工程地质力学及其应用中的问题

摘 要：随着地质力学的提出与应用，在实际工程建设中，解决实际工程问题的能力得到很大的提高，但是实际中，仍然存在迫切需要解决的工程问题。虽然关于工程地质力学的一些相关理论、方法与技术逐渐走向成熟，但是，作者认为工程地质力学及其应用中的问题仍然值得我们关注。本文通过对工程地质力学、岩石分类与地质体的简单介绍，分析目前我国工程地质力学所面临的问题，探讨工程地质力学及其应用中的问题，并提出一些建议，进一步提高解决实际工程问题的能力，促进我国工程地质力学的发展。

关键词：工程 地质力学 应用 问题

中图分类号:P55 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)02(c)-0000-00

随着地质力学的发展，我国国内出现了大量的相关性课题与研究，也取得了一定的成效，特别是我国实施西部大开发以来，随着我国西部的基础设施的大量建设，对于地学、力学等领域更加关注，越来越多研究人员从事与工程地质力学的相关性课题和研究，目前，我国关于工程地质力学的研究力量逐渐壮大，形成一支不可忽视的、甚至在世界也有一定影响力的研究力量。但是，随着工程地质力学的深入研究发现，工程地质力学的发展也是面临着“是机遇也是挑战”的状况，出现许多过去地质力学的理论与技术方法不能解决目前实际工程建设遇到的工程问题，所以工程地质力学仍及其应用中的问题仍然需要我们继续关注。本文针对目前我国在工程建设中的迫切需要解决的工程问题，结合千人的研究成果，通过简单介绍工程地质力学与地质体，分析目前我国工程地质力学所面临的问题，并讨论工程地质力学的研究方法。

工程地质力学的概述

地质力学包括地体的演化等相关内容信息，既是力学的一个分支，也是地质学的一个分支。工程地质力学是以工程为目的并以地质体为研究对象，利用力学等手段，研究工程相关的问题，最终解决工程世界需要迫切解决的的问题。工程地质力学是以工程为目的研究地质体变形破坏规律的科学，是地学、力学、工程科学等相互交叉的学科，着重于研究相关工程地质力学问题。

近年来，随着地质力学的发展，出现了许多相关课题与研究，但是在实际工程建设过程中，仍然出现大量经典的工程地质力学不能解决的工程问题，目前在工程建设中迫切需要解决的工程问题主要是探测地质体地力学特性、几何特性等，工程地质力学的主要研究内容主要包括相关仪器、力学测量参数、研究参数的方法等。

岩石分类与地质体

在工程地质力学中，岩石的分类非常重要，关于岩石分类的工作主要是在对地质体的勘察阶段，在多方面的工作都有涉及，例如初步设计、工程招投标等。目前，国内外提出了许多岩石分类方法，但是主要有两种方法，第一种是根据岩石本身的工程地质力学特性进行的分类方法，岩石本身的工程地质力学特性包括岩石本身的质量、坚硬程度等，第二种是结合工程进行分类，只要是根据围岩的稳定性进行分类，这种岩石分类方法并不常用，因为既要考虑岩石本身的特性，还要考虑实际建设的工程的类型、规模、可服务年限等，它着眼于工程扰动后围岩的。这两种岩石分类方法各有优缺点，通过比较，第一种方法只需要考虑岩石本身的工程地质力学的特性，即地质体的特性，并不需要考虑实际建设的工程的类型、规模等信息，所以比较常用，但是第二种岩石分类方法就需要把第一种岩石分类方法与工程设计结合起来，更具实际意义。但是由于在勘测阶段中得到的地质数据与信息较少，所以在这一阶段中进行的岩石分类是比较粗糙的，其概略性较大。

地质体指的是有岩石、土和水等组成，这些岩石、土和水是在一定的地质环境中根据一定的结构排列的，它具有工程地质力学的特性，这些特性充分表明传统的力学研究对象与工程地质力学研究对象是有区别的，具体有如下几点特性：

2.1 地质体的非连续性

地质体的非连续性指的是地质体中由于存在大量的具有相同特性的裂缝、断层等，这些在地质体中进行有序地分布，控制着整个地质体的强度。

2.2 地质体的非均匀性

地质体的非均匀性指的是主要存在于崩塌体等的岩石与图的混合体中，主要包括的内容有土与岩石的比例、岩石的形状与大小等，这些内容都表现为随机的。

2.3 地质体的留一固耦合性

地质体的留一固耦合性指的是岩石或者土的特性、裂隙渗流规律等，主要表现于地质体结构面上的强度与裂隙中水的压力具有相同的量级。地质体的留一固耦合性能够体现地质体的整体力学特性。

