1 引言

 

  地質(zhì)力學(xué)既是地質(zhì)學(xué)的一個分支也應(yīng)當(dāng)是力學(xué)的一個分支，涵蓋了與地質(zhì)體的演化、變形與破壞有關(guān)的大量內(nèi)容。工程地質(zhì)力學(xué)著重于研究與工程相關(guān)的地質(zhì)力學(xué)問題。在這里，“工程”是指以工程為目的，研究工程尺度的問題；“地質(zhì)”是指研究對象為地質(zhì)體；“力學(xué)”則代表學(xué)科性質(zhì)。作為地學(xué)、力學(xué)與工程科學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，工程地質(zhì)力學(xué)是以地學(xué)為基礎(chǔ)，以力學(xué)為手段，解決與工程相關(guān)的、涉及地質(zhì)體演化、變形與破壞的科學(xué)問題。在李四光創(chuàng)立的地質(zhì)力學(xué)[1]的基礎(chǔ)上，谷德振[2]等率先開展工程地質(zhì)力學(xué)的研究。之后，孫光忠[3]發(fā)表了專著《巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)》，將巖體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，對不同種類結(jié)構(gòu)巖體并給出不同的力學(xué)分析方法；王仁[4]借助于有限元方法將彈塑性理論用于反演大地構(gòu)造應(yīng)力，成功地預(yù)測了未來地震危險地區(qū)，是力學(xué)和地學(xué)相結(jié)合取得重要成果的典型例證；王思敬[5]在工程巖體變形破壞機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展了巖石工程穩(wěn)定性分析原理和方法。

 

  近年來，隨著我國實施西部開發(fā)和大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，越來越多的研究人員正在地學(xué)、力學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域從事地質(zhì)工程問題的相關(guān)研究，并在世界范圍內(nèi)形成了不可忽視的研究力量。已經(jīng)開展的工作涉及巖石力學(xué)的集成分析[6]、多場耦合[7]、力學(xué)參數(shù)探測[8]、地應(yīng)力變化[9]、損傷力學(xué)[10]和破損力學(xué)[11]、巖石動力學(xué)[12]、深層巖石力學(xué)[13]等方面。然而，工程地質(zhì)力學(xué)的發(fā)展不僅面臨著機(jī)遇，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。許多超常規(guī)模的地質(zhì)工程建設(shè)中存在著大量的經(jīng)典力學(xué)理論和方法難以解決的力學(xué)問題[14，15]。為此，王思敬[16]在總結(jié)我國地質(zhì)力學(xué)的研究成果同時，也提出了未來巖石力學(xué)發(fā)展的任務(wù)。

 

  本文綜合前人的成果，針對我國地質(zhì)工程迫切需要解決的問題，從力學(xué)的角度，首先分析了地質(zhì)體的特性，提出了工程地質(zhì)力學(xué)面臨的工程問題和科學(xué)問題，討論了工程地質(zhì)力學(xué)的研究方法以及與相關(guān)學(xué)科相結(jié)合的切入點，認(rèn)為以地學(xué)為基礎(chǔ)、力學(xué)為手段、工程為目的的結(jié)合形式有利于工程地質(zhì)力學(xué)的發(fā)展。

 

  2 地質(zhì)體的主要力學(xué)特性

 

  地質(zhì)體是由賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中并按照某種結(jié)構(gòu)排列的巖石、土和水組成的。它具有非連續(xù)、非均勻、流–固耦合以及未知“初始”狀態(tài)的特性。

 

  地質(zhì)體的這些特性充分體現(xiàn)了地質(zhì)體與傳統(tǒng)力學(xué)研究對象的區(qū)別。

 

  非連續(xù)性：地質(zhì)體中含有大量的斷層、裂隙、節(jié)理、軟弱夾層(通稱為結(jié)構(gòu)面)等，它們共同的特性是復(fù)雜而有序地分布在地質(zhì)體中，對地質(zhì)體整體的強(qiáng)度起著控制作用。

 

  非均勻性：通常賦存于古滑坡體、崩塌體中，表現(xiàn)為土石混合體，其中塊石和土的混合比例、分布、塊石的大小、形狀、空間姿態(tài)是隨機(jī)的。土、石兩種材料強(qiáng)度有兩個量級以上的差別以及土體的斷裂可以導(dǎo)致更為復(fù)雜的力學(xué)行為。

 

  流–固耦合特性：主要體現(xiàn)在地質(zhì)體結(jié)構(gòu)面上的強(qiáng)度與裂隙中水的壓力具有相同的量級。該特性不僅包括巖石或土作為材料的特性、裂隙滲流規(guī)律，更為重要的是體現(xiàn)了山體的整體力學(xué)特性。

 

  地質(zhì)體的上述特性盡管在描述方法上仍然有很多問題值得深入的研究和探索，但一般可通過室內(nèi)實驗進(jìn)行精細(xì)的分析并獲得形式多樣的本構(gòu)關(guān)系和一些特殊的規(guī)律。然而，地質(zhì)體是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，從這個系統(tǒng)中取出任何一個局部(巖體的試樣)都不能代表它整體的特性，即試樣不具有代表性；從另一個方面說，巖體的試樣離開了地質(zhì)體就失去它作為母體中一部分的作用，甚至在有些情況下獲取試樣的過程中其特性就發(fā)生了改變。當(dāng)然，為研究地質(zhì)體的整體特征，充分地了解其局部特性是非常必要的，而更重要的是如何在此基礎(chǔ)上描述和探測出地質(zhì)體的整體特性。

 

  地質(zhì)體未知“初始”狀態(tài)的特性可作為區(qū)別地質(zhì)體與巖土材料的要素之一。它包括未知的“初始”地應(yīng)力和未知的“初始”破壞程度(結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度)，在這里，“初始”狀態(tài)是相對的，有時也可稱為“當(dāng)前”狀態(tài)，特指某一事件(開挖、崩塌、降雨)發(fā)生前的地質(zhì)體的狀態(tài)。地質(zhì)體的這一特性與地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造運動的歷史有關(guān)，并且決定著地質(zhì)體的力學(xué)行為。按照力學(xué)的分析方法，不能定量化地給出初始的狀態(tài)就無法獲得定量化的結(jié)果。因此，探明地質(zhì)體的初始狀態(tài)，不僅是工程地質(zhì)力學(xué)的重要任務(wù)，也是使該學(xué)科真正能夠解決實際問題的關(guān)鍵。

 

  盡管地質(zhì)體還存在其他的特性，如材料的各向異性特征、尺度效應(yīng)、非彈性、非線性特性等，筆者認(rèn)為這些特性主要與巖體結(jié)構(gòu)面的空間分布有關(guān)。并且，由于地質(zhì)體的時間效應(yīng)、溫度效應(yīng)、化學(xué)腐蝕特性是通常固體材料所共有的，而且這些特性對大多數(shù)的工程實際問題的影響通常被地質(zhì)體的其他特性所掩蓋，因此，通常也可忽略。此外，冰川、凍土是與溫度有著密切關(guān)系的地質(zhì)體，特別是表層凍土隨著天氣的變化而有相變發(fā)生，其力學(xué)過程更為復(fù)雜。

 

  3 工程地質(zhì)力學(xué)面臨的工程問題

 

  地質(zhì)工程大致可歸為兩類問題：其一為地下工程，包括交通和水電工程中的隧道、地下廠房、地下核廢料庫以及地下礦藏開采形成的采空區(qū)，地質(zhì)體中的軟巖、透水、活動斷層等直接影響著工程的成敗和工程建設(shè)的造價，主要的力學(xué)問題是高地應(yīng)力環(huán)境下卸荷后地質(zhì)體的變形和破壞；其二為地面工程，包括工程建設(shè)方面的大型基礎(chǔ)、航道、露天礦開挖、鐵路公路的邊坡，引發(fā)的災(zāi)害有滑坡、崩塌、泥石流。在我國當(dāng)前由邊坡工程引發(fā)的災(zāi)害極為嚴(yán)重，其主要的力學(xué)問題是地質(zhì)體在重力、地震、水的作用等自然力作用下的破壞規(guī)律。工程建設(shè)主要包括選址、勘察、設(shè)計、施工、運營幾個階段。

 

  在不同的工程階段，工程目的不同，所遇到的工程問題的側(cè)重點也不同，然而，一般而言，地質(zhì)工程是一個系統(tǒng)工程，各個階段相互關(guān)聯(lián)，需要綜合考慮不同階段依賴于工程地質(zhì)力學(xué)解決的問題。

 

  3.1 地質(zhì)體穩(wěn)定性判斷及其安全預(yù)測

 

  在大型工程建設(shè)中，“避讓”是一條基本的并且是非常重要的原則，要避開危險的區(qū)域首先要知道哪些區(qū)域是危險的。在獲得一定地質(zhì)資料之后，就要對山體的穩(wěn)定性做出判斷。穩(wěn)定性判斷的可靠性關(guān)系到工程建設(shè)的成敗，道理很簡單，建筑在不穩(wěn)定的基礎(chǔ)上的工程一定是失敗的；另一方面，如果本來穩(wěn)定的地質(zhì)條件被誤判為不穩(wěn)定的，無論是避讓還是采取工程措施都會造成不必要甚至是非常巨大的浪費。在我國的工程實踐中，解決該問題主要是依賴于地質(zhì)工程師豐富的實踐經(jīng)驗進(jìn)行定性的判斷；以剛體極限平衡條分法為基礎(chǔ)的邊坡穩(wěn)定性判斷方法對滑面上的參數(shù)很敏感，而確定這些參數(shù)更重要的依賴于經(jīng)驗；有個別工程也采用有限元、離散元、有限差分等計算，仍屬有探索或科研性工作。從目前來看，給出可靠的分析方法并為工程接受還需要進(jìn)行大量的工作。

 

  3.2 探測地質(zhì)體力學(xué)特性的方法

 

