0緒論巖土工程的定義巖土工程的重要性巖土工程的進展巖土工程的內容巖土工程的工作內容：巖土工程勘察巖土工程設計巖土工程治理巖土工程監測巖土工程監理巖土工程工作方法：調查勘察試驗測定分析計算方案論證監測控制反演分析修改定案1）巖土工程的定義巖土勘察規范（GBJ50021-94）定義：巖土工程（Geotechnicalengineering）是以土力學、巖石力學、工程地質學和地基基礎工程學為理論基礎，以解決和處理在工程建設中出現的所有與巖土體有關的工程技術問題的一門地質和工程緊密結合的新專業學科。巖土工程的補充定義如下：

巖土工程是土木工程中涉及巖土體的整治、改造和利用的科學技術。

巖土工程是工程地質勘察、基礎（或地下結構）方案設計、基礎（或地下結構）施工三位一體的工程。巖土工程學科群由工程地質學科、巖土力學學科、結構工程學科組成，是多學科相互滲透又緊密結合的邊緣學科。從大方面（在國民經濟中的地位）從小方面從巖土體本身而言2）巖土工程的重要性支擋加固湖北遠安鹽池河磷礦崩塌長江西陵峽鏈子崖卸荷裂隙滑坡香港山體滑坡湖北省巴東縣滑坡滑坡周界四川云陽雞筏子滑坡泥石流(mudflow)一種突然暴發的含有大量泥沙石塊的特殊洪流。主要發生在地形陡峻的山區。具區域性和間歇性特點。我國地震帶和泥石流的分布地面塌陷(slump)是松散土層中所產生的突發性斷裂陷落。多發生于巖溶地區，由于人為局部改變地下水位而引起。3）巖土工程的進展巖、土的工程性質及測試技術的研發在基礎結構分析與設計方面在地基方面在材料領域在基坑工程方面地震巖土工程、環境巖土工程4）巖土工程的內容巖體和土體的工程性質及評價土地基和巖石地基工程深基坑的開挖與支護1巖體和土體的工程性質及評價工程土體主要設計參數的確定工程巖體參數的確定及質量評價巖體地應力測試壓縮性參數基本概念

土在壓力作用下體積縮小的特性稱為土的壓縮性。試驗研究表明，在一般壓力（100－600kN)作用下，土粒和水的壓縮與土的總壓縮量之比是很微小的，因此完全可以忽略不計，所以把土的壓縮看作為土中孔隙體積的減小。此時，土粒調整位置，重行排列，互相擠緊。飽和土壓縮時，隨著孔隙體積的減少土中孔隙水則被排出。在荷載作用下，透水性大的飽和無粘性土，其壓縮過程在短時間內就可以結束。相反，粘性土的透水性低，飽和粘性土中的水分只能慢慢排出，因此其壓縮穩定所需的時間要比砂土長得多。土的壓縮隨時間而增長的過程，稱為土的固結，對于飽和粘性土來說，土的固結問題是十分重要的。

工程土體主要設計參數的確定土的固結天然土層在歷史上所經受過的包括自重壓力和其他荷載作用形成的最大豎向有效固結壓力，稱為先期（前期）固結壓力，常用pc表示。通常將地基中土體的先期固結壓力與現有上覆土層壓力之比定義為超固結比OCR。根據OCR的大小，可對土所處的不同固結狀態進行劃分。OCR>1超固結狀態=1正常固結狀態<1欠固結狀態

計算地基沉降量時，必須取得土的壓縮性指標，在一般工程中，常用不允許土樣產生側向變形(側限條件)的室內壓縮試驗來測定土的壓縮性指標。

(一)壓縮試驗和壓縮曲線土的壓縮系數和壓縮指數壓縮性不同的土，其曲線的形狀是不一樣的。曲線愈陡，說明隨著壓力的增加，土孔隙比的減小愈顯著，因而土的壓縮性愈高，所以，曲線上任一點的切線斜率a就表示了相應于壓力p作用下土的壓縮性：

