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近幾年,隨著人們對水工環地質及巖土工程研究的不斷深入,其理論體系體系也得到了進一步完善。在巖土工程建設中,無一不與水工環地質和巖土工程技術兩要素相關。工程建設為保障生態環境和經濟效益,加強在對兩者關系的研究與分析是必要的。
關鍵詞:
水工環地質;巖土工程;地質調查
水工環地質及巖土工程體系(下文統一簡稱為水巖體系發展,對地質調查工作發展有著重大影響。目前,我國地質理論體系逐步得到完善,地質工作中所涉及的體系范圍也逐步擴大,因此水巖體系也面臨新的發展需求。
1水工環體系的應用與發展
1.1水工環體系的應用
隨著環境的逐步惡化,人們逐步意識到了節約能源和環境保護的重要性,對水工環地質工作提出了新要求。水工環地質工作由最初的無節制開發,逐步向節能方向發展。目前,水環工地質工作更多的關注是資源開發過程中的存在的生態問題,特別是在土地規劃、污染監測等多個領域中都有著重要作用。雖然,水環工地質的重心發生了轉移,但是其在基礎設施建設和地質勘探中所發揮出的作用從本質上并沒有發生變化。水環工地質體系在地質勘探中的應用最為廣泛。例如,在采礦分析、礦藏探明、水利工程建設等多個方面。
1.2水環工地質體系的發展
社會的不斷發展對水環工地質體系的應用提出了新的要求,為了使之不斷向有利于自然和人類方向發展,需要不斷調整研究方向。同時,科技的發展也使水環工地質工作的科技含量得到了飛速提升,在不斷應用的同時,水環工地質體系也得到了進一步的完善與豐富。目前,我國水環工地質體系發展過程中的關鍵內容依然是地質勘探,主要體現以下3個不同的階段上:(1)初測,該環節的主要作用是提升勘測位置的準確性,以及水下測量的精準性,從而保障測試的合理性。(2)初步設計,該階段主要體現在提升應用水平,例如在應用在磁性勘測中等。(3)技術設計,該階段主要體現在圍巖與礦體兩者的穩定性,同時通過技術設計可以確定排泄、地下水補給等內容的合理性。以上三階段的發展使水環工地質理論在發展過程中得到了進一步完善,并且降低勘察誤差。
2巖土工程理論應用與發展
軟巖概念在1960~2000年一直都是一個爭執不休的問題,關于軟巖概念的定義達到了數十種。我國在20世紀90年代末期提出了工程軟巖和地質軟巖概念,對兩者之間的聯系和區別進行了詳細論述,并且正式建議將工程軟巖含義應用到軟巖工程中。在論述過程中,我國所提出的軟巖要比國際學會(1990,1993)提出的軟巖概念更為準確。近幾年,科技的飛速發展,我國在煤礦軟巖工程技術研究上也取得了較大進步,這為軟巖工程的發展提供了有利的支持。巖土工程學是一門獨立的新學科,它是水文地質學和工程地質學的分支,它將水文地質和工程地質基本原理手段和方法應用到工程中的多個領域中。建設工程過程中,它與相關學科相互交叉滲透,高度集成與應用,最終構成了巖土工程。從實際情況來看,在土木工程修建過程中也滲透了大量的工程地質理論,只是在具體操作中并為未將其命名為巖土工程。改革開發后,我國巖土工程廣泛應用在土木工程領域中,加快了工程的建設效率,提升了工程的質量。巖土工程自身的科學性很強,并且同其它學科之間有著緊密聯系,同時其也是工程地質與水文地質的基礎學。在我國工程建設的起初階段,該學科在工程建設中就得到了廣泛應用,并且在漫長的發展過程中逐漸與其它學科合理的融合在一起,在發展過程中,隨著科學滲透,巖土工程已經形成了一定規模。目前,我國工程的建設范圍逐漸擴大,工程建設區域的地理環境也變得更加惡劣,并且在工程建設中會造成一定程度的環境污染,因此環境問題得到了人們的關注。在此背景下,巖土工程背負著重大的責任,由此可見,應當在不斷發展經濟的同時,對大自然進行合理改造,保護好生態環境。例如:對某一新老工程影像與第一幅圖進行配準,并且要在地段中進行糾正,將通過糾正后影像與配圖進行配準,最終得到糾正后的影像,依次遞推,每幅影像不僅需要與前一幅圖進行配準,同時還相必須要與地圖進行配準。通過該方式,拼接1000幅圖,在完成最后一張圖的拼接時,每一幅圖像素的坐標與真實坐標的平均誤差大小為5.82m,而未進行配準的誤差達到了11.88m。由此可見,在工程施工中,應用巖土工程體系,可以有效的控制累積誤差,使拼接的精準度得到進一步提高。但是,從實際情況來看巖土工程學仍然存在一定的問題有待解決。例如,在我國處于經濟建設階段,我國面臨的環境問題比較嚴重,其中比較典型的問題有水污染和巖土結構兩個方面。如果存在這兩方面問題,極容易引發導致安全事故,造成人員傷亡和經濟損失。通過分析發現,存在這些問題根源在無法準確掌握巖土及水文地質資料,在工程建設中這樣的案例屢見不鮮。
3結語
綜上所述,水巖體系在我國基礎工程建設中的應用取得了不錯的效果。在我國工程體系標準不斷提升的今天,水巖體系在工程建設越來越顯重要,因此要加強研究,提升理論體系水平并且在應用中不斷完善,促進我國地質勘探工作的發展。
作者:王克穎 單位:貴州省有色和核工業地質勘查局物化探總隊
參考文獻:
[1]王鵬.水工環地質現狀及發展趨勢探究[J].中國高新技術企業,2015(16):151-152.
關鍵詞:基坑;物理力學參數;原位測試
中圖分類號:TV551 文獻標識碼: A
1.引言
巖土參數是巖土工程設計的基礎。巖土參數的選取,對建筑工程的建設、安全和造價有重要影響。巖土工程評價是否符合客觀實際,巖土工程設計是否可靠,很大程度上取決于參數選取的合理性。影響巖土工程參數選取的因素很多,有巖土層的類別、成因、特征,工程特點,以及地區經驗、勘察者的水平等等。
2.基坑的特點
隨著基坑工程不斷向大、深方向發展,深基坑的穩定難度也隨之加大。目前國內的基坑工程大體上呈現了四個方面的特點。
(1)開挖深度大。基坑開挖深度在迅速增大,目前最深已達40m左右。如上海地鐵4號線修復工程深基坑開挖深度接近41m,天津117大廈基坑最大開挖深度35m左右,20~30m深的基坑在全國大城市中已屬平常。
(2)基坑面積大,有的已形成基坑群。天津站交通樞紐工程是京津城際高速鐵路,地鐵2、3、9號線,津秦客運專線及原天津站普速鐵路的超大型換乘樞紐,地下工程總面積19萬m2,占地面積約5萬m2,基坑邊長500多m,最大開挖深度達33.5m。上海虹橋綜合交通樞紐工程包括一個新航站樓、10條磁懸浮列車站臺、30條城際及高速列車站臺、一個能容納5條線路的地鐵站以及一個新城際巴士總站,地下空間總面積20余萬m2,是繼天津站交通樞紐工程之后又一個軟土地區超大地下工程。
(3)施工難度大。我國地下工程、超高層建筑等涉及的深基坑工程,往往集中在城市建筑物、道路及地下設施密集的區域,場地狹小,周圍環境對基坑工程限制嚴格,施工難度大,基坑穩定難度大,一旦出現事故影響惡劣,后果嚴重。
(4)地質條件復雜。由于經濟發展的原因,我國深基坑工程多在沿海地區,而沿海又多為軟土地區,軟土地區的深基坑工程設計、施工難度相對較大。
基于以上四個顯著特點,深基坑工程的穩定性問題也越來越突出,尤其是伴隨近年來此類工程的逐漸增多,基坑安全事故也呈現高發趨勢。
3.基坑事故典型案例
根據建設部近幾年的事故統計,在基礎施工中,基坑開挖過程中造成的坍塌約占坍塌事故總數的三分之二,說明基坑基槽的安全性對保證建筑基礎施工的安全至關重要。目前全國范圍內地鐵工程、房屋建筑進行基礎施工時,普遍采用基坑形式,基坑坍塌的事故時有發生,造成了較大經濟損失及人員傷亡,以下是一些典型的工程質量事故案例。
案例一:2005年7月21日中午12時,位于廣州市海珠區江南大道中海珠城廣場工地基坑南端約100m長擋土墻發生倒塌,造成一段6m長的水泥路面下陷,同時造成位于工地旁的磚木結構平房倒塌,以及附近的海員賓館以及江南大道中部分居民樓結構受影響,事故造成3人死亡、8人受傷,直接經濟損失超過2億元。