  選址是地質(zhì)專家的工作，他們根據(jù)地形地貌、地質(zhì)條件，借助于多年積累的豐富經(jīng)驗，判斷工程建設(shè)的可行性，初步確定工程建設(shè)的地點、線路、以及區(qū)域。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)勘察，其主要目的是了解地質(zhì)條件，進(jìn)一步確認(rèn)工程建設(shè)的可行性,通過各種手段獲得地質(zhì)資料為工程設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。勘察獲得的資料越豐富，工程設(shè)計的可靠性也就越大。然而，在實際工程中，盡管地質(zhì)勘察的手段很多，受勘察手段、經(jīng)費的限制，獲得詳細(xì)的地質(zhì)資料是很困難的，工程設(shè)計往往是在較大范圍內(nèi)以修改結(jié)果為基礎(chǔ)。如何用最小的代價獲得最豐富的地質(zhì)信息，是地質(zhì)工程中最為迫切和關(guān)鍵的問題。

 

  作為力學(xué)研究不僅研究給定條件的結(jié)果，還要提出如何獲得地質(zhì)條件的方法。用波動、滲流以及表面位移監(jiān)測的方法探測地質(zhì)體的力學(xué)特性，從理論上要比直接鉆孔、開挖更合理。事實上這些方法不破壞地質(zhì)體的原有結(jié)構(gòu)，反映了某個區(qū)域而不是某個點的特性，探測成本也低。這些方法已經(jīng)在地質(zhì)勘察中發(fā)揮了一些作用，但還很不夠，完成這一任務(wù)需要更基礎(chǔ)的理論工作和計算技術(shù)，否則很難獲得突破。地質(zhì)雷達(dá)是探測地質(zhì)體特性的重要手段之一，受發(fā)射能量的限制，探測深度在土體中一般不超過30 m，包括電法都存在著如何將探測結(jié)果轉(zhuǎn)化為力學(xué)參數(shù)的問題。用力學(xué)的方法(特別是地震波法)探測力學(xué)參數(shù)，應(yīng)該更為直接和有效。

 

  3.3 地質(zhì)工程防治的設(shè)計依據(jù)

 

  對于工程而言，僅僅做出山體的穩(wěn)定性判斷還不夠，還需要研究山體的變形與工程結(jié)構(gòu)的相互作用。例如，庫區(qū)蓄水引起的庫岸變形(整體并不失穩(wěn))照樣可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的破壞，這是比山體滑坡更為普遍的地質(zhì)災(zāi)害；有些情況工程建設(shè)地點不可避讓和無法選擇，必須要研究地質(zhì)體的變形。由于地質(zhì)體通常允許的變形比工程結(jié)構(gòu)所能夠容許的變形大很多，研究地質(zhì)體與工程結(jié)構(gòu)的相互作用遠(yuǎn)比判斷山體穩(wěn)定性以及分析單純結(jié)構(gòu)的變形復(fù)雜得多，不清楚地質(zhì)體的初始狀態(tài)、地質(zhì)體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場的分布，試圖給出科學(xué)和合理的工程設(shè)計非常困難，而工程設(shè)計的優(yōu)化要求更高一些。對地下工程常用的工程設(shè)計基礎(chǔ)是巖體分類技術(shù)[18]，邊坡工程還沒有這樣的分類。深入分析這種技術(shù)的理論基礎(chǔ)，仍然有值得探索的地方：給出分類技術(shù)合理性的依據(jù)目前還不完全清楚；尋求獲得地質(zhì)體的力學(xué)參數(shù)更為普遍的方法；論證這種巖體分類適用于我國西部復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境以及滿足超常規(guī)模的地質(zhì)工程的可行性。一般說來工程巖體分類是粗曠性的，主要用于初步設(shè)計、工程概預(yù)算和招投標(biāo)階段。

 

  它不能取代具體工程的力學(xué)計算和分析，特別對一些復(fù)雜、大型、重要的工程，巖體分類還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

 

  當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜和有更多的工程方案供選擇時工程設(shè)計應(yīng)該具體問題具體分析，為此需要提出科學(xué)的分析方法和建立完整、可靠的設(shè)計依據(jù)。

 

  3.4 預(yù)報地質(zhì)工程安全的方法

 

  主要涉及到已有的難以治理的工程，為避免和減少災(zāi)害造成的損失，需要對災(zāi)害的破壞程度做出預(yù)測，預(yù)報災(zāi)害可能發(fā)生的時間。在靜態(tài)問題沒有清晰的認(rèn)識之前，考慮地質(zhì)體的時間效應(yīng)很困難，但是，這是一個十分迫切的亟待解決的問題，它不僅是一個預(yù)測、預(yù)報方法的理論問題，同時涉及到如何進(jìn)行監(jiān)測和如何分析測量結(jié)果。盡管如此，有一點可確定：地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是地質(zhì)體經(jīng)過長期演化后在突發(fā)事件的作用下發(fā)生的。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠了解和預(yù)測地質(zhì)體在觀測時間尺度內(nèi)的演化過程，但是，災(zāi)害發(fā)生的時間不只是與演化的時間有關(guān)，而是取決于突發(fā)事件的時間。由此可知，如果不能夠預(yù)報突發(fā)事件的時間，就不能預(yù)報災(zāi)害發(fā)生的時間。例如，三峽新灘滑坡如果沒有對黃巖危巖體崩塌這一重要事件的預(yù)報，那么根據(jù)前兩年的監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)報滑坡發(fā)生的時間，就如同不知道東南亞何時、何地發(fā)生地震卻能夠預(yù)報印度尼西亞海岸哪一天發(fā)生海嘯一樣。地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、預(yù)報脫離不了現(xiàn)場監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上能夠解決實際問題的工作集中在對地質(zhì)災(zāi)害的短期預(yù)報(臨發(fā)預(yù)報)和針對具體的地點給出發(fā)生災(zāi)害的外界條件，即經(jīng)過研究能夠預(yù)測出在什么條件下會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

 

  長期以來，人們?yōu)榻鉀Q上述工程問題積累了豐富的經(jīng)驗，也從不同的角度、深度探索科學(xué)的解決方法，提出了一些非常有意義的科學(xué)問題，但還不盡人意，地質(zhì)災(zāi)害仍然是防不勝防，這涉及到更深層次的科學(xué)問題。

 

  4 工程地質(zhì)力學(xué)中的科學(xué)問題

 

  應(yīng)用科學(xué)研究的目標(biāo)一方面能夠解決制約著工程技術(shù)發(fā)展的科學(xué)問題；另一方面是能夠引領(lǐng)新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。工程地質(zhì)力學(xué)作為一門應(yīng)用性科學(xué)，需要通過研究地質(zhì)體的變形和破壞規(guī)律這個共性的問題，解決工程中的共性問題，其主要包括：

 

  地質(zhì)體的本構(gòu)關(guān)系、獲得未知的初始狀態(tài)以及描述地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)的演化過程。

 

  4.1 本構(gòu)關(guān)系

 

  應(yīng)當(dāng)說介質(zhì)的本質(zhì)是非連續(xù)的，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)采用簡化的處理方法為解決大量的力學(xué)問題做出了巨大的貢獻(xiàn)。它將由離散顆粒構(gòu)成的材料，用有限的方程來描述。也就是要建立應(yīng)力–應(yīng)變、應(yīng)力–應(yīng)變率、應(yīng)力與速度梯度、力與位移等之間的聯(lián)系。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)可得到很好的結(jié)果，廣泛地應(yīng)用于工程實踐，主要有兩方面的原因：其一，大量的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)研究的問題中介質(zhì)通常可以簡化為連續(xù)的，非連續(xù)特性的尺寸與研究區(qū)域的尺寸相差兩個甚至幾個量級以上；其二，介質(zhì)非連續(xù)的特性在實際問題中一般不能表現(xiàn)出來或者說可以避免這種表現(xiàn)出現(xiàn)。對于一般的材料，沒有必要研究缺陷帶來的影響。大部分金屬構(gòu)件，人們?yōu)榱税踩鹨姡皇抢盟木€彈性部分，不考慮由于材料的缺陷帶來的非線性等因素就可以滿足實踐的要求。當(dāng)然，隨著材料科學(xué)研究不斷的深入，對力學(xué)研究的要求不斷提高，需要建立一些復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而產(chǎn)生了一些新的研究理論和研究方法，比如非線性力學(xué)、應(yīng)變梯度理論等。

 

  對地質(zhì)體問題，結(jié)構(gòu)面的尺寸與研究區(qū)域的尺寸有相同的或者接近的量級，不考慮結(jié)構(gòu)面的影響，就不能從根本上解決問題。描述地質(zhì)體的非連續(xù)特性的方法有兩種：一種是均勻化的方法，該方法建筑在根深蒂固的連續(xù)介質(zhì)理論之上，將介質(zhì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性用復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等效，不考慮結(jié)構(gòu)面上的力學(xué)特性，而是將結(jié)構(gòu)面的這種特性等效在連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系之中，如損傷模型；另一種是直接考慮結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性，將介質(zhì)的非連續(xù)幾何特征充分的概化，使得材料的本構(gòu)關(guān)系非常簡單，界面上滿足虎克定律和摩擦準(zhǔn)則，非界面的區(qū)域內(nèi)采用線彈性的關(guān)系，這種方法使得整個研究區(qū)域的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。一種形象比喻稱前者為“復(fù)雜的本構(gòu)、簡單的結(jié)構(gòu)”，這是較為傳統(tǒng)的方法，而后者為“復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、簡單的本構(gòu)”，正在為人們所接受。

 

  作者也希望在這方面進(jìn)行一些研究，同時，也認(rèn)為這種思想更具有生命力。

 

  比較兩種方法可知，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究方法，是將地質(zhì)體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的幾何問題轉(zhuǎn)化為物理問題，簡單而言，就是將結(jié)構(gòu)面的幾何分布轉(zhuǎn)化為本構(gòu)關(guān)系。而非連續(xù)介質(zhì)的做法，是試圖直接考慮介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)。

 

  4.2 初始狀態(tài)

 

