工程师眼中的土

  由于地球土的多样性,具有专业知识的工程师应当与其他领域的专家一起开展土木工程项目。这位专家强调了需要考虑的土体特性,并通过适当的测试对其进行表征,以确保土木工程结构的基础在足够稳定的同时兼具一定的安全储备。值得注意的是,他提供了一个能够模拟结构使用寿命期间,土体和结构间相互作用的工具。此外,对周围场地的勘测能够记录建筑物整个生命周期中基础的状况和可能产生的位移。如今,我们通过对土体的改良和加固,可以在任何曾经被认为不适合的区域建造超大型构筑物。在当前建筑方法的指导下,建设工程对城市地区的破坏越来越小,这使得我们可以将工程建设的极限延伸至想象范围之外。

1. 为什么土备受关注

环境百科全书-工程师眼中的土-海上风力涡轮机
图1 海上风力涡轮机5兆瓦,水面下深达30米,顶部高出水面110米,左图基座直径30米,坐落在坚硬的岩质土上(花岗岩);右图表示在软弱岩质土层中,打入/钻入直径6米的单桩
[来源:皮埃奇(A. Puech),2008,海洋岩土工程课程,ENSHMG]

  让我们先来谈谈建筑:所有的主要地面结构(大坝、桥梁、高架桥、高层塔楼、筒仓、石油和化学品仓库、发电厂……)都需要地基。对于地下结构而言(隧道、地下巷道、地下工厂、储气罐……),它们必须承受来自地面的作用(通常称为压力)。最后,受海洋因素影响的海上构筑物的稳定性也是基于其所在海床上的支撑作用(重力式结构,图1)或是结构体与海床的锚固(浮动结构,导管架,图2;或单桩,图1,石油管道)。

  然而,土是一种“有生命的”的物质,会在各种自然和人为的影响下,随着时间的推移而变化,这些变化有些是可以被我们预知的,而有些则是出乎我们意料的。因此,我们还必须对与结构接触的土体进行加固处理,以及对可能发生的破坏进行补救。

环境百科全书-工程师眼中的土-海上平台支撑护套组件
图2 左图是安置在水深达300米的海上平台支撑护套组件之一,其尺寸和重量与埃菲尔铁塔相当;右图是配置有原位拖曳功能浮力箱的支架;桩的套筒(直径2米,长度50-100米)固定在沙质海床。
[来源:皮埃奇(A. Puech),2008,海洋岩土工程课程,ENSHMG]

  一名专业的工程师(岩土工程师,通常是一个岩土工程师团队)主要负责解决土和结构体之间相互作用(土-结构体相互作用)的问题。这也决定了他与负责项目本身的团队有着密切的联系。为了方便起见,在本文的以下部分中我们将使用“工程师”一词来指代岩土工程师。

  当提出建造一个理论上可行的大型土木工程结构的想法时,仔细核算结构体可能承受的环境影响及其对周边环境的改造就将成为初步设计的一部分。因此,工程师们有必要查阅当地有关自然现象(雨、雪、干旱、洪水、风暴、冻融、地震、爆炸等)的年鉴。,这些自然现象可能会随着时间的推移影响结构体的变形和稳定性。然而,更加综合全面的研究(如物理、水力、生态、社会经济等)对于评估工程对附近及远距离环境的影响也是至关重要的。此时,相互间经常会爆发利益冲突。例如,阿斯旺大坝的建成彻底改变了埃及的农业条件:对尼罗河上游的农业影响是有利的(灌溉),但对尼罗河下游农业的影响则是灾难性的(土地盐碱化,每年肥沃冲积物的缺乏)。

  因此,如果建设方案没有根本性的错误,我们就将进入项目阶段(包括结构的精确设计及其与地面相互作用的分析)。

环境百科全书-工程师眼中的土-Grand-Maison土石坝
图3 左图是位于阿尔卑斯山脉奥勒河上的Grand-Maison土石坝,于1988年投入使用,是世界上最大的水坝之一,高140米,坝宽550米。剖面图中显示的芯层(粘土质防水层)和河床中的防水帷幕起到了防水作用。这些防水设施外加上下游土石堆填,确保了坝体的稳定性。右图是大坝和水库的照片。该大坝是一个污水处理厂(抽水蓄能电站,装机容量1820兆瓦,年发电量300千兆瓦时)的上部,可以在非高峰时段将未使用的电能以水力的形式储存起来。
[来源:左,法国大坝和水库委员会,2012,大坝技术];[右,杜歇昆汀(Douchet Quentin)GFDL(http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)或CC BY-SA 3.0(http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]通过维基共享。(图1左:coupe transversale横截面,plate forme aval下游平台,rembial de pied aval下游堤防,drain exutoire引流管排水,recharge aval en éboulis下游充填碎石,parement en enrochements抛石壁板,altuvions冲积层,moraine底碛,drain incline排水坡度,galerie sous fluviale河道下廊道,voile de drainage排水罩,voiles d’injection喷射帆,630m environ约630米,CRISTALLIN: gneiss结晶状:片麻岩,retenue normale: 1695 NGF正常保留1695 NGF,filter fin过滤结束,zone principale en enrochements主要填岩区,protection en enrochements choisis在选定的岩石中进行保护,niveau inimal of exploitation normale:1951最低正常运行水平:1951,batardeau amont: 1575上游码头:1575,decharge amout垃圾填埋体积,zone intermediaire en eboulis中间碎石区,galerie d’injections et de controic注射和控制回廊,contact lias/cristallin接触束/晶状)