土的壓縮性可用圖中割線的斜率表示設割線與橫座標的夾角為，則，

為了便于應用和比較，通常采用壓力間隔由增加到時所得的壓縮系數來評定土的壓縮性。

壓縮模量(側限壓縮模量)

根據曲線，可以求算另一個壓縮性指標——壓縮模量。它的定義是土在完全側限條件下的豎向附加壓應力與相應的應變增量之比值。土的壓縮模量可根據下式計算：

亦稱側限壓縮模量，以便與一般材料在無側限條件下簡單拉伸或壓縮時的彈性模量相區別。土的回彈曲線和再壓縮曲線固結系數

土的滲透性一般是指水流通過土中孔隙難易程度的性質，或稱透水性。

地下水在土中的滲透速度一般可按達西Darcy)根據實驗得到的直線滲透定律計算，其公式如下(圖1—25)：

粘性土的達西定律土的滲透性工程巖體參數的確定及質量評價巖體單軸抗壓強度巖體三軸抗壓強度巖體抗剪強度參數巖體變形參數的確定巖體變形參數的確定巖體地應力測試應力解除法測巖體地應力的原理和方法土的抗剪強度參數土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學性質之一。工程中的地基承載力，擋土墻土壓力、土坡穩定等問題都與土的抗剪強度直接相關。一、庫倫公式

1776年C．A．庫倫(Coulomb)根據砂土的試驗，將土的抗剪強度表達為滑動面上法向總應力的函數，即

以后又提出了適合粘性土的更普遍的形式

由庫倫公式可以看出，無粘性土的抗剪強度與剪切面上的法向應力成正比，其本質是由于顆粒之間的滑動摩擦以及”凹凸面間的鑲嵌作用所產生的摩阻力，其大小決定于顆粒表面的粗糙度、密實度、土顆粒的大小以及顆粒級配等因素。粘性土的抗剪強度由兩部分組成：庫倫公式一部分是摩擦力，另一部分是土粒之間的粘結力，它是由于粘性土顆粒之間的膠結作用和靜電引力效應等因素引起的。長期的試驗研究指出，土的抗剪強度不僅與土的性質有關，還與試驗時的排水條件、剪切速率、應力狀態和應力歷史等許多因素有關，其中最重要的是試驗時的排水條件，根據K．太沙基(Terzaghi)的有效應力概念，土體內的剪應力僅能由土的骨架承擔，因此，土的抗剪強度應表示為剪切破壞面上法向有效應力的函數，庫倫公式應修改為

抗剪強度的測定方法抗剪強度的試驗方法有多種，在實驗室內常用的有直接剪切試驗，三軸壓縮試驗和無側限抗壓試驗，在現場原位測試的有十字板剪切試驗，大型直接剪切試驗等。

直接剪切試驗直接剪切儀分為應變控制式和應力控制式兩種，試驗時，由杠桿系統通過加壓活塞和透水石對試件施加某一垂直壓力σ，然后等速轉動手輪對下盒施加水平推力，使試樣在上下盒的水平接觸面上產生剪切變形，直至破壞，剪應力的大小可借助與上盒接觸的量力環的變形值計算確定。在剪切過程中，隨著上下盒相對剪切變形的發展，土樣中的抗剪強度逐漸發揮出來，直到剪應力等于土的抗剪強度時，土樣剪切破壞，所以土樣的抗剪強度可用剪切破壞時的剪應力來量度。對應于直接剪切試驗的快剪，固結快剪和慢剪試驗，三軸壓縮試驗按剪切前的固結程度和剪切時的排水條件，分為以下三種試驗方法：