根據調查組分析,事故原因:原因分析如下:
1、超挖:原設計4層基坑17m,后開挖成五層基坑(20.3m),挖孔樁成吊腳樁;
2、超時:基坑支護結構服務年限一年,實際從開挖及出事已有近三年;
3、超載:坡頂泥頭車、吊車、鉤機、超載;
4、地質原因:巖面埋深較淺,但巖層傾斜。
案例二:2008年11月15日下午3時15分,正在施工的杭州地鐵湘湖站北2基坑現場發生大面積坍塌事故,造成21人死亡,24人受傷,直接經濟損失4961萬元。
坍塌事故調查得出3點原因:一是杭州的土質特殊,屬于淤泥質粘土,含水的流失性強;二是事故坍塌所在地點風情大道一直作為一條交通主干道來使用,車流量大,給基坑西面的承重墻帶來太大沖擊;三是今年十月份杭州出現的一次罕見的持續性降雨過程,使得地底沙土地流動性進一步加大。
案例三:青海西寧佳豪廣場4號樓基坑邊坡坍塌事故。2009年3月19日13時35分,西寧市商業巷南市場的佳豪廣場4號樓施工現場發生坍塌事故,基坑東側邊坡坍塌,8人遇難。經調查組調查分析,確認此次事故的直接原因是:基坑支護工程在施工過程中,鋼管錨桿長度不夠,錨桿注漿孔孔徑偏小且注漿數量偏少,壓網筋節點連接只有一根Φ14水平通長筋,噴射的混凝土面層厚度不夠,沒有豎向超前微型樁,不能保證基坑邊坡的整體穩定。同時在現場施工中,未采取有效安全防范措施。并使用震動較大的沖擊錘,造成已經解凍融化的土體失穩坍塌。
案例四:2007年3月28日上午9點30分左右,北京市地鐵10號線2標段施工過程中,由于對施工復雜的地質情況不清,當施工斷面發生局部塌方和導洞拱部產生環向裂縫的險情時,未采取保護搶險人員的安全技術措施即指揮作業人員實施搶險,發生二次塌方,造成6人死亡。
事故主要原因為滲水,滲水后致使工作面被水泡了以后土層發生松動,強度降低,最終形成塌方。
通過典型案例事故分析表明,由于地質條件的復雜性、不均勻性,往往造成勘察所得的數據離散性很大,無法保障支護結構設計的精確度及安全性,而支護結構的強度、剛度或穩定性不足,引起支護結構破壞而導致基坑坍塌。因此,基坑支護結構必須建立在對土質有全面清楚認識的基礎上進行設計,特別是要對土層物理力學參數取值準確確定,同時施工過程中能根據土質條件的變化靈活應變,遵循動態設計、動態施工的原則,加上合理的施工措施、工期和造價等,事故是完全可以避免的。
4.原位測試
土層物理力學參數取值的確定可以采用已有勘察資料統計分析、現場原位測試以及取樣室內試驗等方法。
原位測試是在巖土層原來所處的位置,基本保持的天然結構,天然含水量以及天然應力狀態下,測定巖土的物理力學性質指標。原位測試是確定巖土層工程力學指標行之有效,且公認科學準確的方法,其主要使用于(1)當原位測試比較簡單,而室內試驗條件與工程實際相差較大時;(2)當基礎的受力狀態比較復雜,計算不準確而又無成熟經驗,或整體基礎的原位真型試驗比較簡單;(3)重要工程必須進行必要的原位試驗。原位測試的優點是可以測定難于取得不擾動土樣的有關工程力學性質,可避免取樣過程中應力釋放的影響,測量值影響范圍大,代表性強;其缺點是各種原位測試有其適用條件,有些理論往往建立在統計經驗的關系上等,影響原位測試成果的因素較為復雜,使得對測定值的準確判定造成一定的困難。原位測試包括靜力觸探、動力觸探、標準貫入試驗、十字板剪切、旁壓試驗、靜載試驗、扁板側脹試驗、應力鏟試驗、現場直剪試驗、巖體應力試驗、巖土波速測試等。
5.小結
隨著軌道交通工程的大面積開展和高層建筑的發展,全國范圍內的基坑工程不斷增加,對基坑設計以及施工的要求提出了前所未有的機遇和挑戰,準確地確定深基坑主要地層物理力學參數,可以為基坑設計及其施工提供有效的參數和實際指導意義,可以創造巨大的經濟效益和社會效益。搜集以往的勘察資料,進行統計分析,并結合原位測試的現場實測數據,優化處理,準確確定基坑主要土層物理力學取值勢在必行,對社會的發展和人民財產安全具有重要的意義。
參考文獻:
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關鍵詞:濱海新區 軟土地基 處理方法
隨著社會的不斷發展進步,人類的生存空間也在不斷擴大。從陸地到海洋、從海洋到太空,依靠勤勞和智慧人們想方設法把一些不適合居住的地方變得適宜居住,而在軟弱的土地上建造房屋、碼頭等更是體現了人類的一種不屈不撓的精神。據歷史記載早在二千多年前就己采用了在軟土中夯入碎石等壓密土層的夯實方法;灰土和三合土的墊換法也是傳統的建筑技術之一。在地基處理中經常會遇到這樣的問題,就是對軟土的特性認識不足,或是選擇處理方法不當,技術控制不嚴,那么結構和基礎在施工過程中就會出現地基失穩,并會產生較大的沉降和不均勻沉降,以及較大的延續長久的工后沉降。因此,合理有效的處理軟土地基己成為工程建設中的一個關鍵問題。
1、軟土地基的定義
我國公路行業規范對軟土地基未作定義。日本高等級公路設計規范將其定義為:主要由粘土和粉土等細微顆粒含量多的松軟土、孔隙大的有機質土、泥炭以及松散砂等土層構成。地下水位高,其上的填方及構造物穩定性差且發生沉降的地基。日本規范還對軟土地基做了分類,提出了類型概略判斷標準。在給出軟土地基定義時指出:軟土地基不能簡單地只按地基條件確定,因填方形狀及施工狀況而異,有必要在充分研究填方及構造物的種類、形式、規模、地基特性的基礎上,判斷是否應按軟土地基處理。
2、目前我國軟土地基處理的現狀
在我國高等級公路的軟土地基處理中,常用的方法主要有粉噴樁、砂墊層法、豎向排水法(袋裝砂并、塑料排水板)、加鋪土工織物(土工布、土工格柵)、碎石樁、砂樁、深層攪拌、強夯等。采用最多的是砂墊層+袋裝砂井(或塑料排水板)土工布的處理辦法,可以得到比較經濟且效果較佳的結果。
在軟土地基上修筑公路和橋梁并不都會發生問題、只要設計和施工措施得當,就可以保證路堤、橋梁的穩定和使用效果。軟土地基上路堤的設計與施工方案,應結合當地工程地質條件、材料供應、投資環境、工期要求和環境保護等因素,按照因地制宜、就地取材、分期修建、綜合處治的原則進行充分論證,使設計和施工方案達到技術上先進、經濟上合理。
在紹興北部濱海海涂,基礎持力層承載力較軟粘土為高,一般持力層以濱海粉土,粉砂為主,土層沉降量較小,且比較均勻。由于濱海為新近圍海涂而成,屬新興工業開發區,地基基礎研究應用很少,一般一~三層建筑采用天然地基淺基礎。
天然地基淺基在紹興地區應用較多的是獨立基礎、條形基礎(包括十字交叉條形基礎)、筏形基礎。
3、濱海新區的現狀及存在的問題
濱海新區大面積分布的各類軟土(海相沉積、湖沼相沉積、人工吹填等)的巖土工程狀況,勢必帶來一系列的環境巖土工程問題(或災害),如建筑密集區區域性的工程性地面沉降問題、深大基坑施工變形及其對周圍環境的影響、軟土地基處理與加固問題、地震荷載作用下的軟土震陷問題等。這些問題的產生,實質上與濱海軟土的工程特性直接有關。工程地質特性的研究是為了更好地為地基基礎的選擇服務,在不同的工程地質條件下,適合建造哪一類建筑,宜用哪一種地基基礎形式。為今后濱海軟土地基工程地質特性的分類研究和地基基礎方法的應用研究提供參考。地基基礎領域是土木工程中非常活躍的領域,也是非常有挑戰性的領域,現代土木工程對復雜的工程地質情況要求日益嚴格。地基基礎選擇恰當與否,關系到整個工程的質量、投資和進度。故對地基土工程特性進行研究有重大的經濟意義和社會意義。
4、濱海新區現有地基與其各自的特點
4.1淺基礎
主要根據濱海區淺基礎持力層來評述。
紹興地區濱海區淺基礎持力層若選用沖填土層,此層處于表層,主要由粉土組成,強度低,穩定性差。只適用于臨時用房或一層低矮房屋。
在濱海區淺基礎施工中,局部表層由碎石、塊石等拋填而成,局部埋深>5m,可能對基礎施工有一定影響,應引起足夠的重視,采取相應的措施。
