1 引言

 

  地質(zhì)力學(xué)既是地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支也應(yīng)當(dāng)是力學(xué)的一個(gè)分支，涵蓋了與地質(zhì)體的演化、變形與破壞有關(guān)的大量?jī)?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(wèn)題。在這里，“工程”是指以工程為目的，研究工程尺度的問(wèn)題；“地質(zhì)”是指研究對(duì)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(wèn)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(kāi)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(duì)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(cè)了未來(lái)地震危險(xiǎn)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(lái)，隨著我國(guó)實(shí)施西部開(kāi)發(fā)和大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，越來(lái)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(wèn)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(kāi)展的工作涉及巖石力學(xué)的集成分析[6]、多場(chǎng)耦合[7]、力學(xué)參數(shù)探測(cè)[8]、地應(yīng)力變化[9]、損傷力學(xué)[10]和破損力學(xué)[11]、巖石動(dòng)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(wèn)題[14，15]。為此，王思敬[16]在總結(jié)我國(guó)地質(zhì)力學(xué)的研究成果同時(shí)，也提出了未來(lái)巖石力學(xué)發(fā)展的任務(wù)。

 

  本文綜合前人的成果，針對(duì)我國(guó)地質(zhì)工程迫切需要解決的問(wèn)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(wèn)題和科學(xué)問(wèn)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(diǎn)，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(duì)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(duì)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(gè)量級(jí)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(jí)。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(wèn)題值得深入的研究和探索，但一般可通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，從這個(gè)系統(tǒng)中取出任何一個(gè)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(gè)方面說(shuō)，巖體的試樣離開(kāi)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(guò)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(cè)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(duì)的，有時(shí)也可稱為“當(dāng)前”狀態(tài)，特指某一事件(開(kāi)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(yùn)動(dòng)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(wú)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(shí)際問(wèn)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(shí)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(duì)大多數(shù)的工程實(shí)際問(wèn)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(guò)程更為復(fù)雜。

 

  3 工程地質(zhì)力學(xué)面臨的工程問(wèn)題

 

  地質(zhì)工程大致可歸為兩類問(wèn)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(kù)以及地下礦藏開(kāi)采形成的采空區(qū)，地質(zhì)體中的軟巖、透水、活動(dòng)斷層等直接影響著工程的成敗和工程建設(shè)的造價(jià)，主要的力學(xué)問(wèn)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(kāi)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(guó)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(wèn)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(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)幾個(gè)階段。

 

  在不同的工程階段，工程目的不同，所遇到的工程問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)也不同，然而，一般而言，地質(zhì)工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，各個(gè)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(wèn)題。

 

  3.1 地質(zhì)體穩(wěn)定性判斷及其安全預(yù)測(cè)

 

  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(kāi)危險(xiǎn)的區(qū)域首先要知道哪些區(qū)域是危險(xiǎn)的。在獲得一定地質(zhì)資料之后，就要對(duì)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(jiǎn)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(lái)穩(wěn)定的地質(zhì)條件被誤判為不穩(wěn)定的，無(wú)論是避讓還是采取工程措施都會(huì)造成不必要甚至是非常巨大的浪費(fèi)。在我國(guó)的工程實(shí)踐中，解決該問(wèn)題主要是依賴于地質(zhì)工程師豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(yàn)；有個(gè)別工程也采用有限元、離散元、有限差分等計(jì)算，仍屬有探索或科研性工作。從目前來(lái)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(cè)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(yàn)，判斷工程建設(shè)的可行性，初步確定工程建設(shè)的地點(diǎn)、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(guò)各種手段獲得地質(zhì)資料為工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。勘察獲得的資料越豐富，工程設(shè)計(jì)的可靠性也就越大。然而，在實(shí)際工程中，盡管地質(zhì)勘察的手段很多，受勘察手段、經(jīng)費(fèi)的限制，獲得詳細(xì)的地質(zhì)資料是很困難的，工程設(shè)計(jì)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(jià)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(wèn)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(dòng)、滲流以及表面位移監(jiān)測(cè)的方法探測(cè)地質(zhì)體的力學(xué)特性，從理論上要比直接鉆孔、開(kāi)挖更合理。事實(shí)上這些方法不破壞地質(zhì)體的原有結(jié)構(gòu)，反映了某個(gè)區(qū)域而不是某個(gè)點(diǎn)的特性，探測(cè)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(jì)算技術(shù)，否則很難獲得突破。地質(zhì)雷達(dá)是探測(cè)地質(zhì)體特性的重要手段之一，受發(fā)射能量的限制，探測(cè)深度在土體中一般不超過(guò)30 m，包括電法都存在著如何將探測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為力學(xué)參數(shù)的問(wèn)題。用力學(xué)的方法(特別是地震波法)探測(cè)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(jì)依據(jù)