(1)不固結不排水試驗試樣在施加周圍壓力和隨后施加豎向壓力直至剪切破壞的整個過程中部不允許排水，試驗自始至終關閉排水閥門。

(2)固結不排水試驗試樣在施加周圍壓力時打開排水閥門，允許排水固結，待固結穩定后關閉排水閥門，再施加豎向壓力，使試樣在不排水的條件下剪切破壞。

(3)固結排水試驗試樣在施加周圍壓力時允許排水固結，待固結穩定后，再在排水條件下施加豎向壓力至試件剪切破壞。

對同一種土至少取4個試樣，分別在不同垂直壓力下剪切破壞，一般可取垂直壓力為100、200、300、400kPa，將試驗結果繪制成如圖3—7(b)所示的抗剪強度和垂直壓力σ之間關系，試驗結果表明，對于粘性土基本上成直線關系，該直線與橫軸的夾角為內摩擦角，在縱軸上的截距為粘聚力c，直線方程可用庫倫公式表示，對于無粘性土，之間關系則是通過原點的一條直線。【例題3-1】一組飽和粘性土試樣在三軸儀中進行固結不排水試驗，整理試驗結果得有效內摩擦角

'=24°，c'=80kPa。其中對一個試樣施加的周圍壓力

3=200kPa，試樣破壞時的主應力差

1-

3=280kPa，測得的孔隙水壓力uf=180kPa。試求破壞面上的法向應力和剪應力以及試樣中的最大剪應力。【解】有效的主應力分別為剪切破壞面與大主應力作用面的夾角為由式（3-5）計算破壞面上的法向有效應力

'和剪應力

：破壞面上的法向應力

為

最大剪應力發生在

=45°的平面上，所以2巖土工程勘察巖土工程安全等級場地復雜程度分級和地基復雜程度分級巖土工程勘察等級巖土工程的勘探工作(掘探\鉆探\觸探和物探)3土地基與巖石地基工程基礎(foundation)淺基礎的地基破壞型式和地基極限承載力淺基礎的地基極限承載力

普朗德爾極限承載力理論

1920年L．普朗德爾(Prandtl)根據塑性理論，研究了剛性沖模壓入無質量的半無限剛塑性介質時，導出了介質達到破壞時的滑動面形狀和極限壓應力公式，人們把他的解應用到地基極限承載力的課題。根據土體極限平衡理論，對于一無限長的、底面光滑的條形荷載板置于無質量的土的表面上，當荷載板下的土體處于塑性平衡狀態時，塑流邊界為如圖所示

對于以上所述情況，普朗德爾得出極限承載力的理論解為其中其中

如果考慮到基礎有埋置深度d(圖4—33)，將基底水平面以上的土重用均布超載代替。賴斯納(Reissner，1924)得出極限承載力還須加一項，即其中(4—44)太沙基承載力理論因為基底實際上往往是粗糙的，太沙基假設基底與土之間的摩擦力阻止了在基底處剪切位移的發生，因此直接在基底以下的土不發生破壞而處于彈性平衡狀態，破壞時，它象一“彈性核”隨著基礎一起向下移動，如圖4—34(a)所示的1區。引用符號則

對于所有一般的情況，太沙基認為淺基礎的地基極限承載力可近似地假設為分別由以下三種情況計算結果的總和：(1)土是無質量的，有粘聚力和內摩擦角，沒有超載，(2)土是沒有質量的，無粘聚力有內摩擦角，有超載(3)土是有質量的，沒有粘聚力，但有內摩擦角，沒有超載，．因此，極限承載力可近似由式(4—44)和式(4—49)疊加得（4-49）

式中——承載力系數，分別查表或由以下各式確定：黃土(loessalsoil)：

是干旱氣候條件下形成的一種特殊沉積物。分布:我國西北及華北地區,面積約63萬km2。特征：以粉粒為主，富含碳酸鈣，肉眼可見大孔隙，垂直節理發育，常呈現直立的天然邊坡。工程特性：塑性較弱含水較少，堅硬—硬塑狀態壓實程度差，孔隙比高，孔隙大抗水性弱，遇水強烈崩解，濕陷明顯透水性較強，且呈各向異性強度較高，粒間連接較強，壓縮性中等。黃土分類按成因分：原生黃土和次生黃土按形成年代分：老黃土和新黃土按濕陷性分：濕陷性黃土和非濕陷性黃土黃土地基膨脹土(expansivesoil)：