4.2深基礎
紹興濱海區采用的復合地基方法較少,大量采用預應力混凝土短管樁,這是因為預應力混凝土短管樁持力層選用砂質粉土、粉砂層,該層力學強度高,層位相對穩定,厚度較大,選作短樁持力層良好,適合Φ400mm以上規格的預應力管樁,從而導致單樁噸位承載力造價低,又由于預應力混凝土管樁耐打性好,施工周期短,及其對環境影響少等優點,顯示了在技術上和經濟上的優越性。
濱海區預應力混凝土管樁施工方法宜采用錘擊法施工,樁端全截面進入持力層3D以上。
4.3復合地基
當濱海區場地地層為飽和粉土和粉砂,靜壓施工時難以穿過;靜壓振動或錘擊式施工時易引起土層液化、涌砂、噴水,此時預應力管樁施工難度較大,宜形成復合地基以滿足荷載要求。這里主要介紹振沖碎石樁加固粉土地基。
振沖碎石樁適宜應用于五層以下的工業與民用建筑,持力層可為松散的非飽和粘性土、雜填土、素填土、砂性土。
5、預應力混凝土管樁基礎典型工程實例分析
目前在紹興濱海區預應力混凝土管樁,一般屬端承摩擦樁,也有少數屬于摩擦端承樁。管樁具有造價低,樁身質量好,擠土較少,耐打性好,施工周期短等優點,是紹興濱海區深基礎的主要應用形式,現以紹興污水處理廠廠區工程為例分析。
5.1工程概況
5.3樁基設計
6、軟土地基處理方法研究
在建筑工程中,建筑物的沉降及不均勻沉降的控制占據十分重要的地位。建筑物沉降的大小,一方面取決于荷載的大小與分布;另一方面取決于地基土的壓縮特性。因此,在建筑物施工前,必須了解地基土的壓縮特性,而它是用壓縮性指標來衡量的,一般來說,可通過限壓縮試驗測定。對于達不到設計要求的軟土地基需對其進行加固處理。
軟土地基加固處理的目的是利用夯實、置換、排水固結、加筋等方法對地基土進行加固,以改善地基土的剪切性、壓縮性、振動性和特殊地基的特征,使之滿足上部擬建工程的要求。
根據道路或上部建筑物(構筑物)對地基的各種要求和天然地基條件,可先確定需要進行地基處理的天然地層的范圍及地基處理要求。
根據天然地層的條件、地基處理的具體要求、地基處理方法的原理、應用經驗、機具設備、材料條件,進行地基處理方案可行性研究,提出多種可行方案。
濱海地區軟土地基常用的處理方法有深層攪拌法,強夯固結法,排水固結法(真空預壓法、堆載預壓法,真空聯合堆載預壓法)等。
6.1置換:用物理力學性質較好的巖土材料置換天然地基中部分或全部軟弱土或不良土,形成雙層地基或復合地基。這樣一來,提高了地基承載力、減少沉降,適用于軟弱土層位于地基表面且最大深度一般在3m,最大不超過5m的情況。
6.2排水固結:土體在一定荷載作用下固結,孔隙比減小,強度提高,以達到提高地基承載力,減小工后沉降。
6.3灌入固化物:向地基中灌入或拌入水泥,或石灰,或其他化學固化材料在地基中形成復合土體,以進行地基處理。
6.4振密、擠密:采用振動或擠密的方法使土體密實,提高地基承載力和減少沉降。主要包括:表層原位壓實法、強夯法、振沖密實法、擠密砂樁法、擠密碎石樁法(包括振沖擠密碎石樁、振動沉管擠密碎石樁、沖錘成孔擠密碎石樁和一千振成孔碎石樁等)、孔內夯擴擠密樁法、爆破擠密法、土樁和灰上樁、以及夯實水泥土樁法等。
6.5加筋:在地基中設置強度高、模量大的筋材,以達到提高地基承載力、減少沉降的目的。強度高、模量大的筋材可以是鋼筋混凝土,低強度混凝土,也可以是土工合成材料等。
6.7冷熱處理:通過凍結,或焙燒、加熱地基土體改變土體物理力學性質以達到地基處理的目的,主要包括:凍結法、燒結法。
對提出的各種方案進行技術、經濟、進度等方面的比較分析,考慮環保要求,初步確定采用一種或幾種地基處理方法,視需要進行現場試驗或補充調查。
進行地基處理施工設計、地基處理施工,通過監測、質量檢驗、反分析,對不符合要求或未達到預期目的的進行設計修改、補充,符合要求的就可作為人工地基進行下步工作。
7、小結
7.1濱海區淺基礎持力層可選用沖填土層、粘質粉土層。基礎可采用墻下條基、柱下條基、獨立基礎等。若持力層選用粘質粉土層,可作為一般輕型建筑物的天然地基持力層。
7.2濱海區深基礎應廣泛使用預應力混凝土管樁短樁,基礎持力層選用砂質粉土、粉砂層,具有技術上和經濟上的優越性。
7.3當濱海區場地地層為飽和粉土和粉砂,靜壓施工時難以穿過;靜壓振動或錘擊式施工時易引起土層液化、涌砂、噴水,此時預應力管樁施工難度較大,可考慮采用振沖碎石樁加固粉土地基,形成復合地基以滿足荷載要求。但振沖碎石樁性價比較低。
7.4為了保證地基穩定,在選擇處理方法時,除了考慮處理方法的特點、對地基的適用性和效果外,還應考慮建筑物的氣候條件、施工條件、經濟性、可靠性等。
7.5針對軟土地基加固處理工程特點,建立軟土地基處理方案多屬性決策模型,對軟土地基處理方案進行優選,這對類似軟土地基工程的處理及監測具有一定的借鑒意義。
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關鍵詞:復雜場地土,支護,降水,止水帷幕,沉降,監測,綜合造價經濟分析
中圖分類號: K826.16文獻標識碼:A 文章編號:
濟南某房地產公司擬建居住組團一期工程,擬建場區位于濟南市車站北街。
擬建建筑物重要性等級為二級,場地等級為二級(中等復雜場地),地基等級為二級。
一、場區工程地質條件:
1、地形、地貌
擬建場地所處地貌單元為山前沖、洪積平原,以沖、洪積地層粘性土、粉土、姜石土及碎石,下伏基巖為燕山期輝長巖(γ5)。擬建場區地形大多較平坦,局部有建筑物拆除時的棄土。
2、場區水文條件
擬建場區地下水為孔隙潛水,主要含水層為粉土、粉質粘土及姜石土、碎石,賦水性較強,地下水主要接受大氣降水補給,地下水動態主要受季節性降水影響,據區域水文地質調查,本區地下水位年變化幅度約2~4m。
根據水質分析結果,結合《巖土工程勘察規范》判定地下水對混凝土結構長期浸水或干濕交替條件均具微腐蝕性;對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在長期浸水條件下具微腐蝕性,在干濕交替條件具微腐蝕性。
3、場區巖土分層及特征
根據野外鉆探、原位測試及室內土工試驗成果綜合分析,擬建場區勘探深度范圍內土層可分為9層和3個亞層:①雜填土(Q4ml);②粉質粘土(Q4al+pl);③粉土(Q4al+pl);④粉質粘土(Q4al+pl);④-1淤泥質粉質粘土(Q4al+pl);⑤粉質粘土(Q3al+pl);⑥殘積土(Q3el);⑦全風化輝長巖(γ5);⑧強風化輝長巖(γ5);⑨中風化輝長巖
(γ5)。
二、關于基坑及降水的建議:
勘察報告顯示地下水水位埋深0.50~1.50m,水位標高23.59~24.88m,應進行基坑降水。低層建筑物的抗浮水位可取0.5m。高層建筑物基礎埋深7.0m左右,建議采用管井方法進行降水,因場區附近現有原有建筑物,基坑降水會對周圍建筑物及道路等產生不良影響,建議在建筑物周邊設置封閉式止水帷幕后,再進行坑內降水,并應進行專門的降水方案設計,各土層的滲透系數可采用表1的值。
擬建建筑物基坑深度約7m,基坑側壁安全等級為二級,重要性系數為1.0。基坑施工過程中應進行基坑支護,建議進行噴錨支護,有關參數可采用表1的值。
表1降水及支護參數表
三、基坑支護、降水工程設計
1、計算軟件及參數
⑴理正基坑軟件《基坑支護設計軟件》
⑵場地土層依據該場地《巖土工程勘察報告》
⑶基坑安全等級為三級,基坑重要性系數取0.9。
⑷基坑開挖線按照距地下室外邊緣2m考慮。
⑸坡頂地面設計荷載按帶狀均布取20kpa,荷載距坑頂2.0m,荷載寬度取15m。
2、設計方案說明
⑴所有材料進場復驗后方可使用,水泥使用42.5水泥,面層C20細石混凝土,保護層厚度30mm。
⑵采用高壓旋噴樁作為止水帷幕,坑內采用自然放坡。
