加固改造施工前景（巖土工程領域的發展前景）

近代工業化過程中，建廠房、開礦山、修鐵路、興水利等土木工程實踐中，涉及到許多與巖土有關的問題，如地基的承載能力、邊坡的穩定、地下水的控制、巖土材料的利用等等。場地和地基的地震效應也是巖土工程的一部分。巖土加固和改良是巖土工程的重要組成。工程地質學的產生源于土木工程的需要，其本質是一門應用科學；巖土工程是土木工程的一個分支，其本質是一門工程技術。在地質復雜地區，離開了工程地質專家，土木工程寸步難行。巖土工程師與結構工程師的密切配合至關重要。邊坡工程和地質災害的治理，似乎應當屬于巖土工程，但常常離不開結構措施。

• 1、巖土工程領域的發展前景

1、巖土工程領域的發展前景

巖土工程是一門既古老又新近的專業技術。上古時代, 人類修道路、挖渠道、建居室，就與巖石和土打交道。近代工業化過程中，建廠房、開礦山、修鐵路、興水利等土木工程實踐中，涉及到許多與巖土有關的問題，如地基的承載能力、邊坡的穩定、地下水的控制、巖土材料的利用等等。但巖土工程真正成為一門獨立的專業，則不到半個世紀，傳人我國只二十幾年。對巖土工程的涵義，巖土工程師的執業范圍，至今還有不同認識。本文擬談一些自己的看法，與同行們探討。
1、巖土工程的內涵
對巖土工程的定義有幾種不完全相同的表述：
《巖土工程基本術語標準》定義為：“土木工程中涉及巖石和土的利用、處理和改良的科學技術?！敝袊蟀倏迫珪x為：“土木工程的一個分支，以工程地質學、巖石力學、土力學與基礎工程為理論基礎，涉及巖石和土的利用、整治和改造的一門技術科學?！?也有專家定義為：“土木工程的一個分支，研究巖土體（包括其中的水）作為支承體、荷載、介質或材料，必要時對其改良或治理的一門工程技術。”以上表述方法雖不完全一致，但主要方面是相似或相同的。第一、巖土工程是土木工程的一個分支；第二、研究對象是巖石和土，包括巖土中的水；第三、是一門技術科學或工程技術。
2 巖土工程的外延
巖土工程的實踐性很強，從工程實踐角度，包括下列范圍：
（1）巖土作為支承體
房屋建筑、道路、橋梁、堆場、大型設備等等，都建造在巖土上，巖土作為地基，作為支承體，研究的主要問題是承載力和變形問題。
（2）巖土作為荷載或自承體
邊坡工程、基坑工程、露天礦等地面開挖，隧道、地下洞室等地下開挖，面臨的是另一類穩定和變形問題。這時，巖土體擔任的角色, 既可能是荷載，也可能是自承體。同時，地下水的控制常常具有舉足輕重的影響。
（3）巖土作為材料
填方工程，特別是大面積高填方、填海造陸，要用大量巖土作為材料；圍堰、水壩、路堤等也用巖土為材料。這些工程除了研究其穩定和變形外，巖土材料的選用和質量控制是主要問題。
（4）地質災害的防治
巖溶、塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等地質災害，對工程構成嚴重威脅，防治工程必須針對具體條件和地質演化規律進行設計和施工。場地和地基的地震效應也是巖土工程的一部分。
（5）環境巖土工程
地質和水文地質環境的評估、廢棄物的衛生填埋、土石文物的保護等等，都涉及復雜的環境巖土工程問題。隨著人們對環境保護的重視，人地和諧的認知，可持續發展方針的貫徹，環境巖土工程正日益受到加大的重視。
還可以舉出一些，但主要是以上五大類。
