环境岩土工程课程作为本科高年级选修课，涉及岩土、环境、卫生工程以及土壤学等多个领域，是一门新兴的综
>>《岩土工程监测》课程双语教学实践与思考岩土工程技术课程的案例教学研究注册考试制度下岩土工程专业“地基处理”课程教学改革与实践研究环境岩土工程研究现状与展望浅谈环境岩土工程研究环境工程“泵与风机”课程教学研究基于研究型课程理念的《环境工程概论》课程教学研究与实践案例式教学模式在岩土工程系列课程教学中的探索与实践工程制图课程教学研究与改革实践软件工程课程教学研究与实践浅谈环境岩土工程地下工程环境岩土工程问题研究与认识复杂工程环境岩土工程勘察与评价环境岩土工程的研究报告小议环境岩土工程的分类及研究基坑开挖中的环境岩土工程问题研究岩土工程施工与环境的关系探讨探讨岩土工程施工与环境的关系合肥地区岩土工程优化工作的研究与实践复杂地形地质条件岩土工程勘察实践与研究常见问题解答当前所在位置：l.
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Teachingresearchandpracticeofenvironmentalgeotechnicalengineering
RAOPingping，SONGZhongqiang，ZHANGFeixiang
（DepartmentofCivilEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，P.R.China）
Abstract：
关键词：建筑施工；新技术；地下工程
引言
地下工程种类很多，施工工作条件特殊，施工环境复杂，因此对施工技术有着较高的要求，建筑施工新技术的发展能够为地下工程的建设提供技术保障，因此，要加大研究力度，对建筑施工新技术进行研究，保证地下工程施工的顺利进行。
1地下岩土和岩土
地下工程作为一种结构物，与地面构筑物的一个重要区别在于它处在岩石或土这种地质环境之中。周围岩土介质的各种物理力学性质及其赋存条件，对地下工程的设计、施工乃至运营都有重要的影响。
岩石是经过地质作用形成的由一种或多种矿物组成的天然集合体。在地壳岩石形成过程中，地质构造作用以及其他漫长的大自然作用破坏了岩石的完整性和连续性，产生了许多裂隙、节理和断层。常常把节理、裂隙、断层和沉积岩与由沉积岩变质的变质岩在生成过程中形成的层理和层面统称为结构面。把由结构面切割出的完整块体称为岩块，因此岩体也就可以认为是由岩块和结构面组成的复杂地质体。
绝大部分土是地表岩石经过漫长地质历史年代的同化作用而生成的。经物理风化的土层矿物成分常与原生矿物一致，如石英、长石、云母等。原生矿物经化学风化形成新的次生矿物成分，主要有粘土矿物，如高岭土、伊利石和蒙脱石。这是土体中两种物理力学性质存在明显的区别。风化后的土体还会受到水、风、冰川等的动力作用，经冲刷、搬运后沉积在一起的土体成分，就变得相对复杂，并可能形成一定的沉积构造。
土体经长期的高压、脱水、固结后，又会形成岩石。因此，岩石和土的区别只是颗粒胶结的强弱。由于土的胶结力弱，因此土的成分对土体的物理力学性质影响更为严重，而岩石则相反，有时甚至两者难以区别。
2隧道与巷道
对于洞道式地下工程，不同的行业有不同的称谓，公路及铁路部门称为隧道，在矿山称为巷道，水利水电部门称之为隧洞，而军事部门则称为坑道或地道，在市政工程中又叫通道或地道。
隧道（tunnel）通常是指修筑在地下或山体内部，两端有出入口，供车辆、行人等通过的通道。大部分隧道的设置以交通运输为主要目的，如交通运输方面的铁路、公路和人行隧道；城市地下铁道隧道、海底及水底隧道等。
巷道（heading、drift等）通常是指为采掘地下矿物而修建的地下空间结构体，包括各种巷道和硐室。矿山隧道一般埋藏比较深，可达数百米甚至几千米，故可称为深埋隧道；矿山巷道的断面一般比交通隧道的小，这些均导致了两种隧道的设计与施工有一定的区别。矿山巷道按作用分主要有运输巷道、通风巷道、人行巷道和硐室。运输巷道是矿车运行的主要通道，负责人员、矿藏、材料、设备的输运和通达。包括车场中的各种巷道、石门、运输巷、材料巷等。通风巷道用于输送新鲜空气，排除有害气体和废气，调节温度。人行巷道专供人员通行。硐室的长度一般比较小，断面相对较大，主要用于安装大型生产设备、存放材料，如机车库、炸药库、变电所、水泵房等。
隧洞通常是指水利发电工程、城市市政方面的各种水工隧道或隧洞等。在水电工程中设置各类水工隧道可实现引水、排水、通风等目的；市政工程中，设置各类公共隧道可实现污水排放、管线铺设等目的。
坑道通常是指军事工程方面的各种国防坑道，是一项隐蔽在地下、水下或山体内部，作为作战、防御、储藏手段的重要结构物，是战争时期的重要场所。
地道或通道一般也称地下人行道。常在道路交叉口，为行人穿越道路而设。
不论何种洞道式工程，从地质条件上可将其分为两大类，即岩石洞道和土层洞道。根据其所处的环境不同可分为山岭隧道、城市隧道、水（海）底隧道、矿山隧道（巷道）等。根据其埋藏深度分为深埋式与浅埋式。对于深埋与浅埋的界限目前尚无明确的指标。
3围岩与围岩压力
未经人为开挖扰动的岩（土）体称为原岩。当在原岩（土）体内进行地下工程开挖后，周围一定范围内岩（土）体原有的应力平衡状态遭到了破坏，导致应力重新分布，引起附近岩（土）体产生变形、位移、甚至破坏，直到出现新的应力平衡为止。将开挖后隧道周围发生应力重新分布的岩（土）体称为围岩，围岩既可以是岩体，也可以是土体。如果在出现新的应力平衡之前已对围岩进行了支护，则围岩的变形和破坏就会引起应力和位移的变化，甚至破坏支护结构。岩体力学中把由于开挖而引起的围岩或支护结构上的力学效应统称为广义的围岩压力。