⑶高壓旋噴樁直徑800mm,水平間距600mm,搭接200mm。成孔深度13m,水泥漿水灰比0.8~1.2,水泥用量每米不小于300kg。
⑷基坑邊坡掛網噴射混凝土面層,厚度80mm,掛鋼筋網ø6.5@200*200鋼筋網。
⑸基坑頂部設置擋水墻,高300mm,寬200mm。
⑹對于直立開挖部位,采取錨桿、土釘處理。為防止成孔時泥漿外溢,造成周邊沉降。采用鋼管擊入,管中加壓注漿,固結后對鋼管加壓預拉,有效減小基坑邊坡的位移。
3、降水設計
⑴基坑開挖時采用分層降水,最終保證降水深度在墊層一下0.5m。
⑵降水井深度7m,基坑周邊降水井水平間距12m,坑內疏干井水平間距20m。
⑶回灌井距離外帷幕不小于3m,距離降水井不小6米,深度不小于10m。
⑷水位觀測井距離基坑不小于3m,沿基坑水平間距30米布置,深度不小于10米。
4、基坑監測與應急預案
⑴在基坑側壁布置側向變形控制點,點間距20m,對周邊原有建筑物設置沉降觀測點。
⑵基坑監測應嚴格按照《建筑基坑工程監測技術規范》GB50497-2009有關規定進行,并在開挖前開始監測,監測期限不小于12個月。
⑶土方開挖和支護施工期間,對相關區域觀測每天不小1次,并根據觀測數據分析變形趨勢,適當調整觀測頻次。支護施工完成后,每周觀測一次,達到穩定后每月觀測一次至基坑回填結束。
⑷出現下列情況之一,應立即匯報;若情況比較嚴重,應立即停止施工,并對基坑支護結構和周圍環境的保護對象采取應急措施:
①支護結構的最大位移已經大于30mm或水平位移速率已經連續3日大于3mm/d。
②支護結構的錨桿有個別構件出現斷裂、松弛或拔出現象。
⑸應急預案及措施
①在基坑土方開挖過程中,在支護結構最大位移大于30mm,應立即停止開挖,并采取坡底堆載反壓措施。設計人員出具設計變更并落實后,方可繼續開挖。
②當出現錨桿松弛、拔出現象時,應查找原因,由設計單位出具設計變更。
③若基坑開挖過程中,實際地層與勘查報告所揭示的內容相差較大時,應由設計人員進行必要的設計變更。
5、質量檢測和驗收
⑴錨桿施工前應按《建筑基坑支護技術規范》JGJ120-99附錄E進行驗收試驗,試驗錨桿數量取錨桿總數的5%,且不小于3根。L=9m錨桿抗拉承載力設計值90KN;土釘試驗數量總數1%,且不少于3根,L=6m,抗拉承載力設計值60KN。
⑵采用鉆孔法對面層厚度檢測,每100㎡抽查一組,每組不小于3點。
⑶支護中使用的材料及其他項目按照有關規范進行質量檢測。
四、相關檢測數據分析
1、基坑周邊建筑物沉降觀測整理
本表是在所有觀測點中選擇的比較有代表性的兩個點,為減少篇幅對其中若干次的觀測數據進行了刪減,但表中的數據已經能夠明確的顯示出了沉降的規律。開始抽水時,隨著水位的降低,沉降發展很快。符合巖土工程手冊中土體的固結沉降經典公式。當水位穩定后,沉降還在繼續緩慢發展。應為粘性土緩慢固結過程;也不排除粉土因水滲流對土體結構破壞,造成壓縮增量。2013.04.17觀測數據達到沉降極值。而后隨著降水井撤除,水位回升。土體所受浮力增大,有效應力減小,出現沉降數據反彈。通過對觀測點的統計,反彈量平均在5mm。該測量數據反映了土體的彈塑性的工程性質。
2、基坑位移觀測
本表反映出基坑支護采取的措施得當,未發生較大位移。此成果得益于對坡度較大出采用土釘在腰梁上進行了預應力加壓,減小了邊坡位移,只在后期邊坡上平行于基坑出現極小裂紋。
3、基坑邊坡沉降
基坑邊坡沉降較小,也完全符合測量規范要求。
4、基坑周邊水位觀測
本工程采取基坑周邊的回灌強度,加大了回灌井的密度。抽出的水基本上用于回灌,很少外排。保證了觀測水位與抽水前場區水位相當。將降水對周邊影響降到最低。
五、工程檢討、總結
本基坑工程對周邊的低層建筑物無明顯破壞作用。對采用樁基或筏板的多層建筑,一層與主體分離后加蓋陽臺有部分拉裂作用。對樁基和其他基礎混用的建筑,又未設置沉降縫的建筑拉裂明顯,并造成經濟糾紛。
幾點總結:
1、支護降水方案專家論證的必要性。根據建委要求,深基坑必須經過專家論證。首先做到項目實施的合法性,出現問題解決起來才比較主動。
2、方案的經濟分析時,充分考慮本項目對周邊環境的影響,選擇一個綜合成本最低的方案,包括經濟、社會成本、時間成本等。項目投資方不能只考慮直接成本,最終得不償失。
3、對周邊已建類似工程走訪,找出問題,及時預防,是防患于未然的最好方法。
4、選擇有資質、有實力的設計、施工單位,是項目順利推進的保障。
5、方案實施前選擇小型試驗,再進行實施,是一個明智之舉。
6、對周邊危險、重點建筑物進行先期加固也是較好選擇,避免出現事故再去處理的被動做法。
本文參考規范:
1、《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)(包括2009局部修訂內容);
2、《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-99)
3、本項目提供的地質勘查報告
4、《建筑地基基礎設計規范》GB5007-2002
【關鍵詞】穿堤涵閘;軟基處理;差異沉降
1、前言
珠三角的堤防安全達標建設遇到大量在軟土地基上的堤圍加固,穿堤涵閘的建設問題,在已建工程中,穿堤涵管主要有鋼筋混凝土預制或現澆涵管,鋼筋混凝土圓拱直墻涵管,鋼筋混凝土箱型涵管,穿插式預應力混凝土管幾種形式,目前在運行過程中大量遇到穿堤涵管管道斷裂或者伸縮縫止水帶破裂甚至錯位等嚴重問題發生,直接或者間接誘發工程險情。而引起涵管變形斷裂破壞的主要原因是軟基處理方法不當造成的不均勻沉降[1]。
地基承載力的概念包含兩個,即地基的強度穩定和地基沉降變形。其實通常破堤建涵管是不存在所謂的地基強度問題的[2]。因涵管埋在堤中,且開挖荷載大于回填荷載,假若涵管是采用頂管建造,則顯然不存在地基承載力問題。破堤建涵管,涵管埋在舊堤中,不存在地基強度失穩問題,主要是解決回填后產生的地基不均勻沉降問題。不均勻沉降致使涵管錯位或折斷,或是伸縮縫拉伸破壞,從而造成建筑物不能正常使用。地基透水性較大時則發生管涌險情,因此有效的解決地基不均勻沉降是穿堤涵閘軟基處理的首要問題也是關鍵性的問題。
珠三角的軟土是珠江三角洲的軟土可以說是全國最軟的軟土之一,存在軟土厚,含水量高,壓縮性高,承載力低的特點,其含水量一般在w=60~100%,孔隙比一般在e=1.5~2.5,承載力一般為 fk=40~60kPa,在這樣的軟土地基上筑堤建閘,軟土地基的處理是很重要的。且上部填土產生的附加荷載不同,基礎壓縮量也不相同,從而使地基存在不同程度的不均勻沉降變形。變形后的涵管是防汛搶險工作中的一大隱患。下面就一典型案例來分析這一問題。
2、工程案例
2.1概況
佛山某泵站其主要功能是以改善區域環境,兼有防洪、緩解下游水資源短缺等功能,該泵站由引水明渠、進水前池、主泵房、出水壓力涵管、防洪閘及消力池等組成,出水涵穿過佛山大堤。泵站上游布置有自排閘一座,自排閘用暗涵形式穿過佛山大堤。佛山某泵站防洪閘段及泵房段采用管樁處理,壓力涵管段采用水泥攪拌樁復合地基處理方案。在試運行階段發現靠近外江側的壓力涵管段在與防洪閘室連接部分出現裂縫(如圖一),涵管內部出現多處裂縫,有的沿管壁延伸至管頂,涵管底板裂縫部分出現滲水(如圖二)。
本場地堤體筑填土主要以粉質粘土回填而成,已固結,壓實;而堤基土主要有流塑狀淤泥質土、淤泥,松散~稍密狀粉砂,稍密狀中砂,可塑狀粉質粘土,中密狀粗砂,稍密狀粉砂和可塑狀殘積粉質粘土等;下伏基巖為下第三系華涌組風化巖石。
2.2原因分析
其實通常破堤建涵管是不存在所謂的地基強度問題的,因涵管埋在堤中,且開挖荷載大于回填荷載,則顯然不存在地基承載力問題。破堤建涵管,涵管埋在舊堤中,不存在地基強度失穩問題,所以主要的原因是回填后產生的地基不均勻沉降問題.
