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海外工程十五年之一七0——再读美国《基础工程》一书

Foundation Engineering》一书,已经阅读多次。今晚再读一章,遂译其中一章,以供读者了解。

1.概述


1.1岩土工程

岩土工程又称地质力学,是土木工程中的一个新兴领域。它涉及土力学,特别强调岩石力学,在这里我们应用工程原理,如弹性理论、莫尔圆和连续介质力学,来开发简单的解决方案,这些方法可以应用于岩土工程和基础工程问题。在处理与岩土材料(包括土壤、骨料和岩石)相关的问题时,一定的地质学知识具有一定的优势。

深入了解岩土工程基础是研究基础工程的前提。其中包括相位关系、土壤分类、压实、渗透性、渗流、固结、抗剪强度、边坡稳定和地基勘测。《岩土工程原理》(9)详细介绍了这些领域。本书第1部分的第2章和第3章简要地进行了讨论。

关于岩土仪器的新章节作为第1部分的第4章包含在本书中。当项目复杂或设计或施工方法不标准时,建议使用仪器测量关键位置的荷载、应力、变形和应变,并在一定时间内对其进行监测,以确保结构的性能。本章概述了岩土工程中使用的主要仪器。

1.2基础工程

每一个土木工程项目都有一些土工或基础工程的组成部分。这包括所有地基及其支撑结构,即基础和挡土结构,这是本书中讨论的两种类别。相关章节分别包含在第3部分和第4部分中。在基础(3部分)下,将讨论浅基础和深基础。在书中,将介绍一个关于荷载和抗力系数设计(LRFD)法的新章节,该方法与岩土工程师使用了几十年的传统容许应力设计(ASD)法有很大不同。LRFD最初由美国混凝土协会(ACI)20世纪60年代开始实施。它广泛应用于结构工程中,并在基础工程应用中得到广泛应用,如基础、桩和挡土墙。LRFDASD的主要区别在于安全系数的应用方式。

本版(14)新增了关于桩筏基础的介绍性。桩筏基础利用了桩基和筏板这两种不同类型基础的优点。对于高层建筑而言,与筏板或桩相比,给出了经济的解决方案。

挡土墙、板桩和基抗支护在第4部分的挡土结构中进行了说明。

1.3地基勘探

所有岩土工程设计都需要了解结构附近的地基和岩石特性。这些是通过勘探(也称为现场调查)计划确定的,包括(a)现场试验,(b)现场取样,以及(c)实验室试验。根据地基勘探数据,可以建立一个简化的地基剖面,作为岩土工程设计的基础。图1.1为正在进行的钻探。

1.1地基勘测

地基条件的异质性和土壤性质的空间变异性使得很难将设计参数指定给简化的地基模型。每一个钻孔及其相关试验对客户来说都要花费数千美元,而且我们的愿望清单往往比预算允许的要长。因此,谨慎的做法是规划地基勘测计划,以合理的成本从与项目相关的地基取得尽可能多的数据。

由于预算限制,有时需要在实验室试验和现场试验之间取得平衡。相同的参数可通过实验室或现场试验确定。这里需要一些良好的岩土判断来选择正确的试验。实验室试验和现场试验必须相辅相成。决不能以牺牲另一个为代价来选择一个,它们各有优缺点。

1.4  地基处理

在设计梁或桥梁时,工程师可以指定混凝土的强度,这同样适用于大多数工程材料。说到地基,情况就不同了。一旦确定了场地,就必须设计适合地基条件的结构。任何用性能更好的地基替代原有地基的尝试都可能是昂贵的选择。但现有的地基可以通过多种地基处理技术中的一种进行改善。

通常情况下,现场的地质条件不符合当前形式的设计要求。地基可能太弱,发生过度变形,和/或导致可能的破坏。即使地表适宜,底部条件也可能不利。设计结构或设施以适应现有地质条件不一定是最佳选择。相反,改善地基和寻找更经济的替代可以节省数百万美元。

压实是一种简单且廉价的地基改良技术,适用于所有类型的土壤。图1.2显示了公路建设项目正在进行的一些土壤压实。其他地基改良技术包括振冲、强夯、爆破、预压、竖向排水、石灰/水泥稳定、石柱、喷射灌浆和深层搅拌。第5(2部分)对其进行了简要讨论。