围岩压力的大小，不仅与岩体的初始地应力状态、岩体的物理力学性质和岩体结构有关，同时还与工程性质、支护结构类型及支护时间等因素有关。显然，当围岩的二次应力不超过围岩的弹性极限时，围岩压力将全部由围岩自身来承担，隧道也就可以不加支护而在一定时期内保持稳定。当二次应力超过围岩的强度极限时，就必须采取支护措施，以保证隧道稳定，此时，围岩压力是由围岩和支护结构共同承担的，可见，作用在支护结构上的压力仅是围岩压力的一部分。因此，把作用在支护结构上的这部分围岩压力称为狭义的围岩压力。通常所说的围岩压力多指狭义围岩压力。
对围岩的理论研究表明，围岩本身具有一定的自承载能力，充分发挥围岩的自承载能力，会大大降低隧道支护成本。隧道开挖后，适当控制围岩的变形，对隧道的维护具有重要意义。
围岩压力就其表现形式可分为松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力等。由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式作用在支护结构上的压力称为松动压力，亦称散体压力。开挖必然引起围岩变形，支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。冲击压力是围岩中积蓄的大量弹性变形能受开挖的扰动而突然释放所产生的压力，包括岩爆、岩震和突出等。膨胀压力是岩体遇水后体积发生膨胀而产生的压力，其大小取决于岩体的性质和地下水的活动特征。
4矿山法与新奥法
所谓矿山法，一般是指采用传统的钻眼爆破法或悬臂式掘进机开挖的方法，是一种传统的采用暗挖法施工地下工程的方法。所谓新奥法是20世纪60年代奥地利专家L.V.Rabcewicz总结前人积累的经验后提出来的一套隧道设计、施工的新技术，即新奥地利隧道施工法（NewAustrianTunnellingMethod，NATM），简称“新奥法”。指在采用矿山法施工地下工程时，对挖掘和支护、尤其是对支护进行科学设计和组织的一种思想、理念和方法。它强调的是在岩体被开挖之后，要进行有关变形和力学参数监测，以合理确定一次支护与二次支护的时机，确定初次支护、二次支护的结构形式与尺寸，即信息化施工。它是一套地下工程设计、掘进、衬砌、测试相结合的完整新概念。新奥法在公路与铁路隧道、矿山巷道、地下交通隧道等工程中得到了广泛推广和应用。
因此，矿山法和新奥法是两个完全不同的概念，新奥法涵盖于矿山法之中，二者不具有同体性和可比性。新奥法的基本思想和方法不仅适用于隧道工程，而且同样适用断面相对较小的各类巷道工程。但目前在某些部门还存在混淆，例如某隧道采用钻研爆破法施工，有的人则声称“采用的是新奥法而不是矿山法”、“新奥法比矿山法优越”等，这是完全的概念性错误。
4.1新奥法在地下工程应用的工程案例分析
我司承建施工的某公路隧道最大埋深约130m，设计净高5.0m，净宽14.0m，隧道长940m。隧道区域内主要为微风化黑云母+长花岗岩，局部有微风化煌班岩脉穿插。围岩以Ⅳ-Ⅴ类为主，进口段为Ⅱ-Ⅲ类围岩，岩体裂隙不甚发育，稳定性较好。隧道区域内地表水系不发育，区域内以基岩裂隙水为主，浅部残坡积层赋存松散岩类孔隙水，洞口围岩变化段水系较发达。采用新奥法施工。
4.2新奥法的实际发展与未来展望
实际发展：经20多年的实践和推广，新奥法已在欧洲一些国家如奥地利、联邦德国、瑞典、瑞士、法国等的山岭隧道中普遍使用（占70～80%），并已用于地下铁道，且取得沉降量特别小的显著成果。日本从1976年以来，已有近100座隧道采用了新奥法。中国从60年代初开始推广喷锚支护新技术，到1981年底，采用喷锚支护的地下工程和井巷的总长度已接近7500公里。近年来，又在普济、下坑、大瑶山等铁路隧道采用新奥法进行施工。
新奥法的适用性很广，中国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。但在下列情况下，一般都应采取适当的辅助措施才能施工：①涌水量大的地层；②因涌水产生流沙现象的地层；③围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难场合；④开挖面不能自稳的围岩。
未来展望：新奥法的发展是和喷锚支护的材料、方法和机具等的发展密切相关的。要进一步研制初期和长期强度都高、回弹少、粉尘低、生产率高的喷射混凝土系统，并和高效能的集尘器、自动喷射装置、周期短的材料供应系统配套。研究能缩短喷敷时间，又无公害的新喷敷方法。研究不需用临时堆放场地、易于运输的喷射材料和新的施工工艺，如钢纤维加强喷射混凝土、SEC喷射混凝土、光面爆破和深孔爆破技术、液压凿岩台车（兼作安装锚杆用）、喷射车组（包括机械手）、各种混凝土喷射机、液体速凝剂、粉尘防止剂、树脂锚杆等。
5结语
随着经济的发展和社会的不断进步，建筑工程得到了快速的发展，尤其是地下工程如雨后春笋般涌现，地下建筑工程的出现和发展为城市节约了大量的土地资源，有效地缓解了我国的人地矛盾。地下工程的继续发展对施工技术提出了更高的要求，一定要不断地优化施工技术，提高施工水平，推动城市地下工程的发展。
参考文献
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关键词：岩土力学本科教学教学大纲
引言
