岩土工程三个热点问题的讨论

▪ 洛阳矿山机械厂是国内生产大扭矩全 液压回转钻机的主要厂家之一，目前扭 矩已达到500kN.m。
▪ 上世纪末到现在，国内很多厂家开始生 产旋挖钻机，其发展速度和规模相当惊 人。目前旋挖钻机的最大扭矩达到 420kN.m。深度可达100m。
三、市场需求
▪ 1、环保的要求 ⑴低噪声； ⑵尽量减少泥浆污染； ⑶不能产生空气污染。
开创了我国大口径钻机的先河，后来他们又在此
基础上生产了BDM—4型大口径钻机，扭矩达
80kN.m。90年代他们又研制成功KTY3000型全
液压动力头钻机，从而结束了我国无大扭矩动力
头钻机的历史。现在又研制成功了KTY4000型全
液压动力头钻机，并在武汉天兴洲和南京大胜关
长江大桥上得到了应用。
▪ 山东地质探矿机械厂研制生产的冲击反 循环钻机，领导了一次冲击钻机的革命，尤 其是后来改进生产的液压冲击反循环钻机， 它从根本上解决了噪音污染、排渣效率低的 问题，在对付碎石类土地层方面，成为首选 设备。
▪ ﹙4﹚是建立斜坡稳定性数字化动态模 型，以单位结构体为工具，按动、静水 压力的变化规律，求出它们任意坡高为 变量的稳定性系数函数表达式，组合成 为岩体斜坡稳定性三维动态数字化模型。
▪ 本项研究提出可以包罗地壳 任何边坡的四种地质结构类型的 稳定性数字化动态模型计16个， 边坡坡角随坡高的动态变化模型 7个，提出了边坡治理决策综合 判据。
▪
提出了相邻坡高的稳定系数
的比值大于或等于1.00162才可
以考虑用削坡的治理的决策判据，
填补了边坡治理决策判据的空白。
▪ 应用效果
▪ 2019年张家口地质五队应用単滑动面 数字化动态分析方法和単滑动面地质结 构边坡定量设计方法对平流寺采矿边坡 进行了稳定性计算与中场1200米坡长的 岩体边坡定量设计，使勘察和设计缩短 了工期。
技术路线
﹙1﹚ 首先把把岩体斜坡地质结 构类型的划分为：单滑动面五面 体、同倾向双滑动面楔形四面体、 非同倾向双滑动面平行六面体、 多滑动面多面体地质结构岩体边 坡等4类。
▪ （2）提出了单位结构体与优势结构 体概念
岩体实质是三维无限非连续天然 结构介质，含有无穷多个相似形的结 构体，我们定义1米坡高边坡的某种 结构体为单位结构体。
欢迎的钻机，它的突出特点是移位方便、自
带动力、施工效率高。1980年广东省佛山
公路局首先使用SPC—300型车装水文钻机
施工直径1.5m、深36m的灌注桩孔。1982
年他们又在此基础上改进制造了GJC—
300H型钻机，扭矩为15kN.m。
▪
铁道部大桥工程局桥梁机械厂在20世纪80年
代生产的BDM—2型大口径钻机，扭矩达40kN.m，
▪
新河钻探机械厂在1973年就生产了我
国第一台潜水工程钻机，1976年通过鉴定。
由达式宇、范孟斌先生相继研制完成的
QSZ—800、QSZ—1250型潜水工程钻机
应该说是回转钻机系列的一种创新，动力装
置紧挨工作面，有节能和低噪声的优点。
▪
天津探矿机械厂生产的SPC—300型车
装水文钻机，是20世纪80~90年代一直很受
钻孔施工的时间是1963年，由过之光先生在葛洲坝
地质勘察中用建设部综合勘察院钻探机具厂（现在
的郑州市探矿机械厂）生产的红星300型打了直径
800mm的岩石取芯孔，当时的取芯目的是为了查
明岩石的裂隙发育情况。1977年他们又在红星300
型的基础上改进生产了红星400型，成为以后进行
大口径桩基设计的主要设备之一。
▪ 《岩体工程地质力学基础》一书著者 谷德振先生认为：“无论工程地质问 题多么复杂，归纳起来就是一个与工 程有关的岩体稳定问题。岩体之所以 失稳，影响因素很多，最关键问题在 于岩体内部存在着一些软弱结构面， 根据这些软弱结构面的空间分布和组 合关系形成了岩体结构的概念。”
▪ 各类地质工程的岩体结构失稳的客观 规律和评价方法有待于探索。旨在实 现边坡稳定性及其相关问题评价的新 突破。
基坑支护设计中的几个难题
1、目前流行的几个基坑支护设计软件（不 管是极限平衡法还是弹性抗力法），都只 考虑了平面问题，没考虑基坑的空间分布 状态，解决不了空间效应问题。