2.4 地质体的未知“初始“状态

地质体的未知“初始“状态特性与地质环境、地质构造运动的历史相关，主要包括的内容有未知的“初始”的地应力和结构面的发育程度，可以用于区别地质体与岩石材料。这里所说的“初始”指的是当前状态，是一个相对的概念。根据力学分析方法，地质体的未知“初始”状态这一特性表明需要定量化的给出“初始”状态，否则定量化的结果将无法获得，所以，给出地质体的“初始”状态很重要，它不仅是地质力学的关键任务，也是工程实际建设中能够解决问题的关键。

2.5 其它特性

地质体的其它特性有非线性特性、非弹性特性等，这些特性主要与岩石结构面的空间分布相关，在实际中，由于地质体的温度效应等特性与其它常见的固体材料相类似，可以被地质体其他特性掩盖，所以这些特性在工程实际建设中影响不是很大，可以在实际运用中忽略不计。但是特别的，研究的是冻土等这些与温度等相关的地质体，就需要考虑这些特性，所要研究的也就更较复杂了。

上述的地质体工程地质力学特性，虽然在描述方法上存在许多问题，这些问题需要我们进一步研究与探索，但是我们仍然运用室内地质体地力学分类方法进行分析探讨工程地质力学。

目前我国工程地质力学所面临的问题

目前我国工程地质力学所面临的问题主要有两类，一类是地下工程的地质力学问题，另一类是地面工程的地质力学问题，具体分析如下：

3.1 地下工程的地质力学问题

地下工程有很多，主要有交通建设工程与水电工程中的地下隧道、矿藏开采的地下采空区等等，这些地下工程与地质体的特性有紧密的联系，地质体中的岩石的坚硬程度、透水性等等都影响工程建设的造价，甚至影响工程建设的成败。地下工程的所面临的地质力学问题主要指的是地质体在高地应力环境下卸荷后发生变形与结构面变化（即破壞）。

3.2 地面工程的地质力学问题

地面工程主要指在地面进行较大型的基础建设、边坡工程等，例如航道、铁路公路的边坡等，这些地面工程会引发一些灾害，例如滑坡、泥石流等，在近几年来，我国由于边坡工程引发的灾害事件就很多。地面工程所面临的地质力学问题主要是在自然环境自然力作用下如重力作用、水作用等，地质体所受到的破坏。

工程地质力学相关研究方法存在的问题

地质工程是一个系统的工程，工程建设中各个阶段是相互联系的，在工程建设过程中，根据不同的工程目的，在实际工程建设中所遇到的问题也不同，或者问题的侧重点不同，需要充分考虑工程建设不同阶段中需要依赖工程地质力学解决的问题。

4.1 地质体地问题性判断

在工程进行建设之前需要对地质体进行勘测，在这之前有需要判断地质体的稳定性，这关系到工程建设的成败问题。在实际工程建设中，采取“避让”的原则很重要，避开那些危险、不稳定地质体，可以降低风险，但是把原本稳定的地质体判断文不稳定怎会造成巨大的损失。目前在我国，对于地质体的稳定性的判断上、解决问题上灯都是抓哟依赖于地质工程师的经验，值就是工程建设存在一定不安全性和一定的风险，例如以刚体极限平衡条分法为基础的边坡稳定性判断方法对滑面上的参数很敏感，而确定这些参数更重要的依赖于经验。

此外，有限元、悠闲差分等计算是科研性工作，在给出可靠的分析研究方法后，仍然需要其他大量的工作。

4.2 工程设计依据与分析方法

在工程建设中，对地质体的稳定性进行判断的工作只是一部分，还需要对山体的变形、工程结构等进行研究，因为在一些情况下，工程建设的地点存在无法选择或是与“避让”原则相反，这就需要研究地质变形，与工程结构所容许的变形相比，地质体所容许的变形要大，主要的是要研究工程结构与地质体的的相互作用。想要得出合理的工程设计以及进行工程设计的优化，就需要对地质体的“初始”状态、地质结构、地应力场地分布等等进行研究与勘测。目前在地下工程中比较常用的岩体分类技术，但是之中分类技术存在一些问题值得我们探索，例如目前还不是很清楚这种分类技术合理性的依据等，但是据研究发现，早我国西部较为复杂的地质环境中，运用这种分类方法具有可行性。具体问题具体分析，对于一些较为复杂的地质环境，还需要提供更多的工程设计方案，以供选择，以及提出可靠的设计依据和科学的分析方法。