 

  對(duì)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(kù)區(qū)蓄水引起的庫(kù)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(diǎn)不可避讓和無(wú)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(chǎng)的分布，試圖給出科學(xué)和合理的工程設(shè)計(jì)非常困難，而工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化要求更高一些。對(duì)地下工程常用的工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是巖體分類技術(shù)[18]，邊坡工程還沒(méi)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(guó)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(shuō)來(lái)工程巖體分類是粗曠性的，主要用于初步設(shè)計(jì)、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(jì)算和分析，特別對(duì)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(shí)工程設(shè)計(jì)應(yīng)該具體問(wèn)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(jì)依據(jù)。

 

  3.4 預(yù)報(bào)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(duì)災(zāi)害的破壞程度做出預(yù)測(cè)，預(yù)報(bào)災(zāi)害可能發(fā)生的時(shí)間。在靜態(tài)問(wèn)題沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)之前，考慮地質(zhì)體的時(shí)間效應(yīng)很困難，但是，這是一個(gè)十分迫切的亟待解決的問(wèn)題，它不僅是一個(gè)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)方法的理論問(wèn)題，同時(shí)涉及到如何進(jìn)行監(jiān)測(cè)和如何分析測(cè)量結(jié)果。盡管如此，有一點(diǎn)可確定：地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是地質(zhì)體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化后在突發(fā)事件的作用下發(fā)生的。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠了解和預(yù)測(cè)地質(zhì)體在觀測(cè)時(shí)間尺度內(nèi)的演化過(guò)程，但是，災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間不只是與演化的時(shí)間有關(guān)，而是取決于突發(fā)事件的時(shí)間。由此可知，如果不能夠預(yù)報(bào)突發(fā)事件的時(shí)間，就不能預(yù)報(bào)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間。例如，三峽新灘滑坡如果沒(méi)有對(duì)黃巖危巖體崩塌這一重要事件的預(yù)報(bào)，那么根據(jù)前兩年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生的時(shí)間，就如同不知道東南亞何時(shí)、何地發(fā)生地震卻能夠預(yù)報(bào)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(cè)、預(yù)報(bào)脫離不了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上能夠解決實(shí)際問(wèn)題的工作集中在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的短期預(yù)報(bào)(臨發(fā)預(yù)報(bào))和針對(duì)具體的地點(diǎn)給出發(fā)生災(zāi)害的外界條件，即經(jīng)過(guò)研究能夠預(yù)測(cè)出在什么條件下會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

 

  長(zhǎng)期以來(lái)，人們?yōu)榻鉀Q上述工程問(wèn)題積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(wèn)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(wèn)題。

 

  4 工程地質(zhì)力學(xué)中的科學(xué)問(wèn)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(wèn)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(mén)應(yīng)用性科學(xué)，需要通過(guò)研究地質(zhì)體的變形和破壞規(guī)律這個(gè)共性的問(wèn)題，解決工程中的共性問(wèn)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(guò)程。

 

  4.1 本構(gòu)關(guān)系

 

  應(yīng)當(dāng)說(shuō)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(jiǎn)化的處理方法為解決大量的力學(xué)問(wèn)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(lái)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(shí)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(wèn)題中介質(zhì)通?？梢院?jiǎn)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(gè)甚至幾個(gè)量級(jí)以上；其二，介質(zhì)非連續(xù)的特性在實(shí)際問(wèn)題中一般不能表現(xiàn)出來(lái)或者說(shuō)可以避免這種表現(xiàn)出現(xiàn)。對(duì)于一般的材料，沒(méi)有必要研究缺陷帶來(lái)的影響。大部分金屬構(gòu)件，人們?yōu)榱税踩鹨?jiàn)，只是利用它的線彈性部分，不考慮由于材料的缺陷帶來(lái)的非線性等因素就可以滿足實(shí)踐的要求。當(dāng)然，隨著材料科學(xué)研究不斷的深入，對(duì)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(duì)地質(zhì)體問(wèn)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(jí)，不考慮結(jié)構(gòu)面的影響，就不能從根本上解決問(wèn)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(jiǎn)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(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)，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(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題，簡(jiǎn)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(guò)地質(zhì)年代的長(zhǎng)期演化的結(jié)果，與地質(zhì)體形成演化過(guò)程密切相關(guān)。事實(shí)上，初始狀態(tài)是相對(duì)的，如邊坡開(kāi)挖工程，只需將開(kāi)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(kāi)挖前的狀態(tài)作為初始狀態(tài)。當(dāng)然，也有些問(wèn)題就很難界定什么是初始狀態(tài)，如山體滑坡問(wèn)題，通常有記錄的時(shí)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(guò)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(yùn)動(dòng)留下的形跡，每次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的演化史，就能夠深刻認(rèn)識(shí)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(guò)若干次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后形成的，最近的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)以及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的形成演化過(guò)程，對(duì)判斷和確定主應(yīng)力方向非常重要。

