【分享】建设行业岩土工程的回顾与展望

Allen-2000

建设行业岩土工程的回顾与展望
  
刘金砺
  
   一、简要回顾  
  
    当今我国房屋建筑和市政建设中岩土工程的总体面貌同五、六十年代甚至七十年代相比，可以说出现了大变化，这种大变化主要表现在工程规模、技术难度和科技含量这三个方面。五十年代，以苏联援建的156个项目为主体，曾在建(构)筑物和设备基础中采用沉箱、沉井、箱基、桩基等基础形式，在软土、湿陷性黄土、季节性冻土等特殊土地区开展了大型工程建设。这些项目中岩土工程的技术难度和科技含量，在当时看是不低的。但用现代标准去衡量则显得相形见拙。  
  
    五、六十年代，国家的经济底子较薄，对于建筑物基础工程，以发掘天然地基承载力为主导，虽取得了一些成功经验，但软土地区也留下一些考虑变形时效不够的隐患。基础的选型侧重于节约材料，如中高层建筑多采用箱形基础，很少采用筏基，对于地下空间的利用尚未提上日程。  
  
    桩基础方面，五、六十年代以传统的预制混凝土桩为主，用桩量也不大；六十年代引进震动沉管准注桩；七十年代，钻、挖、冲孔灌注桩才逐步推广开来。  
  
    地基处理方面，五、六十年代侧重于浅层、中厚层处理，如灰土垫层、砂垫层、重夯、硅化、砂桩等，强夯、振冲、旋喷、深层搅拌等直至七十年代才引进开发。  
  
    特殊土的利用和处理。五、六十年代，湿陷性黄土的工程性质和处理成为一个热点，结合工程建设开展了大量试验研究，如在西安、兰州、太原、包头四城市进行湿陷性黄土的大型载荷试验等，有关湿陷起始压力、湿陷等级评价等相继提出和解决，并编制成相应的规范。软土的工程性质和有关软土地基设计问题，通过大量试验、工程应用和调查研究，积累了关于利用上覆硬壳层、优选建筑体型和长高比、增强建筑物刚度和整体性等成功经验。季节性冻土地区的地基问题，经过长期室外观测和工程实践，提出了建筑物地基冻深计算、场地冻胀等级划分、基础最小埋深、防冻害措施等技术，并编制了相应规范。七十年代，膨胀土地区轻型建筑地基问题提出，经组织攻关，取得了关于膨胀土的胀缩特性、膨胀潜势、胀缩等级、设计处理等方面的成果。并编制了相应规范。  
  
    建筑地基基础设计，从五、六十年代以借鉴苏联等国外经验为主，过渡到七十年代独立编制出国家标准。其主要特点是天然地基承载潜力利用、强调变形控制、复杂地基优化设计处理等。  
  
    地基基础的抗震，在1976年唐山地震后开展大量调查研究，形成了地基土液化评价、场地划分、抗震验算、抗震设防等系统技术与经验。  
  
    鉴于我国幅员辽阔、地质条件复杂多变，各大城市又积累了具有地区特色的工程经验，近20年来，北京、上海、天津、广州、武汉、成都、深训等域市和浙江、福建等省相继编制了地区性岩土工程规范规程。  
  
    总的说来，我国岩土工程技术是伴随着工程建设的发展而发展起来的，特别是近十多年的发展是最迅速、最全面和最具有现代气息的。100多栋高度120m至460m的高层和超高层建筑的兴建，以及每年2～3亿平米的城镇住宅工程，逾百座城市的道路、立交桥和给排水系统的建设，北京、上海、广州等城市的地铁工程,从一个侧面反映出我国房屋和市政建设领域岩土工程规模、技术难度、科技含量的大变化、大发展、大提高，总体水平已向国际先进水平逼近。  
  