本工程對防洪閘段采用了管樁基礎、壓力涵管段采用水泥攪拌樁復合地基基礎,先壓力涵段水泥土攪拌樁復合地基的沉降進行了計算,復合地基沉降量分為兩部分,復合地基加固區壓縮量s1和下臥層壓縮量s2,計算發現攪拌樁復合地基的最終沉降達24.7cm, 防洪閘段管樁基礎沉降計算依據建筑地基基礎設計規范(GB50007-2002)[3]中規定:計算樁基礎沉降時,最終沉降量宜按單向壓縮分層總和法計算。地基內的應力分布宜采用各向同性均勻線性變形體理論,防洪閘段管樁基礎最終沉降值為2cm。
第一節壓力涵管與防洪閘之間在豎向為剛性連接,對于壓力涵管而言,靠近防洪閘這端,防洪閘和涵管的變形不協調導致涵管基底反力減少,使得涵管的內力增大,若現有結構的抗彎及抗剪能力不足以抵抗該結構內力,則將導致結構開裂破壞。壓力涵管段攪拌樁基礎與閘室段管樁基礎之間的沉降差較大,故涵管與閘室連接位置下部土體可能因下沉后與涵管底面脫開不能提供地基反力。
3、控制差異沉降的方案研究
工程實踐表明,涵管地基的不均勻沉降對建筑物的危害更大,會引起上部結構產生過大變形、開裂、傾斜甚至破壞。涵管地基的不均勻沉降造成的質量病害影響著整個泵站的運行。因此,如何使地基的最大沉降量控制在規范的允許范圍內,同時使基礎沉降趨于均勻,是涵管基礎迫切需要解決的問題。
目前復合地基或樁基設計樁體布置時多數采用“等樁長、等樁徑、等樁距”(即等剛度)的設計方法。工程實踐表明,盡管樁數不少,但鍋底型沉降仍然不可避免[4],變剛度調平設計是以控制基礎的沉降差為原則,人為合理地調整地基土剛度和樁體剛度(樁數、樁距、樁長、樁型等)分布,使其在基底平面內變化,從而優化沉降等值線的分布,使差異沉降值及其變化梯度減至最小,進而降低基礎筏板內力和上部結構次應力,改善建筑物的使用功能,增大結構的可靠度,保證上部結構的耐久性及使用性。變剛度調平的核心是調整地基、樁土剛度分布,其技術不僅可行而且調平效應明顯[5]。采用變剛度方法的經濟合理性在于:可以減少或消除多余布樁,較常規等剛度設計而一言,用樁的數量與樁工程量減少,同時降低筏板內力以使筏板厚度和配筋量減少,從而使基礎的造價降低[6]。
因此控制差異沉降較理想的方法是采用調整地基的剛度,針對可能的沉降形狀,采用不同的地基剛度分布,也就是所謂的變剛度調平法使回填后沉降較均勻。涵管地基中采用換填淺層處理不能很好解決問題,因涵管地基主要是縱向沉降差問題,不是地基強度問題,換填主要是淺層處理,并不能解決涵管的縱向沉降差問題,由于堤身填土是梯形荷載,淺層換填后仍會產生鍋形沉降。且涵管地基軟土排水固結時間長,其沉降時間往往長達數年,很多水閘兩側的沉降差往往每年都有新的發展,就是由于軟土變形的時間性所產生。當應力水平較高時,可能還會存在著儒變,變形時間長達數十年。
4、結論
軟土地基上的涵閘建設關鍵要處理好地基的變形問題,而非強度問題,而很好的處理措施就是針對上部荷載的情況,分析可能的沉降形狀,從而采用不同的地基剛度分布,從而使沉降趨于平緩,從而解決差異沉降。
參考文獻
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關鍵詞:巖石力學;試題庫;工程案例庫;教學質量;教學改革
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2014)11-0135-02
“巖石力學”在中國礦業大學(以下簡稱“我校”)2012版本科培養方案中被列為土木工程專業的專業主干課程,其研究對象是各類工程巖體,涉及領域廣泛,如邊坡工程、地基工程、道路與橋梁工程、隧道工程、港口工程、水利工程、深部礦山工程等,貫穿于工程建設全過程。該課程內容設置豐富,包括巖石的基本物理力學性質及其實驗方法、巖體的物理力學性質及巖體強度理論、原巖應力及其測量理論和方法,巖石地下工程、邊坡工程和巖石地基工程的設計方法和穩定性分析方法等相關內容。其教學目的在于使學生掌握巖石力學的基本概念、基本原理和基本方法,熟悉巖石力學的基本實驗內容與方法,學會運用巖石力學的基本原理分析巖石工程問題,增強其解決實際巖石工程問題的能力。它的任務是為后續課程如隧道工程、軟巖支護技術、巖土加固技術等專業課程提供巖石力學基本知識,也為從事巖土科學技術的專門研究奠定必要的理論基礎。
為了提高“巖石力學”課程的教學質量,國內許多學者對“巖石力學”課程的教學方法、教學手段和教學模式進行了深入研究,取得了可喜的研究成果。將許多新的教學方法引入“巖石力學”課程教學改革中,如案例教學法、[1]研究型教學法、[2]數值仿真試驗教學法,[3]提出了許多新的教學模式,如模塊式教學模式、[4]創新教學實踐模式。[5]但遺憾的是,目前“巖石力學”課程還沒有完備的試題庫和工程案例庫,這方面的研究在國內還處于空白,這不利于授課質量的提高和教學效果的有效考核,因此,科學、客觀、正確地建立“巖石力學”課程的試題庫和工程案例庫是亟待解決的問題。
一、“巖石力學”課程的重要性及意義
我國是世界上最大的發展中國家,改革開放以來,國民經濟大約以每年8%~10%的速度遞增。隨著國民經濟的持續穩定發展,我國的大規模基礎建設越來越為世人所矚目。目前,我國已建或在建的三峽水利樞紐、西氣東輸、南水北調、西電東送、青藏鐵路、越江跨海隧道、深部采礦等工程無不令國際同行驚羨不已,這為我國巖石力學的發展創造了前所未有的良好條件,“巖石力學”與工程在我國已經成為名符其實的朝陽產業。另外,我國巖石工程規模從跨度、長度、高度、深度等方面都有大幅度增加,同時工程地質條件也越趨復雜(高地應力、高地溫、高孔隙水壓或氣壓),技術難度空前,新理論、新方法、新技術層出不窮。
從上面的分析可以看出,隨著我國能源、交通、環保、國防等事業的發展,復雜而巨大的巖石工程日益增多,這為巖石力學服務的相關學科人才的培養提供了前所未有的機遇與挑戰。在工程建設過程中,如果對巖石力學缺乏足夠的研究與認識,將造成巨大工程事故,甚至造成災難性的后果。如最為著名的法國馬爾帕塞(Malpasset)拱壩垮壩(導致 421人死亡,財產損失達 300 億法郎)及意大利瓦依昂(Vajont)工程的大滑坡(摧毀一個小鎮與鄰近幾個村莊,造成約 2500 人死亡)。
中國礦業大學屬于國內外知名煤炭高校,面向的對象為深部地下工程。目前我國煤炭開采深度已突破1300m,隨著開采深度的加大,工程地質條件越來越復雜,各種工程災害不斷涌現,如巖爆、突水突泥、塌方、大變形等,嚴重影響了工程的正常建設。實踐證明,能否安全經濟地進行工程建設,很大程度上取決于人們是否能夠運用近代巖石力學的原理和方法去解決工程問題。由此可見,通過“巖石力學”課程的學習,掌握巖石力學基本理論和原理,并利用所學知識去解決實際工程問題,對預防工程災害,減少經濟損失和人員傷亡,保障巖石工程的安全建設具有重要現實意義。“巖石力學”課程對于土木工程專業的本科生以后走上工作崗位進行工程設計與施工,具有重要現實意義。因此,必須找到當前課程教學中存在的主要問題,并提出有效的解決思路,才能達到“教好、學好、用好”的目的。
二、“巖石力學”教學中存在的主要問題
“巖石力學”課程具有內容繁雜、理論性強的特點,對于力學功底不是很好的學生較難掌握,容易使學生產生畏難和厭學情緒,致使學生上課睡覺、作業應付的現象嚴重。根據筆者自己在這門課程授課中的感受和對這門課的理解,并結合學生對這門課的反應,認為目前該課程教學中存在的突出問題主要有以下兩點:
1.考核機制不健全
目前“巖石力學”課程采用期末閉卷考試的方式進行考核,但歷年考題重復現象嚴重,缺乏合理的試題庫。教師出題主要是通過網絡下載很多相同內容的試題,或是局限于幾本教學參考書或資料,這樣組成的試卷所包含的知識點的分布和比例往往有缺陷,而且所用的時間比較多。有些學得不好的學生甚至能通過網絡和搜集歷年考試題最終取得較高的考試成績。另外每年考題變化不大,靈活性差。因此,當前由于缺乏科學合理的試題庫,不能有效評價學生掌握知識的能力,無法體現公平性。
2.與工程實踐脫節嚴重
“巖石力學”是一門工程實踐性很強的課程,然而受場地、資金和工程條件等因素制約,現在的教學模式主要以書本知識傳授為主,缺乏與工程實踐的有機結合。學習巖石力學的最終目的是為工程服務,而對于與工程應用緊密結合的章節,如地應力及其測量方法、地下工程維護原則與支護技術等內容,學生在課堂上只能靠課本想象,與工程實踐嚴重脫節,這不符合“巖石力學”理論與實踐兼備的課程特點,因此難以激發學生學習的積極性和主動性,更不用提培養學生的創造性。因此,迫切需要建設科學合理的工程案例庫,在課堂教學中引入工程案例教學模塊,通過最新的工程案例講解和討論,提高學生的興趣,激發其自主學習的熱情。
通過建立完備的習題庫和典型的工程案例庫,一方面,在原有教學基礎上,可以增加習題教學和案例教學環節,豐富課堂教學模式,實現啟發式教學,從而改變目前教學模式單一的現狀,激發學生的興趣,提高學生主動學習的積極性;另一方面,可以規范課程管理,促進教學改革,實現考教分離,理論與實踐緊密結合。
三、“巖石力學”試題庫與工程案例庫的建設思路
通過建設“巖石力學”課程的精要試題庫和典型工程案例庫,可以改善當前的教學方法,提高教學質量,有利于不斷提升教師的教學水平,提高學生學習的主動性和自覺性。
