谈论岩体结构与工程地质要点

摘要： 岩体工程地质力学的问世 ,不仅推动了工程地质学科的发展 ,而且提高了解决实际工程问题的能力。在其发展过程中 ,新的研究课题不断地被提了出来。随着这些问题的解决 ,一些重要的理论、方法和技术将形成和逐步走向完善。

关键词：岩体工程地质力学岩体结构地质模型

Abstract: The advent of engineering geomechanics of rock mass, not only promote the development of engineering geology, but also improve the ability to solve practical engineering problems. In the process of its development, new research topics have been brought forward. Along with the solutions to these problems, some important theories, methods and techniques will be formed and perfected gradually.

Keywords: rock mechanics; engineering geology; geological model of rock mass structure;

中图分类号：P55文献标识码：A文章编号：

世界上, 最早的工程地质学的精典著作, 一是太沙基教授著的《工程地质学》( 1929) ; 二是萨瓦连斯基教授著的《工程地质学》( 1937) 。这两部书问世之后, 对推动各国的工程地质学的发展起了很大的作用。在此之后, 各国也相继发表了很多版本的《工程地质学》, 虽然在内容方面有新发展, 但其学术思想还是属于太沙基教授和萨瓦连斯基教授的学术思想范畴, 他们多注重地壳表层的地质作用及其所产生的各种工程地质现象, 并对土质方面的工程地质问题, 进行了比较深入地研究。由于当时的铁路工程、隧道工程、水坝工程的规模较小, 基本上满足了工程建设的需要。

我国著名的工程地质学家谷德振教授著的《岩体工程地质力学基础》( 1979) 具有新的学术思想, 是从地质历史的发展过程—建造与构造, 并运用地质力学的观点, 研究了岩体的工程地质特性及力学的成因问题, 具有工程地质学方面的新的理论特色, 对解决大型岩体工程建设问题起了很大的作用。对完善各国的工程地质学的理论体系, 具有重大的意义。

岩石力学做为一门新兴学科是在50 年代逐步形成的。第一本《岩石力学》( J. 塔洛布尔著) 直到1957 年才出版。当时的岩石力学的占有支配地位的理论是材料力学、即把材料力学中的连续介质力学理论引用到岩石力学之中, 这是岩石力学初期发展的特点。到了70 年代, 人们对岩体有了新的认识, 开始建立了“岩体”与“岩块”的两个不同的概念。岩体是具有裂隙的, 岩体力学性质是与裂隙性质密切相关。所以, 裂隙岩体力学特性成为岩体力学研究的中心课题, 从而使岩体力学有了新的发展。其代表作是1974 年米勒教授( L.Muller) 主编的《岩石力学》文集。

岩体力学的发展具有十分重要的意义, 为岩体力学的新突破提出了理论基础。对于岩体中看起来杂乱无章的裂隙, 称之为结构面的分布与组合, 是有规律可循的。这就为岩体力学规律性的研究奠定了基础。

孙广忠教授著《岩体力学基础》( 1983)和《岩体结构力学》( 1988 年) 的书中明确提出了“岩体结构控制论”做为岩体力学的基础理论, 书中比较全面地的论述了: ①岩体的地质特征—岩体力学的地质基础;②岩体结构的力学效应—岩体力学的基本规律;③岩体力学分析原理及方法。《岩体结构力学》可称为当今阶段的岩体力学发展的代表作。从生产实践观点来看, “岩体工程地质力学”与“岩体结构力学”的研究对象是相同的, 即边坡、地基、地下隧道与硐室等工程岩体稳定问题; 它们的服务目标也是一致的, 即为工程设计与施工服务。这两门学科既有不可分割的紧密联系, 又各有侧重, 分别进行深入细致的研究工作。两者的关系见图

根据图1 可见: 以工程设计为服务目标来讲, 岩体工程地质力学研究与岩体结构力学研究是一个整体。

岩体工程地质力学研究主要有三个内容:

( 1) 岩体结构形成的物质基础

岩体结构特性的好与坏与地质建造的形成环境、形成时代、成岩作用和演变过程有着内在的有机联系, 所以弄清组成各种建造的岩石组合特征和岩石的工程地质性质, 并依此进行岩层的工程地质分组。每类岩组均有自身的岩体结构的规律性。

( 2) 岩体结构的地质力学分析

在认识岩体结构特性的过程中, 既要重视地质建造, 也更要重视建造的改造和再改造。岩体结构特性与褶皱断裂有着密切的关系, 为了弄清岩体结构类型与及其规律性, 必须应用地质力学理论与方法, 研究构造变形场形成的时间性, 空间性和力学性, 并探索褶皱断裂形成的力学机制和构造型式及其构造应力场的特征等等。

( 3) 地质模型

根据工程地质岩组的特性和岩体结构的类型, 并结合岩体工程的性质、形状、尺寸及所处的地质背景位置, 以岩体结构控制论的观点对上述各种要素进行综合分析, 最后抽象为地质模型, 依此来判断工程岩体变形破坏形式。

岩体结构力学研究,主要有两大内容:

( 1) 将地质模型转化为力学模型地质模型

不仅是岩体工程地质力学的主要研究内容, 同时又是岩体结构力学的主要研究内容。前者侧重于研究地质模型的成因和类型, 而后者是侧重于研究地质模型的力学效应。即依赖于岩体结构及其力学效应, 将地质模型转化为力学模型。

( 2) 将力学模型转化为数学语言

岩体工程地质力学研究, 以目前的研究水平来讲, 多属于定性研究, 虽然也可以作为工程设计的依据, 但尚不够充分。所以, 必须经过地质模型, 转化为力学模型, 再将力学模型中与岩体变形破坏机制有关的各种要素, 从定性的转化为定量的, 并用数学语言表达出来, 才能进行岩体稳定性的力学分析。

岩体稳定性的力学分析成果, 从某种意义上讲, 是岩体工程地质力学与岩体结构力学的共同的最终成果, 是工程设计最充分的依据。但一项最佳的工程设计, 除应用最终成果之外, 还应对其他的研究内容: 工程地质岩组, 岩体结构, 地质模型和力学模型等的含义有充分了解、消化、吸收, 才能使工程设计达到最佳的目标。

孙广忠教授著《岩体结构力学》一书, 不仅是发展了岩体工程地质力学, 也发展了岩体力学, 它具有我国岩体力学的理论特点。作者将这一理论特点概括为以下五条:

( 1) 岩体力学是研究环境应力改变时的岩体再变形和再破坏的科学。

( 2) 岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构控制作用远远大于岩石材料的作用。

( 3) “岩体结构控制论”是岩体力学基础理论, “岩体结构力学效应”是岩体力学的力学基础, 岩体结构分析方法是岩体力学研究的基本方法。

( 4) 岩体赋存于一定的地质环境中, 岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩石力学性能。

( 5) 在岩体结构, 岩石及环境应力条件控制下, 岩体具有多种力学介质和力学模型, 岩体力学是由多种力学介质和多种力学模型构成的力学体系。

结束语

总而言之，就是希望“岩体结构力学”与“岩体工程地质力学”紧密结合, 共同创造一套现代化的工程地质勘察技术, 岩体力学测试技术和现场岩体监测手段, 以便能够简便, 快速, 准确地获得第一性资料, 依此, 再应用先进的理论, 才能更好地解决工程实践问题, 同时又能更进一步地推动学科理论的发展。