1 引言

《巖土工程設計與施工》的授課對象是地質工程專業的學生。“巖土工程(Geotechnical Engineering)” 這個詞一般在學術領域多指的是與土力學和地基工程相關的學科，而在工程咨詢領域，實際上巖土工程也包括了巖石工程。在一些咨詢公司，巖土工程也稱作地層工程(Ground Engineering)。由于巖土工程涉及的內容非常寬廣，在有限的學時內不可能面面俱到，因此這個課程側重講授土力學與地基工程最基礎和日常遇到的設計理論和施工技術, 每一部分都特別強調了技術, 施工與社會和經濟之間的關系。一些先進的巖土工程設計方法和論題, 例如水平載荷下樁的受力和變形(p-y分析), 機器地基(machine foundation), 土工織物材料(geotexile), 數值模擬(numerical modeling)等由于學時所限不在本課程的授課范圍之內。

《巖土工程設計與施工》與另一門為土木/道橋專業開設的專業課《基礎工程》非常相近，《基礎工程》側重于橋梁工程的樁基礎設計和施工，因此這兩門課的內容有一定程度的交叉。有興趣的同學可參考[<基礎工程>課程簡要回顧(Foundation Engineering)]獲得更多相關知識。

<基礎工程: Foundation Engineering>的幾本參考書

基礎工程---第一章: 導論 (1)

基礎工程---第一章: 導論 (2)

2 課程內容Outline

本質上來說，任何土木工程項目可以分解成三大部分：(1)巖土工程；(2) 結構工程；(3）施工技術和管理。簡言之，《巖土工程設計與施工》講授的是(1)以及(3)中涉及巖土部分的施工技術和管理。結構工程設計和施工不在本課程的范圍之內。整個課程將分成以下幾個模塊:

2.1 巖土工程勘察

巖土工程勘察是整個巖土工程學科最基礎的部分。巖土工程勘察的主要目的是查明工程范圍內地下巖土體的物理力學性質以及地下水的賦存情況，為巖土工程設計提供堅實的基礎資料。由于已經有一門獨立的課程專門講授巖土工程勘察，因此這個模塊側重從技術,經濟,安全的角度討論完成一個真實的巖土工程勘察項目的完整步驟, 同時特別強調標準貫入試驗(SPT)的應用---推導設計參數[BYSPT: 使用標準貫入試驗估算土體的物理力學參數值；基于標準貫入試驗(SPT)的液化分析軟件 NovoLIQ 4.0.2020.622]。

2.2 淺基礎基本概念

這個模塊討論剛性基礎,柔性基礎, 剛性擴大基礎,地基容許承載力,持力層,下臥層和軟弱下臥層的基本概念; 基礎下的應力分布。有效應力的概念以及在多層土中有效應力的計算方法。

基礎工程---第二章: 天然地基上的淺基礎 (1)

基礎工程---第二章: 天然地基上的淺基礎 (2)

基礎下的應力分布計算---(2:1法和Westergaard法)

2.3 淺基礎沉降計算 

在這個模塊中, 簡要描述了砂土和粘土地層沉降的概念和計算方法, 包括瞬時沉降, 主固結沉降和次固結沉降的概念, 演示Settle3D軟件的計算過程和結果解釋.

壓縮指數Cc的經驗估算---與初始孔隙比e0的回歸關系

壓縮指數Cc的經驗估算---與天然含水量Wn的回歸關系

一個粘土預固結壓力的經驗計算方法

砂土上圓形淺層地基的彈性沉降---一個基于實踐的估算方法

不同類型土的彈性模量---一個經驗總結

基礎在粘土地基上的沉降模擬

2.4 淺基礎土的夯實 

土的夯實(compaction)是巖土工程中最常見的施工方法, 這個模塊著重強調最優含水量和最大干密度的概念在實踐的巖土工程中的意義, 講授了各種各樣的夯實手段和現場測試方法, 作為一般了解，介紹國內基本不使用但在北美廣泛使用的核密度儀。 

填方路基施工---Compaction

尾礦庫閉庫形成的壩堤邊坡(Embankment Construction)