    二、岩土工程主要成就  
  
    1、桩基础  
  
    随着高、重建筑和市政建设的发展，桩基在基础工程中的位置愈显重要，混凝土灌注桩、混凝土预制桩和钢桩这三大系列都有所发展，尤以灌注桩的发展最为突出。  
  
    灌注桩已形成挤土、非挤土、部分挤土三大类，十多种桩型和成桩工艺。挤土类，以七、八十年代用于多层建筑的沉管灌注桩为主导桩型；八十年代后期以来逐步演变和淘汰，一是在原有设备的基础上开发出夯扩桩，二是中小城市发展预应力预制管桩取代沉管灌注桩。非挤土灌注桩已形成泥浆护壁和干作业钻、挖孔多种桩型，其中泥浆护壁钻孔桩由于其适应性强、桩径桩长变幅大，已发展为高重建筑和桥梁的主导桩型。近年来，又开发出与此相配套的后压浆技术(PPG工法)，可既固化沉渣和泥皮，又加固桩底桩侧一定范围的土体，大幅提高桩的承载力，减小沉降，实现桩工与土体加固技术的有机结合。旋挖孔灌注桩于近年引进后，由于其可减少泥浆排放、工效高，颇受欢迎，国产化设备也开始进入市场。长螺旋钻孔桩(直径400～800mm)，由七十年代限于干作业，近年来借鉴国外经验己扩展到水下作业，即由钻杆泵灌混凝土，实现钻灌合一，工效高，但桩长受到限制，钢筋笼也只能靠强力插入或震入7m左右长度。部分挤土桩，除传统的冲孔桩以外，近年自行开发出螺旋钻孔压浆(无砂混凝土)桩和液压挤扩多支盘桩。  
  
    混凝土预制桩，近年来以预应力管桩为发展主流。这种桩的优点之一是离心法生产，强度可达C60～C80，管径为500～1000mm；其二是桩端可作成敝口，以减小挤土效应。总的说来，由于环境要求，预制桩在建筑工程中的使用量受到限制。  
  
    基桩检测技术，自八十年代以来发展迅速。动测方法经过十多年的科研与实践，认识逐步深化，低应变反射波法检验桩身完整性，高应变波动理论法检测承载力似已成为主流。然而，现有的方法都有其局限性，前者对于长桩、深部缺陷的检测难以实现；后者对于承载力的检测误差较大，这是瞬时动力反应机理和分析模式所决定的。桩身完整性的声波透射法、抽芯法，近十年来应用于大直径灌注桩效果较好。前者与后压浆结合，即利用压浆钢导管先行检测，可大幅降低成本。  
  
    2、地基处理  
  
    通过引进与自行开发结合，我国地基处理技术已形成适应各类地质条件和工程要求的多系列、多方法、多工艺。按处理加固机理不同大体可分为四大系列。第一系列为压密、固结法，如强夯、振辗、堆载预压、降水预压、真空预压。强夯法自七十年代引进以来，现已发展为压密强夯、置换强夯两大类，近年用于围海造地、开山填谷取得良好效果，高填方分层夯填高度在贵州龙洞堡机场达43m。第二系列为增强体复合地基法。根据地层条件、环境条件、材源和使用要求不同，增强体有砂桩、碎石桩、夯挤灰渣桩、夯挤灰土桩、夯挤素土桩、搅拌桩、粉喷桩、夯实水泥土桩、CFG(水泥+粉煤灰+碎石)桩、素混凝土桩等。复合地基法由于其适用范围大、可选性强，已发展为我国地基处理的主导方法。第三系列为换填垫层法，如砂石垫层、灰土垫层等。这种方法可选性小，适用范围不大。第四系列为注浆加固法。如水泥注浆、化学注浆等，主要用于既有建筑地基的加固、截水帷幕和基坑支护的坑底加固等。  
  
    与各类地基处理方法配套的施工机具已实现国产化，但其机械化、自动化程度及处理深度等方面与国际先进水平相比仍有一定差距，如浆液深层搅拌、干粉喷射搅拌等设备。  
  
    利用地基加固处理、桩工等技术在既有建筑物地基的减沉、纠倾、增层改造方面取得丰富经验和显著效益。  
  
    3、基坑支护  
  
    八十年代以来，我国高层建筑大量兴建，基坑支护工程随之剧增，基坑支护设计、施工与监测，成为基础工程中的新热点。传统的排桩及排桩与锚杆组合、排桩与内支撑组合成为主导型支护结构，桩—锚支护主要用于非软土地区，桩—撑支护主要用于软土地区。地下连续墙支护结构，随着基坑深度的增大，使用量逐年增多，逆作法施工技术也有所发展，地下连续墙成槽国产设备也开始面市。深层搅拌形成既挡土又截水的重力式支护结构，搅拌桩与钢筋混凝土桩或型钢组合成挡土与截水结合的支护结构，应用于软土地区取得一定经验。采用搅拌、旋喷、注浆对坑底软土进行加固，提高被动区土抗力和减小支护结构位移颇为有效。利用拱效应减小支护结构的拉应力，近年来也做过一些成功探索，如逆作拱墙支挡结构、拱形内支撑等。土钉支护是近年来发展最快、前景看好的支护形式，采用分层开挖，逐层支护，适用于低水位非软土地区，造价仅为传统支护体系的40～60%。对于深度大、变形控制严的基坑，尚可采用预应力锚杆构成复合型支护。  
  