  地質(zhì)體當(dāng)前的狀態(tài)是經(jīng)過地質(zhì)年代的長期演化的結(jié)果，與地質(zhì)體形成演化過程密切相關(guān)。事實上，初始狀態(tài)是相對的，如邊坡開挖工程，只需將開挖以前斜坡的狀態(tài)作為初始狀態(tài)；而隧道工程，將隧道開挖前的狀態(tài)作為初始狀態(tài)。當(dāng)然，也有些問題就很難界定什么是初始狀態(tài)，如山體滑坡問題，通常有記錄的時間都是很短的，人們幾乎不能了解記錄之前變形了多少，最初的狀態(tài)只能根據(jù)地貌和地表特征等做出定性地判斷。

 

  搞清地質(zhì)體的形成演化過程是獲得地質(zhì)體初始狀態(tài)的基礎(chǔ)。例如，地質(zhì)體當(dāng)前的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)一般是經(jīng)歷了多期、次構(gòu)造運動留下的形跡，每次構(gòu)造運動的構(gòu)造形跡不同，地質(zhì)體力學(xué)特性的差別就很大。如果了解了某一工程區(qū)構(gòu)造運動的演化史，就能夠深刻認(rèn)識和理解該工程區(qū)的構(gòu)造格局及其宏觀力學(xué)特性。主應(yīng)力狀態(tài)是地質(zhì)體經(jīng)過若干次構(gòu)造運動后形成的，最近的一次構(gòu)造運動往往決定了當(dāng)前的主應(yīng)力狀態(tài)。因此，搞清楚了地質(zhì)體、構(gòu)造運動以及構(gòu)造應(yīng)力場的形成演化過程，對判斷和確定主應(yīng)力方向非常重要。

 

  地質(zhì)學(xué)家通?？梢越o出地質(zhì)形成的年代、地質(zhì)體的建造和改造過程，這是力學(xué)家望塵莫及的。在此基礎(chǔ)上，地質(zhì)工程師就可以憑借豐富的經(jīng)驗對地質(zhì)體的穩(wěn)定性做出基本的判斷；而對力學(xué)分析而言，不僅要知道不同特性的地質(zhì)體所在的區(qū)域、最大主應(yīng)力方向，還需要定量地知道在不同區(qū)域內(nèi)力學(xué)特性和最大主應(yīng)力的具體數(shù)值，然后，才能夠借助力學(xué)分析給出工程上所需要的結(jié)果。由此可以清楚地發(fā)現(xiàn)地學(xué)、力學(xué)不同的工作特點以及在工程應(yīng)用中所發(fā)揮的作用。地質(zhì)工作探明了地質(zhì)的成因和演化，需要進(jìn)行定量化的描述，進(jìn)一步借助于力學(xué)手段給出定量化的結(jié)果。力學(xué)工作依賴于地質(zhì)分析：

 

  將看起來相同的地質(zhì)體劃分為不同的類別，確定了地質(zhì)勘查的對象、范圍。

 

  地學(xué)根據(jù)地質(zhì)分析向力學(xué)提供哪些基本的地質(zhì)特征，以及力學(xué)如何根據(jù)地學(xué)提供的定性分析獲得定量化描述的參數(shù)是地學(xué)和力學(xué)相結(jié)合的切入點，也是獲得地質(zhì)體初始狀態(tài)的基本途徑。

 

  工程實踐中，初始的地應(yīng)力有很多的方法可以測量，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力較大并且地層較均勻時，能夠得到一些可以利用的結(jié)果。但是，地質(zhì)體的不均勻和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造致使地應(yīng)力的分布本身就是不均勻的。通常測量傳感器的尺寸很小，所代表的范圍非常有限，測量時有些點測得的應(yīng)力值很大，而由另一些點得到的值很小，甚至為0。上述現(xiàn)象較為普遍，為了獲得準(zhǔn)確的地應(yīng)力信息通常要設(shè)置較多的測點。應(yīng)當(dāng)說，初始地應(yīng)力狀態(tài)的不確定性是由于地質(zhì)構(gòu)造的不確定性而決定的。

 

  初始的地質(zhì)構(gòu)造表征著地質(zhì)體經(jīng)受過破壞的特性。對于巖體，未知的初始狀態(tài)包含了未知結(jié)構(gòu)面的形狀、方位、間距以及連通率；對土石混合體，包含了土石混合比、塊石的尺寸、形態(tài)、分布；滲流場是未知初始狀態(tài)的另一個重要的特征，在研究地質(zhì)災(zāi)害時，這一因素起著極其關(guān)鍵的作用，在巖體中，滲流場不再是均勻滲流，裂隙中水的流動與巖塊中水的滲流速度相差幾個量級。因此，如果不能描述巖體的結(jié)構(gòu)，巖體內(nèi)部的滲流規(guī)律也很難得到。

 

  由此可知，無論是地質(zhì)體初始地應(yīng)力的不確定性、地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和滲流場的復(fù)雜性，都可以歸結(jié)為地質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何問題。

 

  4.3 地質(zhì)體變形與破壞的演化過程

 

  描述巖體受到擾動發(fā)生變形、破壞不能單純研究地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)，需要認(rèn)識兩方面的問題：其一，地質(zhì)體內(nèi)部已經(jīng)有了很多的破壞面——結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面的存在影響著應(yīng)力場的分布，描述地質(zhì)體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且能夠得到準(zhǔn)確的地應(yīng)力場需要建立合理的力學(xué)模型；其二，地質(zhì)體發(fā)生災(zāi)變是逐步演化而來的，發(fā)生災(zāi)變的關(guān)鍵并不是這些結(jié)構(gòu)面的破壞，而是那些結(jié)構(gòu)面以外，具有較高強(qiáng)度的巖塊(巖橋)的破壞。在應(yīng)力場作用下巖橋破壞，地質(zhì)體內(nèi)會形成新的結(jié)構(gòu)面，并改變地質(zhì)體的整體特性，應(yīng)力場重新分布，進(jìn)而誘發(fā)新的破壞。

 

  準(zhǔn)確地給出地質(zhì)體內(nèi)部的應(yīng)力場、描述地質(zhì)體內(nèi)部應(yīng)力轉(zhuǎn)移的過程就是研究地質(zhì)體由局部破壞引發(fā)整體破壞的過程，也可認(rèn)為是局部連續(xù)的區(qū)域演化為破壞面的過程?？陀^地描述這樣的力學(xué)過程比較困難，人們借助于不同的力學(xué)模型作了大量的工作，結(jié)果還是不理想。相關(guān)基礎(chǔ)理論或相應(yīng)計算方法的不完善制約了力學(xué)在地質(zhì)工程中的應(yīng)用。

 

  總之，筆者認(rèn)為，研究地質(zhì)體的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：提出合理的描述地質(zhì)體特性的力學(xué)模型、將力學(xué)和地學(xué)結(jié)合給出探測地質(zhì)體的初始狀態(tài)方法、研究定量地描述地質(zhì)體由局部破壞演化為整體破壞的過程的力學(xué)分析方法。

 

  5 工程地質(zhì)力學(xué)的研究方法

 

  5.1 上、下限解定理與解析解

 

  按照“復(fù)雜結(jié)構(gòu)、簡單本構(gòu)”的思路，不同的山體其地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)性不同。不同的山體就如不同的建筑物，地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)與人造的建筑結(jié)構(gòu)相比復(fù)雜得多，很難將一個工程的結(jié)果用于另一個工程，這就需要針對具體的問題進(jìn)行具體的分析，很難從中總結(jié)出一個具有普遍意義的解析解。事實上，解析解真正能夠解決的問題甚少，一些通過實驗整理出的經(jīng)驗公式所能應(yīng)用的范圍也比較有限。

 

  在結(jié)構(gòu)塑性極限分析中有兩個定理——上、下限定理。其中，上、下限是指使得系統(tǒng)破壞外加力的最大值和最小值。簡而言之，當(dāng)外加力超過系統(tǒng)允許的上限時系統(tǒng)一定會發(fā)生塑性破壞，并會發(fā)生整體的運動；當(dāng)外力小于系統(tǒng)允許的下限時，整個系統(tǒng)一定不會發(fā)生塑性破壞。定理還強(qiáng)調(diào)了用運動學(xué)的方法可以確定材料的上限，用靜力學(xué)的方法可以確定下限，而上、下限定理本身并沒有給出具體的求解方法。如果對地質(zhì)體進(jìn)行極限分析，在滿足塑性極限分析的條件的基礎(chǔ)上，外加的力是不變的，通常的分析方法是通過降低巖體內(nèi)部的材料強(qiáng)度來分析地質(zhì)體的破壞安全度。材料強(qiáng)度降低相當(dāng)于外力增大，反之，則是外力減少。這樣，如果用材料的強(qiáng)度來說明上、下限定理就是當(dāng)介質(zhì)的強(qiáng)度低于系統(tǒng)允許的強(qiáng)度下限時，系統(tǒng)就會破壞，當(dāng)介質(zhì)的強(qiáng)度高于系統(tǒng)允許強(qiáng)度的上限時，系統(tǒng)一定不會發(fā)生破壞。有必要說明的是，上、下限的定理是普遍意義下的理論敘述，適用于各種給定的力學(xué)模型，但是，根據(jù)上、下限定理并不能鑒別力學(xué)模型是否客觀。舉例說明，剛體極限平衡的條分法借助于上、下限定理，可給出一種山體的破壞狀態(tài)，該結(jié)果的合理性取決于地質(zhì)體可簡化成為條分結(jié)構(gòu)和沿滑面滑動的假設(shè)。如果復(fù)雜的地質(zhì)體不滿足這種假設(shè)，所得到的結(jié)論也就不一定合理。

 

  研究含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體，給出解析解通常是比較困難的，這方面的研究成果距離解決實際問題還比較遠(yuǎn)。隨著計算方法逐漸成熟和計算技術(shù)的不斷提高，人們已經(jīng)不再期望通過解析解來解決實際工程問題。

 

  5.2 室內(nèi)實驗研究

 

  在解析解應(yīng)用范圍非常有限的情況下，開展室內(nèi)實驗研究不失為一種探索地質(zhì)體力學(xué)特性的方法。室內(nèi)實驗研究主要可分為模型實驗、模擬實驗和巖石力學(xué)性能的測量。模型實驗只能給出實驗尺寸條件下的結(jié)果，模擬實驗試圖給出相似條件下原型尺寸下的結(jié)果。