以上各類工程，不僅涉及天然巖土，還包括各種人工土，包括對天然土的加固和改良，利用排水、壓實、加筋、改性、注漿、錨定、設置增強體等方法，改變巖土體的強度、變形和滲透性能。巖土加固和改良是巖土工程的重要組成。
我們可以從第九屆優秀勘察申報項目了解巖土工程的范圍：如秦嶺隧道、嶺澳核電廠、三峽五級船閘、龍羊峽水電工程、小浪底水電工程、白云機場和肖山機場、許多高層建筑、唐山巖溶塌陷治理、滑坡治理、大型露天礦山邊坡、城市地下綜合管廊、海上采油井場、三峽水庫岸邊浸沒區治理等等，還有深基坑支護、公路、尾礦、動力機器基礎、巖土工程檢驗和監測等等。雖然并不全面，但可以看出，巖土工程涉及的范圍是很廣的。
2、巖土工程和相鄰專業的關系
巖土工程與許多專業關系密切，且互相搭接，邊界模糊。邊界附近你中有我，我中有你。諸如：工程地質、結構工程、水利和水電工程、道路橋粱和隧道工程、港口和航道工程、采礦工程、地震工程、海洋工程、環境工程等。下面僅就巖土工程與工程地質的關系，巖土工程與結構工程的關系做些說明：
（1）巖土工程與工程地質的關系
首先說明工程地質與巖土工程的區別。
工程地質是地質學的一個分支，是研究與工程建設有關地質問題的科學。工程地質學的產生源于土木工程的需要，其本質是一門應用科學；巖土工程是土木工程的一個分支，其本質是一門工程技術。從事工程地質的是地質專家（地質師），側重于研究地質現象、地質成因和演化、地質規律、地質與工程的相互作用；從事巖土工程的是工程師，關心的是如何根據工程目標和地質條件，建造滿足使用要求和安全要求的工程或工程的一部分，解決工程建設中的巖土技術問題。因此，無論學科領域、工作內容、關心的問題，兩者都是有區別的。
但是，工程地質與巖土工程的關系又非常密切。有人說，工程地質是巖土工程的基礎，巖土工程是工程地質的延伸，雖然不一定十分確切，但有一定道理。巖土工程師面臨的巖土材料，無論性能和結構，都是自然形成，都是經過了漫長的地質歷史，是多種復雜地質作用下的產物。對巖土的性能和結構，只能通過勘察來查明，而又不能完全查明。一些關鍵性的問題，需根據地質規律推測或預測。尤其在地質構造復雜的山區，有經驗的工程地質學家，通過地面調查，就可大致判斷地質構造的輪廓，利用物探、鉆探、槽井探等，由粗而細，由淺而深，構造出工程地質模型。沒有地質學基礎，哪能識別斷層？哪能識別軟夾層和結構面的空間分布？哪能說清地下水的賦存和運動規律？如果要開挖隧道，哪些地段會冒頂？哪些地段會突水？在地質復雜地區，離開了工程地質專家，土木工程寸步難行。
（2）、巖土工程和結構工程的關系
巖土工程和結構工程關系密切，這是顯而易見的。無論房屋結構或橋梁結構，都建造在地基上。地基是否穩定，直接影響結構的安危；地基是否會產生過量變形，直接影響結構的功能，產生的次應力可能使結構超過設計極限。地基出了問題又很難補救。因此結構工程十分關心地基的穩定和變形?，F在，一般地基設計均由結構工程師考慮上部結構要求統一完成，只有復雜地基基礎問題或需專門處理的地基才要求巖土工程師參與。同樣，巖土工程師在進行地基的勘察設計時，必須詳細了解結構的型式、荷載及其分布，特別是基礎的型式和剛度，了解對地基變形的限制要求，以便有的放矢。巖土工程師與結構工程師的密切配合至關重要。