  我们所提到的“土”,是指位于植物层和/或陆地有机层之下的土和岩石。它们是天然材料,从矿物学、粒径、可能的胶结作用以及形成的整个历史来看,都各不相同。然而,根据属性的相似性可以将它们划分为砾石、砂、粉砂、粘土、硬度及构造程度差异显著的岩石。水几乎总是存在于这些土体当中,它们使土体饱和(在地下水位以下),或随空气一同赋存于(非饱和土)地下水位之上。在土石坝中(图3),工程材料是根据所处位置进行仔细挑选的。

2. 土的重要特性及其表征

  在工程项目中,工程师最重要的工具就是力学。因此,他们格外关注土的力学和水力学特性,即土的刚度(弹性模量)、强度(内聚力(黏聚力)和摩擦力)、膨胀或收缩时的破裂倾向、渗透性和水合/脱水反应。这些特性的各向异性通常也应当给予考虑。土壤孔隙压力的存在要求工程师们同时考虑土的总应力和有效应力,后者是由土骨架实际承受的应力。

环境百科全书-工程师眼中的土-采用三轴试验测试深层土体的刚度和强度
图4 采用三轴试验测试深层土体的刚度和强度。左图为测试原理(未显示计量)。右图是三轴腔室的照片。圆柱形试样在受约束应力p(模拟深度)的条件下进行压缩(轴向力F代表临近结构的作用),从发生小变形直至破坏。
[来源:马可波罗(Marc Boulon)](Compression verticale纵向压缩,Pierre poreuse多孔岩体,Membrane élastique étanche防水弹性膜,Pression p de cellule autour de l’échantillon样品所受围压p,Cellule sous pression p压力仓,Echantillon de sol岩土样品,Drainage ou mesure de pression interstitielle排水或孔隙压力测量)

  陆地建筑的初步设计需要对现场的土进行鉴定,即岩土勘测。工程师首先要从地质学家那里获取自己的第一手资料,以及以往邻近建筑的文件(如果可以得到的话),最后工程师必须进行钻孔/岩心取样(用于实验室测试:图4三轴试验,直剪试验、固结试验等)或原位测试(贯入试验、旁压试验、波速试验等)。

  实验室测试能够直接提供土体的水力学数据。另一方面,原位试验则只能通过与水力学参数的相关性来解释,因此具有一定的不确定性。钻探、贯入和旁压试验可以提供土体的局部信息(垂直方向),而良好的波速测试则可以提供关于土体质量的信息,能够反映土体的不均匀性。此外,还有许多其他技术也可以用来获取地下土层的特征:电导率测试、重力测量、雷达探测,这些技术也有助于探测地下孔洞和断层、裂缝等不连续现象。

3. 土工分析工具设计

  通常,我们会谈论工程中的建筑(桥梁、大坝、电站等),以及能够支撑甚至成为建筑一部分的地面(例如土坝)。在建筑的整个使用周期中,土-结构的相互作用是永久性的。

  根据现场土的特性(§2),工程师评估地面现有结构的现状和附加荷载。然后,通过设置一个或多个安全系数来确定工程和结构的尺寸,这些安全系数是通过增加荷载或降低土体强度估算破坏情况获得的。在同时考虑历史上曾发生过的破坏事件和工程事故,基于适当的记录和考虑从而制定并完善的国家和国际标准(包括欧洲标准、欧洲土壤标准7)能够对建筑的安全性进行评估。但是,在任何形式的破坏发生之前,土体和建筑的实际变形也会影响建筑的“健康”。

环境百科全书-工程师眼中的土-两种结构的有限元网格划分
图5 两种结构的有限元网格划分。左图是一个大坝(非常简化)和它的山谷。右图是一个发电站及其附近的区域。该方法将结构体划分为大量小体积且拥有其各自刚度和强度的单元,并确保这些单元间的受力和变形是相互平衡的。
[来源:MESTAT, P., (1997),有限元网格, 建议和推荐, BLPC 212, 39-64]