 

  5.2.1 模型實驗

 

  一般不考慮相似率，實驗結(jié)果只是用于模型的尺寸，用于觀察實驗現(xiàn)象和得到實驗尺度上的規(guī)律性。從實際應(yīng)用的角度而言，模型實驗似乎沒有意義，也由于不滿足相似率經(jīng)常遭到非議。然而，如果將實驗的目的用于驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，或者說將實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，其研究意義就不同。模型實驗中，可以制造一些復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)，精確的測量、研究某些參數(shù)逐漸變化得到某種條件下“山體”變形和破壞的規(guī)律，然后用數(shù)值方法模擬該實驗，并將兩種方法得到的結(jié)果比較，驗證數(shù)值方法的正確性，最后通過數(shù)值模擬給出回答工程問題的答案。數(shù)值模擬有時可以通過改變參數(shù)得到所需要的結(jié)果，得到與某個工程測量結(jié)果相接近也不困難，但是，如果幾個力學(xué)參數(shù)變化的規(guī)律都能夠做到實驗和數(shù)值模擬吻合或得到相同的規(guī)律，計算程序就比較可信。目前大量的計算軟件是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的，模擬巖體問題受到很多限制，在用于模擬工程以前很有必要通過室內(nèi)實驗驗證這些方法的可靠性。

 

  5.2.2 模擬實驗

 

  對地質(zhì)工程而言，主要的相似參數(shù)是幾何相似和重力相似參數(shù)。

 

  在幾何相似方面，由于山體的尺寸很大，幾何相似時，要求對實驗材料的制作有了很高的要求，如山體的尺寸為幾百米，考慮結(jié)構(gòu)面的間距為米的量級；若幾米的模型實驗中結(jié)構(gòu)面間距的尺寸要小于1 cm，就給模型制作增加了難度，如果要想考慮結(jié)構(gòu)面的厚度，模型實驗真正實現(xiàn)起來并不容易。

 

  在重力相似方面，可寫出重力產(chǎn)生的應(yīng)力與強(qiáng)度的比(ρgh) /τ 這一量綱一的量，其中ρ 為密度、g為重力加速度、h 為巖體的特征尺寸，τ 為材料的強(qiáng)度。滿足相似率可以通過增加材料的密度和降低材料強(qiáng)度的方法，也可以用原材料做離心機(jī)實驗研究水的特性還需要分析滲流過程中的動力相似問題，將更加復(fù)雜。即使不考慮滿足幾何相似的制作困難、也不考慮相似材料的不相似性以及離心機(jī)實驗中除重力之外其他不相似的因素，仍然可以認(rèn)為，如果期望模擬實驗?zāi)軌蚰M實際工程問題，給出實際工程真正需要的結(jié)論，必須很清楚地質(zhì)結(jié)構(gòu)，而這是很困難的。事實上，模擬實驗最重要的模型的相似性，但是，在地質(zhì)體原型的結(jié)構(gòu)還不知道的情況下，不可能做出具有相同結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?，不能做到結(jié)構(gòu)的一致性，也就不能達(dá)到實驗?zāi)M目的。更為明確地講，正是地質(zhì)體未知的“初始”狀態(tài)，降低了離心機(jī)實驗的使用價值。由此可知，無論模型實驗還是模擬實驗，室內(nèi)實驗更重要的作用是為數(shù)值模擬提供驗證的依據(jù)和定性地觀察一些實驗現(xiàn)象。

 

  5.2.3 巖體力學(xué)性能測量

 

  巖體力學(xué)性能室內(nèi)實驗主要是測量巖樣、土樣的力學(xué)性能，主要的工作是在材料實驗機(jī)上完成的，包括巖塊的本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度實驗以及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度實驗等。常規(guī)的實驗內(nèi)容基本上還是借用金屬材料特性實驗的方法和儀器，針對巖土特性的實驗加入了峰后特性(post-peak failure)、結(jié)構(gòu)面剪切、化學(xué)腐蝕以及流、固耦合方面的實驗儀器。需要指出的是，在已獲得應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為基礎(chǔ)的實驗中，一個最基本的假設(shè)是通過對試樣的測量得到巖體中一個點的力學(xué)特性。這樣，從有限體積試樣的實驗中得到本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則需要滿足一些基本的條件：材料是均勻的、外加荷載是均勻的。對于非均勻材料，當(dāng)施加力的邊界是剛性邊界時，也就是給定位移邊界(邊界上各點的位移相等)，邊界上力的分布就是非均勻的。換言之，對土石混合體、含結(jié)構(gòu)面巖體、以及有內(nèi)部缺陷的巖塊如果用常規(guī)的材料實驗機(jī)進(jìn)行實驗，實驗給出的是已知邊界合力、未知應(yīng)力分布條件下的結(jié)果。因此，當(dāng)非均勻材料作常規(guī)實驗得到一些不規(guī)律的實驗結(jié)果并不奇怪(特別是試樣的強(qiáng)度離散度較大)，因為實驗中的所加的荷載本身就是不確定的。一種新型的材料試驗機(jī)即柔性邊界加載的材料試驗機(jī)試圖解決這一問題。

 

  5.3 現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與現(xiàn)場監(jiān)測

 

  盡管在地質(zhì)體的研究過程中，人們經(jīng)常采用類比的方法對山體的穩(wěn)定性做出判斷，但是在工程實踐中，幾乎很難發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件相同的兩個山體，這也正是工程地質(zhì)力學(xué)研究的主要的難點之一。深入細(xì)致地進(jìn)行調(diào)查研究，了解和掌握地質(zhì)體的演化、分層特性、層內(nèi)介質(zhì)的力學(xué)特性、地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)等對概化力學(xué)模型是非常重要的。這項工作是工程地質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)工作，是建立力學(xué)模型的基本出發(fā)點，對工程地質(zhì)力學(xué)研究成果的可靠性起著關(guān)鍵的作用。

 

  現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、勘察和分析應(yīng)當(dāng)是地質(zhì)力學(xué)研究的一部分，除了上述為力學(xué)模型建立做準(zhǔn)備的工作，還應(yīng)當(dāng)包括了力學(xué)分析方法作為地質(zhì)調(diào)查、勘察基本手段的內(nèi)容。隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)和測量儀器的發(fā)展，現(xiàn)場地質(zhì)測量的技術(shù)水平也相應(yīng)有了大幅度提高。筆者認(rèn)為，基于新的力學(xué)分析手段可以提出所需要的力學(xué)參數(shù)，為了定量地獲得這些參數(shù)就必須要在地質(zhì)調(diào)查過程中進(jìn)行現(xiàn)場的測量，而有些測量儀器的開發(fā)和測量結(jié)果的分析又需要力學(xué)的分析工具來實現(xiàn)。也就是說，地質(zhì)調(diào)查是建立力學(xué)模型的基礎(chǔ)、現(xiàn)場測量為確定計算參數(shù)提供原始數(shù)據(jù)，力學(xué)分析是確定力學(xué)參數(shù)一種手段。

 

  地質(zhì)工程師的工作是在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上直接做出判斷并給出結(jié)論，而工程地質(zhì)力學(xué)是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測量，獲得定量的參數(shù)，建立力學(xué)模型，通過分析和計算才給出結(jié)論，這正是地學(xué)與工程地質(zhì)力學(xué)的主要差別之一。

 

  5.4 數(shù)值模擬

 

  隨著數(shù)值模擬在其他力學(xué)分支學(xué)科扮演著越來越重要的作用，人們也試圖將數(shù)值模擬發(fā)展為工程地質(zhì)力學(xué)研究中最主要的工具之一。然而，現(xiàn)有的數(shù)值方法在模擬復(fù)雜地質(zhì)體方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程的要求，所給出的結(jié)果也通常不盡人意。面對應(yīng)用于工程地質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的眾多數(shù)值方法，有必要考察其適用范圍，驗證其可靠性。為此，筆者建議從以下4 個方面對數(shù)值方法的可靠性進(jìn)行判斷：

 

  (1) 能夠定量地描述復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境；(2) 能夠模擬地質(zhì)體由變形到破壞的演化過程；(3) 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)及力學(xué)響應(yīng)之間的信息互饋；(4) 計算結(jié)果和判斷方法能夠被工程師所接受。L. Jing[20]已經(jīng)對巖石力學(xué)中所涉及的數(shù)值方法作了較為全面和準(zhǔn)確的論述，本文基于以上4 個方面簡要地評述幾種主要數(shù)值方法的適用性。

 

  5.4.1 有限差分方法

 

  有限差分方法是一種最直接、最本能的求解偏微分方程的數(shù)值方法，特別適于處理涉及流變體，如流體動力學(xué)、熱傳導(dǎo)等的工程問題。但對于巖石材料而言，該方法在處理連續(xù)問題方面，與有限元相比并不具有優(yōu)勢；在處理非連續(xù)問題方面，由于可看作顯示離散元方法的基礎(chǔ)，也可被后者所取代。因此，有限差分方法與其他數(shù)值方法雜交，可更為有效地應(yīng)用于流–固耦合問題。

 

  5.4.2 有限元方法

 

  有限元方法建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，能夠很好地描述在均勻化假定下巖土的力學(xué)特性。近年來大量的研究工作致力于有限元方法的擴(kuò)展算法，試圖模擬巖土材料的破壞過程。Goodman單元在前處理中，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的幾何分布來劃分網(wǎng)格，可模擬已知結(jié)構(gòu)面材料的失效過程。

 

  對于含有大量結(jié)構(gòu)面的巖體，劃分單元的工作將十分繁重。最近，嵌入不連續(xù)的有限元方法得到較大的發(fā)展，該方法可在無需網(wǎng)格重劃分的前提下，將不連續(xù)表面或裂紋引入有限元中，也已經(jīng)應(yīng)用于對不連續(xù)問題的研究。此外，利用生死單元并借助處理塑性單元的技術(shù)在一定程度上也可模擬材料的拉伸破壞，由于該方法存在網(wǎng)格不客觀問題，數(shù)值結(jié)果的意義主要還是在定性的方面，還需要從單元破壞的物理意義上開展更深入的研究。