岩土力学（Geomechanics）是土木工程、水利工程以及交通工程等工程学科中一门重要的专业基础课[1]。在使学生获得有关岩土力学学科的基本理论、基本知识的和基本技能的同时，岩土力学课程还将为后续课程（如地基基础与地基处理、岩土工程设计、地下空间开发等专业课程）提供岩土力学基本知识，也为从事岩土科学技术的专门研究奠定必要的理论基础。教学大纲是教师编写教案以及教学的主要依据，同时也是检查和评定学生学业成绩和衡量教师教学质量的重要标准，其在整个课程体系建设及教学质量评价中都占据极为重要的地位[2]。本文第一作者曾在澳大利亚纽卡斯尔大学（TheUniversityofNewcastle，Australian，简称UoN）从事博士后研究，第二作者也曾作为访问教授在纽卡斯尔大学从事合作研究，有机会学习了该校在岩土力学课程教学大纲编制上的特色。[1]
本文首先介绍了纽卡斯尔大学岩土力学教学大纲，对教学目的、教学内容、先修课程及教学方法、考核方式等内容进行了重点阐述。随后，从教学内容的新颖性、计算机应用的广泛性、实验教学的深入性等三个方面对其教学大纲的特色进行了分析，并对我国岩土力学的教学大纲修订提出了借鉴意见。[2]
一、UoN本科岩土力学教学大纲简介
1.1教学目的
岩土力学-1的教学目的：从工程角度识别和理解土和岩石的物理、化学特性；理解工程地质的基本概念，并了解如何将其应用到土木工程实践中；理解有效应力原理及其在岩土力学和岩土工程设计中的应用；掌握利用达西定律和渗流理论计算水在饱和土体中的流速；理解软土的一维固结理论；掌握对土中应力及变形特性的评价，并能引入沉降和固结的概念；掌握利用室内和现场试验对土和岩石的基本特性进行阐述的能力；
岩土力学-2教学目的：理解摩擦性材料的摩尔-库伦破坏准则及其在岩土工程设计中的应用；理解土体的抗剪强度及强度参数；初步了解临界状态岩土力学理论；应用强度破坏准则来分析条形基础、垫式基础、重力式挡土墙以及边坡稳定性；通过室内试验进一步加强对土体强度的认识和理解。[3]
1.2教学内容
作为岩土力学和岩土工程的入门课程，岩土力学-1的主要教学内容包括：土和岩石的物理特性及分类方法；土和岩石的指标特性；岩体的性质；岩石的结构；场地测绘；土的分类；风化作用；粘土的胶结作用；土壤化学；土体内部的毛细作用、渗流及流网；有效应力原理；土体的沉降、固结及压实。
岩土力学-2的主要教学内容则包括：强度准则；应用有效应力原理对土或岩石的强度特性进行评估；土体的摩尔-库伦强度理论；土体的抗剪强度；临界状态岩土力学；基础及地下连续墙的设计；土的抗震性能；边坡稳定性。
1.3先修课程及教学方法
岩土力学-1的先修课程为工程力学基础和材料力学，其教学方法主要包括课堂讲授、室内试验及现场试验。岩土力学-2则是在岩土力学-1的基础上开设，与岩土力学-1相比，其教学方法中增加了课后辅导的环节，通过选聘优秀的博士研究生担任课程助教，提高对学生答疑的数量和质量。
1.4考核方式
岩土力学-1的成绩评定主要包括：课后大作业，即在整个教学过程中，要求学生完成3个关于岩土力学计算方面的大作业；室内试验的平时考核，即在每一节室内试验课上，对每一个学生的实验表现进行成绩评定；室内试验的期末考试，即在学期末要求学生能够独立完成主要土工试验的操作；现场试验报告，即在学期中开展的现场勘察与试验后，对学生完成的现场试验报告进行评价；期终考试，以闭卷形式进行，题型多样，全面考察学生对岩土力学-1课程中核心知识的掌握和理解。
相对而言，岩土力学-2的考核方式较为简单，包括室内试验报告和期终考试两部分，其中期终考试仍以闭卷形式进行。
二、UoN本科岩土力学教学大纲特色分析
2.1教学内容新颖
纽卡斯尔大学岩土力学课程在重视基础知识讲授的同时，还对学科前沿知识进行介绍，其中最突出的表现就是对临界状态土力学的讲授。作为现代土力学的基石，土的临界状态理论和剑桥模型由土力学中著名的剑桥学派提出并建立，其提供了一个统一的理论框架用于描述和预测土的变形和破坏行为，将土的弹性和塑性变形及土的强度有机地联系起来，建立了土的最基本的关系，即土的本构关系。临界状态的概念最早由Roscoe等于1958年[3]提出，随后，原始剑桥模型[4]于1963年建立，并在1968年建立了修正剑桥模型[5]。土的临界状态及剑桥模型，为现代土力学的诞生和发展奠定了基础。然而，在我国的本科岩土力学教学内容中，这一部分的内容则很少被提及，仅有极个别土力学教材单列篇章进行详细介绍[6]。因此，在今后的教学过程中，应加强对土的临界状态及剑桥模型的讲授，强化学生对土的本质特征的了解。
在讲授土的组成、结构及基本力学特性时，纽卡斯尔大学还对非饱和土力学做一些简单介绍。作为当前国际岩土力学界的一大研究热点问题，非饱和土力学近年来受到越来越多研究者的关注。而我国对非饱和土的研究起步相对较晚，目前尚未有独立的教材，在岩土力学的教学过程中也很少涉及。但随着理论研究的深入和实际工程的需要，非饱和土力学的重要性逐渐被相关教学工作者认识并接受。在今后的教学过程中，应逐步引入对非饱和土力学中一些基本概念的介绍。
此外，纽卡斯尔大学的岩土力学课程还包括了关于土壤化学的内容。近些年来，随着环境问题的日益突出，环境岩土问题也备受关注，例如城市垃圾填埋场建设与安全运营、高放核废料地质储存等工程中，都涉及到土壤化学的内容。岩土力学的教学也应紧跟科学和工程发展的前沿，将该部分内容逐渐纳入到教学内容中。
2.2重视计算机的应用
纽卡斯尔大学土木工程系建有澳大利亚岩土科学与工程国家研究中心（CGSE），其在计算岩土力学领域的研究一直处于世界领先水平。在岩土力学的教学环节中，纽卡斯尔大学也非常重视介绍计算机在岩土力学中的应用，鼓励学生尝试使用商业计算机软件或者开放的计算机程序进行一些土力学问题的计算。通过计算机强大的计算能力与传统经验公式计算的对比，激发学生的学习热情和科研兴趣，为他们以后进一步深造奠定基础。此外，在进行土力学室内试验教学时，纽卡斯尔大学还鼓励学生通过自行开发计算机控制程序，来对试验过程进行计算机控制，例如通过计算机程序实现对试验中材料特性、初始条件、边界条件以及应力路径的设定与控制。[4]