  工程师可以使用各种工具,通过传统或更先进的方法对建筑和周围地区的情况进行建模。值得注意的是,获益于专业人员和研究人员之间的交流,这些方法不断被改进。传统方法主要以安全为导向。他们假设土体是一种刚性材料,也就是说,其在突然破坏之前不会发生变形。最新的数值方法(特别是有限元方法,图5)提供了从变形到破坏土体完整的本构模型。这些本构模型提供了对处于使用过程中的建筑和地面(通常是大坝及其附近的山谷)进行安全评估和变形情况预测的途径。如今,传统方法和现代方法在这个行业中共存。

  我们刚刚提到的数值建模(有限元)对于工程师来说是一个很好的预测工具。但是它只有在能提供具有代表性的流体力学参数情况下,预测结果才能令人满意。然而,由于地基的非均质性,在项目过程中,土壤的初始特征(§4)总是近似的。例如,从事隧道或巷道挖掘工作的矿工会告诉你,只有在实际开挖的时候才能真正知道地下真正是什么样的。这就给了有限元数值模拟可以发挥作用的空间。我们对工程的各阶段(连续的施工阶段)进行了模拟,并将结果与工程期间的现场监测结果进行了比较,并从开始阶段起(在未开挖的场地),对土体的水力学变量(位移、应力、孔隙压力等)进行了修正。这为反演分析提供了基础,允许在施工过程中对岩土工程参数进行修正。因此,有限元数值模拟对建筑附加载荷下的行为的模型更加真实和准确。这种所谓的实地观测方法也可让我们重新审视最初的项目设计,以防当初过于大胆而使项目不符合安全标准。

4. 建筑和土体的诊断

  前面已经提及了伴随建设过程的一些措施,这些措施包括地面的和建筑本身的(§3)。但是,建筑及其周围区域在竣工后的使用期限会很长。对于大型工程,以及确定正在或日后将会受危险情况(滑坡、岩崩等)影响的工程通常会对现场的水力学参数进行程序化测量,即诊断。这种方法需要快速解释和实时传播才能发挥最大的价值。因此,当坡体在荷载不变的情况下发生加速移动时,就意味着即将失稳并发生破坏,此时应该向处于危险中的人群发出预警。最常见的工程诊断对象(及其所在区域)包括大坝(及其形成山谷的斜坡)、水电站、桥梁及高架桥(不均匀沉降问题)、隧道和地下巷道(由于结构穿过的断层运动或周围岩性的改变,确保了其计算结果有限的收敛)。在诊断过程中涉及到的设备有引伸计、倾斜仪、沉降仪、孔隙压力和地下水位传感器、地形测量工具等。

  在过去(以世纪为单位),工程师可以使用粗糙的测量仪器进行测量(利用经纬仪测量位移,用水准仪测量倾斜等)。这些粗测的方法现在已经慢慢被淘汰,这也证明了现在我们的测量技术日渐精细和有效。新技术在岩土工程中占有了重要的地位,如今,地表位移可以通过GPS进行快速、自动、准确的测量。延伸测量和倾斜测量则可以使用光纤实现。在隧道或巷道中,所有的引导和收敛测量都是基于激光技术实现的。无人机和图像分析技术也被用于监测大型边坡(大坝、桥梁等)的状态。此外,还有许多其他新技术也将在未来成为诊断工具的一部分。

5. 土体的改良与加固

环境百科全书-工程师眼中的土-由“加筋土墙”制成的高挡土墙
图6 由“加筋土墙”制成的高挡土墙。每一层墙都由连接的钢筋混凝土“鳞片”组成,这些“鳞片”通过金属杆在上游路堤上的摩擦进行锚定。在挡土墙建设完成后再进行回填。这项技术使得建设过程中的美观、稳定、近垂直的排水墙要求成为可能。
[来源:卢卡斯(E. Lucas), 谢雷(P. Sery),(提古利特)A. Tigoulet, (布朗卡)D. Brancaz, 2008,最近的高加固土结构,JNGG 2008,南特]

  我们可以通过预防性的加固对建筑以下或邻近地区土体的预期变形及非预期变形进行矫正。预防性加固的方法有很多,我们就以压实为例,这是一种通过滚轮振动或施加动荷载(利用重物击实,地面震动击实)方式对地面进行的加固处理。对于细颗粒含量高的含水土体,加固操作则是在排水、电渗透系统或是不透水表面膜下利用大气压力形成的真空条件下进行。在这个过程中,工程师必须始终保持耐心!用土工层加固、微桩加固、土钉加固是很常见的。特别是,在钻孔过程中使用密封钢筋,无论是被动的还是主动的(密封后张拉),都被广泛用于稳定岩石边坡和敏感的隧道围岩。在公路和高速公路沿线经常会遇到加固路堤(图6)。