 

  5.4.3 離散元方法

 

  模擬巖體的離散元方法主要是塊體離散元(包括DDA)。該方法能夠方便地描述巖體中結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜分布模式，也可模擬材料變形和破壞過程，在結(jié)構(gòu)面上所使用的剪切破壞準(zhǔn)則類似于常規(guī)的剛體極限平衡方法，可給出工程師習(xí)慣使用的安全系數(shù)。該方法的缺點主要是沒有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，確定結(jié)構(gòu)面的剛度依賴于經(jīng)驗；不能夠很好地描述地質(zhì)體中具有連續(xù)介質(zhì)特性的部分；對結(jié)構(gòu)面事先給定的模型也不能模擬演化過程，可斷裂塊體的模型將塊體用連續(xù)模型描述還是擺脫不了連續(xù)模型的限制。當(dāng)然，工程地質(zhì)力學(xué)模型本身已經(jīng)進(jìn)行大量的簡化，這種靠經(jīng)驗確定結(jié)構(gòu)面剛度的方式有時候不影響離散元在實際工程中的應(yīng)用，因為與常規(guī)的剛體極限平衡方法相比，離散元方法考慮了更多的地質(zhì)因素。但是，應(yīng)當(dāng)明確各種模型下離散元界面剛度的物理意義[30](李世海，2004)還要對該方法的適用范圍有足夠的認(rèn)識；基于連續(xù)介質(zhì)的離散元方法試圖給出結(jié)構(gòu)面單元剛度的確定方法和分析地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)的演化過程。

 

  5.4.4 剛體極限平衡方法

 

  L. Jing的相關(guān)研究中，剛體極限平衡方法由于沒有被列為數(shù)值分析方法，未做討論。J. M.Duncan對該方法有較為全面的綜述，認(rèn)為極限平衡方法比有限元方法更為保守，有限元計算地應(yīng)力可以作為極限平衡方法的補(bǔ)充。筆者認(rèn)為，剛體極限平衡方法盡管能夠為工程師提供容易理解的分析結(jié)果，但其固有的缺陷弱化了它的實用價值。該方法通過尋找滑面的方式描述地質(zhì)結(jié)構(gòu)，提供一種破壞狀態(tài)，而無法描述變形及破壞的過程；條分和沿破壞面滑動的假設(shè)，掩蓋了地質(zhì)體復(fù)雜特性對穩(wěn)定性的作用，至于是偏保守還是偏危險(與離散元相比要偏危險)，取決于各種方法所建立的力學(xué)模型，不能一概而論；只是研究破壞狀態(tài)不能夠充分利用一些地質(zhì)勘查和測量的結(jié)果。但是，在目前情況下，要取代該方法，還需要進(jìn)行大量的工作。主要原因在于：其一，該方法在某些特定條件下仍然有其可取之處；其二，到目前為止，還沒有一種令人信服的方法能夠取代剛體極限平衡方法，人們?nèi)粤?xí)慣使用傳統(tǒng)方法；其三，一種新的方法能夠推廣應(yīng)用，必須要通過大量的室內(nèi)實驗和工程實踐證明其可靠性和實用性；其四，需要提高工程技術(shù)人員對計算技術(shù)和力學(xué)模型的認(rèn)識水平，使他們真正地認(rèn)識到傳統(tǒng)方法的固有缺陷。

 

  5.4.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法

 

  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法是一種經(jīng)驗方法，其可靠性基于在對大量工程數(shù)據(jù)積累。當(dāng)所獲得的地質(zhì)體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑時，該方法提供的分析結(jié)果也就值得懷疑[35，36]。此外，如何抽取各種計算因子并確定它們的權(quán)重都是必須解決的問題。事實上，這些問題的真正解決仍然依賴于對地質(zhì)體定量化的描述。支持向量機(jī)[37]是一種進(jìn)行參數(shù)敏感性分析的計算工具，它將由參數(shù)變化產(chǎn)生的結(jié)果用函數(shù)的形式表示出來，可以通過對該函數(shù)的運算，判斷進(jìn)一步計算參數(shù)改變的方向，以求得節(jié)省計算工作量。

 

  當(dāng)前一種將敏感度分析——支持向量積、確定性算法和遺傳算法相結(jié)合的方法，可以高效率地分析出各種參數(shù)對工程地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)的影響度，回答工程問題。利用該方法，可將選取的影響因子與力學(xué)模型的基本參數(shù)對應(yīng)起來，來補(bǔ)充修正力學(xué)模型。如果將支持向量機(jī)中的影響因子用量綱一的量表述，也可以減少計算的工作量并且使計算結(jié)果分析更具有物理意義。

 

  由于地質(zhì)體中各種力學(xué)參數(shù)的選取具有不確定性，給出確定性的穩(wěn)定性結(jié)論和確定性的預(yù)報結(jié)果實際上是不可能的。因此，在研究地質(zhì)體的工程問題時，需要采用概率統(tǒng)計方法來表征參數(shù)的不確定性。實現(xiàn)概率統(tǒng)計結(jié)果的可靠性仍然依賴于工程地質(zhì)力學(xué)中的兩個基本要素：其一，力學(xué)參數(shù)分布函數(shù)的可靠性，如現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查得到的巖體結(jié)構(gòu)面間距的均值和方差是否準(zhǔn)確可靠。這需要以地學(xué)為基礎(chǔ)；其二，計算方法的科學(xué)性。如果采用的計算方法過于簡單，以至于不能反映研究問題中復(fù)雜地質(zhì)體的基本(或主要)特征，則所得到的概率結(jié)果仍然不可靠。

 

  總之，發(fā)展地質(zhì)力學(xué)數(shù)值分析方法，要客觀描述地質(zhì)體的運動規(guī)律，新方法所給出的結(jié)果應(yīng)該采用傳統(tǒng)的表達(dá)方式，以便能夠為工程師接受并可與當(dāng)前的規(guī)范相結(jié)合，從而逐步將其推廣使用。實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵還是要通過模擬大量的實驗和工程驗證方法的可靠性。

 

  6 地學(xué)、力學(xué)與工程結(jié)合的問題

 

  長期以來，我國的科學(xué)家就非常注重地學(xué)與力學(xué)的結(jié)合，并強(qiáng)調(diào)以工程建設(shè)為目的。然而，影響這種結(jié)合的主要因素包括力學(xué)基本理論的發(fā)展、測量和勘查技術(shù)以及大型工程建設(shè)的需求。在力學(xué)的研究工具不足以模擬復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)時，那些簡單模型下給出的結(jié)論很難滿足工程的要求。數(shù)值計算結(jié)果的計算參數(shù)來自于經(jīng)驗的估計，計算給出的結(jié)果就只能是供參考，超出不了工程師的經(jīng)驗判斷；如何擺脫這種局面，需要地學(xué)和力學(xué)的相互滲透并將研究目標(biāo)著眼于解決工程的實際問題。

 

  6.1 力學(xué)研究成果應(yīng)用面臨的困難

 

  (1) 不了解地質(zhì)演化的基本規(guī)律，不能準(zhǔn)確地將地質(zhì)演化過程中特殊的構(gòu)造融入到計算模型中。

 

  而這些特殊的構(gòu)造是地質(zhì)工程師經(jīng)驗判別的主要因素，因此，那些結(jié)果難以得到地質(zhì)工程界的認(rèn)同。

 

  (2) 均勻化的力學(xué)模型建立了復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，用于描述地質(zhì)結(jié)構(gòu)時有些困難，研究成果不實用。

 

  (3) 計算結(jié)果依賴于參數(shù)選取，參數(shù)選取具有很大的人為性，當(dāng)?shù)玫降慕Y(jié)果與工程師長期積累的經(jīng)驗不符合時，又缺少充分的依據(jù)給予證明。

 

  6.2 地學(xué)研究成果應(yīng)用面臨的困難

 

  (1) 根據(jù)工程地質(zhì)、施工地質(zhì)的大量的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果直接做出判斷，沒有將調(diào)查結(jié)果抽象為用于定量化分析的參數(shù)，給出的結(jié)論缺少多種因素和定量化分析的結(jié)果。

 

  (2) 對大型的現(xiàn)代化工程，特別是工程治理設(shè)計，經(jīng)驗判斷不能給出設(shè)計參數(shù)，滿足不了現(xiàn)代化工程的需求。

 

  地學(xué)和力學(xué)研究成果應(yīng)用的困難導(dǎo)致了地質(zhì)災(zāi)害防治的傳統(tǒng)工藝、分析方法和防治思路難以獲得突破：物探、監(jiān)測獲得的地質(zhì)體信息難以直接用于分析方法當(dāng)中；難以檢驗工程治理的效果：盡管治理后的邊破是穩(wěn)定的，但是，難以判斷該邊坡是否有必要治理。地質(zhì)體與工程結(jié)構(gòu)的相互作用并不是整體失穩(wěn)和失穩(wěn)條件下的結(jié)果，準(zhǔn)確、定量描述變形的過程，需要科學(xué)的計算方法。

 

  在工程實踐中，由于地質(zhì)工程師的經(jīng)驗和長期的地質(zhì)調(diào)查工作積累，往往可對某一地區(qū)的地層直接做出判斷，在此基礎(chǔ)上開展地質(zhì)調(diào)查可以有的放矢，進(jìn)而節(jié)約經(jīng)費和時間。如果地質(zhì)判斷失誤，已有的經(jīng)驗會導(dǎo)致工程失敗，在此基礎(chǔ)上的力學(xué)分析也不會成功。反過來，在地質(zhì)調(diào)查中，需要補(bǔ)充力學(xué)的分析手段，更準(zhǔn)確地獲得地質(zhì)體的力學(xué)參數(shù)。

 