 

  地質(zhì)學(xué)家通常可以給出地質(zhì)形成的年代、地質(zhì)體的建造和改造過(guò)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(yàn)對(duì)地質(zhì)體的穩(wěn)定性做出基本的判斷；而對(duì)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(diǎn)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(lái)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(duì)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(diǎn)，也是獲得地質(zhì)體初始狀態(tài)的基本途徑。

 

  工程實(shí)踐中，初始的地應(yīng)力有很多的方法可以測(cè)量，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力較大并且地層較均勻時(shí)，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(cè)量傳感器的尺寸很小，所代表的范圍非常有限，測(cè)量時(shí)有些點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)力值很大，而由另一些點(diǎn)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(cè)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，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(guò)破壞的特性。對(duì)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(duì)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(chǎng)是未知初始狀態(tài)的另一個(gè)重要的特征，在研究地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，這一因素起著極其關(guān)鍵的作用，在巖體中，滲流場(chǎng)不再是均勻滲流，裂隙中水的流動(dòng)與巖塊中水的滲流速度相差幾個(gè)量級(jí)。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(wú)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(chǎng)的復(fù)雜性，都可以歸結(jié)為地質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何問(wèn)題。

 

  4.3 地質(zhì)體變形與破壞的演化過(guò)程

 

  描述巖體受到擾動(dòng)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(shí)兩方面的問(wèn)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(chǎng)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)作用下巖橋破壞，地質(zhì)體內(nèi)會(huì)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(chǎng)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(chǎng)、描述地質(zhì)體內(nèi)部應(yīng)力轉(zhuǎn)移的過(guò)程就是研究地質(zhì)體由局部破壞引發(fā)整體破壞的過(guò)程，也可認(rèn)為是局部連續(xù)的區(qū)域演化為破壞面的過(guò)程?？陀^地描述這樣的力學(xué)過(guò)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(jì)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(wèn)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(cè)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(guò)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(jiǎn)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(gè)工程的結(jié)果用于另一個(gè)工程，這就需要針對(duì)具體的問(wèn)題進(jìn)行具體的分析，很難從中總結(jié)出一個(gè)具有普遍意義的解析解。事實(shí)上，解析解真正能夠解決的問(wèn)題甚少，一些通過(guò)實(shí)驗(yàn)整理出的經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(jiǎn)而言之，當(dāng)外加力超過(guò)系統(tǒng)允許的上限時(shí)系統(tǒng)一定會(huì)發(fā)生塑性破壞，并會(huì)發(fā)生整體的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)外力小于系統(tǒng)允許的下限時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)一定不會(huì)發(fā)生塑性破壞。定理還強(qiáng)調(diào)了用運(yùn)動(dòng)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(méi)有給出具體的求解方法。如果對(duì)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(guò)降低巖體內(nèi)部的材料強(qiáng)度來(lái)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(lái)說(shuō)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(shí)，系統(tǒng)就會(huì)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(shí)，系統(tǒng)一定不會(huì)發(fā)生破壞。有必要說(shuō)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(shuō)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(jiǎn)化成為條分結(jié)構(gòu)和沿滑面滑動(dòng)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(shí)際問(wèn)題還比較遠(yuǎn)。隨著計(jì)算方法逐漸成熟和計(jì)算技術(shù)的不斷提高，人們已經(jīng)不再期望通過(guò)解析解來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題。

 

  5.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

 

  在解析解應(yīng)用范圍非常有限的情況下，開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究主要可分為模型實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)性能的測(cè)量。模型實(shí)驗(yàn)只能給出實(shí)驗(yàn)尺寸條件下的結(jié)果，模擬實(shí)驗(yàn)試圖給出相似條件下原型尺寸下的結(jié)果。