    地下水控制是基坑支护工程中的关键技术。视环境条件，优先考虑降水结合回灌，在不容许降水的情况下则采用截水措施。地下连续墙、土体固化重力式挡墙，其自身具有水平截水功能。排桩等支护结构的截水措施，大体分为两大类：一类是桩间、桩后采用深层搅拌法、旋喷法、注浆法等形成的帷幕型；另一类是适用于水头高、强透水层厚度大的帷幕与封底组合型截水。  
  
4、地下工程施工技术  
  
    我国地下工程施工技术，借鉴国外先进技术，结合国情开发创新，形成了适用于不同地层、环境条件下的明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、冷冻法等施工技术，其中有的已达到国际先进水平。  
  
    明挖法 对于深度不大、环境条件许可的情况，采用降水、坑壁支护，实施明开挖，其基本要求与普通建筑基坑开挖大体一致。北京的一、二期地铁工程及上海地铁的部分区间，采用桩—撑、桩—锚、墙—撑支护明开挖，取得成功经验。上海软土地区，考虑软土的流变特性，利用基坑土压力与变形的时间与空间效应，合理安排开挖、支护程序，对节约支护费用取得良好效果。  
  
    暗挖法 该法是在新奥法原理基础上开发成功的一种技术。采用钢管棚顶超前注浆，小进尺环状开挖，喷射混凝土初始支护、防水、衬砌分阶段实施。1984年首次采用浅埋暗挖完成北京地铁复兴门折返线，随后，在西单地铁大跨双层三拱岛式车站、北京地铁复八线王府井等车站、广州地铁区间隧道工程中成功推广应用。暗挖法已发展为非软土地区建设地下工程的一种经济有效的施工法。  
  
    盖挖法 其基本要点是先施工地下连续墙或灌注桩等竖向围护结构和中间支柱。然后做钢筋混凝土盖板，恢复地面交通。在侧向和顶部围护条件下，进行土方开挖和结构逆作施工。该法在上海、北京、广州地铁一些车站施工中得到成功应用。  
  
    盾构法 这是一种全机械化的隧道掘进施工方法，优点是安全、高效，但一次性投资大。九十年代上海地铁首次引进适于在软土中掘进的土压平衡盾构，随后南京利用盾构修建越江隧道；广州利用泥水盾构施工地质条件复杂的隧道区段，并成功地对桩基建筑物采用先托换后用盾构切割基桩穿越建筑物桩群，为在既有建筑物下修建地铁隧道积累了经验。  
  
    冷冻法 冷冻法是竖向矿井施工中常用的方法，将其用于软土含水地层隧道施工支护，有其独特作用，还可用于两隧道间的联结通道、高渗水、地下管网密集等复杂地段。其原理是先埋入钢管，在管中注人循环水或液氮，使周围地层降温冻结，形成高强度、不透水的围护层。冷冻法近年来在上海地铁施工中取得了成功经验。  
  
    地下管网施工中开发的长距离顶管施工技术，实现了既高效，又可避免破坏地面环境。  
  
    三、展望未来二十年  
  
    未来20年，我国建设行业将面临两大任务，一是农村城市化进程带动新兴城镇的建设，二是城市现代化带动市政和住宅建设。岩土工程面临新的挑战和机遇。未来岩土工程的发展应着重提高效能、控制质量、保护环境。要实现这三个目标，我们要结合国情，借鉴国外先进经验，开发创新。以下几个方面应该成为我们工作的重点。  
  
     1、重视土的工程性质及测试技术的研究开发  
  
    岩土工程要实现上述三个目标，首先有赖于取得符合实际工作条件的可靠的计算参数，如带地下室高层建筑地基土经历卸载和加载的变化，其变形参数应反映这种变化，以计算地基的回弹再压缩及附加应力下的沉降；深基坑支护的稳定和变形分析所需参数应能反映土体的实际应力变形状态；特别是非饱和土的特性在支护设计中应得到合理利用，提高经济效益，其首要问题是解决特性参数的测定。  
  
    研究各类复合地基承载力和变形参数的检测方法。静载试验虽不可替代，但大子样、深层检测技术有待开发。  
  
    注重各类基坑支护结构的系统、全面测试，以发展基坑支护的受力与变形的反分析，改进计算模式。目前多数工程出于安全的监控目的，局限于基坑顶部的位移观测，对于土压力、结构内力、位移沿深度的变化和地面沉降等所积累的资料甚少。对于侧向土压力的测试技术仍有待研究。  
  