1.“巖石力學”試題庫的建設思路
(1)搜集和整理“巖石力學”習題和試題:對目前國內所使用的“巖石力學”教材,完成課后思考題的解答。搜索、查閱其他院校(如山東科技大學、西南交通大學等)的“巖石力學”試題,特別是對具有代表性、典型性的試題進行收集、整理,并制訂標準答案。然后,根據不同的知識點進行分類,形成精要習題集。
(2)根據“巖石力學”教學大綱,明確課程定位,根據教學過程中發現學生學習中的難點,結合課程重點,加強相應習題內容的建設。針對每一章的重點難點,構建相應題型,通過課題提問形式進行課堂講授,并有針對性地布置習題進行課后復習和預習,實現學生對重點難點的及時掌握和有效鞏固。
(3)編題與征題:題目來源初步定為以幾個下方面:1)網絡收集,查閱一些知名網站進行下載。2)搜集有“巖石力學”豐富教學經驗老師的歷年考試命題。3)從注冊巖土工程師習題集和歷年真題中選取。4)從各種教材、習題集中精選試題。5)根據自身授課體會和學生反映的重難點自己編制試題。
(4)命題題型:根據“巖石力學”課程的特點,“巖石力學”試題庫的題型主要有以下幾種:選擇題、判斷題、填空題、簡答題、計算題、論述題;試題難易程度要適中。
(5)采用相關計算機軟件,開發“巖石力學”習題庫系統,便于學生網上學習和答題,以引導學生自主學習,進行有效的課前預習和課后復習。同時建立“巖石力學”試題庫系統,確保以后出題的過程中能夠基本覆蓋所有知識點。
2.“巖石力學”工程案例庫的建設思路
(1)通過文獻、書籍閱讀及網絡瀏覽,搜集國內外大型巖石工程案例和典型工程災害資料,如大型水利工程、長大隧道工程、深部煤礦工程的現場圖片及相關資料,并運用巖石力學原理對具體工程及災害進行深入剖析,形成工程案例庫。結合構建的案例庫,增設課程案例教學模塊,激發學生的學習興趣,提高學生自主學習和獨立思考的能力。
(2)進入工程現場,從現場搜集大量第一手資料,進行歸類整理和深入剖析。一方面,通過在平時帶領學生實習的過程中或者利用互聯網的豐富資源來搜集各種工程圖片,增強學生的感官認識;另一方面,結合當前的煤礦工程熱點問題,如巷道失穩、沖擊地壓、突水等問題進行專題討論和案例講解分析,實現案例教學和啟發式教學,提高學生運用所學知識分析問題、解決問題的能力。
(3)結合構建的“巖石力學”課程習題庫和工程案例庫,對目前的“巖石力學”課件進行改進完善。對各章節進行相應習題和案例補充,并對當前幾種典型“巖石力學”教材(如賀永年編著、張永興主編、沈明榮編著等)進行詳細閱讀,科學編輯,根據學科發展對課程內容進行部分更新和調整,優化課程內容,并充分發揮多媒體的優勢,形成一套圖文并茂的課件,從而調動學生學習“巖石力學”課程的積極性與主動性,提升課堂教學效果。
四、結語
對于土木類專業的本科生來說,“巖石力學”課程無論對他們的考試、畢業設計和其他專業課學習,還是以后走上工作崗位,進行工程設計與施工,都具有重要意義。進行“巖石力學”課程的試題庫和工程案例庫建設,對課程考核、教學模式改革和提高課堂授課質量以及實施素質教育等都具有十分重要的現實意義和參考價值。但需要指出的是,對“巖石力學”試題庫和工程案例庫的建設與維護是一項長期而艱巨的任務,試題庫的建設決非是一個簡單的試題堆積過程,而是一個艱苦的近乎枯燥的過程;工程案例庫也絕不是簡單將工程資料拼湊的過程,而需要結合課程教學大綱,進行深入的案例剖析。因此,試題庫和案例庫的建設需要一個長期的過程,應遵循循序漸進、逐步完善的原則。相信隨著計算機技術的不斷發展,教學改革的不斷深入,將會探索出許多新的更適用的教學模式與教學方法。
參考文獻:
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【關鍵詞】工程地質學;工程實踐;教學改革
【Abstract】Practical teaching will be reinforced in higher school.And cultivating practical talents will be the key direction.“Engineering geology”is just the course which needs reinforcing the practical teaching.According to the engineering case,this paper has analysed the importance of practical teaching of“Engineering geology”in the modern engineering construction field.And the thinking of practical teaching has been summarized.
【Key words】Engineering geology;Engineering practice;Educational reform
根據我國2010-2020年中長期教育改革和發展規劃綱要,全國高等學校結合專業和人才培養要求,加強實踐教學環節,向應用型人才的培養方向轉變。應用型本科人才培養的目標突出表現為培養具備繼續學習能力的高素質應用型、技術技能型、復合型人才。而《工程地質學》正是在這一背景下的需要加強實踐型教學的課程。在工程建設領域,無論是建筑工程、道路工程,還是水利水運工程和礦業工程,大量成功或失敗工程案例都表明只有充分重視建(構)筑物所處的地質環境,協調人、工程與環境的關系,才可能得到自然的尊重,創造人類歷史的文明。正是認識到這一點,各大院校中相關專業開設有《工程地質學》這門課程,也足以顯示了該課程的專業基礎性和重要性。
1 工程地質學在應用型本科教學中的定位
《工程地質學》是研究和解決與工程建設相關的地質問題,為工程建設服務的一門學科,是工程地質專業的一門重要專業課,也是巖土工程、礦業工程等其他非地質專業的專業基礎課[3],與工程建設活動緊密的結合在一起。各種大型工程活動都在一定的地質環境中才能進行,研究工程建設與地質環境之間的相互制約、相互影響就是工程地質學的主要內容。因此,《工程地質學》運用地質學理論和方法研究地質環境,查明地質災害的規律和防治對策,以確保工程建設安全、經濟和正常運行。工程地質學的主要內容包括多個方面,如巖土體的屬性、地殼的動力地質作用、工程穩定性等等。工程地質學的研究方法也是多種多樣的,有地質學方法、室內實驗和現場測試方法、計算和模擬方法等等。按照以“建設工程中的工程地質問題”為目標,課程所構建的框架和內容如圖1。
2 工程建設中的地質問題
《工程地質學》這門課程實踐性較強[4-5],涉及到的工程地質問題非常廣泛,如與生產建設緊密相關的建筑工程、采礦工程、水利水電工程、交通運輸工程等都與工程地質問題緊密聯系(圖2)。
發生的地質問題主要有區域穩定問題,如活斷層、地震、水庫誘發地震、砂土液化和地面沉降等等。搞清楚這些地質問題發育的規律性,對于工程建設選址具有重要意義。另外還有巖土體穩定性問題,如斜坡穩定、洞室穩定、地基巖土體穩定的成因、發展史和力學機制的分析等,這些用于具體場地穩定性評價具有重要意義。工程地質問題還包括與地下滲流有關的巖溶滲漏分析和滲透變形分析;與侵蝕堆積有關的河流侵蝕堆積和海湖邊岸磨蝕堆積等等問題。工程建設過程中工程地質問題時刻都在發生,影響和改變著我們的生活。下面以實例說明工程地質問題在生活中的體現。
甘肅舟曲縣于2010年8月突發特大泥石流災害,人員損失慘重。據地質專家分析此次災害的發生與該區的地理環境以及該區的氣候特點相關。該區地勢西北高、東南低,垂直高差大,氣候垂直變化顯著,而且災害發生前突降暴雨,正是這些地質條件的變化促發泥石流的發生。因此工程地質問題中斜坡穩定性問題的專項研究對于減少或預防地質災害具有指導意義。
日本于2011年3月發生9級地震,地震引發了大規模海嘯,造成重大人員傷亡。據美國地質勘探局分析,此次地震由太平洋板塊和北美板塊的運動所致。太平洋板塊每年相對于北美板塊向西運動數厘米,太平洋板塊在日本海溝俯沖入日本下方,并向西侵入歐亞板塊,此次大地震正是運動過程中積累的能量突然釋放導致的結果。因此工程地質問題中區域穩定性的活斷層問題的研究對于近些年頻發的地震問題具有一定的工程意義。
另外北京地區2012年7月份遭受雨之后,多處路面出現規模較大的天坑,嚴重影響到市民的出行,天坑的出現同樣屬于工程地質災害問題是本課程研究的內容之一。所以工程地質問題存在于人類建設的方方面面,當今學好《工程地質學》這門課程是解決此類問題的首要前提。
3 工程地質的教學實踐思路
3.1 工程地質教學中所存在的問題
1)重理論輕實踐方面。
2)按傳統教學和思路進行,過于強調單一的地質學,未能與工程地質相結合,(換句話就是現在的教學仍按地質學專業的要求去教學,未與工程結合,這會導致課時不夠,同時學生學的無趣)。
3)于課程的重視不夠,認為工程地質與專業關聯不大。
3.2 工程地質教學實踐思路
1)輕地質重工程地質,突出與工程的相關性。
2)實踐教學的實施。
針對周邊環境遭受破壞的影響,目前大多學校找到典型的地質剖面較難。除了常規的地質體和地質現象實習,還應結合當地建設的特點,有針對性地進行地質實習,如與建設單位相聯系,在揭開地表的時候看一些相關的地質現象;另一方面,與勘察單位相聯系,正確認識地質體和巖土體。