 

  5.2.1 模型實(shí)驗(yàn)

 

  一般不考慮相似率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是用于模型的尺寸，用于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得到實(shí)驗(yàn)尺度上的規(guī)律性。從實(shí)際應(yīng)用的角度而言，模型實(shí)驗(yàn)似乎沒(méi)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(shí)驗(yàn)的目的用于驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，或者說(shuō)將實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，其研究意義就不同。模型實(shí)驗(yàn)中，可以制造一些復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)，精確的測(cè)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(shí)驗(yàn)，并將兩種方法得到的結(jié)果比較，驗(yàn)證數(shù)值方法的正確性，最后通過(guò)數(shù)值模擬給出回答工程問(wèn)題的答案。數(shù)值模擬有時(shí)可以通過(guò)改變參數(shù)得到所需要的結(jié)果，得到與某個(gè)工程測(cè)量結(jié)果相接近也不困難，但是，如果幾個(gè)力學(xué)參數(shù)變化的規(guī)律都能夠做到實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬吻合或得到相同的規(guī)律，計(jì)算程序就比較可信。目前大量的計(jì)算軟件是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的，模擬巖體問(wèn)題受到很多限制，在用于模擬工程以前很有必要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些方法的可靠性。

 

  5.2.2 模擬實(shí)驗(yàn)

 

  對(duì)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(shí)，要求對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jí)；若幾米的模型實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)真正實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。

 

  在重力相似方面，可寫(xiě)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(guò)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(shí)驗(yàn)研究水的特性還需要分析滲流過(guò)程中的動(dòng)力相似問(wèn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M實(shí)際工程問(wèn)題，給出實(shí)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(shí)上，模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不能做到結(jié)構(gòu)的一致性，也就不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)的使用價(jià)值。由此可知，無(wú)論模型實(shí)驗(yàn)還是模擬實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)更重要的作用是為數(shù)值模擬提供驗(yàn)證的依據(jù)和定性地觀察一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

 

  5.2.3 巖體力學(xué)性能測(cè)量

 

  巖體力學(xué)性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)量巖樣、土樣的力學(xué)性能，主要的工作是在材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成的，包括巖塊的本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上還是借用金屬材料特性實(shí)驗(yàn)的方法和儀器，針對(duì)巖土特性的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，一個(gè)最基本的假設(shè)是通過(guò)對(duì)試樣的測(cè)量得到巖體中一個(gè)點(diǎn)的力學(xué)特性。這樣，從有限體積試樣的實(shí)驗(yàn)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(duì)于非均勻材料，當(dāng)施加力的邊界是剛性邊界時(shí)，也就是給定位移邊界(邊界上各點(diǎn)的位移相等)，邊界上力的分布就是非均勻的。換言之，對(duì)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(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)得到一些不規(guī)律的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不奇怪(特別是試樣的強(qiáng)度離散度較大)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的所加的荷載本身就是不確定的。一種新型的材料試驗(yàn)機(jī)即柔性邊界加載的材料試驗(yàn)機(jī)試圖解決這一問(wèn)題。

 

  5.3 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

 

  盡管在地質(zhì)體的研究過(guò)程中，人們經(jīng)常采用類比的方法對(duì)山體的穩(wěn)定性做出判斷，但是在工程實(shí)踐中，幾乎很難發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件相同的兩個(gè)山體，這也正是工程地質(zhì)力學(xué)研究的主要的難點(diǎn)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(duì)概化力學(xué)模型是非常重要的。這項(xiàng)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(diǎn)，對(duì)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(chǎng)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(cè)量?jī)x器的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)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(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量，而有些測(cè)量?jī)x器的開(kāi)發(fā)和測(cè)量結(jié)果的分析又需要力學(xué)的分析工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，地質(zhì)調(diào)查是建立力學(xué)模型的基礎(chǔ)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量為確定計(jì)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(cè)量，獲得定量的參數(shù)，建立力學(xué)模型，通過(guò)分析和計(jì)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(lái)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(duì)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(yàn)證其可靠性。為此，筆者建議從以下4 個(gè)方面對(duì)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(guò)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(jì)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(duì)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(gè)方面簡(jiǎn)要地評(píng)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(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)等的工程問(wèn)題。但對(duì)于巖石材料而言，該方法在處理連續(xù)問(wèn)題方面，與有限元相比并不具有優(yōu)勢(shì)；在處理非連續(xù)問(wèn)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(wèn)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(lái)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(guò)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(lái)劃分網(wǎng)格，可模擬已知結(jié)構(gòu)面材料的失效過(guò)程。