是一種富含親水性粘土礦物,且隨含水量的增減體積發生顯著脹縮變形的硬塑性粘土。分布:全國,云南、廣西、貴州、湖北最具代表性。一般位于山前丘陵地區或河谷高階地上。

特征：1)呈黃褐、灰白、花斑等顏色.2)粘粒含量高，且為親水性很強的蒙脫石等粘土礦物，土中可溶鹽及有機質含量較低，常含鐵錳或鈣質結核，結構致密.3)表面有大量網狀裂隙，裂面有臘狀光澤的擠壓面。工程特性：1.低含水量，天然狀態下呈堅硬－硬塑狀態.孔隙比一般在0.7,有的超過1.裂隙發育,常見裂隙有豎向、斜向和水平向三種.2.高塑性，含粘粒及粉粒為主3.具膨脹力,自由膨脹量>40%4.天然狀態下壓縮性低，承載力高，但由于干縮裂隙發育,穩定性差.浸水后或被擾動時,強度驟然降低5.膨脹土分布不均勻,水平層理常有缺失6.按照地形上的差別,工程地質復雜程度亦有區別.一般分為平坦地和坡地兩大類.凡超過14°的自然坡屬不穩定坡,一般不能利用它作為建筑地基.膨脹土地基膨脹土地基變形量計算巖基的承載能力巖基的承載能力與巖基的系列破壞模式相關，變形又與巖性、結構面的產狀與分布相關。一、巖基破壞模式

6、直面滑動

5、剪切節理、弱軟巖體（滑移體）4、沖切多孔隙巖體

3、劈裂應力大2、壓碎應力較大1、開裂較均質巖體、堅硬、應力水平較小開裂壓碎劈裂沖切剪切較均質、堅硬巖體應力水平較小應力水平較大應力水平大多孔隙巖體節理、弱軟巖體實驗法極限平衡計算方法二、巖基允許承載力的確定基本方法基腳壓碎巖體的承載力極限平衡方法(Goodman)見圖9-12式中：Rc-巖體無側限抗壓強度；

qf-巖基承載力。A-壓碎區B-非壓碎區非壓碎區B巖體強度曲線壓碎區A巖體強度曲線無側限巖體抗壓強度Rc巖基承載力qf第二節巖基上基礎的沉降

巖基上基礎的沉降主要是由于巖基內巖層承載后出現的變形引起的。對于一般的中小工程來說，沉降變形較小。但是，對于重型結構或巨大結構來說，則產生較大變形。巖基的變形有兩方面的影響：（2）因巖基變形各點不一，造成了結構上各點間的相對位移。計算沉降的基本公式（1）在絕對位移或下沉量直接使基礎沉降，改變了原設計水準的要求；4、深基坑的開挖與支護第一節土壓力理論土壓力--擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產生的側向壓力。土壓力隨擋土墻可能位移的方向分為主動土壓力，被動土壓力和靜止土壓力。主動土壓力:當擋土墻向離開土體方向偏移至土體達到極限平衡狀態時，作用在墻上的土壓力稱為主動土壓力被動土壓力:當擋土墻向土體方向偏移至土體達到極限平衡狀態時，作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力靜止土壓力:當擋土墻靜止不動，土體處于彈性平衡狀態時，土對墻的壓力稱為靜止土壓力靜止土壓力強度可按下式計算：靜止土壓力沿墻高為三角形分布，如圖4-4所示，如果取單位墻長，則作用在墻上的靜止土壓力為：

由于土體內每一豎直面都是對稱面，因此豎直截面和水平截面上的剪應力都等于零，因而相應截面上的法向應力和都是主應力，此時的應力狀態用莫爾圓表示為如圖4-5(a)所示的圓I，由于該點處于彈性平衡狀態，故莫爾圓沒有和抗剪強度包線相切。由土的強度理論可知，當土體中某點處于極限平衡狀態時，大主應力和小主應力之間應滿足以下關系式：粘性土：