反观我国当今的土力学教材及教学内容，大都基于经验公式进行计算，对计算机在岩土力学中的应用介绍较少，在计算机快速发展的当今社会，应鼓励学生使用计算机来解决一些土力学中的问题。[5]
2.3实验教学比重大
岩土工程是一门实践性很强的学科，各种试验测试占据重要地位。在岩土力学课程中，无论是室内试验还是现场试验，都是整个课程体系建设的重要组成部分。纽卡斯尔大学的岩土力学课程教学大纲中，实验教学占有相当大的比重，其中室内试验涵盖了基本的土工试验。在教学手段上，室内试验实行小班教学，并由相关专业的博士研究生担任助教，在实验演示完毕后，每位学生都需要进行独立地操作，并且由助教对每位学生的表现进行打分，作为该门课程期末成绩的组成部分。在学期期末，还将针对室内试验部分进行专门的考试，考查学生对试验的掌握及动手操作能力，其成绩也将在期末总成绩中占有一定的比重。除了室内试验之外，纽卡斯尔大学的岩土力学教学大纲中还设置了现场试验环节，组织学生到现场开展土力学现场试验，从而增强学生对土性的认识以及对土的工程应用的了解。现场试验教学环节之后，每位学生都要求完成相应的实验报告，报告的完成质量与得分也将作为期末成绩的组成部分。[6]
三、结语
本文介绍了澳大利亚纽卡斯尔大学的本科岩土力学教学大纲，从教学目的、教学内容、先修课程及教学方法、考核方式等方面对其进行了阐述。基于此，对其对其教学大纲的特色进行了分析，着重探讨了其教学内容上的新颖性、计算机在教学中应用程度高以及实验教学比重大等几方面的特点。通过本文的阐述与分析，可为我国岩土力学的教学提供一些借鉴：（1）教学内容在重视基础知识的同时，应紧跟学科发展的前沿，引入学科热点问题；（2）逐步提高计算机在教学中的应用程度，通过使用计算机解决土力学问题，来启发学生的思维、增强学生的学习兴趣；（3）加强实验教学环节，不断培养、提高学生独立的动手实验能力，并注重对实验结果的分析和讨论。
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关键词：可靠度地下结构岩土参数概率特征
1.前言
地下结构和其它岩土工程一样，在整个设计过程中存在大量的不确定性。传统方法设计时用一个笼统的安全系数来考虑众多不确定性的影响。对各参数、变量都假定未定值。这就是常规的定值设计法。虽然以后对某些参数（如材料的强度）取值时也用数理统计方法找出其平均值或某个分位值，但未能考虑各参数的离散性对安全度的影响。所以安全系数法不能真正反映结构的安全储备。
60年代末期，数理统计和概率方法在结构设计中成功应用，鼓励和启发了隧道工作者寻求用概率方法研究地下工程中各种不确定性并估计他们的影响。进入70年代，可靠度分析方法扩大到更多的设计领域。但是，这种方法仍然受到一些岩土工作者的反对和质疑。原因在于岩土工程本身的机理比较复杂，有些问题还没有充分认识；岩土工程概率方法还处在发展阶段，不少概念还不很明确，计算方法也不够简便；一些人对概率论和方法不很熟悉。这些困难也促使一些岩土工作者潜心钻研，他们吸收地面结构概率分析成果，针对岩土和地下工程的特点开展专题攻关，虽未完全解决技术上的关键，也取得了可喜的成果。研究表明，概率和可靠度分析方法在不确定性越严重的问题中越能显示出活力来。
1992年，国家技术监督局《工程结构可靠度设计统一标准》，作为其它各类工程结构设计共同遵循的准则。铁路、公路、水利、港口等行业先后开展结构设计统一标准的编制工作。作为上述各类工程的重要组成部分的隧道及地下工程，采用概率极限状态设计也提到日程上来。一些技术难题有待继续攻克，实用化问题也要同时解决。目前，可靠度分析在地下工程中的应用正在经历由粗糙到精细，由简单到复杂再回到简单并进入实用这一过程。
2.岩土参数概率特征的研究
确定围岩的物理力学参数和原始应力状态时分析地下结构力学行为的先决条件。对于重要的大型结构（如水电站地下厂房等）通常要在周围地层钻孔取样并进行一系列试验以取得有关参数。交通用途隧道纵向长度比横向长度大得多，经过的围岩也回变化，通常按各类围岩的综合力学参数进行计算。引入可靠度后，必须考虑这些物性参数的概率特征。这方面的研究成果对地下结构可靠度分析至关重要。
2.1围岩分级判据的可靠性研究
一般隧道设计时都要现场确定该隧道所处的围岩类别。各种围岩分类法都有各自的一套标准。但由于标准本身常存在模糊性或不确定性，或者不同人对标准的理解和处理不尽相同，不同人对同一围岩的评价结果总体会趋于一致，具体还不会完全同一。围岩分类的随机性值得我们进一步研究。
我国在围岩分类和分级方面已有不少成果，可惜各部门还不统一。东北大学林韵梅教授等提出围岩稳定性动态分级法，李强提出模糊聚类分析法。在动态分析法中对分级判据的分布进行初步分析，应用数理统计方法对分级判据进行研究。在定义分级判据可靠性的函数上，用柯尔莫洛夫法对其分布规律进行检验。还提出了分级标准和分级方法的评价准则。
2.2地质资料的概率处理
对于大型地下工程和重点长大隧道都要进行比较细致的地质勘探。但要从有限的勘探资料中获得隧道全长或大型地下工程周边围岩的地质状况和有关参数，必然存在不确定性和偶然性。用概率法可减少误判的机率。例如长江科学院包承纲研究员等以概率方法处理水坝地基钻孔之间的地层分界线，取得更为合理的结果。
地层中常有一些异常地质点存在，如软弱夹层、空洞等。他们对地下工程施工和运营有很大影响。为此，首先要弄清楚它们出现的可能性、大概的位置及其性质，然后通过可靠度分析法去分析它们的影响。Bercher(1979)及Tang(1987)等都对某地区在给定钻孔布置与地质历史推断情况下，对异常地质出现的概率和统计特征做过估计，先给予一个不出现异常的先验概率，然后根据一系列钻孔资料按Bayesion公式推得修正的不出现概率和联合分布。