 

  對(duì)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(wú)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(duì)不連續(xù)問(wèn)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(wèn)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(kāi)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(guò)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(diǎn)主要是沒(méi)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(yàn)；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(duì)結(jié)構(gòu)面事先給定的模型也不能模擬演化過(guò)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(jiǎn)化，這種靠經(jīng)驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)面剛度的方式有時(shí)候不影響離散元在實(shí)際工程中的應(yīng)用，因?yàn)榕c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(duì)該方法的適用范圍有足夠的認(rèn)識(shí)；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?jiǎng)偠鹊拇_定方法和分析地質(zhì)體由連續(xù)到非連續(xù)的演化過(guò)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(méi)有被列為數(shù)值分析方法，未做討論。J. M.Duncan對(duì)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(jì)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?yàn)楣こ處熖峁┤菀桌斫獾姆治鼋Y(jié)果，但其固有的缺陷弱化了它的實(shí)用價(jià)值。該方法通過(guò)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(wú)法描述變形及破壞的過(guò)程；條分和沿破壞面滑動(dòng)的假設(shè)，掩蓋了地質(zhì)體復(fù)雜特性對(duì)穩(wěn)定性的作用，至于是偏保守還是偏危險(xiǎn)(與離散元相比要偏危險(xiǎn))，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(cè)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(méi)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(guò)大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐證明其可靠性和實(shí)用性；其四，需要提高工程技術(shù)人員對(duì)計(jì)算技術(shù)和力學(xué)模型的認(rèn)識(shí)水平，使他們真正地認(rèn)識(shí)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(yàn)方法，其可靠性基于在對(duì)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(shí)，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(jì)算因子并確定它們的權(quán)重都是必須解決的問(wèn)題。事實(shí)上，這些問(wèn)題的真正解決仍然依賴于對(duì)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(jì)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(lái)，可以通過(guò)對(duì)該函數(shù)的運(yùn)算，判斷進(jìn)一步計(jì)算參數(shù)改變的方向，以求得節(jié)省計(jì)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(duì)工程地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)的影響度，回答工程問(wèn)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(duì)應(yīng)起來(lái)，來(lái)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(jì)算的工作量并且使計(jì)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(bào)結(jié)果實(shí)際上是不可能的。因此，在研究地質(zhì)體的工程問(wèn)題時(shí)，需要采用概率統(tǒng)計(jì)方法來(lái)表征參數(shù)的不確定性。實(shí)現(xiàn)概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可靠性仍然依賴于工程地質(zhì)力學(xué)中的兩個(gè)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(chǎng)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(jì)算方法的科學(xué)性。如果采用的計(jì)算方法過(guò)于簡(jiǎn)單，以至于不能反映研究問(wèn)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(yùn)動(dòng)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?yàn)楣こ處熃邮懿⒖膳c當(dāng)前的規(guī)范相結(jié)合，從而逐步將其推廣使用。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵還是要通過(guò)模擬大量的實(shí)驗(yàn)和工程驗(yàn)證方法的可靠性。

 

  6 地學(xué)、力學(xué)與工程結(jié)合的問(wèn)題

 

  長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)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(cè)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(shí)，那些簡(jiǎn)單模型下給出的結(jié)論很難滿足工程的要求。數(shù)值計(jì)算結(jié)果的計(jì)算參數(shù)來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)的估計(jì)，計(jì)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(yàn)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(shí)際問(wèn)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(guò)程中特殊的構(gòu)造融入到計(jì)算模型中。

 

  而這些特殊的構(gòu)造是地質(zhì)工程師經(jīng)驗(yàn)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(shí)有些困難，研究成果不實(shí)用。

 

  (3) 計(jì)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(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)不符合時(shí)，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(méi)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(duì)大型的現(xiàn)代化工程，特別是工程治理設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)判斷不能給出設(shè)計(jì)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(cè)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(yàn)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(guò)程，需要科學(xué)的計(jì)算方法。

 