3.3 教、學相長
要成為合格的工程地質工作者,一方面要具備較強的專業知識,同時還要有創新的思想和靈活的頭腦[6],特別是在工程建設過程中,處理隨機出現的各種地質問題,不僅需要有工程地質知識的靈活運用,還要有多學科理論的融合與提升的能力,因此,在《工程地質學》這門課程的教學過程中要重點培養學生做好這樣幾點:首先,做到基礎地質知識要扎實;第二,是積累豐富的工程實踐經驗;第三,分析工程地質問題要思路周密,遇事沉穩且果斷。因此要培養出優秀的工程地質人員應該從教與學兩個方面入手:
1)教
(1)課堂
《工程地質學》是一門實踐性很強的學科,所以不能脫離實際案例而單純講授抽象的理論知識。如講授巖石的分類、結構和構造特征時,要結合實際現場講解當其作為建筑材料、地基、邊坡與洞室圍巖時對工程性質的不同要求等。在講授滑坡、崩塌、泥石流等現象對工程的影響時,更要結合實際案例進行具體的分析,讓授課不再是抽象而空洞的理論。
(2)實驗環節
學院為方便學生認識和鑒定常見造巖礦物及三大類巖石,投資購買全套的礦物和巖石標本,并全面開放實驗室。讓學生有較多機會接觸、認識、鑒定標本,學生之間相互交流討論實驗體會,對常見造巖礦物及巖石的主要特征熟記于心。
(3)實踐環節
工程地質實習地點選擇地層出露比較完全,地質現象比較豐富、與課堂內容結合緊密的基礎工程建設工地。通過實習使學生更加深入的理解課堂上講授的抽象理論,并學會結合實際分析工程建設與地質條件的關系,熟悉工程建設中常見的地質條件并給以正確的評價和合理的處理方法。
2)學
學生既是教學的載體,更是學習的主人,只有調動起學生學習的主動性,才會培養出優秀的工程地質工作者。
(1)培養一名優秀工程地質工作者是一個長期的過程,所以在學習過程中要有耐心和信心。每一個人的成功都是從點點滴滴累積的。
(2)大腦中知識的增長是累進的過程,工程地質學是一門綜合學科,因此與地質學科相關聯的以及與工程建設相關的學科都應該打好基礎,作為工程地質學課程的鋪墊。
(3)不能忽略實踐教學環節,讓學生們在實踐中加深對理論知識的理解。要意識到地質工作的復雜性和靈活多變性。
3)考核
本課程強調理論與實踐的結合,教師結合實際的工程地質問題,強調互動性和問題實質的理解。每位同學的成績由三部分綜合構成,即:
(1)期末考試卷面成績(50%);
(2)課堂討論及考勤(20%);
(3)案例分析作業成績(30%)。
成績分為五個等級:優秀(90分以上)、良好(80-89分)、中等(70-79分)、及格(60-69分)、不及格(60分以下)。
4 結語
《工程地質學》是非地質專業的專業基礎課程,本課程學時不多,但課程內容涵蓋廣、教學內容比較抽象,所以教學過程是一個不斷完成挑戰的過程。在教學過程中, 教師首先要培養學生具備工程地質的思維和創新的能力, 使學生學會工程地質思維方法, 讓學生們的創新能力得到充分的發展。同時也要保證足夠的工程地質實踐課時,參觀現場并搜集相關的工程地質案例,從而培養出具有綜合素質的高級工程技術人才。
【參考文獻】
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Abstract: Large engineering provides a large number of practical materials for Mine Engineering Mechanics. Practice-theory-repractice is the basic research method for engineering specialties. It is important to cultivate students' engineering practice ability in teaching. This paper takes "Karan Jo Karl" as an example to explore the mechanical problems in large-scale projects. Traditional teaching doesn’t fully realize the importance of practice for establishing mechanics theory. In the study, students don’t pay attention to the differences between theoretical problems and practical problems and their internal relations, which makes the practical ability of students to solve practical engineering problems by using mechanics theory is poor. This paper expounds the teaching method of Mine Engineering Mechanics which is introduced into large engineering examples. The teaching methods include systematization of teaching content system, strengthen of engineering concept, importance of teaching method reform. The above teaching reform exploration is feasible, and achieves good teaching effect.
P鍵詞: 教學改革;工科專業;教學方法;礦山工程力學
Key words: teaching reform;engineering specialty;teaching method;Mine Engineering Mechanics
中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1006-4311(2017)04-0141-03
0 引言
中國礦業大學(北京)《礦山工程力學》課程依托“煤炭資源與安全開采”、“深部巖土力學與地下工程”兩個國家重點實驗室和“工程力學”國家重點學科良好的科研環境,讓學生認識到礦山工程力學突出基礎、兼顧礦業學科特色的特點。提高學生對礦山工程力學的學習興趣與效率,使學生了解礦業背景的工程力學知識及工程科學發展史,激發學生的專業自豪感。通過介紹礦山工程力學在大型工程的應用,展現礦山工程力學專業教學內容在地下安全開采工程、結構支護工程、巖土邊坡的穩定工程領域的應用前景,引導學生理解礦山工程力學的特點、研究方法,取得了較好的教學效果。
《礦山工程力學》課程分五個專題開展課程教學,內容涉及①礦山工程力學概論;②典型大壩、隧道工程案例;③深部開采面臨的難題、巷道支護案例;④超級破碎機的力學機理及在選礦工程中的應用;⑤超級鉆探平臺的力學機理及在石油天然氣鉆探工程中的應用;⑥綜放長臂法采煤涉及的力學問題,井巷工程,硐室工程及其支護。要求學生通過本課程的學習,樹立正確的專業意識,激發強烈的求知欲和濃厚的學習興趣,并對礦山工程力學有全面和系統的了解。本文以冰島“卡蘭尤卡爾”水力發電站工程為例,分析其大壩、引水隧道結構,闡述其涉及的典型礦山工程力學問題。
1 “卡蘭尤卡爾”工程概述
利用冰島巨大的冰源河開發水電的設想已經有50多年,并且早在30多年前,就首次提出了在冰島引進高耗電型產業的建議。現在,卡蘭尤卡爾工程即將使這些設想變為現實。“卡蘭尤卡爾”水力發電站是歐洲一個大型水電工程,預計投資約14億美元,位于冰島東部的一個偏遠地區。工程主要包括一座大壩和長約73km的隧洞,并修建被認為是世界上最深的鋼板襯砌豎井和地下廠房,廠房內安裝6臺115MW混流式水輪機。
該工程最初的計劃是兩個獨立的開發方案,分別利用弗廖茨達爾冰源河和達爾冰源河。這兩條河皆發源于瓦特納冰原,流經約屈爾和弗廖茨河谷,在海岸形成常見的河口灣。如果實施這些計劃,則要建兩座獨立的電站,一座位于東部的埃亞巴卡爾濕地,另一座位于西部的豪爾斯地區。而目前在建的工程只需要建一座電站,同時將兩條河流連接起來[1-2]。地底發電廠建在水壩東北方25英里處一座小山的內部,水壩蓄水后將水通過隧道引至山頂,然后順著發電廠的設計,沿著壓力管急轉直下,到達山底發電廠機組時將機械能轉為電能。
2 “卡蘭尤卡爾”水力發電計劃
2.1 大壩
為了發電,在弗雷姆里卡蘭尤卡爾山附近建3座壩攔蓄達爾冰河的水。其中最大的一座是卡蘭尤卡爾大壩,位于哈夫拉瓦馬峽谷最南端,壩高193m,壩頂長約730m。大壩為混凝土面板堆石壩,建成后將是歐洲同類壩中最高的,也是世界高壩之一。建造所用堆石是從庫區緊挨壩的上游開采的,石料用卡車運送到工地填筑。另外,還將安裝皮帶輸送機為大壩輸送經破碎和篩分的石料。
該工程將修建2座副壩,分別位于東面和西面,2座壩均為粘土心墻堆石壩。水庫蓄水面積57km2,滿庫容時,水位將達到海拔625m,水庫庫岸將延伸至布魯阿冰川的邊緣。