2.3土性参数的随机场研究
据研究，土性参数变异系数可达0.29，比计算模型的不定性影响大得多。土性参数概率特征经历了两个阶段。早期研究建立在随机变量基础上。后期研究集中在随机场理论的应用上。
不难理解，岩土工程的性状是由某一空间范围内岩土的平均特征所控制。根据一个个试样求得的统计特征称为点特征。点特征与空间特性之间由一定的关系。空间平均特征的方差应小于点特征的方差。控制岩土工程可靠度的是土性参数的空间平均值方差而不是点方差。因此，土性参数的概率分析是一个随机场问题。对于空间分布的地层，由于沉积和埋藏等条件的联系，不同点之间虽有差别又有一定的相关性。这种相关性将随二点距离的增大而减弱。相关距离是岩土可靠度随机场研究中的一个重要参数。有关学者提出了相关距离的物理意义、集合意义及实际计算方法，提出了不同地层相关距离的年经验值。研究了不同统计方法的参数对可靠度分析的影响。
2.4岩体特性统计特征的研究有待加强
近几年由于土坡稳定、桩基承载力及地基承载力等方面可靠度分析实用化的需要，推动了土体概率特征的研究。而土性概率特征的研究成果又促进了上述几种典型工程实用可靠度分析。由于岩体的本构关系更为复杂，节理、裂隙、层状等对岩体特性影响更多，岩石地下工程计算模型不定性更为突出。对于众多不定性相互作用的岩石工程，更需要可靠度分析。国内勘察设计部门也积累过大量岩石资料，但用概率方法加以整理的参加横过较少。日本在这方面做过的工作值得重视。他们对各类围岩（如花岗岩、闪绿岩、砾岩、砂岩、泥岩等）的主要指标（如单轴抗压强度、压缩变形系数、抗剪强度、干密度等）的分布特征，均值及变异性以及相互关系等都做过分析整理，这些资料可供参考。
3.作用效应随机分析方法的成果
作用效应是可靠度分析中重要的综合随机变量，它占用很大的计算工作量。地下结构作用效应的定值分析方法不论是“荷载—结构”模式或“地层—结构”模式，目前大多采用有限元分析，考虑空间作用时还用三维有限元。对裂缝、节理发育的岩石地层主要有两种方法：
a.仍然利用连续介质力学理论，但要寻求反映不连续岩体特点的本构关系或把节理裂隙的力学性质作为附加条件加以考虑，然后求解；
b.应用块体理论，寻求关键块。利用量测到的位移信息反求地层的力学指标也是常用的方法。引入可靠度以后如何在上述各方法基础上进行随机分析时必须解决的问题。
3.1随机有限元的进展
有限元法在随机介质中的应用始于70年代初期。当时主要用于岩土理论与应力分析。其基本思路是采用蒙特卡洛模拟法。该法建立在大量确定性计算基础之上，费用较为昂贵。结构静力计算的随机有限元法70年代中期由瑞典的K.Handa首先提出，80年代末日本的Hisada和Nagagri等对随机有限元作了较为系统的研究。至此以后随机有限元理论朝着两个方向发展，一是基于摄动展开的有限元统计分析；另一是随机场的局部平均。具体的方法有：纽曼随机有限元法；随机有限元最大熵法；有限元一次二阶矩法；随机有限元响应面法；摄动随机有限元法等。上述各种方法各有其特点，有的理论上较为严密，但计算量大；有的较近似而计算简便。响应面法，摄动法及蒙特卡洛法在我国隧道可靠度分析中都已实际应用。
作为随机有限元的深入，有人还提出非线性随机有限元，但该理论正处于尝试中。采用目前流行的随机有限元通常只能确定荷载效应的某些数值特征，如均值、方差、相关矩等，难以确定荷载效应的概率分布及高阶矩，故还不能很好的满足可靠度分析的要求。蒙特卡洛法可求出概率分布，但计算量较大。成都电子科技大学张新培教授提出了改进的随机有限元法。该法以有限元为基础，利用荷载列阵与刚度矩阵各元素之间特征函数确定结构各单元荷载效应的特征函数，再根据特征函数与分布密度函数及数字特征的关系，求出荷载效应分布密度函数积极数字特征。此法概念简单，容易实行，较好地满足可靠度分析的要求。
3.2随机块体理论的提出和应用
块体理论是我国学者石根华和美国学者R.Goodman首先提出的岩体工程分析方法，为岩体洞室和边坡稳定分析开辟了新的途径，在国际上受到重视并得到日益广泛的应用。块体理论中关于岩体被不连续的空间平面切割成分离块体以及切割面上的力学参数c、Φ等都作为定值。由于实际岩体不连续面形成因素复杂，同一组不连续面的产状在一定范围内发生变化，连续空间平面切割成的变形状空间块体具有随机性。切割面力学参数也使随机变量。因此更适合概率分布。河海大学王保田、吴世伟提出的随机块体理论，用随机抽样法寻找可动块体的概率，并用一次二阶矩法求关键块的概率。二者结合可较好的解决已知结构面产状概型和力学性态是随机值的问题。南京航空专科学校的张广健等应用随机块体理论编制出计算程序，用以对隧道围岩稳定性进行可靠度分析，求得各类围岩的块体稳定可靠指标。所得结论与设计和施工经验基本一致。若能用现场实测数据统计分析，其结果将更能反映工程实际。
3.3三维随机边界元法的提出
地下结构的有限元分析特别是三维分析需要划分许多单元，计算机工作量和对计算机内存的要求都很大。特别对无限区域的课题，在一定范围内离散将忽略外方广大区域的影响而带来误差。因此人们的注意力又转到一些边界解法上，相应的边界单元法得到发展。隧道的边界元分析有其明显的优点，日益受到国内外重视。针对地下结构分析中参数都具有明显不确定性的特点，随机边界元法的研究和应用将对隧道可靠度分析起到新的推进作用。
武汉水利电力学院潘国宁等提出的三维随机边界法是将边界元计算过程作为函数转换过程，再参数取值时对函数过程做泰勒展开。通过边界计算得到应力和位移的均值；然后计算有关变量对参数的一阶导数和二阶导数在取均值时的值。最后考虑参数的变异性来分析计算结果的变异性。此法公式简洁，计算工作量小，对隧道分析有重要参考价值。
