岩土工程中的地层结构效应理论探讨

岩土工程中的地层结构效应理论探讨

摘要：地层结构不仅指各地层的空间几何状态，也包含各层的物理力学性质；可将断层破碎带等断裂带称作特殊的地层即构造层；地层结构效应包含两层意思；提出了岩土工程地层结构效应理论并对其进行了分析。

关键词：地层结构地层结构效应理论

1 地层结构类型

地层结构是指地层序列内地层的叠覆、堆积形式或空间组合状态[1]。地层结构不仅指各地层的空间几何状态（如厚度、产状等），也包含各层的物理力学性质（如容重、含水量、弹性模量、粘聚力、内摩擦角等）。如，地层结构A、地层结构B的空间几何状态完全一致，但它们的物理力学性质不同，则地层结构A、地层结构B是不一样的。

地层结构类型按岩性分为土层地层结构、岩层地层结构、土层-岩层地层结构；按地层产状可分为水平地层结构、倾斜地层结构。本文这里将断层破碎带、裂隙带、节理带等断裂带称作构造层。对岩土工程所处的地壳，从大的角度看，总体来说还是层状的，但也有非层状的情形，如岩浆侵入体、构造层等会呈现各种非层状的状态，本文这里也将其作为地层处理。

2 地层结构效应

本文第一作者是学地质出身，较长时间一直同时从事工程地质和岩土力学两方面的研究和教学工作，在地质与力学的交叉方面有所思考和领悟，同时吸收了岩体结构控制论[2]、优势结构面理论[3-4]、关键层理论[5]的有关成果，提出了“工程地层学”新学科[1]和“岩土工程地层结构效应”概念[1]。“岩土工程地层结构效应”是指地层结构对各类岩土工程的受力、变形和稳定性、经济性有重要影响，同一工程可选在不同的地层结构中，也可对选中的地层结构进行人为的改造（如加筋、注浆等），使之适合或更有利于本工程。

作者通过对边坡、浅基础、桩基础、基坑、地下工程中的地层结构效应进行了研究[1]，发现地层结构的不同对各类工程的稳定性、桩基础等的受力和变形有重要影响，并初步构建了一套地层结构效应的分析方法，应用到一些实际工程项目中，取得了较好的效果。对岩土工程，地层结构效应包含两层意思：

（1）三维空间的各地层展布特性的影响

三维空间的各地层展布特性对岩土工程有重要影响，如对锚索抗滑桩-边坡体系，应考虑抗滑桩及锚索周围地层即滑床稳定地层、滑坡体地层的分层性及空间展布对锚索抗滑桩与地层协同工作的影响。对锚索抗滑桩-边坡体系的研究，除典型地层结构外，还要涉及到典型地层结构的改变，边坡地层结构的改变主要指边坡中关键部位地层结构的改变，主要包括：（1）滑面以上抗滑桩后一定范围内（如1m 范围）的地层结构通过加筋、加网、少量注浆等方式进行改变，滑面

以上桩前的地层结构也按此种方法进行改变；（2）滑面以下桩周的地层结构主要通过少量注浆进行改变；（3）对锚索主要通过改变锚索角及锚固深度等改变锚索周围的地层结构；（4）对滑面也可进行少量注浆，从而改变了整个边坡的地层结构。

（2）考虑地层这一种特殊工程材料的承载或支挡性能，地层结构不同则其承载或支挡效能不同

岩土工程中应充分利用地层的特殊承载或支挡性能。目前在利用岩土体的自稳能力或自承能力方面已有一定的研究，如基坑工程中的时空效应理论（引入时间和空间概念，充分调用基坑软土自身控制地层移动的潜力，研究软土深基坑参数优化及控制基坑结构变形及周围地层位移的理论）[6]、地铁施工中的新奥法（就是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，采用毫秒爆破和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，充分考虑了断面开挖后岩体中的应力场再分布及自稳效应的时空特征，充分利用了围岩的自身强度）[7]。孙广忠认为地下隧道工程是一类典型的地质工程，可将隧道的围岩也看作一种支护材料[8]。

如对锚索抗滑桩-边坡体系，也可充分利用边坡地层的自承能力，也可将边坡地层也看作一种工程材料即工程抗滑材料。桩和锚索嵌入的滑床的稳定地层是一种工程抗滑材料；滑体地层中，滑面以上的桩前地层是一种工程抗滑材料，桩后一定范围内的地层也是一种工程抗滑材料，因为它形成土拱，和桩一起抗滑，即桩距在一定范围内时，

可以借助桩的受荷段桩背地层及桩两侧的摩阻力形成土拱效应，使滑体不至于从桩间滑出，承受了桩间距范围内滑体所产生的滑坡推力。地层组合不同即三维空间的地层展布不同则具有不同的支挡效果。这时的地层结构就相当于“工程结构”。锚索抗滑桩-边坡体系从一定角度也可看作是以抗滑桩、锚索为中介，以“地层制地层”的体系。如，以滑面以下的稳定地层来制滑面以上的滑体地层；以滑面以上抗滑桩桩后一定范围内的地层制其后面的滑体地层。

3 地层结构效应理论

本文这里提出“岩土工程地层结构效应理论”，它指的是，岩土工程所处的地层结构不同，则工程的稳定性、工程结构的内力分布、弯矩、变形等就不同，需要采用一定的数学的和力学的方法，研究如何优化地层结构，使地层结构效应最佳，使工程结构的变形和受力合理，在满足安全性（或稳定性）的条件下，达到最好的工程经济效益。主要有以下几方面的研究内容：（1）研究如何选择相对较好的地层结构。（2）研究如何通过人工的改造，使地层结构得到改善。（3）划分层组，确定优势层（或关键层），如持力优势层、敏感优势层、控稳优势层、控水优势层等。（4）研究地层结构影响工程稳定性、影响工程结构受力变形的机理。（5）研究不同地层结构的自稳和自承的承载性能，及地层与工程结构的协同工作机理和性状。（6）研究如何优化地层结构，取得最佳的地层结构效应。

参考文献

[1] 蒋建平,刘文白著.岩土工程地层结构效应与层组参数,人民交通出版社,2011,1(人民交通出版社重点图书).

[2] 王思敬,杨志法．地下工程中岩体工程地质力学问题,岩石力学与工程学报,1987,6(4):301-308.

[3] 罗国煜,阎长虹,陈兆乾，陈世福.岩坡优势面分析及其专家系统研究,科学通报,1993,38(21):1979-1982.

[4] 蒋建平,章杨松,罗国煜,阎长虹,汪明武.优势结构面理论在岩土工程中的应用,水利学报,2001(8):90-96.

[5] 钱鸣高,茅献彪,缪协兴.采场覆岩中关键层上载荷的变化规律,煤炭学报,1998,23(2):135-139.

[6] 刘建航,刘国彬,范益群.软土基坑工程中时空致应理恰与实线(上),地下工程与隧道,1999(3):7-14.

[7] 王梦恕,张建华.浅埋双线铁路隧道不稳定地层新奥法施工,铁道工程学报,1987(2):176-191.

[8] 孙广忠.论地质工程的基础理论,工程地质学报,1996,4(4):1-6.