    关于地基土的应力—应变的实用本构模型及相应参数的测试技术，随着岩土工程数值分析的发展而愈显重要。应研究粘性土特别是软土的弹塑性、粘弹塑性实用本构模型，以提高建筑物沉降和基坑变形分析水平。  
  
     2、以灌注桩为重点，发展成桩新技术、新工艺、新设备  
  
    为适应提高效能、控制质量、保护环境的要求，应大力发展灌注桩新技术、新工艺、新设备，形成适用于不同地层、不同承载力、不同桩径桩长的系列化配套技术；要开拓思路，实现桩工技术与土体加固技术的相互渗透、有机结合。  
  
    对于中小直径、长度在25m以内的灌注桩，应完善长螺旋干作业钻孔桩和夯扩桩，积极开发长螺旋压灌桩、泥浆护壁长螺旋钻孔桩和干作业复合灌注桩等。  
  
    对于大直径长灌注桩，宜以泥浆护壁回旋钻为主导，发展成桩与后压浆配套技术。开发泥浆分离与循环利用技术。  
  
    对于大直径中长灌注桩，宜发展旋挖成孔技术及相应的设备。  
  
    对于混凝土预制桩，宜以发展预应力管桩为主导，开发钻孔植桩、搅拌植桩以及液压沉桩等。  
  
     3、完善现有地基处理技术，开发地基处理新技术、新工艺、新设备  
  
    针对适用于不同地层、不同承载力要求的各类增强体复合地基处理技术，按照效能、质量、环保要求，实现工艺、设备、检测的完善配套，形成系列化技术。  
  
    适应旧城改造和住宅建设的要求，发展利用工业废料、建筑垃圾、地方材科为原料的地基加固处理技术，如夯挤灰渣桩、灰土桩、水泥土桩、振动辗压等。  
  
    适用农村城镇化和新区开发建设要求，发展大面积低成本地基处理技术，如对于开山填谷填海，采用强夯分层处理，对于滩涂吹填，采用真空预压等。为获得最佳社会经济效益，应注重超前预谋，统一策划。  
  
    4、适应不同地质、水文和环境条件，完善开发基坑支护技术  
  
    对于非软土地区，着重发展土钉、土钉—锚杆和桩—锚支护技术，开发拆卸锚杆，消除地下环境污染。  
  
    对于软土地区，应发展浅基坑土体加固型支护，开发挡土与截水结合的搅拌—灌注桩复合支护、搅拌水泥土连续墙及型钢芯材回收技术。  
  
    对于超深基坑，应发展地下连续墙技术，研制开发地下连续墙成槽设备，提高逆作工艺水平，开发地下连续墙与竖向承重结合、与外墙结合的相关技术。  
  
    5、发展地下工程施工技术，开发利用地下空间  
  
    开发利用地下空间，发展地下交通，将成为未来城市现代化建设的重点之一。地下工程施工的技术水平将对此起到制约作用。  
  
    对于非软土地区，应着重发展暗挖法和暗挖—盖挖法施工地下隧道和车站。与之配套，应发展土体加固、截水技术，研制地下环境条件下的挖土、运土、衬砌设备。  
  
    对于软土地区和复杂地质条件地区，应以发展盾构法为主导，结合国情实行引进与自行开发结合；因地制宜，实施盾构与暗挖、土体加固与截水、衬砌预制与喷射结合，形成有特色的自有地下施工技术。  
  
    6、发展环境岩土工程  
  
    研究基坑开挖、地下交通线、市政管线施工等工程活动引起的地面和建筑物变形、地下渗流变化等。  
  
    研究地下水下降、地裂、泥石流、洪水、风暴等对地面和地下工程稳定性和变形的影响。  
  
    研究城市垃圾填埋场对土体、水体、大气污染的隔绝技术等。  
  
    7、发展设计计算理论与方法，提高岩土工程设计水平  
  
    发展地基、基础的优化设计理论与方法。通过试验、工程测试、理论分析、数值模拟，研究天然地基、复合地基、桩基的承载变形机理和承载力变形计算方法，继续研究地基、基础与上部结构共同作用机理与计算，发展按控制变形设计计算理论，优化天然地基、复合地基、桩基和箱筏基础的设计。  
  
    发展支护结构和隧道洞室的设计理论与方法。研究饱和与非饱和土体中支护结构的侧压力、侧压力与位移关系、地面沉降、洞室围压与变形，提高既有计算方法的可靠性，在计算理论和结构形式上有所创新。  
  
    扩大电子计算机在岩土工程中的应用，注重数据采集与库存，发展反演分析、数值模拟和信息化设计施工，开发岩土工程CAD软件，提高设计质量和效率。