3.4围岩参数的随机反分析
由于围岩的物理力学指标不容易确定，现场取样试验或直接测试资料也只是得到点特性而不是我们所要求的围岩空间平均特性。因此，利用施工监测得到的位移信息反演求出围岩参数的方法在一定条件下能满足地下结构分析的要求。目前定值的反演分析比较成熟，已开发出很多程序可供应用。但是反演分析所依据的信息实际是带有一定离散性的随机变量，可靠度分析也要求反分析的结果能表示出概率特征。因此，随机反分析也逐渐受到重视。专门著作《反演理论》对反分析概率化有重要论述。同济、北方交大、西南交大岩土和地下工程专业的博士研究生的论文都曾涉及隧道随机反分析问题。目前采用的方法有传统的蒙特卡洛法、随机摄动法。
4.针对岩土工程特点的可靠度分析方法的新发展
《工程结构可靠度设计统一标准》在附录一中推荐用一次二阶矩法计算结构的可靠指标。同时指出对于变异系数很大、极限状态方程非线性程度很高等情况，宜用更精确的方法计算。岩土物性变异性比较大，常呈现一定的相关性，如内摩擦角与内聚力之间负相关，容重与压缩模量、内聚力等正相关。忽视这些相关性，会使计算结果出现误差。而一次二阶矩法是假定基本变量间是相互独立的。
目前针对相关性提出两种一次二阶矩的改进方法。一是将相关变量变为互不相关的变量，新变量的方差矩阵是由原变量标准化后的方差矩阵构成。另一方法是将极限状态方程的标准差展开后求得分离变量作为新变量的灵敏系数，在新的灵敏系数重反映与之相关的另一变量的影响。前法适用于多个相关的基本变量，后法只适用于两个相关变量。
对于非线性极限状态方程，用当量正态法有时计算误差过大，有时不易收敛。此时将蒙特卡洛模拟引入可靠度分析中，只要模型次数多就能得到精确的失效概率值。对于很小的失效概率需要很大的模拟次数。为节省机时，可从计算方法上改进。为避免概型拟和引入的误差，采用高阶矩发值得进一步探索。
对于一些判别准则易受人为因素影响的问题，也可将模糊数学方法引入可靠度分析中，发展成为模糊可靠度分析法。坑道稳定性位移判别的方法和准则就有很多主观和客观不确定性因素，坑道稳定性模糊概率分析法，把“坑道稳定性”作为一模糊随机事件，求其模糊概率，用模糊统计分析试验法结合专家综合评判来确定地下坑道周边位移与坑道稳定性的隶属函数，推导出坑道稳定性可靠度计算的一般表达式。
5.围绕《铁路隧道设计规范》的修订，隧道可靠性
铁路隧道在我国地下工程中占很大比例，第二层次的《铁路工程可靠度设计统一标准》也已。第三层次的铁路各专业设计规范可靠度设计修订工作已提上日程。针对人们对可靠度理论在隧道中的应用有怀疑态度甚至否定这一情况，铁道部先组织几批专家进行“以可靠性理论为基础修订铁路隧道设计规范的可行性研究”，得出可行的结论，并分别从“荷载—结构”模式、“地层—结构”模式和以工程类比为基础的经验设计模式等几个方面提出实现可靠度设计的途径和需要攻关研究的课题。该项研究经铁道部组织专家评审验收，人为结论正确，所建议的隧规改革目标明确，路径可行，可作为今后隧规改革的指导性文件。
为了使铁路隧道设计规范按可靠度设计加以修订这一难度较大的工作能逐步深入开展，铁道部主管部门已立项开展《按可靠度理论修改隧规的基础性研究》。研究内容包括围岩物性指标及深埋隧道围岩松动压力统计特征研究；浅埋隧道覆土荷载统计特征研究；明洞、棚洞填土荷载统计特征试验研究；衬砌混凝土偏压构件抗力计算方法及偏压强度统计特征研究；隧道衬砌几何特征研究等。由铁路各高校分别承担。铁路高校研究生论文选题也开始转向隧道可靠度设计这一领域。
与此同时，有关院校对人防工程按可靠度设计也提出过方法及若干建议。水电部门针对工程特点正对隧道工程的作用及作用效应进行统计参数整理。
近几年，随着人们对水工环地质及岩土工程研究的不断深入，其理论体系体系也得到了进一步完善。在岩土工程建设中，无一不与水工环地质和岩土工程技术两要素相关。工程建设为保障生态环境和经济效益，加强在对两者关系的研究与分析是必要的。
关键词:
水工环地质;岩土工程;地质调查
水工环地质及岩土工程体系(下文统一简称为水岩体系发展，对地质调查工作发展有着重大影响。目前，我国地质理论体系逐步得到完善，地质工作中所涉及的体系范围也逐步扩大，因此水岩体系也面临新的发展需求。
1水工环体系的应用与发展
1．1水工环体系的应用
随着环境的逐步恶化，人们逐步意识到了节约能源和环境保护的重要性，对水工环地质工作提出了新要求。水工环地质工作由最初的无节制开发，逐步向节能方向发展。目前，水环工地质工作更多的关注是资源开发过程中的存在的生态问题，特别是在土地规划、污染监测等多个领域中都有着重要作用。虽然，水环工地质的重心发生了转移，但是其在基础设施建设和地质勘探中所发挥出的作用从本质上并没有发生变化。水环工地质体系在地质勘探中的应用最为广泛。例如，在采矿分析、矿藏探明、水利工程建设等多个方面。
1．2水环工地质体系的发展
社会的不断发展对水环工地质体系的应用提出了新的要求，为了使之不断向有利于自然和人类方向发展，需要不断调整研究方向。同时，科技的发展也使水环工地质工作的科技含量得到了飞速提升，在不断应用的同时，水环工地质体系也得到了进一步的完善与丰富。目前，我国水环工地质体系发展过程中的关键内容依然是地质勘探，主要体现以下3个不同的阶段上:(1)初测，该环节的主要作用是提升勘测位置的准确性，以及水下测量的精准性，从而保障测试的合理性。(2)初步设计，该阶段主要体现在提升应用水平，例如在应用在磁性勘测中等。(3)技术设计，该阶段主要体现在围岩与矿体两者的稳定性，同时通过技术设计可以确定排泄、地下水补给等内容的合理性。以上三阶段的发展使水环工地质理论在发展过程中得到了进一步完善，并且降低勘察误差。