或無粘性土：

或

一、主動土壓力無粘性土：或粘性土：

或主動土壓力強度

1、無粘性土的主動土壓力主動土壓力為：或

通過三角形的形心，即作用在離墻底H／3處。

2、粘性土的主動土壓力粘性土的主動土壓力強度包括兩部分：一部分是由土自重引起的土壓力，另一部分是由粘聚力c，引起的負側壓力主動土壓力離填土面的深度常稱為臨界深度，在填土面無荷載的條件下，可令主動土壓力強度公式為零求得值，即：

得

如取單位墻長計算，則主動土壓力為：將式（）代入上式后得

粘性土的主動土壓力通過在三角形壓力分布圖abc的形心，即作用在離墻底處．二、被動土壓力當墻受到外力作用而推向土體時[圖4-7(a)]，填土中任意一點的豎向應力仍不變，而水平向應力卻逐漸增大，直至出現被動朗肯狀態，此時達最大限值，因此是大主應力，也就是被動土壓力強度，而則是小主應力。可得:

無粘性土：

粘性土：被動土壓力強度被動土壓力

無粘性土的被動土壓力強度呈三角形分布[圖4-7(b)]，粘性土的被動土壓力強度則呈梯形分布[圖4-7(c)]。如取單位墻長計算，則被動土壓力可由下式計算：無粘性土:

粘性土：被動土壓力，通過三角形或梯形壓力分布圖的形心。第二節板樁墻的設計計算板樁墻的設計計算(淺埋板樁）板樁墻的設計計算(深埋板樁）第三節基坑支護類型放坡開挖重力式擋土墻攪拌樁噴錨支護鋼板樁支護上海環球金融中心上海環球金融中心上海長峰商城基坑工程上海新資大廈工程（混凝土支撐）地下連續墻基坑支護類型放坡開挖重力式擋土墻懸臂式排樁支護結構支錨式排樁支護結構SMW工法地下連續墻噴錨支護結構坑壁拱圈支護結構組合式支護結構典型大型深基坑工程簡況工程名稱層數基坑深度圍護墻支撐方式北京國貿二期3918鉆孔灌注樁鋼上海金茂8815-20地下連續墻鋼筋混凝土上海恒隆廣場6615-18地下連續墻鋼砼+鋼管上海明天廣場5817-23地下連續墻逆作法廣州金江大廈2819-22地下連續墻鋼管濟南銀工大廈3520灌注樁錨桿第四節深基坑排水一、基坑排水方法1.明溝排水

(drainageditch)適用于淺基坑強透水的潛水含水層。2.井點降水降水類型適用范圍土的滲透系數(cm/s)可能降低的水位深度(m)一級輕型井點10-2~l0-53~6多級輕型井點10-2~l0-56~12噴射井點10-3~10-68~20電滲井點＜10-6宜配合其他形式降水使用深井井管≥10-5＞10輕型井點降水(well-pointdewatering

)

適用于粉砂、細砂和粉土潛水含水層。噴射井點用作深層降水，應用在粉土、極細砂和粉砂中較為適用。在較粗的砂粒中，由于出水量較大，循環水流就顯得不經濟，這時宜采用深井泵。一般一級噴射井點可降低地下位8～20m，甚至20m以上。深井排水(drainagewell)適用于深基坑承壓含水層。1.地下水運動的基本規律Darcy定律：Q＝KAJ或V＝KJ(線性)式中：Q－滲流量m3/d或cm3/s；A－過水斷面

K－滲透系數m/d或cm/s，表征巖土透水性能

大小的指標。還與水的粘滯性有關。

V－滲透流速m/d或cm/sDarcy定律適合于層流（砂土）。紊流運動規律：V＝KJ1/2(非線性)二、降水基本理論

水力坡降J＝－dH/dL2.井的類型：按其揭露含水層的類型分：潛水井、承壓井按進水條件分：完整井、非完整井a）無壓完整井；b）無壓非完整井；c）承壓完整井；d）承壓非完整井