  工程地質(zhì)對地質(zhì)體的判斷借助于力學(xué)的手段定量化，并通過力學(xué)的理論方法進(jìn)行定量分析，給出滿足工程設(shè)計要求的設(shè)計依據(jù)。將地質(zhì)環(huán)境定量化，在考慮地質(zhì)構(gòu)造形成的宏觀運動過程和地層的辨認(rèn)和定性地描述的同時，還要注重地層幾何特性、物理特性的定量化，并結(jié)合地質(zhì)勘查和現(xiàn)場的監(jiān)測彌補(bǔ)經(jīng)驗判斷的不足，避免失誤。

 

  工程地質(zhì)力學(xué)是地學(xué)、力學(xué)和工程科學(xué)的交叉學(xué)科，遵循以地學(xué)為基礎(chǔ)、以力學(xué)為手段、以工程為目的的基本思路，就可以將各個學(xué)科有機(jī)聯(lián)系起來，推動工程地質(zhì)力學(xué)的發(fā)展。

 

  7 工程地質(zhì)力學(xué)的主要研究內(nèi)容

 

  根據(jù)工程地質(zhì)力學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r，筆者認(rèn)為，當(dāng)前的研究內(nèi)容應(yīng)包括下述幾個方面的內(nèi)容。

 

  7.1 建立地質(zhì)體的力學(xué)分類標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上提出地質(zhì)調(diào)查新方法巖體分類對地質(zhì)工程非常重要，國內(nèi)外學(xué)著提出了不少的分類方法。巖體分類工作往往在勘察階段進(jìn)行，主要目的用于初步設(shè)計、工程概預(yù)算、工程定額計算、工程招投標(biāo)等，在這一階段，所能獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)非常少，這就決定了巖體分類只能是粗放性、概略性的。分析目前的巖體分類主要可以概括為兩種方法：一類是按照巖體自身特性進(jìn)行的分類方法，主要考慮巖體的質(zhì)量，按照巖體本身的工程地質(zhì)力學(xué)特性(如巖石的堅硬程度和巖體的完整程度)進(jìn)行分類的。例如，我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218–94)、國際上應(yīng)用較多的適用于隧道工程的Q分類法、適用于礦山巷道的RMR分類法等，都屬于這種分類方法；另一類是結(jié)合工程進(jìn)行的分類方法?；旧舷抻趪鷰r穩(wěn)定性分類，如國內(nèi)鐵路部門的《鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性分類》、煤炭系統(tǒng)的《礦山巷道圍巖穩(wěn)定性分類》等，這種分類法用得不多，它著眼于工程擾動后圍巖的穩(wěn)定程度，既考慮巖體本身的工程地質(zhì)力學(xué)特性，也考慮工程的類型和規(guī)模，如隧道的跨度、高度，主要節(jié)理組與隧道軸線的夾角，隧道的重要程度和服務(wù)年限等。

 

  比較兩類分類方法就會發(fā)現(xiàn)，特性分類方法只是給出地質(zhì)體的特性，不涉及具體的工程，因此具有普遍的意義。但是，基于巖體的分類，工程專家制定了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，從而使工程設(shè)計與巖體的分類(包括特性分類)緊密的結(jié)合起來。

 

  以 Q 分類法為例，確定Q 值需要6 個參數(shù)：巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD；節(jié)理組數(shù)Jn；節(jié)理粗糙度Jr；節(jié)理蝕變度Ja；節(jié)理水影響的降低因子Jw；應(yīng)力降低因子SFR。上述6 個參數(shù)均與工程特性無關(guān)?？梢?，Q 分類法不僅僅給出了巖體類別，而且還給出了不同巖體類別所對應(yīng)的建議支護(hù)參數(shù)。

 

  由此可知，巖體分類直接或間接與工程設(shè)計所建立的聯(lián)系，決定了巖體分類在地質(zhì)工程中的重要作用，從某種意義上講，巖體分類決定了設(shè)計參數(shù)。

 

  現(xiàn)在從力學(xué)的角度分析從地質(zhì)調(diào)查到完成工程設(shè)計及優(yōu)化所必需的條件和力學(xué)分析過程：

 

  (1) 必需條件：邊界條件(地下空間的尺度)、初始地應(yīng)力場或位移場、給定地質(zhì)結(jié)構(gòu)幾何特性；(2) 本構(gòu)關(guān)系：地質(zhì)體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，包括巖塊和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性；(3) 強(qiáng)度準(zhǔn)則：工程結(jié)構(gòu)及地質(zhì)體強(qiáng)度準(zhǔn)則；

 

  (4) 受力分析：借助于計算技術(shù)，給出工程結(jié)構(gòu)與地質(zhì)體相互作用的規(guī)律；(5) 強(qiáng)度校核：設(shè)計強(qiáng)度較核；

 

  (6) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：改變工程結(jié)構(gòu)，重新分析，并比較不同結(jié)構(gòu)的差別。

 

  由此可知，借助于力學(xué)手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，所需要的基本力學(xué)參數(shù)有些能夠通過已有的巖體分類獲得，有一些卻不能。通過巖體的分類法能夠直接或間接地確定工程設(shè)計的原則，其產(chǎn)生的定量結(jié)果并不是通過確定性的方法得到的，其中含有較多的經(jīng)驗成份。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)有可能也有必要實施確定性的分析，對于難以確定的地質(zhì)體的強(qiáng)度、初始地應(yīng)力場也可以通過實驗、現(xiàn)場監(jiān)測和參數(shù)反分析等方法估算出來。如果在巖體分類法中不結(jié)合具體的工程類別，直接給出力學(xué)分析需要的確定性參數(shù)，對不確定的力學(xué)參數(shù)采用統(tǒng)計、測量或反演的方法給出，然后借助于力學(xué)手段提供工程設(shè)計的依據(jù)，巖體分類的目標(biāo)就非常明確了。

 

  基于上述討論，為了定量描述地質(zhì)體與結(jié)構(gòu)的相互作用，地質(zhì)體分類的目的不再僅僅是直接為工程設(shè)計使用，或者為工程設(shè)計提供巖體質(zhì)量的級別，而且還是直接或間接為力學(xué)分析中提供所需要的力學(xué)參數(shù)。這樣的思路，不排除已有的巖體的分類方法，只是分類的指標(biāo)更為具體和更具有針對性。為了有別于傳統(tǒng)的分類方法，將這種根據(jù)力學(xué)分析對力學(xué)參數(shù)的需求進(jìn)行分類的方法，稱為地質(zhì)體的力學(xué)分類法。

 

  力學(xué)分類方法充分體現(xiàn)了地學(xué)與力學(xué)的有機(jī)結(jié)合，它將地學(xué)對地質(zhì)體的描述通過力學(xué)定量化，同時完成了力學(xué)研究者的知識結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)的工作。圍繞著力學(xué)需求，地質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容更加明確，列出如下的內(nèi)容作為說明：

 

  (1) 不同地層與構(gòu)造的分布參數(shù)地質(zhì)工作可以對研究區(qū)域內(nèi)可能存在的地層分布做出判斷，給出不同地層的地質(zhì)特性，經(jīng)過地質(zhì)勘查校核，確認(rèn)地層的分布。力學(xué)研究可以通過建立地質(zhì)體的力學(xué)模型將地質(zhì)勘查得到的結(jié)果給出更精細(xì)的分析。

 

  (2) 地質(zhì)界面的幾何與力學(xué)特性參數(shù)明確表述地層的厚度、傾向、傾角，各個地層之間連接的方式、形成年代決定的界面強(qiáng)度、相互之間是否錯動所決定的界面的連通率，力學(xué)研究是將這些幾何特性，融入到計算模型中。

 

  (3) 結(jié)構(gòu)面的幾何和力學(xué)特性參數(shù)通過地質(zhì)調(diào)查給出結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、間距、結(jié)構(gòu)面的厚度、填充物的特性、結(jié)構(gòu)面的連通率。

 

  土石混合體不存在結(jié)構(gòu)面，相關(guān)的參數(shù)包括土、石混合的比例、塊石的尺度、分布規(guī)律等。

 

  (4) 滲流場邊界條件參數(shù)

 

  地質(zhì)體內(nèi)的滲流場分布除了地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)參數(shù)之外，還應(yīng)包括滲流場的邊界條件：補(bǔ)、排水的位置、幾何尺寸、流量(流速)等。

 

  (5) 地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)

 

  裂隙是壓性(閉合型)還是張性的，反映了地質(zhì)體在該區(qū)域內(nèi)的受力狀態(tài)，定量地描述要借助測量，比如波速，地下水位以及在降雨條件下的水位變化，表征了結(jié)構(gòu)面張開以及連通的程度。

 

  (6) 通過測量給出的分類參數(shù)

 

  借助于地震勘探[38]，給出的地質(zhì)體波的傳播速度、震動衰減規(guī)律、地表振動的頻率、振動持續(xù)時間等。對于大型工程，一般可以通過變化荷載(開挖、降雨、震動等)測量出地質(zhì)體的相關(guān)物理量(位移、應(yīng)力、水壓力等)的變化。在地質(zhì)工作根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)和運動的痕跡判斷結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)的基礎(chǔ)上，力學(xué)研究可以模擬出與此對應(yīng)的可能的初始狀態(tài)，進(jìn)而得到地質(zhì)參數(shù)變化的范圍。

 

  地質(zhì)體的力學(xué)分類方法是以地質(zhì)體自身的力學(xué)特性為基礎(chǔ)的，具有普遍的意義，不受工程類別的影響，在此基礎(chǔ)上，可以直接為數(shù)值計算提供力學(xué)參數(shù)，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計以及優(yōu)化均可以根據(jù)計算結(jié)果得到。更進(jìn)一步而言，材料特性中個別參數(shù)不能給出確定的數(shù)值，但是具有統(tǒng)計意義?？梢栽诹W(xué)模型中設(shè)為統(tǒng)計量，通過反分析和測量結(jié)合進(jìn)一步確定取值范圍。

 

  建立統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，將分類的標(biāo)準(zhǔn)定量化，并作為數(shù)值模擬的參數(shù)輸入，在此基礎(chǔ)上計算出的結(jié)果應(yīng)用于工程，體現(xiàn)了力學(xué)、地學(xué)與工程的有機(jī)結(jié)合。

 