2岩土工程理论应用与发展
软岩概念在1960～2000年一直都是一个争执不休的问题，关于软岩概念的定义达到了数十种。我国在20世纪90年代末期提出了工程软岩和地质软岩概念，对两者之间的联系和区别进行了详细论述，并且正式建议将工程软岩含义应用到软岩工程中。在论述过程中，我国所提出的软岩要比国际学会(1990，1993)提出的软岩概念更为准确。近几年，科技的飞速发展，我国在煤矿软岩工程技术研究上也取得了较大进步，这为软岩工程的发展提供了有利的支持。岩土工程学是一门独立的新学科，它是水文地质学和工程地质学的分支，它将水文地质和工程地质基本原理手段和方法应用到工程中的多个领域中。建设工程过程中，它与相关学科相互交叉渗透，高度集成与应用，最终构成了岩土工程。从实际情况来看，在土木工程修建过程中也渗透了大量的工程地质理论，只是在具体操作中并为未将其命名为岩土工程。改革开发后，我国岩土工程广泛应用在土木工程领域中，加快了工程的建设效率，提升了工程的质量。岩土工程自身的科学性很强，并且同其它学科之间有着紧密联系，同时其也是工程地质与水文地质的基础学。在我国工程建设的起初阶段，该学科在工程建设中就得到了广泛应用，并且在漫长的发展过程中逐渐与其它学科合理的融合在一起，在发展过程中，随着科学渗透，岩土工程已经形成了一定规模。目前，我国工程的建设范围逐渐扩大，工程建设区域的地理环境也变得更加恶劣，并且在工程建设中会造成一定程度的环境污染，因此环境问题得到了人们的关注。在此背景下，岩土工程背负着重大的责任，由此可见，应当在不断发展经济的同时，对大自然进行合理改造，保护好生态环境。例如:对某一新老工程影像与第一幅图进行配准，并且要在地段中进行纠正，将通过纠正后影像与配图进行配准，最终得到纠正后的影像，依次递推，每幅影像不仅需要与前一幅图进行配准，同时还相必须要与地图进行配准。通过该方式，拼接1000幅图，在完成最后一张图的拼接时，每一幅图像素的坐标与真实坐标的平均误差大小为5．82m，而未进行配准的误差达到了11．88m。由此可见，在工程施工中，应用岩土工程体系，可以有效的控制累积误差，使拼接的精准度得到进一步提高。但是，从实际情况来看岩土工程学仍然存在一定的问题有待解决。例如，在我国处于经济建设阶段，我国面临的环境问题比较严重，其中比较典型的问题有水污染和岩土结构两个方面。如果存在这两方面问题，极容易引发导致安全事故，造成人员伤亡和经济损失。通过分析发现，存在这些问题根源在无法准确掌握岩土及水文地质资料，在工程建设中这样的案例屡见不鲜。
3结语
综上所述，水岩体系在我国基础工程建设中的应用取得了不错的效果。在我国工程体系标准不断提升的今天，水岩体系在工程建设越来越显重要，因此要加强研究，提升理论体系水平并且在应用中不断完善，促进我国地质勘探工作的发展。
作者：王克颖单位：贵州省有色和核工业地质勘查局物化探总队
参考文献:
［1］王鹏．水工环地质现状及发展趋势探究［J］．中国高新技术企业，2015(16):151－152．
关键词：建筑结构设计；概念设计；优化技术;降低工程造价
一、结构优化设计的思路
结构设计就是从建筑及其它专业图纸中所提炼简化出来的结构元素,包括基础、墙、柱、梁、板、楼梯、大样图等。然后用这些结构元素来构成建筑物或构筑物的结构体系,包括竖向和水平的承重及抗力体系,再把各种情况产生的荷载传递至基础。建筑结构设计是一项系统的、全面的工作,在设计中存在的问题是多种多样的,需要扎实的理论知识功底,灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。建筑结构设计的原则是适用、安全、经济、美观、便于施工。
结构优化设计的技术，应用在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。其中房屋工程分部结构的优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包含选型、布置、受力分析、造价分析等内容，并应在满足设计规范和使用要求的前提下，结合具体工程的实际情况，围绕其综合经济效益的目标进行结构优化设计。
目前,建筑物逐步走向多层、高层、甚至超高层。对地基的要求越来越高,天然地基已无法满足工程需要,地基处理方案也越来越多。就桩基而言就有好多种,如现浇钢筋砼灌注桩、预应力钢筋砼管桩、水泥土搅拌桩、碎石桩、高压喷射水泥桩、粉喷水泥桩、粉喷石灰桩等。事实上,各方案造价往往有较大差距,选择经济好的方案能大大降低造价。
具体事例：1、工程概况
在福州地区某小区住宅高层建筑,，由十栋楼组成，其中两栋1#2#楼为18层，结构总高度55.2m，其中八栋3#~10楼为33层,结构总高度99.8m,地下均为1层，地下室埋深为4m。总建筑用地面积120168m2，总建筑面积186836m2。主要功能为地下停车库、设备用房及部分人防地下室,地上部分为商住楼。建筑结构安全等级为二级,所在地区的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.1g,设计地震分组:第二组;场地类别:III类;特征周期Tg=0.55sec,主体均采用剪力墙结构。
2、工程地质概况
据钻孔揭露，场地地层按岩土性质自上而下可分为13个工程地质层，现分述如下：
