岩土论文的研究方法有哪几种

地质学研究方法和试验研究方法是工程岩土学的基本研究方法。强调对岩体﹑土体自然产出条件﹐地质成因﹑结构构造特征的现场宏观研究和宏观﹑微观研究密切相结合。

1.乌瓦罗夫相关分析法

用物探研究地基岩土特性的基本方法通常有两种，一是野外原位测定，二是用数理统计的方法找出岩土各种特性指标与原位测定结果的统计对比关系。这里，介绍苏联.乌瓦罗夫提出的相关分析法中国地质科学院矿床地质研究所，1986。工程地球物理专辑，国外矿床地质，第2期。。

层状土层是由各种不同类别的土层构成的。由于土层沉积环境不同，即使是同类土，其物理力学指标和物性参数均可不同。因此，物性与岩土特性的相关关系具有地区性。对沉积环境比较一致的不同场地，物性与岩土特性的相关关系比较一致，这时，用抽样的办法可以较少量的岩土测定来估计场地的岩土特性。乌瓦罗夫提出的相关分析法的使用条件是，岩性与成因相同的土层所处的物理条件相对一致，所研究的参数呈正态或近似正态分布；所建立的物性与岩土特性的相关关系，其相关系数要在～之间。相关分析法具体步骤为：①在条件比较一致的地区，随机地、有代表性地对物性和岩土特性作较少量的抽样成对观测，所谓条件比较一致是指抽样数据呈正态分布或近似正态分布；②对所有观测数据进行归一化，变换为0～1范围的无量纲数据；③用一元回归方程作相关分析。

一元回归方程为

yi＝ΔxiRy+y0 （5-1-1）

式中，yi为待求的岩土特性变量； 为经归一化的物性变量，xi为物性观测值，x0为物性观测值的均值，xB为概率是时的物性值，Ry=yB-y0为岩土物性取值范围，y0为岩土特性测定值的均值，yB为概率是时的岩土特性测定值。

只要观测数据xi和yi呈正态或近似正态分布，方程（5-1-1）对地区不同而岩性与成因相同的岩土都成立。利用式（5-1-1）较容易地由物性数据求出地基的各种岩土特征的数值。若物性参数服从对数正态分布，则式（5-1-1）变为

地球物理勘探及地球化学勘探方法在城市建设中的应用

式（5-1-1）（、5-1-2）的特点是物探测定的参数以归一化形式出现，从而避免了各种量纲和不同物理条件对计算岩性与成因相同的岩土特征的影响。

下面给出莫斯科郊区多个场地的电阻率ρS与粘土微粒数量N、内摩擦角φ、内聚力C和塑性指数τ的关系式：

（以零点几表示）

（以度表示）

（无量纲）

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从上面的式子可看出，式子有很高的稳定性，物性参量以在抽样范围内归一化的形式进入回归方程。

根据前苏联的工作实践，抽样量的多少取决于工作区的研究程度。在研究程度较高的地区，物性观测值取20～30个，岩土特性测定值为4～6个，在新区，物性观测值取40～50个，岩土物性测定值取6～8个。

图5-1-1 钻探与PS测井结果的对比

1—粉砂质粘土；2—砂质粘土；3—泥质混砂；4—粉砂夹细粒砂；5—细粒砂

2.利用弹性波传播速度评价场地土的特性

高层建筑物的兴建，要求提供场地土的动力特征指标和场地地震效应，这可通过测定场地土的纵、横波的速度，尤其是横波速度来获得如剪切模量、泊松比、标准贯入试验锤击数（标贯值）和卓越周期等。

（l）利用波速对场地土进行分层

习惯上，人们用钻探地质剖面对场地土进行分层，然而，用物探测得的波速Vs、Vp也可对场地土进行分层。图5-1-1是用钻探与PS测井勘查某桥墩地基的结果，从图中可看出，用横波速度Vs分层的结果与钻探的大致吻合，较之纵波速度VP，横波速度VS的分辨能力更为灵敏。为确保桥梁安全，桥墩的基础应建立在承载力强、波速大的细粒砂层上。

（2）利用波速计算场地土的特性指标

在测得场地土的纵、横波速度VP、VS后，若在土工实验室中已测得场地土各层的容重γ（kN/m3），则可用式σ＝γ/g（g为重力加速度）得出土层的密度σ，并可用下列式子计算场地土各层的动力特性指标[2,3]。

1）动剪切模量：

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式中Gd为动剪切模量（kPa），σ为土层密度（t/m3）,VS为横波速度（m/s）。

2）动泊松比（μd）：

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式中， ；VP为纵波速度（m/s）。一般，粘土的μ为d ～，砂质土的μ为d ～；岩层的μ为d ～。