环境百科全书-工程师眼中的土-里昂-安提里翁斜拉桥
图7 由钢筋混凝土和钢制成的里昂-安提里翁斜拉桥于2004年投入使用,该桥横跨希腊地震非常活跃的佩特拉海峡,距离水面65米,其海床主要由软粘土厚层组成。桥全长2883米,以4个直径90米、墩间最大跨度560米的桥墩为基础,并结合了预防措施。桥墩下的粘土由30米长的金属桩进行加固,从而防止了土墩组件的旋转。这些金属桩上有一个易熔颗粒层(玄武岩块),能够允许在大地震时桥墩发生相对的水平位移(不可逆滑动)。左图是高架桥的景象。右图是地基土体的改良原理。
[左,来源:大卫毛尼克斯(David Monniaux)(自己的作品)[GFDL(http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html),CC- By -sa -3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)或CC- By -sa 2.0 en (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/deed.en)],通过维基共享。[右,马可波罗(Marc Boulon)](65 m 65米,pile 地桩,blocs de basalte玄武岩块,pieux桩,substrat argileux泥质基质)

  随着时间的推移,无论是否经过规划,对地面变形进行补救的措施都非常常见。为了矫正桥墩之间的沉降差异,工作人员需要定期对桥面进行检查。例如,在埃菲尔铁塔的地基和基础处埋置了千斤顶。又比如,由于墨西哥城市中心是一个对地震非常敏感的粘土地区,因此大型建筑都建造在桩基之上,而桩顶则设有千斤顶,以便在每次大地震后对建筑的倾斜进行矫正。此外,瑞恩安提瑞恩(Rion Antirion)的斜拉桥(图7)也被设计成能够承受地震荷载。

  在世界上,缓解差异沉降问题最常用的技术是在过度沉降的基础区域下方注入水泥灌浆。但最近又出现了另一种原创技术。比萨斜塔和墨西哥城大教堂是建在一层厚厚的黏土之上,其令人担忧是建筑的倾斜程度还在不断增加。这些建筑的倾斜问题部分是通过在最高的地基下进行地下开挖或粘土提取来进行处理的。这样做的目的并不是人为地恢复这些建筑,而只是为了保持建筑的倾斜度(除了确保建筑的安全还不能影响到建筑的旅游收入等)。

6. 发展前沿与趋势

环境百科全书-工程师眼中的土-典型盾构机
图8 典型盾构机。盾构机根据其所穿过的岩土情况分为几种类型:土压平衡式、泥浆支护式、压缩空气支护式等。施加压力的目的是为了稳定工作面。它们是真正的基于轨道的工厂,非常强大。基本的主要部件依次为:切割轮、将碎片输送到后方的传送带、如果地面松动时的防护罩、推动轮上的反力筒、锥形排气裙、节流阀(预制)、储运车。如果有污泥压力,外面则还设有一个污泥处理站。
[来源:photopqr / le progress / philippon joel]

  在一般情况下,非开挖工程比土方工程更受欢迎,因为非开挖工程通常不会对居民造成影响。从小直径到大直径,我们都可以定向钻井,例如,如果土体条件合适的话,我们可以在路堤、公路、铁路甚至河流下安装非直线(公制直径)管道。这时,微型盾构机能为挖掘公制巷道提供一个有趣的视角。最后,十米制尺寸的盾构机(图8),即使是在非常软的(沙、粘土),饱和的(英吉利海峡隧道),非常浅的(楔石距离地面不到10米)或非常深的(瑞士圣哥达隧道,里昂-都灵铁路隧道项目,最大可覆盖2500米深的岩石和水!)的地方都可以被用于建造隧道。且所有这些新工具都是能源密集型的!

  桩(钻孔桩或压入桩)是软土地基的首选地基处理方法,通常桩的直径可达几米,在海岸工程中长度可达100米。因为循环软化现象的存在,针对循环载荷的研究一直十分活跃。只要条件允许,桩基础承受荷载的能力可以没有上限,但结构本身性质的变化会限制这种能力的增长。例如,工程师会优先考虑自稳定式的斜拉桥和高架桥(米洛,里昂-安提里翁)而不是悬索桥。

  目前,我们正在陆地上试验具有地基和热交换器双重功能的地热桩。

  许多其他的创新即将到来,并为我们带来一个全新的时代……


参考资料及说明

封面照片:大房子大坝,杜歇昆汀(Douchet Quentin)[GFDL or CC BY-SA 3.0],通过维基共享。


译者:王芳          编审:崔鹏院士          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: BOULON Marc (2022), 工程师眼中的土, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/soils-for-engineer/.

环境百科全书中的文章是根据知识共享BY-NC-SA许可条款提供的,该许可授权复制的条件是:引用来源,不作商业使用,共享相同的初始条件,并且在每次重复使用或分发时复制知识共享BY-NC-SA许可声明。