結構和地基是一個整體，相互作用，相互影響。地基的變形會改變結構的應力，結構的荷載分布和不同剛度會產生不同的地基變形。人們常常用調整基礎和結構剛度的辦法來適應地基變形，地基、基礎和上部結構的協同作用分析是當前的熱門話題。反過來，也可通過地基處理提高地基的承載力和剛度來適應上部結構的要求。
巖土工程與結構工程你中有我，我中有你，互相搭接，互相重疊的例子不勝枚舉。例如樁基礎，作為結構的延伸，是結構的一部分，但樁基的承載力和變形則主要取決于巖土，與巖土的關系更為密切。再如基坑工程，土方開挖、地下水的治理、土壓力的計算等等都與巖土有關，但護坡樁、地下連續墻、錨桿、內支撐等都是結構。邊坡工程和地質災害的治理，似乎應當屬于巖土工程，但常常離不開結構措施。單純的巖土工程，如圍海造陸、堤岸工程，大面積高填方等并不多。結構工程師和巖土工程師雖然有所分工，有所側重，但互相互配合的居多。因此，結構工程師應當具備必要的巖土知識，巖土工程師也必須具備必要的結構知識。由于一般情況下結構專業處于主導地位，故巖土工程師承擔的主要任務, 經常是結構工程師覺得難以承擔的較為復雜的或較為專門的巖土工程任務。
4 、巖石和土的主要特點
巖石的裂隙性和土的孔隙性是巖石和土區別于混凝土、鋼材等人工材料的主要特點。
（1）、巖石的裂隙性
巖石總是或稀或密、或寬或窄、或長或短地存在著各種裂隙，這是巖石區別于混凝土的主要特點。這些裂隙有的粗糙，有的光滑；有的平直，有的彎曲；有的充填，有的不充填；有的產狀規則，有的規律性很差。裂隙的成因多種多樣，有巖漿凝固收縮形成的原生節理，有沉積間斷形成的層理，有構造應力形成的構造節理，有表生作用形成的卸荷裂隙和風化裂隙，還有變質作用形成的片理、劈理等等，在巖石中構成極為多樣非常復雜的裂隙系統。人們將巖石和裂隙視為一個整體稱為“巖體”，將裂隙概化為“結構面”。顯然，結構面是巖體中最薄弱的環節。就力學性質而言，巖石的力學參數、結構面的力學參數和巖體的力學參數有很大區別。搞清結構面的產狀、參數和分布，是巖土工程勘察設計的重點，也是難點。
巖體中的地下水是沿著巖體中的裂隙和洞穴流動的，隨著裂隙和洞穴的形態和分布的不同，有脈狀裂隙水、網狀裂隙水、層狀裂隙水、洞穴水等不同的地下水類型。
（2）、土的孔隙性
土是一種散體材料，存在孔隙。對于飽和土是固、液兩相；對于非飽和土，是固、液、氣三相。于是產生了有效壓力和孔隙壓力；孔隙壓力又有孔隙水壓力和孔隙氣壓力。有效應力原理成了土力學區別于一般材料力學的主要標志，在土工計算中產生了總應力法和有效應力法兩種原理和方法。在飽和土中，由于孔隙水壓力的增長和消散，不同的加荷速率地基承載力不同；是否及時支撐, 對軟土基坑穩定有不同的表現；滲透系數和地層組合的差別, 導致基礎沉降速率的差別等等。飽和土中的超靜水壓力可導致擠土效應，使樁被擠斷、擠歪和上??；地震時的超靜水壓力導致砂土和粉土液化。非飽和土的孔隙氣壓力形成基質吸力，基質吸力隨著土中含水量的增加而降低，因而是不穩定的。膨脹土和黃土隨濕度的增加而強度顯著降低，非飽和土基坑雨季容易發生事故，花崗巖殘積土邊坡暴雨容易發生淺層滑坡，都和基質吸力降低有關?？傊?，把握好孔隙壓力是巖土工程的重要關鍵。
5、對自然條件的依賴性和條件的不確知性