3）动弹性横量（Ed）可由下列两式计算

Ed=2Gd（1＋μd） （5-1-5）

或

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4）动体变模量（Kd）:

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5）场地土的卓越周期，为了评价场地土的地震效应，要求计算场地土的卓越周期，也就是场地土的自振周期（参照第二章第二节），这时

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式中，T为卓越周期（s）,H为表土层厚度（m）,VS为表土层横波速度（m/s）。当表层土为多层时，则卓越周期为

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式中，hi为第i层的厚度（m）,VS为第i层的横波速度（m/s）。

（3）利用相关关系求场地土特性指标

标准贯入试验锤击数和内摩擦角 标准贯入试验是利用一定的落锤能量，将一定尺寸、一定形状的探头打入土中，根据打入的易难程度（标准贯入试验锤击数目一标贯值N）来确定土的性质的一种现场测定方法。虽然其物理意义还不十分明确，但在一定条件下，按照经验，N 值是一个评价地基土层力学性质的主要指标，实用价值很高。不少人研究了波速与实测的N 值之间的关系，结果发现，高速层对应着高标贯值，低速层对应着低标贯值，Vs与N有很好的相关关系，相关系数达（8 见图5-1-2）[3]。这里，收集了一些Vs与N 相关关系的研究成果（表5-1-2）[4]。按适用范围对砂类土、粘性土和不考虑土质差别三种情形分别进行回归分析（图5-1-3），得到如下各回归方程：

粘性土：

砂类土：

类土不分：

式中，γ为相关系数。

图5-1-2 横波速度Vs和N值的关系

表5-1-2 Vs与N值相关关系的经验公式

图5-1-3 Vs与N值的统计关系

（据王广军，1982）

根据式（5-1-9）、（5-1-10）、（5-1-11），可由实测的Vs求得标准贯入试验锤击数N。内摩擦角（φ）是反映土层抵抗剪切破坏极限能力的指标。当φ≤45°时，场地土的φ与N 值存在如下关系

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利用上式，根据实测的VS可间接地求得φ。

土的静止侧压力系数（K0）、固结屈伏应力（py）和单轴压缩强度（qu）的确定[3]场地土的Vs与K0、py、qu亦存在着相关关系（图5-1-4），即

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图5-1-4 横波速度与K0、py、qu的相关关系

（据山内等，1983）

式中

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式中

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式中

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（4）利用波速研究土层特性随深度的变化

对营口、沈阳、鞍山、冀东等地34个钻孔的检层法、跨孔法和不同深度的岩土参数原位测定的资料[6]研究表明，同一类土的横波速度随深度增加而增大，而在相同深度上，中粗砂的波速最大，粉细砂次之，最小的是粘性土（图5-1-5）。横波速度与深度的关系为

粘性土：

粉细砂：

中粗砂：

式中，n为统计点数、γ为相关系数。由上式可看出，在用波速研究土层特性时，应注意波速随土层的变化，从而对土层特性作出更客观的评价。例如，根据动剪切模量 及式（5-1-16）、（5-1-17）、（5-1-18），则可研究各类土动剪切模量随深度变化的规律，其计算公式是

粘性土：

粉细砂：

中粗砂：

式中，σ为介质密度（t/m3）。

图5-1-5 各类土横波波速随深度的变化

（据张宝山，1984）

1—营口鞍山；2—沈阳；3—冀东

图5-1-6 纵波、横波、瑞雷波与泊松比的关系

岩土工程领域有城市地下空间与地下工程、边坡与基坑工程、地基与基础工程等主流研究方向。

城市地下空间与地下工程：以城市地下空间为主体，研究地下空间开发利用过程中的各种环境岩土工程问题，地下空间资源的合理利用策略，以及各类地下结构的设计、计算方法和地下工程的施工技术（如浅埋暗挖、盾构法、冻结法、降水排水法、沉管法、TBM法等）及其优化措施等等。

边坡与基坑工程：重点研究基坑开挖（包括基坑降水）对邻近既有建筑和环境的影响，基坑支护结构的设计计算理论和方法，基坑支护结构的优化设计和可靠度分析技术，边坡稳定分析理论以及新型支护技术的开发应用等。

地基与基础工程：重点开展地基模型及其计算方法、参数研究，地基处理新技术、新方法和检测技术的研究，建筑基础（如柱下条形基础、十字交叉基础、筏形基础、箱形基础及桩基础等）与上部结构的共同作用机理和规律研究等。

发展前景

展望岩土工程的发展，笔者认为需要综合考虑岩土工程学科特点、工程建设对岩土工程发展的要求，以及相关学科发展对岩土工程的影响。

岩土工程研究的对象是岩体和土体。岩体在其形成和存在的整个地质历史过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而有着复杂的结构和地应力场环境。而不同地区的不同类型的岩体，由于经历的地质作用过程不同，其工程性质往往具有很大的差别。