  7.2 建立合理的力學(xué)模型并給出可靠的計算方法描述地質(zhì)體非連續(xù)、非均勻、流固耦合以及未知的初始狀態(tài)的特性，需要合理的地質(zhì)力學(xué)模型。

 

  傳統(tǒng)的有限元、離散元等方法分別基于連續(xù)、非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)模型，在定量描述地質(zhì)體的力學(xué)特性方面均有自己的優(yōu)勢，也有自己的缺陷。針對一個具體的問題，總可以提出一種簡化的模型，并完成某一種條件下的力學(xué)分析，但是計算結(jié)果的可靠性總是遭到質(zhì)疑。解決問題需要開展兩個方面的工作：一是計算方法要有堅實的理論基礎(chǔ)，基本上能夠反映材料特性；二是計算方法穩(wěn)定性要好。

 

  7.2.1 描述巖體的力學(xué)模型

 

  巖體中含有大量的結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面有一定的分布規(guī)律，結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物的厚度(有些結(jié)構(gòu)面沒有厚度)和充填材料的性質(zhì)不同。如果已知結(jié)構(gòu)面的位置，數(shù)學(xué)描述這些結(jié)構(gòu)面并不困難。建立巖體的力學(xué)模型主要的研究內(nèi)容包括：

 

  (1) 探測或確定結(jié)構(gòu)面的連通率

 

  巖體的結(jié)構(gòu)控制論強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)面對工程巖體的穩(wěn)定性起著決定作用，一般而言，結(jié)構(gòu)面的傾向、走向和間距確定之后，連通率越高，巖體的質(zhì)量也就越差。連通率制約著力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，作為統(tǒng)計量就需要通過現(xiàn)場勘測和反分析確定它的分布規(guī)律。有了這樣的模型，研究波在地質(zhì)體的傳播規(guī)律，應(yīng)該是力學(xué)分析用于地質(zhì)參數(shù)探測的重要方法。

 

  (2) 巖體結(jié)構(gòu)面的壓、張狀態(tài)

 

  結(jié)構(gòu)面的壓、張狀態(tài)是決定地質(zhì)體當(dāng)前狀態(tài)的重要指標(biāo)之一。在離散元的計算模型中，同一組結(jié)構(gòu)面空間位置是確定的，不能直接給出結(jié)構(gòu)面的拉、壓狀態(tài)。地質(zhì)調(diào)查可以通過地表觀察給出結(jié)果，還需要加到力學(xué)模型中去。

 

  (3) 巖體破壞的演化過程

 

  對工程而言，結(jié)構(gòu)面連通率反映了巖體的工程質(zhì)量，通過更進(jìn)一步的分析，真正決定巖體破壞的是巖體中的“巖橋”。換言之，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面之間的完整巖體破壞時，巖體整體的破壞才會發(fā)生。而這部分巖體開始是連續(xù)的，只有描述了具有連續(xù)特性的完整巖體的破壞過程才能夠真正給出地質(zhì)體的變形和破壞的規(guī)律。

 

  7.2.2 描述土石混合體的力學(xué)模型

 

  自然界中的土、石混合體以坡積層、古滑坡體的形式出現(xiàn)，力學(xué)模型的建立與巖體有本質(zhì)的區(qū)別。土、石混合體內(nèi)部一般沒有明顯的結(jié)構(gòu)面，只有和基巖的交接面和演化形成的滑面。

 

  (1) 山體中塊石的分布規(guī)律

 

  初始狀態(tài)完全可以通過有限元建立這種材料的力學(xué)模型，正如巖體的連通率一樣，山體中巖塊的含量、分布、塊體尺寸和姿態(tài)都很難用確定的方法給出，地質(zhì)鉆孔也難以獲得基本可靠的數(shù)據(jù)。力學(xué)研究的內(nèi)容需要給出影響山體穩(wěn)定性的最大塊度、塊石分布的關(guān)鍵位置以及探測塊石分布的方法。

 

  (2) 山體上的裂縫分布和演化

 

  古滑坡體上產(chǎn)生的裂縫是山體變形、破壞的演化結(jié)果。通常情況是有了裂縫才被發(fā)現(xiàn)和開始研究，從有裂縫開始分析就需要知道裂縫和當(dāng)前內(nèi)部應(yīng)力場的分布規(guī)律。在山體的變形過程中已有的裂縫可能會合并，其他的位置可能會產(chǎn)生新的裂縫，這樣的過程反映到力學(xué)模型中也需要非連續(xù)的力學(xué)模型。

 

  7.2.3 固體、流體耦合的力學(xué)模型

 

  當(dāng)前用于裂隙巖體滲流預(yù)測的主要有3 種類型的模型：等效連續(xù)體模型、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和等效–離散耦合模型。

 

  (1) 等效連續(xù)體模型

 

  等效連續(xù)體模型將裂隙中的水流等效平均到整個巖體中，將裂隙巖體模擬為具有對稱滲透張量的各向異性連續(xù)體，然后利用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行分析。等效連續(xù)介質(zhì)模型的突出優(yōu)點是可以沿用各向異性連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行分析，不需知道每條裂隙的確切位置和水力特性，對于那些不易獲得單個裂隙數(shù)據(jù)的工程問題不失為一個很有價值的工具。但等效連續(xù)介質(zhì)模型在應(yīng)用時尚存在兩方面的困難：一是裂隙巖體等效滲透張量的確定；二是對于不存在代表性體積單元(RVE)或RVE很大的地質(zhì)體，由于其有效性不能得到保證，將會帶來不合理的結(jié)果。

 

  (2) 離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型

 

  離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型力求在搞清每條裂隙的空間方位、隙寬等幾何參數(shù)的前提下，以單個裂隙內(nèi)水流基本公式為基礎(chǔ)。利用流入和流出各裂隙交叉點流量相等的原則建立方程。然后通過求解方程組獲得各裂隙交叉點的水頭值。由于離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型對巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)體系中的每條裂隙都加以具體的模擬，更能刻畫裂隙巖體滲流的基本規(guī)律。但當(dāng)裂隙較多時，特別是三維問題，計算量過大，導(dǎo)致該模型在工程實踐應(yīng)用上仍受到很大制約。

 

  (3) 等效–離散耦合模型

 

  等效–離散耦合模型對于裂隙密度較小的區(qū)域采用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。對于裂隙密度大的區(qū)域采用等效連續(xù)介質(zhì)模型。多重裂隙網(wǎng)絡(luò)模型將巖體中的各種裂隙和空隙按規(guī)模和滲透性分為4 級處理，各級裂隙(孔隙)都形成各自的裂隙網(wǎng)絡(luò)。以水量平衡原理建立各級裂隙網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，并考慮各級裂隙滲流與應(yīng)力不同的相互作用關(guān)系。該模型既可避免離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型對每條裂隙進(jìn)行模擬而帶來的巨大的工作量，又能保證等效連續(xù)介質(zhì)模型的有效性。

 

  盡管人們逐漸認(rèn)識到裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合對工程安全的重要影響，研究工作大都局限于分析宏觀裂隙網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)力–應(yīng)變狀態(tài)，而對于涉及巖石應(yīng)力–應(yīng)變對裂隙滲流率的影響，以及裂隙巖體在開挖卸荷作用下裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通過程中滲透率的演化及其與應(yīng)力的耦合機(jī)制方面，仍缺少深入的認(rèn)識和分析計算手段。并且，在煤礦開采過程中，當(dāng)?shù)貙有秹汉竺簩又械耐咚咕蜁馕龀鰜?，瓦斯、水、固體顆粒和煤的多相運動形成瓦斯突出，是更為復(fù)雜的流、固耦合問題。因此，將非連續(xù)的力學(xué)模型與流固耦合力學(xué)模型相結(jié)合，發(fā)展相應(yīng)的計算方法，并通過實用程序驗證理論的實用性，已成為巖石力學(xué)、水力學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。

 

  7.2.4 多尺度計算模型

 

  多尺度計算模型涉及的問題很多，不同力學(xué)模型有不同的表述形式，現(xiàn)進(jìn)行簡要的討論。眾所周知，巖體具有尺寸效應(yīng)。同種類型的巖體，其強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨著試樣尺寸的增大而降低。“結(jié)構(gòu)控制論”觀點認(rèn)為，由于相同的巖體內(nèi)部節(jié)理面的間距是一定的，因此小尺寸的巖塊所含有的節(jié)理面(缺陷)的數(shù)目少，而大尺寸的巖塊所含節(jié)理面的數(shù)目多，因此，大尺寸的巖塊強(qiáng)度要低。從材料均勻化的觀點看，大尺度試樣內(nèi)所含有的缺陷尺寸和小尺度試樣內(nèi)所含缺陷的尺寸對試樣強(qiáng)度的影響不同，因此，表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。兩種不同的解釋在計算模型中有不同的反映。以有限元為例，當(dāng)不考慮尺寸效應(yīng)時，有限元中網(wǎng)格的劃分僅對結(jié)果的精度有影響；當(dāng)考慮尺寸效應(yīng)時，材料的特性要隨網(wǎng)格的細(xì)化而發(fā)生改變(強(qiáng)度提高)，否則就不能體現(xiàn)材料的多尺度效應(yīng)。在離散元中，塊體的劃分本身就可代表結(jié)構(gòu)的特性，塊體的尺寸也就是結(jié)構(gòu)面的間距。即使塊體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度都不變，邊界條件也不變，含有小尺寸塊體單元的區(qū)域要比同樣大小，但含有大尺寸塊體的區(qū)域更容易破壞。

 

  筆者認(rèn)為，針對工程地質(zhì)力學(xué)的特點，在建立地質(zhì)體多尺度力學(xué)模型時，需要給出一個基本尺度(最小尺度)，即實驗室?guī)r石試樣尺度。事實上，對地質(zhì)體而言，完整的巖塊可被看作是均勻材料，其應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系、破壞強(qiáng)度也是可測的。另外，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度也可通過實驗獲得。因此，在能夠構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的情況下，當(dāng)研究尺度細(xì)分到基本尺度時，材料的基本力學(xué)性質(zhì)是已知的。此時，可直接采用實驗結(jié)果，而無需再研究更小尺度的問題。具體實現(xiàn)計算模型時，可根據(jù)實際情況，選擇不同尺度的尺寸。