《深基坑双排桩支护结构设计理论与应用》中国建筑工业
出版社 2019
▪ 2、在边坡稳定性计算方面，目前采用的岩 土体力学参数只是统计意义上的均值或范 围值。由于地质体的复杂性，很难做到准 确取值。
▪ 从上式可知，随着坡高n的增加，稳 定性系数不断减小，滑动面与侧向切割 面的内聚力和摩擦角增加，稳定性系数 会增加；滑动面倾角增加，侧向切割面 的倾角越大，稳定性系数减小。该解析 解模型充分地反映了地下水等工程地质 条件对斜坡稳定性影响的客观规律。
▪ 创新点：
▪ 建立的岩体斜坡稳定性三维动态模 型，突破了目前岩体斜坡稳定性单个 滑动体技术的现状。模型推导中提出 了动态积分的概念。
▪ 1、无循环液 在1984年孙孝庆先生就提出“无循环液
钻进”，目前我国引进的旋挖钻机系列产品， 都属于这一类。由于环保的需求，这是将来 的发展方向。
▪ 2、大扭矩
这是大口径钻井的需求。现在桩基设计的 桩径越来越大，而且采矿竖井施工也要求采 用大口径钻机，这都需要大扭矩。我们最近 要定购的竖井设备，开孔直径达到10m，其 扭矩达500kN.m。
1 一般规定 2 原位测试法 3 经验参数法 4 后注浆灌注桩 5我的新方法
1 一般规定
（1）设计采用的单桩竖向极限承载力标准值 规定如下：
设计等级为甲级的建筑桩基，通过单桩静 载荷试验确定。
设计等级为乙级的建筑桩基，应通过单桩 静载荷试验确定，当地质条件简单时，可参 照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探 等原位测试和经验参数确定。
▪ 近20年来，本项目的主要研究人均从 不同时间开始致力于滑坡和岩体边坡的稳 定性预测和评价方面的研究。
▪ 理论意义
▪ 工程地质学的发展依赖于对岩土体介质属性 认识的发展。上世纪70 年代以来，工程地质 学科对岩体 介质的认识已经经过了连续弹性 介质、裂隙介质两个阶段。自《岩体工程地 质力学基础》一书问世以来，标志着对工程 岩体力学问题的研究已进入岩体结构介质为 主要对象的研究阶段。现场勘察和大工程实 例都说明，绝大多数岩体失稳都是结构体失 去平衡状态造成的，岩体斜坡失稳也是如此。 岩体结构是控制岩体变形和破坏的根本因素。
超深基坑 ＞15m
高边坡稳定分析与基坑支护设计常用的 计算理论和方法
1、极限平衡法 2、弹性抗力法 3、数值分析法
岩体斜坡稳定性 三维动态预测的量化计算
▪ 本项研究属于河北省自然科学基金项目。 其选题主要原因是地质灾害已经成为人类 生存环境的一个主要问题，尤其是在工程 建设规模不断扩大的今天，它是世界上很 多地区制约经济发展和生活安全的重要因 素之一。
2、钻头
所有有关“大口径”钻头的描述其直径
都大于800mm。
3、水井
通常人们说的“大口井”是指人工开挖的、
直径大于800mm的井。
▪ 大口径工程井的定义：
1、大口径工程井： d≥800mm 2、超大口径工程井： d≥2000mm
二、我国大口径钻机的发展和贡献
▪
在我个人收集的有关资料中，最早进行大口径
▪ 3、在建立模型时不得不做人为的简化，因 边坡及其所处地质环境和力学环境的复杂 性，使得边坡的边界条件无法较为客观地 确定，从而使分析结果往往与实际情况不 符。
▪ 4、对基坑稳定性的监测、预报的方法和理论 还没有系统化和理论化，真正的基坑失稳预 报系统还很少，预警值还不明确。
超大直径工程井的施工现状与 发展
岩土工程三个热点问题的讨论
梁金国 河北建设勘察研究院有限公司
要讨论的三个热点问题
1、高边坡与基坑支护设计； 2、超大直径工程井的施工现状与发展； 3、桩基承载力的计算方法。
高边坡与基坑支护设计
1、高边坡的定义
岩质边坡 ＞ 30m
土质边坡 ＞ 20m
2、基坑类别的划分
浅基坑
＜6m
深基坑 6——15m
▪ 河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂在
