的剪切模量,压缩模量和侧向基床反力系数。未来的旁压仪通过与智能化钻机的结合,不仅克服了试验深度的限制,而且通过遥感技术的发展,数据处理也能自动完成。
1.4侧胀仪(DMT)
侧胀仪亦称扁铲或应力铲。侧胀仪为测定许多重要的土力学参数提供了一种快捷、精确而又经济的现场测试方法。侧胀仪可用于确定约束模量M(粘土和砂土)、不排水剪切强度 (粘土)、计算沉降量、确定土的分层、控制压实密度。还可提供粘土的OCR (超固结比)和 (侧压力系数)、判定砂土液化、模拟侧向荷载下桩的 (荷载-位移)曲线,还可测得粘土的固结系数和渗透系数,确定粘土斜坡中滑移面的位置。
2 桩基础和地基处理的新发展
软土地基上建造各种建筑物,一般离不开桩基础和浅层地基处理,对于荷重大的高耸云天的建筑物来说,桩基础已经发展到相当成熟的境地,钢桩(H型桩和钢管桩),钢筋混凝土桩(预应力高强度管桩、钢筋混凝土方桩),现场浇制混凝土桩,以及各种形式的夯扩桩、沉管桩、扩底墩等等都已在工程上大量应用。未来的桩基会有什么样的变化呢?可以预言,必将出现三大变化:
(1)桩的承载能力将会有突破性的发展,目前单桩承载力达到1500吨的已很少见,但在未来,只要上部结构有需要,荷重在2000吨以上的桩将不是难题,从经济性着眼,一柱一桩的结构形式可以广泛采用,实现这一目的,将在桩材和沉桩设备方面取得进展。PHC桩(高强度预应力混凝土管桩)的强度和直径(>1m)得到扩大沉桩设备方面液压锤和泥浆回转钻的结合使进入砂土层和砾石20~30m不成问题,一种新的复合桩型必将问世,这种桩型是贯入能力强的H型钢桩和PHC桩的结合。
(2)桩的形状必将突破直杆和线性的概念,而演变为不同造型的支承结构,例如沉井结构用于筒中筒、筒筐结构的高层、地下连续墙已经作为地下室外墙的一部分。成片状的、折线状的和格栅状的不同于现有桩基础却有桩的功能与概念的地下支承结构,必将部分或局部取代单调的桩基础,这种地下支承结构施工机械将不是传统的打桩机,而是以地下连续墙施工机械为蓝本的掘土机,如果在气压护壁方面有所突破,则可扩大其底部,形成扩底墩式的扩大头,进一步提高其支承能力,减少沉降量,降低造价。
(3)目前的桩材以钢筋混凝土为主体,而钢桩则次之,随着化学工业高分子材料的发展,由化学注浆成桩制造出高强度的可与钢筋混凝土桩比美的化学复合桩未必是不可能的。目前水泥土搅拌桩已广泛用于复合地基的处理,化学灌浆也是常用的手段,在此基础上发展的化学材料和土的搅拌桩搅拌墙用于防渗挡水等目的应是指日可待的。
浅层地基的处理,物理的化学的方法种类繁多,今后发展的侧重点及其预期的方法和内容如下:
(1)土工织物或土工布。普遍用于筑坝、软基处理、边坡治理和排水防渗等领域,已经在提高地基承载力,增强地基抗滑能力,或者防止土粒冲刷流失等方面有很大发展。结合原位试验和量测、应用数值分析法探索予估施工和加固过程的工作性状等方面,使土工织物的应用日益扩大。
(2)与环境保护有关的加固地基的方法将大为流行,随着高度工业化的实现,现代工业生产各类产品的同时,也生产了大量废渣、废水和废气等废弃物。如何将废渣如钢渣、粉煤灰等材料利用起来,作为地基处理的一种有用的材料,目前除了粉煤灰已大量用于筑路或回填土以外,钢渣桩、粉煤灰复合桩、粉煤灰、钢渣作为强夯垫层等方法也就应运而生了。
(3)建筑物纠偏和地基加固保护有历史意义的古建筑将是未来一项有重大意义的任务,世界有名的意大利比萨斜塔的纠偏,曾做大量深入细致的研究,最后决定采用反压、电渗加固和锚索等多种方法的综合加固方案,并进行室内物理模型和数学模型相结合的试验,在取得可靠的数据和试验效果后才付诸实施,现在已初见成效。无独有偶,我国苏州著名的虎丘塔,经历了几百年风雨的侵洗,地基发生了严重的不均匀沉降,塔身的倾斜可与比萨斜塔相比,已到了非处理不可的程度,经过国内众多专家论证,最终确定采用适合具体工程条件的挖孔桩围封,然后在基础下对地基作压力灌浆的综合加固手段,终于解决了倾斜问题。
建筑物纠偏的方法很多,常用的方法有基础托换、压力注浆、旋喷桩、树根桩、锚杆支承等。钻孔掏土解除应力、重力反压和电渗加固地基等也是常用的方法。随着科学技术的发展,古建筑的保护将在基底应力和沉降的遥感遥测方面有所突破。然后确定有针对性的加固方案,做到上部结构毫无损伤地完整的保存下来,使那些人类文明的瑰宝永放光彩。
3 地下空间的开发将是岩土工程的着重点
当前面临着人口增长的巨大压力,人们生活的空间是有限的,必须在保护生态环境的同时,充分开发和有效利用人类的生存空间,因此一方面高层建筑仍将是解决城市人口密集区居住问题的重要手段。另一方面就是充分利用既能节能又不争地的地下空间,目前,地下铁道、地下停车场、地下仓库、地下商场、越江或海底隧道等地下建筑物已经广泛地为人们服务。地下空间的开发,将不仅为城市交通所必须,也将更大规模的为拓展人类的生存空间服务,地上几十层,地下5层6层甚至更多层作为地下车库、地下商场、地下技术层,甚至与地铁、隧道等连接在一起的超高层建筑早已出现。不仅节约了大量的宝贵的土地资源,而且也节约了大量的能源,这样的地下城必须在未来蓬勃发展。
在地下空间的开拓中,岩土工程是最核心的内容,工程地质和水文地质、岩石力学和土力学,环境地质和抗震工程都将大显身手,在理论和实践中取得突破性的进展。