 

  對于離散元，可以直接根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果建立結(jié)構(gòu)面模型。如果條件允許，可直接將單元劃分到基本尺度。否則，當(dāng)允許的最小塊體尺寸是某一尺寸并需要分析更小間距的結(jié)構(gòu)面時，可事先根據(jù)基本尺度和結(jié)構(gòu)面模擬出該尺寸下塊體的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則，加入到整個計算模型中去。

 

  對于有限元，可通過均勻化的方式在不同的研究尺度內(nèi)劃分該尺度下的網(wǎng)格，并賦給相應(yīng)的材料特性，當(dāng)尺度細(xì)劃到基本尺度時，不必再研究更小的尺度。通過最大單元尺度與基本單元尺度的比值可以決定選擇幾重尺度。

 

  多尺度計算模型更能夠反映地質(zhì)體的基本力學(xué)特性，也是普及使用大型計算程序的主要手段，應(yīng)當(dāng)是未來工程地質(zhì)力學(xué)研究的內(nèi)容之一。

 

  7.2.5 開發(fā)實用計算程序

 

  解決實際工程問題不僅需要建立力學(xué)模型，而且需要發(fā)展計算程序來數(shù)值實現(xiàn)力學(xué)模型，否則只能是紙上談兵。開發(fā)具有強(qiáng)大生命力的程序是一項系統(tǒng)工程，需要有基礎(chǔ)理論、基本算法、實驗研究、工程實踐、界面處理等多方面的支持。目前我國正進(jìn)行大規(guī)模的地質(zhì)工程建設(shè)，有市場需求，對開發(fā)實用計算程序有激勵作用。必須指出的是，用于模擬地質(zhì)體的計算軟件，其可靠性的驗證不能完全依賴于實際工程，這是由地質(zhì)體未知的初始狀態(tài)決定的。正如前文所討論的， 從開始獲取地質(zhì)參數(shù)、參數(shù)反分析、信息反饋就需要數(shù)值分析，在這種情況下驗證計算程序，從邏輯上就不成立。地質(zhì)體問題通常也沒有解析解，為了驗證開發(fā)程序的可靠性，就不得不做大量的實驗驗證工作。可靠的計算方法用于工程可以保證工程安全、避免或減少判斷失誤。

 

  軟件開發(fā)應(yīng)致力于解決實際工程問題，適用于不同的地質(zhì)條件和地質(zhì)工程。同時還要考慮軟件使用者的認(rèn)識水平，這就需要軟件開發(fā)者深入現(xiàn)場，對地質(zhì)工程中的問題有清醒的認(rèn)識。

 

  總之，開發(fā)工程適用的軟件，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。進(jìn)行大量的工程實驗、現(xiàn)場地質(zhì)考察是軟件開發(fā)的重要組成部分。

 

  7.3 提出關(guān)鍵測量參數(shù)、研發(fā)新型監(jiān)測儀器力學(xué)研究通常是根據(jù)已知的參數(shù)通過理論或數(shù)值分析給出結(jié)果。對地質(zhì)力學(xué)而言，需要什么參數(shù)、如何獲得這些參數(shù)以及獲得參數(shù)的可靠性都需要進(jìn)行力學(xué)的分析工作。對不同的力學(xué)模型，相應(yīng)的測量參數(shù)也就會發(fā)生改變。例如：分析滑坡的穩(wěn)定性時，如果采用剛體極限平衡方法只需要知道材料的強(qiáng)度、地表的形狀、有時需要破壞面的位置；對有限元方法，除了上述參數(shù)外還需要彈性模量、泊松比、地質(zhì)分層、滑面位置；對離散元方法還需要增加結(jié)構(gòu)面的空間分布、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)；流固耦合的離散元方法還需要流體的黏性、補(bǔ)給水的位置和流量等；進(jìn)行反分析需要測量一些變形、應(yīng)力等物理參數(shù)的變化規(guī)律。由此可知，隨著力學(xué)分析方法的發(fā)展，地質(zhì)力學(xué)參數(shù)就需要相應(yīng)的改變。

 

  提出新的測量參數(shù)就需要獲得這些參數(shù)的方法和儀器。儀器的測量原理、測量精度以及數(shù)據(jù)處理在很大的程度上也是地質(zhì)力學(xué)的研究內(nèi)容。例如，地震物探的方法，巖性的分析主要是依賴于波速，但是，地震波的幅值、頻率和振動持續(xù)時間所攜帶的大量的信息都能夠反映地質(zhì)體的特性，在當(dāng)前對地震波在地質(zhì)體中的傳播規(guī)律沒有足夠認(rèn)識的情況下，測量儀器就不可能具有分析這些信息的功能。

 

  7.4 實驗驗證、篩選力學(xué)分析方法

 

  在不斷完善力學(xué)模型和提出新的力學(xué)模型的同時，地質(zhì)力學(xué)研究應(yīng)當(dāng)更加注重新方法的驗證和應(yīng)用的研究。每年我國有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害防治的科學(xué)論文數(shù)以千計，各種各樣的本構(gòu)關(guān)系、計算方法不斷的涌現(xiàn)，然而，分析山體滑坡穩(wěn)定性依然采用二十世紀(jì)五六十年代的分析方法——剛體極限平衡方法。

 

  該方法有著固有的缺陷，工程師也明知其中含有更多的經(jīng)驗成分，也不愿采用考慮更多地質(zhì)因素的分析技術(shù)(有限元、離散元等)的原因在于：一方面是剛體極限平衡方法所要求的參數(shù)簡單，如節(jié)7.3所述，它只要求地表形狀和強(qiáng)度參數(shù)，并且在一些限定的條件下有其合理性，能夠與工程師長期的經(jīng)驗建立起某種聯(lián)系；另一方面，目前還沒有經(jīng)得起考驗的新的分析技術(shù)。力學(xué)分析方法越精確，要求的參數(shù)就越多，方法的精確性和參數(shù)的易取性是一對矛盾，也是相輔相成的，更需要相互促進(jìn)。計算方法應(yīng)當(dāng)盡可能地利用已經(jīng)獲得的力學(xué)參數(shù)，反之，為了利用精確的計算方法，應(yīng)當(dāng)開發(fā)勘測技術(shù)獲得更多的力學(xué)參數(shù)。如果將國家的規(guī)范停留在簡單的計算方法上，就沒有必要探測新的力學(xué)參數(shù)，工程地質(zhì)力學(xué)的發(fā)展必然會受到限制。

 

  面對一系列的商用軟件和不斷提出的各種算法、計算軟件，需要開展一些專門的論證工作。在證明一些方法的可靠性的同時也發(fā)現(xiàn)其中的問題，確定其適用范圍，在此基礎(chǔ)上提出國家標(biāo)準(zhǔn)。

 

  由于一些商用軟件的源代碼是不公開的，很難從根本上發(fā)現(xiàn)程序的缺陷。計算工程問題時，只能是輸入?yún)?shù)得到結(jié)果。由于計算結(jié)果的需求方不能接受有問題軟件的計算結(jié)果，使用軟件者即使發(fā)現(xiàn)了軟件問題，也不便明確指出，對自己的計算結(jié)果也沒有信心。筆者認(rèn)為，用于分析地質(zhì)體的計算軟件仍然處在探索之中，計算結(jié)果中出現(xiàn)不合理的情況是正常的，不斷的發(fā)現(xiàn)問題和改進(jìn)，計算軟件才有可能完善。沒有必要假定計算軟件可靠而對不合理的計算結(jié)果給出牽強(qiáng)附會的解釋。

 

  7.5 研究具體的地質(zhì)工程并探索普遍規(guī)律

 

  自然界幾乎不存在地質(zhì)構(gòu)造相同的山體，更不可能有完全相同的地質(zhì)工程，這也正是地質(zhì)工程設(shè)計和地質(zhì)力學(xué)應(yīng)用的難度所在。鄭哲敏院士主張研究巖體力學(xué)首先要研究個別的案例，然后再去尋找一般的規(guī)律。矛盾的普遍性存在于矛盾的特殊性之中，在個別的問題不能很好解決的情況下，也是不可能的給出統(tǒng)一的方法。災(zāi)害調(diào)查的過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，與滑坡災(zāi)害發(fā)生地相鄰或附近的山體，地質(zhì)條件差異很小，經(jīng)驗判斷也更危險，但是卻沒有發(fā)生滑動。這說明，人們對地質(zhì)體的認(rèn)知程度基本上處在經(jīng)驗判斷和感性的階段，對個別案例的深入研究、積累數(shù)據(jù)和分析基本運動規(guī)律是地質(zhì)力學(xué)長期的研究任務(wù)。

 

  8 結(jié)語

 

  開展工程地質(zhì)力學(xué)的研究需要以地學(xué)為基礎(chǔ)、力學(xué)為手段、工程為目的。地質(zhì)體復(fù)雜的力學(xué)特性對力學(xué)研究的方法提出了新的要求，研究地質(zhì)體的力學(xué)分類、開發(fā)測量關(guān)鍵參數(shù)的新型儀器以及探索描述材料由連續(xù)到非連續(xù)破壞的演化過程是工程地質(zhì)力學(xué)特有的或當(dāng)今學(xué)科的前沿課題。工程地質(zhì)力學(xué)研究面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有解決關(guān)鍵的科學(xué)問題才有可能從根本上解決地質(zhì)工程的設(shè)計、施工中提出的問題，最終提高地質(zhì)工程建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害防治的水平。實現(xiàn)這一目標(biāo)首先要提練相關(guān)的科學(xué)問題、研究內(nèi)容及方法，筆者主要從力學(xué)的角度對此提出了自己的看法。受知識結(jié)構(gòu)和認(rèn)識水平的限制，無論是深度、廣度都還很不夠，希望與地學(xué)、力學(xué)和工程科學(xué)的專家共同探討有關(guān)問題，以求得我國工程地質(zhì)力學(xué)的研究目標(biāo)更加明確。