1.2公路建设项目的土壤压实

1.5解决方法

在岩土工程或基础工程中,有三种解决问题的方法。他们是:

•分析方法

•物理模型

•数值模拟

对于与教科书中类似的简单问题,可以应用岩土工程原理和文献中可用的封闭式解决方案,适用于土质条件相对均匀且边界条件明确的情况。在某些情况下,还可以建立一个小比例模型,在实验室进行试验,以调查不同的情况。这就是所谓的物理模型。在地质条件和边界条件复杂的大型项目中,很难应用岩土理论并得出封闭形式的解决方案。在这里,数值模拟成为一种有价值的工具。一旦建立了模型,就可以使用它进行彻底的灵敏度分析,探索不同参数对结构性能的影响。

1.6数值模拟

土壤是一种颗粒介质。为简单起见,它被视为一个连续系统,假设它遵循许多本构模型之一,如莫尔库仑、线弹性、非线性弹性、卡姆克莱或德鲁克布拉格。这些本构模型定义了土壤的性能。边界条件定义了重点区域边界处的荷载和位移。

在大型项目中,边界条件可能非常复杂,因此无法使用教科书中讲述的简化理论、公式和设计图表进行传统分析。土壤的变异性甚至使这种情况变得更加复杂。在这种情况下,数值建模非常有用。可以对地基、挡土墙、大坝和其他支挡结构进行数值模拟。这可以非常有效地模拟土结构相互作用。

有限元分析和有限差分分析是两种不同的数值模拟技术。在这里,问题域被划分为一个网格,由数千个单元和节点组成。为问题域指定了边界条件和适当的本构模型,并为节点/单元建立了方程。通过求解这些方程,可以确定节点/单元处的变量。

有些人编写自己的有限元程序来解决特定的岩土工程问题。对于新手来说,有现成的程序可以用于这些目的。PLAKIS (http://www.plaxis.nl)是一个非常流行的有限元程序,被专业工程师广泛使用。FLAC (http://www.itasca.com)是一个强大的有限差分程序,用于岩土工程和采矿工程。还有其他为岩土工程应用量身定制的数值建模软件程序,例如GEO-SLOPE International Ltd.开发的程序(http://www.geo-slope.com)Soil Vision Systems Ltd. ,(http://www.soilvision.com)GGU-Software (http://www.ggu-software.com)。此外,为结构、材料和混凝土工程开发的一些功能更强大的软件包也具有建模岩土工程问题的能力。Abaqus®Ansys®是两种在大学教学和研究中广泛使用的有限元软件。

1.7经验

经验、直觉和判断在岩土工程中起着重要作用。除了通过土壤和岩石力学中的理论发展出来的东西外,在几十年的经验中还吸取了许多教训,这些经验有助于对这些可能过于简单的理论发展进行微调。经验主义是通过经验、直觉和判断发展起来的知识,通常有可靠的数据支持。

事实上,有数百种以公式或图表形式存在的经验总结,可用于推导土壤性质。它们是根据大型数据库开发的,在土壤数据有限的初步设计阶段非常有用。这些数据是基于实验室或现场数据、过去的经验和良好的判断得出的。

岩土数据,无论是来自现场还是实验室,都可能非常昂贵。我们通常可以从有限数量的钻孔中获得非常有限的现场数据[例如,标准贯入试验(SPT),以及从这些钻孔和/或探坑获得的样品的一些实验室试验数据。我们使用经验来补充现场调查计划,从而从有限的实验室和现场数据中提取尽可能多的信息。

1.8其他文献

有时人们希望自己超越教科书所涵盖的范围。当你对一个新课题进行研究,或者试图了解更多关于教科书中仅简要介绍的内容时,有必要进行彻底的文献回顾。网络搜索可能是查找某些文献的良好开端。还有专门的岩土杂志和会议记录,讨论最新的发展。

美国陆军、海军和空军都做了出色的工程工作,并在研发方面投入了大量资金。他们的设计指南、经验公式和图表都经过了充分的验证和试验。它们通常是保守的,这在工程实践中是可取的。加拿大《基础工程手册》(加拿大岩土学会2006)KulhawyMayne(1990)ApalununGA等人(2016)已经整理和批判性地回顾了来自实验室和现场试验的地基和岩石性质的经验。


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作者: ganggouren

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