岩土工程设计与施工---导论(C1)

1 引言

《岩土工程设计与施工》的授课对象是地质工程专业的学生。“岩土工程(Geotechnical Engineering)” 这个词一般在学术领域多指的是与土力学和地基工程相关的学科，而在工程咨询领域，实际上岩土工程也包括了岩石工程。在一些咨询公司，岩土工程也称作地层工程(Ground Engineering)。由于岩土工程涉及的内容非常宽广，在有限的学时内不可能面面俱到，因此这个课程侧重讲授土力学与地基工程最基础和日常遇到的设计理论和施工技术, 每一部分都特别强调了技术, 施工与社会和经济之间的关系。一些先进的岩土工程设计方法和论题, 例如水平载荷下桩的受力和变形(p-y分析), 机器地基(machine foundation), 土工织物材料(geotexile), 数值模拟(numerical modeling)等由于学时所限不在本课程的授课范围之内。

《岩土工程设计与施工》与另一门为土木/道桥专业开设的专业课《基础工程》非常相近，《基础工程》侧重于桥梁工程的桩基础设计和施工，因此这两门课的内容有一定程度的交叉。有兴趣的同学可参考[<基础工程>课程简要回顾(Foundation Engineering)]获得更多相关知识。

<基础工程: Foundation Engineering>的几本参考书

基础工程---第一章: 导论 (1)

基础工程---第一章: 导论 (2)

2 课程内容Outline

本质上来说，任何土木工程项目可以分解成三大部分：(1)岩土工程；(2) 结构工程；(3）施工技术和管理。简言之，《岩土工程设计与施工》讲授的是(1)以及(3)中涉及岩土部分的施工技术和管理。结构工程设计和施工不在本课程的范围之内。整个课程将分成以下几个模块:

2.1 岩土工程勘察

岩土工程勘察是整个岩土工程学科最基础的部分。岩土工程勘察的主要目的是查明工程范围内地下岩土体的物理力学性质以及地下水的赋存情况，为岩土工程设计提供坚实的基础资料。由于已经有一门独立的课程专门讲授岩土工程勘察，因此这个模块侧重从技术,经济,安全的角度讨论完成一个真实的岩土工程勘察项目的完整步骤, 同时特别强调标准贯入试验(SPT)的应用---推导设计参数[BYSPT: 使用标准贯入试验估算土体的物理力学参数值；基于标准贯入试验(SPT)的液化分析软件 NovoLIQ 4.0.2020.622]。

2.2 浅基础基本概念

这个模块讨论刚性基础,柔性基础, 刚性扩大基础,地基容许承载力,持力层,下卧层和软弱下卧层的基本概念; 基础下的应力分布。有效应力的概念以及在多层土中有效应力的计算方法。

基础工程---第二章: 天然地基上的浅基础 (1)

基础工程---第二章: 天然地基上的浅基础 (2)

基础下的应力分布计算---(2:1法和Westergaard法)

2.3 浅基础沉降计算 

在这个模块中, 简要描述了砂土和粘土地层沉降的概念和计算方法, 包括瞬时沉降, 主固结沉降和次固结沉降的概念, 演示Settle3D软件的计算过程和结果解释.

压缩指数Cc的经验估算---与初始孔隙比e0的回归关系

压缩指数Cc的经验估算---与天然含水量Wn的回归关系

一个粘土预固结压力的经验计算方法

砂土上圆形浅层地基的弹性沉降---一个基于实践的估算方法

不同类型土的弹性模量---一个经验总结

基础在粘土地基上的沉降模拟

2.4 浅基础土的夯实 

土的夯实(compaction)是岩土工程中最常见的施工方法, 这个模块着重强调最优含水量和最大干密度的概念在实践的岩土工程中的意义, 讲授了各种各样的夯实手段和现场测试方法, 作为一般了解，介绍国内基本不使用但在北美广泛使用的核密度仪。 