2.5 水平土壓力

這個模塊講授水平土壓力的三種類型, 擋土墻的類型及其驗算內容, 基坑的常用支護結構形式, 特別強調土釘墻(噴錨網)的支護原理, 這是北方地區經常使用的一種基坑支護方式。討論排樁支護基坑的設計和施工方法。

從巖土工程視角看本周美國水壩的損壞

靜止土壓力系數Ka的擴展計算方法

Gravity Dam: 重力式混凝土壩水壓力計算

Gravity Dam: 重力式混凝土壩地震力計算

Gravity Dam: 重力式混凝土壩上浮壓力計算

2.6 樁基礎

這個模塊簡要講授樁基礎的特點和適用情況, 樁在垂直載荷作用下的工作機理和設計原理, 包括端承樁和摩擦樁的計算方法；單樁承載能力,負摩阻力,單樁軸向荷載傳遞機理, 單樁在軸向受壓荷載作用下的常見的破壞模式, 群樁效應以及樁基礎的沉降計算方法。特別強調凍土層在進行天然地基和樁基礎設計時的考慮。討論灌注樁，夯實擠密樁和CFG樁復合地基的施工工藝。

水平載荷作用下樁的受力和變形分析方法

基礎工程---第四章: 樁基礎的設計計算(1)

基礎工程---第四章: 單樁軸向承載力容許值(2)

2.7 沉井基礎及地下連續墻

沉井是井筒狀的結構物，它是以井內挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設計標高，然后經過混凝土封底并填塞井孔，使其成為橋梁墩臺或其它結構物的基礎。部分討論如下所示.

沉井基礎(Caisson Foundation)---思考題 (1)

沉井基礎(Caisson Foundation)---類型劃分 (2)

沉井基礎---形狀和尺寸(Shape and Size) (3)

沉井基礎---設計載荷(Design Loads)和地基允許承載力(ABP) (4)

沉井基礎---側摩阻力(Skin Friction)計算 (5)

地下連續墻(Diaphragm Wall)小結

2.8 特殊論題

在這個模塊中，首先討論一些非常規的地基處理技術，例如置換, 排水, 擠密, 加筋,攪拌, 灌漿, 熱加固和凍結等地基處理施工工藝。具有特殊工程性質的土類稱為特殊土。其次，討論一些具有區域性特點的特殊土，包括濕陷性黃土(collapsible soils)、膨脹土(expansive soils)、軟土和凍土等。除了介紹這幾種特殊土之外, 作為補充也介紹雜填土, 火山灰土和冰川沉積土。簡要討論地震區土的液化和抗震設計。

3 專業特點

通過本課程的學習，能夠讓學生掌握巖土工程的基本理論，獲得土木/巖土工程師的基本訓練. 畢業后能從事巖土工程勘察, 施工與管理工作, 具備初步的巖土工程設計和施工組織能力。與結構工程和橋梁工程專業相比, 似乎對數學和力學知識的要求相對較低, 但這并不意味著巖土工程是一個好學的專業，事實上，巖土工程強烈地需要工程地質學,水文地質學, 工程測量學, 彈性力學，塑性力學，流變力學，材料力學，巖石力學, 土力學等理論和知識，與地質學,地球物理學,固體力學,流體力學,計算機科學等領域形成交叉學科, 也為想深造和致力于學術研究的畢業生提供了廣闊的發展空間。而這一切源于巖土材料的不確定性和空間變異性，因此具有受教育的猜想(Educated Guess)和良好的工程判斷力(Engineering Judgement) 對于成為一個合格的巖土工程師是非常重要的。  

必須意識到，巖土工程在最初的工作階段確實很辛苦，大約70%的時間必須在野外工作, 30%的時間在辦公室工作，幾乎沒有上下班的概念，有可能遠離家庭到一些非常偏遠的地方工作一段時間, 在工地上吃住。不過雖然艱苦些，但這些實踐經歷會慢慢轉化為你的資本，如果返回頭來想深造或者去作計工作, 那么你的研究題目將會更有針對性而不是紙上談兵，而你的設計方案也會更受客戶歡迎。