潛水完整井Q＝KAJ＝2πKxy分離變量并積分，x從rw至R，y從hw至H，得：3.單井涌水量計算

承壓水完整井Q＝KAJ=2πKxM分離變量并積分后，得：4.基坑群井涌水量計算:承壓水完整井潛水完整井把基坑假想為圓形大井,其引用半徑:

F－基坑面積三、井點系統設計1.井點的平面布置

a）單排布置；b）雙排布置；c）環形布置（d）U形布置2.井點的高程布置

3.井點系統設計計算單根井點管進水量井點管數量井點管深度井點管間距4.輕型井點的施工程序

井點管埋設5.環境保護

四、基坑突涌隔水層的安全厚度：據得若不滿足上述厚度，需降水，使基坑中心承壓水位降深滿足：則：五、基坑止水(waterstop)方法：5巖土邊坡工程錨桿抗滑樁擋土結構支護結構巖石邊坡工程6滑坡滑坡分類按滑動面與巖土體的關系分：均質滑坡順層滑坡切層滑坡按滑坡體厚度分：淺層滑坡：

<5m中層滑坡：

5～20m深層滑坡： 20~50m極深層滑坡： >50m按滑坡的巖土類型分：堆積層滑坡黃土滑坡粘土滑坡巖層滑坡影響滑坡穩定性的因素內因邊坡巖土體性質地質構造巖體結構地應力外因地表水和地下水地震風化作用人工開挖、爆破滑坡的識別據地貌特征：

圈椅型地貌,雙溝同源現象河床凹岸反向河中突出,樹木歪倒據巖性條件：

軟弱巖層如頁巖、泥巖、千枚巖和坡洪積松散堆積層、黃土等，易發生滑坡。

而脆性巖層如石灰巖、花崗巖等，易發生崩塌。據構造條件：

斷層、褶皺發育地區，新構造運動強烈地區易發生邊坡失穩現象。據水文地質現象：

山坡腳泉水較多，地表潮濕。

據邊坡變形跡象：

山體裂縫，巖土體擾動、松散。滑坡穩定分析方法地質分析法極限平衡分析法赤平投影圖解分析法有限單元法工程地質類比法防治邊坡變形破壞的工程措施防滲與排水2、削坡減載3、支擋加固7地下洞室地下洞室的定義與分類1、定義地下洞室(undergroundcavity)是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構筑物。2、地下洞室的分類按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介質類型：巖石洞室、土洞按應力情況：單式洞室、群洞一、各類結構圍巖的變形破壞點

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學強度和抗變形能力，主要結構面是節理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學屬性上可視為均質、各向同性、連續的線彈性介質，應力應變呈近似直線關系。圍巖具有很好的自穩能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。巖爆是高地應力地區，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖產生突發性變形破壞的現象。脆性開裂出現在拉應力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結構面切割而成的不穩定塊體滑出的形式出現。其破壞規模與形態受結構面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關系控制。整體與塊狀結構：主要為均質、巨塊狀巖漿巖、變質巖，巨厚層、厚層沉積巖、正變質巖、塊狀巖漿巖、變質巖；主要結構形狀為巨塊狀、塊狀、柱狀；以原生構造節理為主，只具有少量貫穿性較好的節理裂隙，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于0.7m，一般不超過1～3組，無危險結構面組成的落石掉塊，偶有少量分離體。整體性強度高，結構面互相牽制，巖體穩定，可視為均質彈性各向同性體，可能發生的巖土工程問題為不穩定結構體的局部滑動或坍塌，深埋洞室的巖爆。

堅硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結構面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結構面發育。變形破壞主要受巖層產狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內鼓等。變形破壞常可用彈性梁、彈性板或材料力學中的壓桿平衡理論來分析。在水平層狀圍巖