填方路基施工---Compaction

尾矿库闭库形成的坝堤边坡(Embankment Construction)

2.5 水平土压力

这个模块讲授水平土压力的三种类型, 挡土墙的类型及其验算内容, 基坑的常用支护结构形式, 特别强调土钉墙(喷锚网)的支护原理, 这是北方地区经常使用的一种基坑支护方式。讨论排桩支护基坑的设计和施工方法。

从岩土工程视角看本周美国水坝的损坏

静止土压力系数Ka的扩展计算方法

Gravity Dam: 重力式混凝土坝水压力计算

Gravity Dam: 重力式混凝土坝地震力计算

Gravity Dam: 重力式混凝土坝上浮压力计算

2.6 桩基础

这个模块简要讲授桩基础的特点和适用情况, 桩在垂直载荷作用下的工作机理和设计原理, 包括端承桩和摩擦桩的计算方法；单桩承载能力,负摩阻力,单桩轴向荷载传递机理, 单桩在轴向受压荷载作用下的常见的破坏模式, 群桩效应以及桩基础的沉降计算方法。特别强调冻土层在进行天然地基和桩基础设计时的考虑。讨论灌注桩，夯实挤密桩和CFG桩复合地基的施工工艺。

水平载荷作用下桩的受力和变形分析方法

基础工程---第四章: 桩基础的设计计算(1)

基础工程---第四章: 单桩轴向承载力容许值(2)

2.7 沉井基础及地下连续墙

沉井是井筒状的结构物，它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。部分讨论如下所示.

沉井基础(Caisson Foundation)---思考题 (1)

沉井基础(Caisson Foundation)---类型划分 (2)

沉井基础---形状和尺寸(Shape and Size) (3)

沉井基础---设计载荷(Design Loads)和地基允许承载力(ABP) (4)

沉井基础---侧摩阻力(Skin Friction)计算 (5)

地下连续墙(Diaphragm Wall)小结

2.8 特殊论题

在这个模块中，首先讨论一些非常规的地基处理技术，例如置换, 排水, 挤密, 加筋,搅拌, 灌浆, 热加固和冻结等地基处理施工工艺。具有特殊工程性质的土类称为特殊土。其次，讨论一些具有区域性特点的特殊土，包括湿陷性黄土(collapsible soils)、膨胀土(expansive soils)、软土和冻土等。除了介绍这几种特殊土之外, 作为补充也介绍杂填土, 火山灰土和冰川沉积土。简要讨论地震区土的液化和抗震设计。

3 专业特点

通过本课程的学习，能够让学生掌握岩土工程的基本理论，获得土木/岩土工程师的基本训练. 毕业后能从事岩土工程勘察, 施工与管理工作, 具备初步的岩土工程设计和施工组织能力。与结构工程和桥梁工程专业相比, 似乎对数学和力学知识的要求相对较低, 但这并不意味着岩土工程是一个好学的专业，事实上，岩土工程强烈地需要工程地质学,水文地质学, 工程测量学, 弹性力学，塑性力学，流变力学，材料力学，岩石力学, 土力学等理论和知识，与地质学,地球物理学,固体力学,流体力学,计算机科学等领域形成交叉学科, 也为想深造和致力于学术研究的毕业生提供了广阔的发展空间。而这一切源于岩土材料的不确定性和空间变异性，因此具有受教育的猜想(Educated Guess)和良好的工程判断力(Engineering Judgement) 对于成为一个合格的岩土工程师是非常重要的。  

必须意识到，岩土工程在最初的工作阶段确实很辛苦，大约70%的时间必须在野外工作, 30%的时间在办公室工作，几乎没有上下班的概念，有可能远离家庭到一些非常偏远的地方工作一段时间, 在工地上吃住。不过虽然艰苦些，但这些实践经历会慢慢转化为你的资本，如果返回头来想深造或者去作计工作, 那么你的研究题目将会更有针对性而不是纸上谈兵，而你的设计方案也会更受客户欢迎。