  在工程實(shí)踐中，由于地質(zhì)工程師的經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)期的地質(zhì)調(diào)查工作積累，往往可對(duì)某一地區(qū)的地層直接做出判斷，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展地質(zhì)調(diào)查可以有的放矢，進(jìn)而節(jié)約經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。如果地質(zhì)判斷失誤，已有的經(jīng)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致工程失敗，在此基礎(chǔ)上的力學(xué)分析也不會(huì)成功。反過(guò)來(lái)，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(duì)地質(zhì)體的判斷借助于力學(xué)的手段定量化，并通過(guò)力學(xué)的理論方法進(jìn)行定量分析，給出滿足工程設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程和地層的辨認(rèn)和定性地描述的同時(shí)，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(chǎng)的監(jiān)測(cè)彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)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(gè)學(xué)科有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，推動(dòng)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?jī)?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?jī)?nèi)容應(yīng)包括下述幾個(gè)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(duì)地質(zhì)工程非常重要，國(guó)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(jì)、工程概預(yù)算、工程定額計(jì)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(jiān)硬程度和巖體的完整程度)進(jìn)行分類的。例如，我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218–94)、國(guó)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(guó)內(nèi)鐵路部門(mén)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(dòng)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(huì)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(jì)規(guī)范，從而使工程設(shè)計(jì)與巖體的分類(包括特性分類)緊密的結(jié)合起來(lái)。

 

  以 Q 分類法為例，確定Q 值需要6 個(gè)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(gè)參數(shù)均與工程特性無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)，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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)及優(yōu)化所必需的條件和力學(xué)分析過(guò)程：

 

  (1) 必需條件：邊界條件(地下空間的尺度)、初始地應(yīng)力場(chǎng)或位移場(chǎng)、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(jì)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(jì)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(guò)已有的巖體分類獲得，有一些卻不能。通過(guò)巖體的分類法能夠直接或間接地確定工程設(shè)計(jì)的原則，其產(chǎn)生的定量結(jié)果并不是通過(guò)確定性的方法得到的，其中含有較多的經(jīng)驗(yàn)成份。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)有可能也有必要實(shí)施確定性的分析，對(duì)于難以確定的地質(zhì)體的強(qiáng)度、初始地應(yīng)力場(chǎng)也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和參數(shù)反分析等方法估算出來(lái)。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(duì)不確定的力學(xué)參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)、測(cè)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(jì)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(jì)使用，或者為工程設(shè)計(jì)提供巖體質(zhì)量的級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)地質(zhì)體的描述通過(guò)力學(xué)定量化，同時(shí)完成了力學(xué)研究者的知識(shí)結(jié)構(gòu)難以實(shí)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(shuō)明：

 

  (1) 不同地層與構(gòu)造的分布參數(shù)地質(zhì)工作可以對(duì)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(guò)地質(zhì)勘查校核，確認(rèn)地層的分布。力學(xué)研究可以通過(guò)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(gè)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(cuò)動(dòng)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(jì)算模型中。

 

  (3) 結(jié)構(gòu)面的幾何和力學(xué)特性參數(shù)通過(guò)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(chǎng)邊界條件參數(shù)

 

  地質(zhì)體內(nèi)的滲流場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(kāi)以及連通的程度。

 

  (6) 通過(guò)測(cè)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(dòng)衰減規(guī)律、地表振動(dòng)的頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間等。對(duì)于大型工程，一般可以通過(guò)變化荷載(開(kāi)挖、降雨、震動(dòng)等)測(cè)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(jì)算提供力學(xué)參數(shù)，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化均可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到。更進(jìn)一步而言，材料特性中個(gè)別參數(shù)不能給出確定的數(shù)值，但是具有統(tǒng)計(jì)意義?？梢栽诹W(xué)模型中設(shè)為統(tǒng)計(jì)量，通過(guò)反分析和測(cè)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(jì)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(jì)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(shì)，也有自己的缺陷。針對(duì)一個(gè)具體的問(wèn)題，總可以提出一種簡(jiǎn)化的模型，并完成某一種條件下的力學(xué)分析，但是計(jì)算結(jié)果的可靠性總是遭到質(zhì)疑。解決問(wèn)題需要開(kāi)展兩個(gè)方面的工作：一是計(jì)算方法要有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，基本上能夠反映材料特性；二是計(jì)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(méi)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?jī)?nèi)容包括：

 

  (1) 探測(cè)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(duì)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(jì)量就需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)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(cè)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(jì)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(guò)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(guò)程

 