巖土工程作為土木工程的分支，是以傳統力學為基礎發展起來的。但很快發現，單純的力學計算不能解決實際問題。原因主要在于對自然條件的依賴性和計算條件的不確知性。試與結構設計比較，結構工程師面臨的材料是混凝土、鋼材等人工制造的材料，材質相對均勻，材料和結構都是由工程師在設計時選定，是可控的，計算條件十分明確，因而建立在力學基礎上的計算是可信的。而巖土，無論材料還是結構，都是自然形成，不能由工程師選定和控制，只能通過勘察查明而又不可能完全查明。因而存在條件的不確知性和參數的不確定性，不同程度地存在計算條件的模糊性和信息的不完全性。因而雖然巖土工程計算方法取得了長足進步，發揮了重要作用，但由于計算假定、計算模式、計算參數與實際之間存在很多差別，計算結果與工程實際之間總存在或多或少的差別，需要巖土工程師綜合判斷。“不求計算精確，只求判斷正確”，強調概念設計，已是巖土工程界的共識。
6、參數的不確定性和測試方法的多樣性
同一巖土體測試數據的離散性有兩方面的原因，一是由于取樣、運輸、樣品制備，試驗操作等環節的擾動，試驗、計算等產生的誤差，使測試數據呈隨機分布，這方面產生的不確定性與混凝土、鋼材等測試數據的隨機性質基本相同，只是變異性更大。二是巖土測試數據還和樣品的位置有關，這是其他工程材料不具備的特性。自然界的巖土，即使是同一層，其性質也是有差別的。既有規律性的水平相變和豎向相變，也有無規律的指標離散。因此，個別樣品測試的指標一般缺乏代表性，必須有一定數量的測試指標，經統計分析，才能得到代表值。結構設計注重截面計算，而巖土工程分析沒有截面計算，注重系統分析。被分析的巖土體的尺寸與試驗樣品的尺寸比較，要大許多倍，因而考慮的是巖土體參數值的綜合水平，所以標準值的計算方法與混凝土、鋼材等是不同的。結構截面可靠度的分析已基本成熟，并已列入規范；而巖土工程的可靠度分析尚處在研究階段，由于問題復雜，積累不足，尚難在工程中普遍應用。巖土工程的測試可以分為室內試驗、原位測試和原型監測三大類，還有各種模型試驗，極為多樣，各有各的特點和用途。同一種參數，又因測試方法不同而得出不同的成果數據。選用合理的測試方法成為巖土工程計算能否達到預期效果的重要環節。例如土的模量有壓縮模量、變形模量、旁壓模量、反演模量。土的抗剪強度室內試驗有直剪和三軸剪；直剪又有快剪、固結快剪和慢剪；三軸剪又有不固結不排水剪、固結不排水剪、固結排水剪和固結不排水剪測孔隙水壓力；原位測試有十字板剪切試驗和野外大型剪切試驗。由于試驗條件不同，試驗結果各異。用哪種試驗方法合理，由巖土工程師根據具體條件確定。這種測試方法的多樣性，也是巖土工程區別于其他工程技術一個重要特點。巖土工程分析計算時注意計算模式、計算參數和安全度的配套，而其中計算參數的正確選定最為重要。
7、巖土工程的不嚴密性、不完善性和不成熟性
地質學和力學是巖土工程的兩大理論支柱，兩者互助補充，互相滲透，互相嫁接。力學是以基本理論為出發點，結合具體條件，構建模型求解。特點是從一般到特殊，嚴密，是一種演譯推理的思維方法。地質學是在調查研究取得大量數據的基礎上，分析、綜合、對比，找出科學規律，從特殊到一般，是一種歸納推理的思維方法，側重于分析成因演化，宏觀把握，綜合判斷。