4.3 探测地质体特性方法存在的问题

在工程建设之前需要进行工程建设的地点、工程建设的可行性等等进行确定，然后进行地质勘测与勘察，对工程建设地点进行地质条件研究，再此，得到的相关资料与信息越有利于工程建设，所以采用的勘察手段与方法很重要。目前，在实际工程建设中采用的勘察手段与方法有很多，但是由于存在经费等原因，真正获得详细的、精确的地质信息是存在很大的难度的，所以，以最小的代价与成本或等更精确详细的地质勘查信息是目前工程建设中最为迫切的问题。

本作者认为，在勘察地质体地方法中，相对于直接钻孔开挖等方法，波动、表面位移监测等方法在理论上更合理一些，因为这这些方法不存在破坏地质体原来的结构，并且这些方法体现是一个“动态”的勘察，而不是一个区域甚至是一个点的勘察，相对而言，成本又比较低。但是，在实际工程建设中，用上述的勘察地质体地方法是不够的，还需要更基础的理论工作和计算技术。

4.4 灾害预报方法手段

为了避免或者减少自然灾害或其他灾害造成的损失，对于工程，特别是一些具有复杂地质条件的工程，需要预测灾害可能造成的破坏程度、可能发生时间等等，目前，这也是一个迫切需要解决的问题，特别是地质体的时间效应，同时也寻在一些困难，因为灾害法身的时间与演化时间、突发事件都有关系，只通过预测方法与预报方法的一些理论是不够的，还需要知道如何进行监测以及对监测结果进行分析，但是对于突发事件发生的时间进行预测存在一定的难度，接下来也就不能预报灾害放生的时间。对于灾害预测，需要进行现场监测，进行现场监测可以解决工程实际建设中对地质灾害的临时预报以及预测出在什么条件下会发生灾害，我国还长期积累经验，从不同角度采用不同的方法进行研究，但是在实际中成效不大，结果不尽人意。

工程地质力学中的科学问题

工程地质力学侧重于应用型，需要对地质体地特性、变形、破坏规律进行研究，用来解决工程中一些共性问题，主要分为四方面内容:

5.1 地质体的本构关系

连续介质力学是将由离散颗粒构成的材料，用有限的方程来描述，因为非连续介质的特性在手机中不会表现出来等而忽略这种介质带来的影响，所以在实际中把中介简化为连续的，这种采用比较简单的处理方法是很简单的，并能得到很好的结果，解决了实际工程建设中许多问题，被广泛运用与工程实践中。随着对力学不断的深入研究，产生了一些新的研究理论和方法，也需要监理一些比较复杂的本构关系。目前对于地质体地非连续特性的研究方法有两种，一种是均匀化，另一种是将介质的非连续特性概化。第一种方法是不考虑结构面上的力学特性，用复杂的应力应变关系将介质负载的特性等效，例如损伤模型，就是结构面的这种特性等效在连续介质的应力应变关系之中，是一种“复杂的本构、简单的结构”的方法。第二中方法咋不考虑结构面上的力学特性，是一种“复杂的结构、简单的本构”。比较这两种方法，第二种方法个具有生命力，需要进一步的研究。

5.2 获得地质体的未知“初始”状态

前面已经对地质体的未知“初始”状态进行分析，对于这种未知“初始”状态的界定存在很大的困难，在对于一些问题进行记录，记录的时间较短并且在记录之前地质体进行如何的变形，这些都是人们不了解的。目前，人们都是根据地表特征、地貌特征进行定性判断，这是不够的，需要采用力学分析方法与手段给出定量化的结果。地质体有着复杂的的地质构成导致地质体具有非均匀的特性，在工程实际建设中，一些初始的地应力的测量方法存在一些问题，例如测量传感器的尺寸很小等，这就需要设置多个测量点。

5.3 地质体有连续到非连续的演化过程的描述

地质体存在许多结构面，这些结构面影响应力场的分布，所以需要建立较合理的力学模型才能较为准确获得地应力场。地质体地应力形成新的分布式可以引发新的破坏，地质体地破坏是由局部引发整体的过程。人们对于这种力学过程进行描述与测量是非常俊男的，目前人们做出大量的力学模型，并进行大量的研究工作，由于存在一些基础理论知识与计算方法的不完善等元婴，研究结果并不是很理想。

建议

对于上述的工程地质力学及其应用中的问题，需要具体问题具体分析，采用符合本工程的工程地质力学研究方法，例如建立一些科学的力学模型并进行模拟试验、深入细致地进行地质调查与现场勘测研究等。

结语

目前，不仅工程地质力学提出新的研究方法，并且为这些新的工程地质力学方法提出新的要求，工程地质力学面临新的挑战，但也是一个机遇，只有从根本上解决工程地质力学及其应用上的问题，才能整体上提高地质工程建设水平，促进我国的工程地质力学的发展。

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