  對(duì)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(guò)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(shí)，巖體整體的破壞才會(huì)發(fā)生。而這部分巖體開(kāi)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(guò)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(méi)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(guò)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(cè)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(kāi)始研究，從有裂縫開(kāi)始分析就需要知道裂縫和當(dāng)前內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。在山體的變形過(guò)程中已有的裂縫可能會(huì)合并，其他的位置可能會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，這樣的過(guò)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(cè)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(gè)巖體中，將裂隙巖體模擬為具有對(duì)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(diǎn)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(duì)于那些不易獲得單個(gè)裂隙數(shù)據(jù)的工程問(wèn)題不失為一個(gè)很有價(jià)值的工具。但等效連續(xù)介質(zhì)模型在應(yīng)用時(shí)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(duì)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(huì)帶來(lái)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(gè)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(diǎn)流量相等的原則建立方程。然后通過(guò)求解方程組獲得各裂隙交叉點(diǎn)的水頭值。由于離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)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(huà)裂隙巖體滲流的基本規(guī)律。但當(dāng)裂隙較多時(shí)，特別是三維問(wèn)題，計(jì)算量過(guò)大，導(dǎo)致該模型在工程實(shí)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(duì)于裂隙密度較小的區(qū)域采用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)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(jí)處理，各級(jí)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(jí)裂隙網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，并考慮各級(jí)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(duì)每條裂隙進(jìn)行模擬而帶來(lái)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(shí)到裂隙巖體滲流應(yīng)力耦合對(duì)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(duì)于涉及巖石應(yīng)力–應(yīng)變對(duì)裂隙滲流率的影響，以及裂隙巖體在開(kāi)挖卸荷作用下裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通過(guò)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(shí)和分析計(jì)算手段。并且，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)?shù)貙有秹汉竺簩又械耐咚咕蜁?huì)解析出來(lái)，瓦斯、水、固體顆粒和煤的多相運(yùn)動(dòng)形成瓦斯突出，是更為復(fù)雜的流、固耦合問(wèn)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(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)用程序驗(yàn)證理論的實(shí)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(jì)算模型

 

  多尺度計(jì)算模型涉及的問(wèn)題很多，不同力學(xué)模型有不同的表述形式，現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)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?！敖Y(jié)構(gòu)控制論”觀點(diǎn)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(diǎn)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(duì)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(jì)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(shí)，有限元中網(wǎng)格的劃分僅對(duì)結(jié)果的精度有影響；當(dāng)考慮尺寸效應(yīng)時(shí)，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(duì)工程地質(zhì)力學(xué)的特點(diǎn)，在建立地質(zhì)體多尺度力學(xué)模型時(shí)，需要給出一個(gè)基本尺度(最小尺度)，即實(shí)驗(yàn)室?guī)r石試樣尺度。事實(shí)上，對(duì)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(cè)的。另外，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)，材料的基本力學(xué)性質(zhì)是已知的。此時(shí)，可直接采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而無(wú)需再研究更小尺度的問(wèn)題。具體實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇不同尺度的尺寸。

 

  對(duì)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?jiǎng)澐值交境叨取７駝t，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(shí)，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(gè)計(jì)算模型中去。

 

  對(duì)于有限元，可通過(guò)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(shí)，不必再研究更小的尺度。通過(guò)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(jì)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(jì)算程序的主要手段，應(yīng)當(dāng)是未來(lái)工程地質(zhì)力學(xué)研究的內(nèi)容之一。

 

  7.2.5 開(kāi)發(fā)實(shí)用計(jì)算程序

 

  解決實(shí)際工程問(wèn)題不僅需要建立力學(xué)模型，而且需要發(fā)展計(jì)算程序來(lái)數(shù)值實(shí)現(xiàn)力學(xué)模型，否則只能是紙上談兵。開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大生命力的程序是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要有基礎(chǔ)理論、基本算法、實(shí)驗(yàn)研究、工程實(shí)踐、界面處理等多方面的支持。目前我國(guó)正進(jìn)行大規(guī)模的地質(zhì)工程建設(shè)，有市場(chǎng)需求，對(duì)開(kāi)發(fā)實(shí)用計(jì)算程序有激勵(lì)作用。必須指出的是，用于模擬地質(zhì)體的計(jì)算軟件，其可靠性的驗(yàn)證不能完全依賴于實(shí)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(kāi)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(yàn)證計(jì)算程序，從邏輯上就不成立。地質(zhì)體問(wèn)題通常也沒(méi)有解析解，為了驗(yàn)證開(kāi)發(fā)程序的可靠性，就不得不做大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作?？煽康挠?jì)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(kāi)發(fā)應(yīng)致力于解決實(shí)際工程問(wèn)題，適用于不同的地質(zhì)條件和地質(zhì)工程。同時(shí)還要考慮軟件使用者的認(rèn)識(shí)水平，這就需要軟件開(kāi)發(fā)者深入現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)地質(zhì)工程中的問(wèn)題有清醒的認(rèn)識(shí)。