由于條件的不確定性和參數的不確定性，導致信息的不完全性，使單純的計算不僅不精確，也不一定可靠。因而強調定性分析與定量分析相結合，強調綜合判斷。綜合判斷就得依靠工程師的理論基礎和豐富的工程經驗。就像一位良醫，既要深刻理解醫藥理論，又要有豐富的臨床經驗。忽視經驗當然是錯誤的，沒有經驗的人肯定解決不了復雜的工程問題。忽視理論也是錯誤的，極易將局部經驗誤為普遍真理，犯概念性錯誤?！敖涷炛挥薪Y在理論之樹上才有生命力。”
由上可知，巖土工程迄今還是一門不嚴密、不完善、不夠成熟的科學技術，處在“發展中”的一門科學技術，因而存在相當大的風險性。沈珠江院士說：土力學發展到現在，是“從學步走向自立”，巖石力學發展更晚，成熟程度還要低一些。
8、巖土工程的概念設計
巖土工程崇高概念設計，狹義的概念設計可以理解為框架設計，從總體上勾劃出設計框架，以備進一步細化。廣義的概念設計可以理解為一種設計思想。
概念設計大體上可以概括為：在充分了解功能要求和掌握必要資料的基礎上，通過設計條件的概化，先定性分析，再定量分析，提出一個框架，從技術方法的適宜性和有效性，施工的可操作性和質量的可控制性，環境限制和可能產生的負面影響，經濟性等方面進行論證，從概念上選擇一個或幾個方案，進行必要的計算和驗算，通過施工檢驗和監測，逐步完善設計。廣義的概念設計，不僅在設計的初始階段是必要的，而且要將概念設計的思想貫徹工程的始終。
做概念設計，必須對原理有深刻的理解，有豐富的經驗總結，有靈活的運作能力，總攬全局，掌握影響工程成敗的關鍵，對設計的實施效果要有基本正確的估計。
做概念設計，必須注意符合科學原理，不能犯概念性的錯誤。概念不清，往往只看現象，不見本質，憑局部經驗處理問題。概念錯了，可能犯原則性的錯誤。概念清楚的人，能透過現象，看到本質，舉一反三，能自覺地運用理論和經驗。巖土的基本特性，地下水的滲透和運動規律，結構與巖土的協同作用等等，都是重要的概念。
巖土工程計算不精確的原因有地質條件、計算模式、計算參數三方面，尤其是計算參數最難把握。故首先要做好勘察，掌握地質條件；其次是正確選用公式和軟件，并充分了解其適用條件和可能的偏差；還要強調信息化施工和動態設計。事先的定量計算一般只是一種估算，只有原型實測最可信。監測不僅是保證安全的重要措施，同時也是最可靠的科學實驗。
9、注冊巖土工程師的執業
注冊土木工程師（巖土）已經考了三屆，預計執業工作很快就會啟動。巖土注冊師的權利、義務、執業范圍等等，是大家十分關心的問題，這些問題都將由政府有關部門發布后遵照執行，我這里僅就與巖土工程專業特點有關的問題談些個人看法：
(1) 獲得注冊工程師資格，表示業務能力已經達到了相關專業的執業門檻，法律上具備了這方面的能力，不論對個人還是對所在單位當然都是有利的。但另一方面，也承擔起責任，要對自己簽署的技術文件負法律責任，負終身責任。前已提及，巖土工程迄今還是一門不嚴密、不完善、不夠成熟的科學技術，有一定的風險性。注冊師不僅要遵守法律法規，熟悉標準規范，還要有深厚的理論功底，豐富的工程經驗，遇事做出正確判斷的能力。我國幅員廣大，條件各異，巖土工程涉及面很廣，具體到某位個人，不可能在所有領域都有豐富的經驗。因此，在執業過程中，務必謹慎細心，決非巖土工程師執業范圍內的所有業務一定都能承擔?！犊辈煸O計注冊工程師管理規定》第二十六條明確了注冊工程師的義務，其中第（二）款為“在規定范圍內從事執業活動”；第（三）款為“依舊本人能力從事相應的執業活動”。也就是說一定要量力而行。對自己不熟悉的問題，可以咨詢有關專家，但簽了字，就得負責。