素填土①厚度0.20-4.30m,杂填土①-1厚度1.00-5.10m,粉质粘土②厚度1.00-2.40m,淤泥③厚度4.40-22.40m,粉质粘土④厚度0.40-12.00m,淤泥质土⑤厚度0.50-14.40m,粉土⑥厚度1.10-3.90m,含泥中砂⑦厚度约1.00-13.50m,粉质粘土⑧厚度0.70-6.80m,淤泥质土⑨厚度0.60-6.70m,含泥中砂⑨-1厚度1.20-7.80m,含泥角砾⑩-1厚度约0.40-3.80m,残积砂质粘性土⑩厚度约0.80-12.20m,全风化花岗岩⑾厚度0.80-7.40m,强风化花岗岩⑿厚度15-28.90m,强风化辉绿岩⑿-1厚度3-3.50m,中风化花岗岩⒀厚度1.10-2.32m。
表1桩基础设计参数表（kpa）
备注:1、桩基参数依据省标《建筑地基基础技术规范》（DBJ13-07-2006）。
2、qSiK为桩的极限侧阻力标准值；qpk为桩的极限端阻力标准值。
3、基础方案
原基础设计采用锤击式预应力高强管桩直径500mm，持力层为强风化花岗岩⑿（强风化辉绿岩⑿-1），桩尖进行持力层1m以上，单桩承载力特征值取2500KN/m2。
18层的1#楼先行施工，由于锤击管桩施工时，产生较大的噪声及震动，周边居民投诉后，政府要求此工程不能采用锤击式预应力高强管桩。后基础设计改为静压式预应力高强管桩，但由于地质表层较差，淤泥较厚，于是施工18层的2#楼时，先在地面铺一层1.50米厚的砖渣并压实，保证静压桩机能正常走机施工。待1#、2#楼桩基施工完，土层开挖后对桩基进行动测检验时，结果是锤击施工的1#楼I类桩为65%、II类桩为15%、III类桩为15%、四类桩为5%，静压施工的2#楼I类桩为50%、II类桩为20%、III类桩为20%、四类桩为10%,经过分析判定，主要原因是地质表层较差，淤泥较厚，基坑开挖时，很难做到分层开挖，一次性开挖较深，挖土机及运土机施工时对管桩产生侧向挤压，造成管桩在淤泥与粉质粘土（硬层）交接处破坏。另静压桩机较重，走机施工时沉陷对已施工的管桩也产生较大的破坏，故产生III类、四类桩更多。由此造成的损失是补桩费用增加60万，工期增加2个月。
各相关部门针对3#~10#楼33层的高层基础进行讨论，起初统一意见是将桩基改为C35冲（钻）孔灌注桩直径800mm，持力层仍为强风化花岗岩⑿（强风化辉绿岩⑿-1），桩尖进行持力层8m以上，单桩承载力特征值取4000KN/m2。安排先试桩两根并做静载，其中1#试桩进入持力层8m,2#试桩进入持力层10m,并同时进行桩底高压注浆,达到砼龄期28天后进行静载试验，结果是1#桩的承载力特征值3000KN/m2,2#桩的承载力特征值3200KN/m2。由此判断采用冲（钻）孔灌注桩，单桩承载力过低，且工期较长、造价较高，不适用于这个工程。
决定尝试仍采用静压式预应力高强管桩，但需水泥搅拌桩进行基础表层加固、并适当设置消压孔的方式。水泥搅拌桩是利用深层搅拌机械将水泥浆或水泥粉输送到地基深处与软土强制搅拌，利用与软土间的物理化学反应，使软土硬结为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土。水泥搅拌桩与桩间同承担上部结构传来的载荷，形成复合地基。水泥搅拌桩加固地基的作用保证静压桩机施工时不沉陷、不对已施工的管桩产生侧向挤压破坏，且表层已形成硬层，基坑开挖时挖土机及运土机施工时对管桩产生侧向挤压影响较小。由于33层的建筑，管桩布置较密，布置消压孔的作用是减小管桩施工时产生的挤土效应（避免管桩相互挤压破坏及对周边民房的破坏）。
水泥搅拌桩的设计内容为桩径500mm、桩长度从地面标高算起约10米、水泥掺量20%、水灰比0.5、采用硅酸盐水泥标号为42.5R、采用梅花型布桩间距约1.414米。消压孔的设计内容为取孔直径300mm、取土长度约15米、在桩基原位布置、数量为管桩总数的1/4。水泥搅拌桩施工完22天后开始进行打静压桩，后进行基坑开挖,结果3#楼的桩基I类桩为80%、II类桩为20%，全部合格。由此判断当遇到类似的地质情况时，这种地基处理技术非常合适，且具有设备简单、操作方便、质量可靠、施工速度快、成本低、无污染、无振动以及对周围环境无不良影响等优点，尤其适用于当前对环境问题日益重视的城市工程建设。
优化技术的实现，可以最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。同时，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。
二、结构概念设计的重要性
对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是所说的概念设计。
概念设计是统领结构设计的全过程。“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等是建筑结构设计中非常重要的概念。一般认为,概念设计做得好的结构工程师,随着他的不懈追求,其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富,设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是,随着社会分工的细化,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,更不愿创新,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳。
概念设计处理的实际建筑设计问题，概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。
强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案。
三、结语