 

  總之，開(kāi)發(fā)工程適用的軟件，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。進(jìn)行大量的工程實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)考察是軟件開(kāi)發(fā)的重要組成部分。

 

  7.3 提出關(guān)鍵測(cè)量參數(shù)、研發(fā)新型監(jiān)測(cè)儀器力學(xué)研究通常是根據(jù)已知的參數(shù)通過(guò)理論或數(shù)值分析給出結(jié)果。對(duì)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(duì)不同的力學(xué)模型，相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)也就會(huì)發(fā)生改變。例如：分析滑坡的穩(wěn)定性時(shí)，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(shí)需要破壞面的位置；對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)量參數(shù)就需要獲得這些參數(shù)的方法和儀器。儀器的測(cè)量原理、測(cè)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?jī)?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(dòng)持續(xù)時(shí)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(duì)地震波在地質(zhì)體中的傳播規(guī)律沒(méi)有足夠認(rèn)識(shí)的情況下，測(cè)量?jī)x器就不可能具有分析這些信息的功能。

 

  7.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，地質(zhì)力學(xué)研究應(yīng)當(dāng)更加注重新方法的驗(yàn)證和應(yīng)用的研究。每年我國(guó)有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害防治的科學(xué)論文數(shù)以千計(jì)，各種各樣的本構(gòu)關(guān)系、計(jì)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——?jiǎng)傮w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(yàn)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(jiǎn)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(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)建立起某種聯(lián)系；另一方面，目前還沒(méi)有經(jīng)得起考驗(yàn)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(duì)矛盾，也是相輔相成的，更需要相互促進(jìn)。計(jì)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(jì)算方法，應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)勘測(cè)技術(shù)獲得更多的力學(xué)參數(shù)。如果將國(guó)家的規(guī)范停留在簡(jiǎn)單的計(jì)算方法上，就沒(méi)有必要探測(cè)新的力學(xué)參數(shù)，工程地質(zhì)力學(xué)的發(fā)展必然會(huì)受到限制。

 

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

 

  由于一些商用軟件的源代碼是不公開(kāi)的，很難從根本上發(fā)現(xiàn)程序的缺陷。計(jì)算工程問(wèn)題時(shí)，只能是輸入?yún)?shù)得到結(jié)果。由于計(jì)算結(jié)果的需求方不能接受有問(wèn)題軟件的計(jì)算結(jié)果，使用軟件者即使發(fā)現(xiàn)了軟件問(wèn)題，也不便明確指出，對(duì)自己的計(jì)算結(jié)果也沒(méi)有信心。筆者認(rèn)為，用于分析地質(zhì)體的計(jì)算軟件仍然處在探索之中，計(jì)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(wèn)題和改進(jìn)，計(jì)算軟件才有可能完善。沒(méi)有必要假定計(jì)算軟件可靠而對(duì)不合理的計(jì)算結(jié)果給出牽強(qiáng)附會(huì)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(jì)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(gè)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(gè)別的問(wèn)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(guò)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(yàn)判斷也更危險(xiǎn)，但是卻沒(méi)有發(fā)生滑動(dòng)。這說(shuō)明，人們對(duì)地質(zhì)體的認(rèn)知程度基本上處在經(jīng)驗(yàn)判斷和感性的階段，對(duì)個(gè)別案例的深入研究、積累數(shù)據(jù)和分析基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律是地質(zhì)力學(xué)長(zhǎng)期的研究任務(wù)。

 

  8 結(jié)語(yǔ)

 

  開(kāi)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(duì)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(kāi)發(fā)測(cè)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(guò)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(wèn)題才有可能從根本上解決地質(zhì)工程的設(shè)計(jì)、施工中提出的問(wèn)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)首先要提練相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題、研究?jī)?nèi)容及方法，筆者主要從力學(xué)的角度對(duì)此提出了自己的看法。受知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)識(shí)水平的限制，無(wú)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(wèn)題，以求得我國(guó)工程地質(zhì)力學(xué)的研究目標(biāo)更加明確。