(2) 巖土工程的專業范圍與相鄰專業有搭接，有重疊，因而注冊師的執業與相鄰專業的注冊師也會有搭接，有重疊，這是客觀存在。因此，要求劃一道清清楚楚的邊界是不適當的，也是不可能的。在相鄰專業邊界附近你中有我，我中有你是正常的。在搭接區，只要符合相應法規，甲專業可做，乙專業也可做，誰做誰負責任。例如，某項專業性較強的巖土工程勘察，注冊巖土師有資格承擔，有資格的地質師（如國家有此系列）也可承擔。樁基工程的設計，注冊結構師可以承擔，注冊巖土師也可承擔、基坑工程設計，注冊巖土師可以承擔，注冊結構師也可承擔等等。事實上，的確也要具體工程具體分析，例如錨桿擋土樁護坡，涉及的主要是巖土技術問題，結構計算較少，一般結構工程師可能不如巖土工程師熟悉。但采用內支撐體系的大面積基坑，結構設計計算相當復雜，也許結構工程師承擔更合適，或巖土和結構兩專業的工程師合作進行。
10、巖土工程的技術控制
《勘察設計注冊工程師管理規定》第二十七條規定了注冊工程師的義務，其中第（二）款是，“執行工程建設標準規范”，這無疑是必須遵守的。標準規范是現時政府對工程建設實施技術控制的依據，抓質量就是抓標準規范的貫徹執行。但在實施過程中也遇到不少具體問題不易處理。巖土工程師一切以標準規范為準，對個別工程可能不是最佳選擇，抹殺了巖土工程師因地制宜，采用先進技術的積極性。那么，可否可將標準規范訂得更詳細，更具體些，使巖土工程師都能有章可循呢？根據前面所述巖土工程的特點，是不易做到的。巖土材料種類繁多，組合多樣，又有各種地質背景和水文地質條件；在與工程的相互作用中，所處的地位和承擔的角色又各不相同；各地還有各地的地方特點和地方經驗，想為如此復雜多變的條件和問題制訂一套具體劃一而又恰當的規則，是十分困難的。往往顧此失彼，難保放之四海而皆準。正如醫藥界，有醫學原理，有藥典，有各種檢驗標準，但沒有“處方規范”，中西醫都是如此。本人認為，根據巖土工程的特點，技術控制可分為三個層面：
第一層面，涉及人身健康、工程安全、環境保護等公眾利益、國家利益的，應訂入技術法規，由國家制訂，強制執行，嚴格監管。包括勘察設計的基本準則，各種災害的防治，有害物質擴散的限制等等。
第二層面，屬于大量重復型的技術規則，如術語、符號、分類，常用測試方法、常用分析法等，宜制定具體而統一的標準，供工程師采用。
第三層面，需因地制宜，結合具體工程處置的問題，諸如勘察工作的布置，巖土工程設計方案等，規范只對基本準則作出規定，具體問題由巖土工程師根據具體情況，發揮自己的學識和經驗，進行綜合判斷，并承擔風險責任。
巖土注冊工程師的執業，為實現上述目標創造了有利條件。但真正實施，還要有兩個條件，一是技術法規與技術標準相結合的體制基本完成，社會上法治意識和誠信觀念已有長足進步；二是咨詢業，工程保險等市場經濟體系已基本配套。所有這些，都有一個循序漸進的過程。我國參加WTO后的過渡期即將結束，如何與國際接軌的問題已經十分迫切。所謂國際接軌，應主要理解為體制的接軌，包括巖土工程專業體制和法規標準體制的接軌。希望政府有關部門和巖土工程界的同行們對這些問題深入研究，盡快提高我國的巖土工程的宏觀管理水平，并融入到全球經濟中去。參考資料：中國資格考試網 巖土工程師頻道