2.2 水庫
這3座壩將形成豪爾斯隆水庫。正常蓄水位為625m。據估計,在大多數年份,水庫都將在夏末蓄滿。當水量過剩時,多余的水將通過卡蘭尤卡爾壩的溢洪道陡槽泄放至哈夫拉瓦馬峽谷的邊緣,再經90m高的瀑布泄至谷底。
弗廖茨達爾冰源河在埃亞巴卡爾濕地北側的埃亞巴卡福斯瀑布下游2km處被筑壩攔斷,在該冰河東側的3條支流上也建了壩,形成名為烏薩爾隆的水庫。
2.3 隧洞
引水隧洞全長53km,埋深100~200m。豪爾斯隆水庫的水經隧洞穿過弗廖茨達爾沼澤后,與經隧洞來自烏薩爾隆水庫的水匯合,再經一條東北走向的混合引水隧洞流入進水口。2個鋼襯壓力豎井從進水口處引水至地下電站。每個豎井深420m,此處工程總水頭599m。水流通過電站后,由一條尾水隧洞和尾水渠將水輸送至海拔26m的弗廖茨達爾冰河。
3 “卡蘭尤卡爾”工程涉及的問題
如何在極度傾斜的坡面上鋪設大量混凝土成為第一個工程難題。如圖1所示,利用反重力混凝土機器,又稱為“大巨人”,機器寬度近50英尺,由壩頂固定的絞車以時速六英尺的穩定速度將其拉上墻面,工人可在混凝土機上進行混凝土修平作業。機器一旦啟動就不能停止,以免混凝土鋪設不均勻導致壩體出現裂縫。
在修建引水隧道時,需要挖掘的巖石是玄武巖,硬度極高。需要使用外號“啃食者”的大型盾構機(如圖2),盾構機重達620噸,全長122m,前端切削轉盤直徑約8m,覆蓋硬化鋼制成的削刀,轉盤后方是推動列車,液壓支柱和側面握爪能避免機器整體旋轉。
如圖3所示,三部鉆掘機的小組從不同的起點在同一條隧道中工作,但因為在地底,無法衛星定位,所以很難保證三部機器能完美打通一條隧道。測量員利用高端裝備以及復雜的計算,全程跟蹤和修正掘進的方向。方法是確認至少一點的位置,利用激光判定角度和距離,測定任一新點的確切位置,讓鉆掘機在水平面和垂直面都正確前進。
最后在地下發電站部分,采用外號“大個”的鉆探機(如圖4)在山腹中挖出12000萬立方英尺的巖石,在地下600英尺進行爆破作業,必須保證爆破的精準。
4 由工程問題到力學問題
在反重力混凝土機器中,主要涉及的力學問題包括:絞車對反重力混凝土機器的“牽引力”,反重力混凝土機器在大壩坡面上的摩擦力等等。壩頂固定的絞車以時速六英尺的穩定速度將反重力混凝土機器拉上墻面,可以得出反重力混凝土機器在坡面上是處于受力平衡的狀態,絞車對反重力混凝土機器的“牽引力”也就可以利用力學知識求出數值;在大型盾構機中,主要包括削刀與玄武巖之間的摩擦力,后方的推動列車對切削轉盤向前的力保證了削刀與巖石之間一直存在摩擦力只有削刀硬度足夠,才可以依靠它們之間的摩擦力來切割巖石,進而開挖隧道;在進行爆破作業時,必須考慮地應力的因素,地下結構極其復雜,要想安全有效地在山腹中挖出12000萬立方英尺的巖石,必須在力學的基礎上通過計算機模擬地下場景。由此可見,任何大型工程的實施,都離不開力學的理論支持。
5 “卡蘭尤卡爾”工程小結
每一項偉大的工程都離不開人們的奇思妙想,都離不開克服重重的困難。工程施工的整個過程中,需要多個專業的知識融合,比如這個工程中,地質學家進行地質勘測工作;測量員的記錄水位與掘進機鉆掘過程中引水隧道的方位,以便成功實現對接;巖土工程師確定大壩混凝土的合理澆筑工序以及確定隧道爆破孔眼布設;同時,在水壩修建之后,那一個區域的生態改變對生物的影響,這就需要生態學家的工作。因此,一個偉大的工程需要多個學科的科技人員共同努力,各司所長,才能克服遇到的重重困難,創造工程的奇跡。
6 認識小結
隨著經濟建設和科學技術的飛速發展,培養適合我國社會發展所需要的高質量的科技人才已成為高等教育研究的一項重要課題。在高等學校各學科的教學過程中,除了要教給學生必要的基礎理論和基本知識外,還應更加重視對學生能力的培養[3-4]。《礦山工程力學》教學過程中注重理論和工程實際緊密結合,課堂上筆者盡可能地介紹理論在實際工程中的應用情況,豐富理論的內涵,突出力學理論的應用價值。當今社會,知識發展日新月異,新知識、新技術層出不窮,大型工程實例為課程教學提供了素材,同時綜合案例分析為鍛煉和培養青年學生的綜合技能是非常重要和必要的[5-8]。在課堂教學中采用實例教學,利用視頻、掛圖、力學模型等多種媒體增加學生的感知能力,加深對基本理論的理解和掌握[9-10]。在課堂講授通常以工程實例引入,容易激發學生的學習興趣。對具體定理、推論的數學推導過程注重講思路、講方法、講要點。采用課題提問,讀書報告,大作業等方法,加強學生理解知識,應用知識,特別是綜合性、創造性地應用知識能力的培養。
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樁基工程技術是經驗性、區域性很強的巖土工程技術,任何不加分析盲目照搬某種樁型到一特定土質的工程中,必然會產生可施工性、質量、造價、工期等方面的許多具體問題。在大豐市典型的“上軟下硬”土質條件下,預制樁的應用在一些項目中造成了質量低劣、造價昂貴、工期嚴重延后的問題,已成為典型的基樁選型中的誤區。
為直觀了解預制樁在大豐市工程中的應用效果,特選擇幾張具代表性的工程圖片作案例說明:
以上在大豐市境內相隔較遠的建設項目主要集中地(或規劃區),分別可見預制樁不管采用靜壓還是錘擊方式沉樁,其最后的工程效果也“直觀”就可知:凡超出基底的樁,其有效樁長必
然長短不一;凡存歪斜的,必然是斷、裂樁。從一份份預制管樁樁基的檢測報告(左圖)也可知,工后存在大量的斷、裂樁!以上現象在許多采用預制樁的工程中,幾乎是程度不同的普遍存在。
按實踐中得出的大量實測數據,可知:打(壓)不下不一定就達到設計要求的承載力!這樣,如此長短嚴重不一的基樁承載力是多少,是一個未知數,而每根樁做靜載試驗很不現實,無可行性。更為難的是:即使樁體完全符合樁長和樁頂標高要求,在實踐中已發現多起預制樁承載力不到和相差懸殊的情況,擠土負效應危害性巨大。事實是,好多被檢測出或肉眼可見明顯存在問題的工程,都是通過工后補強、加固、改變基礎形式、上部結構調整等代價不菲、工期延長的被動方式進行處理。
以上問題的產生,顯然與土質和樁型有極大關系。大豐市為蘇北沿海小城市,大豐港為國家一類口岸。區域內大部為上部3-5m是軟弱的淤泥質粉質粘土,往下一般為土性好、厚度大(15—25m)的中密-密實粉土、粉砂層;地下水位較高,一般為0.5-1.5m。
從此地質條件和工程實踐可以知道,樁基工程質量主要的承載力、樁身完整性這兩個控制指標,在采用預制樁等擠土樁樁型時,較難確保是有其必然原因。要改變擠土負效應造成的樁長不到、有些樁承載力偏低等難題,在土性已是客觀存在的前提下,就只能在樁型上研究了,這就是一個樁的選型問題!
這里再舉一因基樁問題導致項目夭折,造成一定社會影響的項目來說明基樁選型的重要性和預制樁適用性問題:
從現場施工時的實景圖片中可知,為將預制樁打入地下室底標高以下,除采用了超大能量的柴油錘外,還用了鉆機引孔,還是因土性問題,引好的孔,沒幾十分鐘就又馬上塌孔,最終還是打不下樁體!
實際上,此工程從選擇用預制樁作樁基開始,而沒有考慮常規靜壓、錘擊成樁方式在此地質條件下的可行性,就注定了要失敗。這種因樁基問題造成一個在當地具標志性意義的項目如此結果的例子,恐怕在全國也是鮮見的!
因預制樁的直觀性太易為各方所接受、在很多地區應用很成功、對大豐土質的工程特性缺乏經驗、較多人不了解尚有其它工藝技術等等原因,造成大豐市的建設項目濫用預制樁,最多是圓變方、長變短的微小差別,而沒有從原理、技術上進行本質的調整和優化,造成了有些建設工程實施一波三折,異常艱難。
《建筑樁基技術規范》JGJ94-2008條文說明中的“應避免基樁選型常見誤區”,似乎是專門針對大豐市這類土質的警示,因為條文中列舉的各種危害性,在大豐的工程實踐中證明都存在。規范中等于權威性的指出了該類土質采用預制樁等擠土類樁型,就有不小的質量風險,應用中就應注意因地、因工程對象制宜。
離開可施工性、質量,談經濟性毫無價值,是偽科學。不問具體土質、具體環境、不管什么項目不加論證的一律預制樁,注定要有問題。為打(壓)下樁體,有些項目建設者一味的用更大沖擊力的錘(個別已用到16T錘),用到1000噸的靜壓機,而不按科學的觀點、方法,不從分析土質情況著手,結果注定要失敗!
客觀來講,預制樁并不是完全不可在“上軟下硬”的土質中采用,關鍵是預前論證必須要做好,特別要評估一下沉樁的可行性或難易程度(這里就有一個經驗性問題,有時很難把握),特別應有預控樁體上浮或即使上浮也會被及時處理了的技術措施。
如采用靜壓,則必須將場地預加固處理;錘擊沉樁重點要評估對周圍環境的影響問題。對于小高層、高層建筑中采用的樁體較長、規格大、承載力要求高的基樁,如非要采用預制樁類型,則要考慮采用預鉆孔(長螺旋壓漿取土等)、最終錘擊或護基施工法等,而不是一味的只是加大柴油錘能量或者用更大靜壓機。前述系從首先確保質量這個角度提出的方法,不過,此時的樁經濟性如何,需要重新評估。極有可能此時的預制樁已不敵鉆孔灌注樁的綜合優勢,還不如直接應用鉆孔樁。如從灌注樁的技術進步來講,降低造價的也有例樁側、底注漿法,DX樁法,及其環保、承載力比同規格預制樁高、造價低的雙向螺旋樁(或稱短螺旋鉆孔壓灌樁)等。所以,向科技要效益或降低造價,才是正確的方式、方法。