岩石出露地表后，经过风化作用而形成土，它们或留存在原地，或经过风、水及冰川的剥蚀和搬运作用在异地沉积形成土层。在各地质时期各地区的风化环境、搬运和沉积的动力学条件均存在差异性，因此土体不仅工程性质复杂而且其性质的区域性和个性很强。

工程地质研究的主内容有：确定岩土组分、组织结构（微观结构）、物理、化学与力学性质（特别是强度及应变）及其对建筑工程稳定性的影响，进行岩土工程地质分类，提出改良岩土的建筑性能的方法；研究由于人类工程活动的影响而破坏的自然环境的平衡，以及自然发生的崩塌、滑坡、泥石流及地震等物理地质作用对工程建筑的危害及其预测、评价和防治措施；研究解决各类工程建筑中的地基稳定性，如边坡、路基、坝基、桥墩、硐室，以及黄土的湿陷、岩石的裂隙的破坏等，制定一套科学的勘察程序、方法和手段，直接为各类工程的设计、施工提供地质依据；研究建筑场区地下水运动规律及其对工程建筑的影响，制定必要的利用和防护方案；研究区域工程地质条件的特征，预报人类工程活动对其影响而产生的变化，作出区域稳定性评价，进行工程地质分区和编图。随着大规模工程建设的发展，其研究领域日益扩大。除了岩土学和工程动力地质学、专门工程地质学和区域工程地质学外，一些新的分支学科正在逐渐形成，如矿山工程地质学、海洋工程地质学、城市工程地质及环境工程地质学、工程地震学。1工程地质与岩土工程的区别工程地质是研究与工程建设有关地质问题的科学(张咸恭等著《中国工程地质学》)。工程地质学的应用性很强,各种工程的规划、设计、施工和运行都要做工程地质研究,才能使工程与地质相互协调,既保证工程的安全可靠、经济合理、正常运行,又保证地质环境不因工程建设而恶化,造成对工程本身或地质环境的危害。工程地质学研究的内容有:土体工程地质研究、岩体工程地质研究、工程动力地质作用与地质灾害的研究、工程地质勘察理论与技术方法的研究、区域工程地质研究、环境工程地质研究等。岩土工程是土木工程中涉及岩石和土的利用、处理或改良的科学技术(国家标准《岩土工程基本术语标准》)。岩土工程的理论基础主要是工程地质学、岩石力学和土力学;研究内容涉及岩土体作为工程的承载体、作为工程荷载、作为工程材料、作为传导介质或环境介质等诸多方面;包括岩土工程的勘察、设计、施工、检测和监测等等。由此可见,工程地质是地质学的一个分支,其本质是一门应用科学;岩土工程是土木工程的一个分支,其本质是一种工程技术。从事工程地质工作的是地质专家(地质师),侧重于地质现象、地质成因和演化、地质规律、地质与工程相互作用的研究;从事岩土工程的是工程师,关心的是如何根据工程目标和地质条件,建造满足使用要求和安全要求的工程或工程的一部分,解决工程建设中的岩土技术问题。2工程地质与岩土工程的关系虽然工程地质与岩土工程分属地质学和土木工程,但关系非常密切,这是不言而喻的。有人说:工程地质是岩土工程的基础,岩土工程是工程地质的延伸,是有一定道理的。工程地质学的产生源于土木工程的需要,作为土木工程分支的岩土工程,是以传统的力学理论为基础发展起来的。但单纯的力学计算不能解决实际问题,从一开始就和工程地质结下了不解之缘。与结构工程比较,结构工程面临的是混凝土、钢材等人工制造的材料,材质相对均匀,材料和结构都是工程师自己选定或设计的,可控的。计算条件十分明确,因而建立在材料力学、结构力学基础上的计算是可信的。而岩土材料,无论性能或结构,都是自然形成,都是经过了漫长的地质历史时期,在多种复杂地质作用下的产物,对其材质和结构,工程师不能任意选用和控制,只能通过勘察查明,而实际上又不可能完全查清。岩土工程师不敢相信单纯的计算结果,单纯的计算是不可靠的,原因就在于工程地质条件的不确知性和岩土参数的不确定性,不同程度地存在计算条件的模糊性和信息的不完全性。因而虽然土力学、岩石力学、计算技术取得了长足进步,并在岩土工程设计中发挥了重要作用,但由于计算假定、计算模式、计算方法、计算参数等与实际之间存在很多不一致,计算结果总是与工程实际有相当大的差别,需要进行综合判断。