1990年研制生产了WJJ—3A型大口径钻机，扭矩 为43kN.m，1991年通过鉴定达到国内先进水平。 2000年他们研制成功并生产的GYD—400型全液 压动力头大口径工程钻机，扭矩达235kN.m，成 为当时国内大口径钻机之最。这期间他们还生产 了GF—200--300型系列产品，2019年，他们根 据市场需求，又研制生产了GYD-200、GYD-300 型全液压动力头钻机。这些钻机最突出的特点就 是经济适用。
▪ 对西柏坡“解放军总部”旧址滑坡 勘察中应用単滑动面斜坡稳定性动态 数字化模型建立的反分析方法，求得 该滑坡滑动面的抗剪强度。这种把天 然地质体作为实验场的方法不仅省去 了昂贵的野外试验投资，而且保证了 试验成果的代表性。也证明了此成果 另一个很有应用价值的作用。以上的 应用实例预示了此项研究成果的广阔 应用前景和重大的社会效益与经济效 益。
▪ 2、资源要求 ⑴低成本（包括设备购置和辅助材
料）； ⑵低消耗（主要是电力、燃料）； ⑶用人少。
▪ 3、使用要求 ⑴多功能（正、反循环、泵吸反循环、气
举反循环）； ⑵多用途（回转、冲击、冲抓等）； ⑶操作方便（自动化程度高、劳动强度
小）Fra Baidu bibliotek ⑷移动方便（钻机移位、运输）。
四、大口径钻机的发展趋势
▪ 河北建设勘察研究院有限公司于2019 对“平-涉S202公路岩质边坡高边坡勘 察”勘察过程中在2公里坡长的石英岩危 险陡坡勘察与治理方案中应用了此项成 果，对70余米的高边坡应用本项目的岩 体边坡坡角动态模型技术获得的稳定坡 角，提出三段式削坡治理方案。大幅度 地缩短了工期，体现出了明显的经济效 益，受到了应用单位的赞誉。该工程项 目获得中国城市规划协会2019年度全国 城市勘察测量一等奖。
▪ 所谓优势结构体，指经过工 程地质调查和实体比例投影对 比，最易失稳定一种或几种结 构体。
▪ 优势结构体分析，按组合交 线倾角的从大到小和它与斜坡 倾向交角的由小到大，同时考 虑到滑动结构面抗剪指标大或 小综合分析，依次排序。依次 计算各个结构体的稳定状态。
▪ （3） 应用实体比例投影方法求出单位 结构体滑动面的面积和体积。
▪ 工程意义
▪ 目前，岩体边坡坡角的设计仍停留在 经验设计阶段，岩体高边坡在削坡还 是加固的决策问题上缺乏理论根据， 缺乏对边坡整体与开挖前稳定性的预 测功能。这是由于目前所有的岩体边 坡三维稳定性分析方法都还停留在岩 体边坡单一滑块稳定性计算方式的。
以往为了确定滑动面的位置及滑坡 的体积、滑动结构面的面积耗费大量 的时间和人力与物力，人们希望有捷 径可走。
设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位 测试和经验参数确定。
（2）单桩竖向极限承载力标准值、极限侧阻力 标准值和极限端阻力标准值的确定规定如下：
单桩竖向静载试验按现行《建筑基桩检测技 术规范》（JGJ-106）执行。
对于大直径端承桩，可通过深层平板（平板 直径应与孔径一致）载荷试验确定极限端阻力。
一、大口径的定义
从上世纪八十年代就开始使用“大口径 钻机”、“大口径钻井”、“大口径工程” 这些词，大口径的定义是什么？何为“大口 径”？我们应该给“大口径”下个定义。
过去有关“大口径”方面的划分情况：
1、桩基规范
小桩：
d≤250mm
中等直径桩：250mm＜d＜800mm
大直径桩： d≥800mm
▪ 3、智能化
这既是文明生产的需求，也是质量管理 的需求。孔深、孔径、垂直度等都能显示， 人机对话实现电脑控制，操作系统程序化。 而且钻孔的所有检测数据都能储存和打印。 机械故障能够显示或报警。
4、高效率
这是建设市场发展的需求，也是钻 机市场竞争的需求。
钻机工作照片
单桩竖向极限承载力计算
単滑动面五面体地质结构动态三维稳定性动态 数字化模型为例：任意坡高斜坡的稳定性系数为
Knttaannttaann011nC1s12itnan(1s)siinn01ns2iCns(in)sin
▪ 式中：α01—滑动结构面与侧向切割面的组 合交线的倾角，可用赤平投影法求得。
▪ α，β—斜坡的坡角及滑动结构面倾角； ▪ C，C1—滑动结构面及侧向切割面的内聚力； ▪ φ,φ1—滑动结构面及侧向切割面内摩擦角； ▪ n—坡高； ▪ γ—岩体的容重； ▪ α1—侧向切割面的倾角；