巖土工程的發展趨勢與開發利用

吳志剛

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

巖土工程的發展趨勢與開發利用

吳志剛

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

巖土工程（Geotechnicalengineering）是以土力學（Soilmechanics）、巖體力學（Rockmechanics）及工程地質學（Engineeringgeology）為理論基礎，運用各種勘探測試技術對巖土體進行綜合整治改造和利用而進行的系統性工作。這一學科在國外某些國家和地區被稱為“大地工程”、“土力工程”或“土質工學”。本文簡要回顧了巖土工程的發展歷史，分析了巖土工程的概念，指出未來巖土工程的研究方向，展望了巖土工程的發展趨勢。

巖土工程；發展歷史；發展趨勢

1 問題的提出

國家標準《巖土工程基本術語標準》（GBT50279-98）中說，巖土工程是指“土木工程中涉及巖石或土的利用、處理或改良的科學技術”。這一定義說明了，巖土工程在學科歸屬上是土木工程的一個分支，它包括巖土工程勘察、設計、試驗、施工和監測,涉及工程建設的全過程。

2 巖土工程的發展階段

巖土工程的發展歷史不僅可以追溯到人類有歷史之前，而且應當說地球上一有人類，就有巖土工程活動。只不過巖土工程形成為一門專門學科，至今尚不足100年。人類發展的歷史就交織著巖土工程發展的歷史，巖土工程的發展經歷了以下四個階段。

第一階段：巖土工程起始于人類依靠穴居以躲避洪水猛獸和風霜雨雪侵襲的時代，包括其后原始人利用土、木、石等自然資源，以謀求改善生存生活和生產條件的時代。此中人類的種種活動無不包含了或有賴于巖土工程。而在其早期，巖土工程活動以解決棲身之處和防治水患為首要目的。人類經過聚居時代、部落時代等等而產生了城市，道路橋梁漸漸為人類生活交往、生產活動及統治者進行治理和對敵進攻等所必需,于是出現了與巖土工程密切相關的又一重要工程領域。

第二階段：自18世紀60年代起至20世紀20年代中期或1925年太沙基發表劃時代的《土力學》名著之前。第二次工業革命極大地推動了世界各國生產力的發展，使工場手工業漸漸向近代大工業機器生產發展。巖土工程施工隨之由純粹的手工操作、體力勞動,發展為半機械化或局部機械化作業。尤其是此時陸上交通進入了鐵路時代，以及碼頭、水庫等的興建，都帶來了一系列新的巖土工程技術問題，促使人們開始進行理論探索與技術創新，為此拉開了巖土工程學術研究的序幕。

第三階段：此時期始于太沙基發表《土力學》名著的1925年。自1925年以來，特別是二戰后的50余年以來，與土力學理論不斷獲得發展和完善的同時，在相關學科科技進步以及世界各地社會經濟總體不斷增長的有力推動下，巖土工程不論在我國或在世界范圍，不論其類型、規模、數量或質量而言，都取得了前所未有的巨大進展，此時期可稱為巖土工程學科的創建奠基和初具框架的時期。

第四階段：進入21世紀，以電子計算機技術、航天技術、信息技術為代表的一系列現代高新技術的興起，已引發了人類歷史上前所未有的一場科技革命。就我國而言，在新的世紀里將會出現史無前例的工程建設高潮，大量的復雜的巖土工程問題都將急需研究攻克，巖土工程的重要性必將更為突出。巖土工程學科必將出現新的突破。因此可以預料，巖土工程學將在21世紀迅速實現由第三階段向第四階段的轉變。

3 21世紀巖土工程研究的幾個趨向

3.1 多層次、多尺度研究

巖石材料力學響應的復雜性不僅和加載途徑與地質環境相關，還與研究對象的層次和尺度有關。在微觀（含細觀）的層次和尺度內，可以清晰地觀察到巖石斷面在不同激勵下，裂紋起始-分叉-發展-斷裂-破壞-卸載的全過程。圍繞這個課題，不僅深化了巖體損傷、斷裂的研究，還帶動了相關的加載設備、實時測試、數值模擬的發展。目前，越來越多的學者介入這項工作，在微觀、細觀、宏觀和巨觀等不同層次上進行大量富有創新的探索工作。

3.2 耦合分析

巖石力學是一門綜合性很強的科學，它涉及的因素很多，既有內在的，也有外來的。所以在研究巖石力學問題時，我們必須把有關的各種因素放在一起加以考慮，研究它們彼此之間的相互作用和影響，進行多因素的耦合分析。

3.3 新的算法與程序

由于巖石工程的復雜性，一般難以用封閉形式的解析公式定量地求解問題，在這方面，60年代以后陸續問世的有限元法、離散元法、邊界元法及其各種耦合算法和程序充分展現了各自的長處，在很大程度上有力地促進了巖石力學與工程的發展。現在出現了一些新的算法和程序，如剛性有限元法、廣義有限元法、運動單元法、界面元法、塊體理論、DDA、流形元法、FLAC無網格法以及模擬退火算法等等。

3.4 地下空間的開發利用

近30年內，地下空間建設的進一步發展，以激光導向技術和GPS定位技術為代表的地下施工技術，以遙感技術與地質雷達為代表的地下勘探技術，以及地下掘進及襯砌的自動控制施工技術給巖土工程的發展注入了新的活力。

3.5 環境巖土工程的研究

環境巖土工程是新的研究方向，旨在研究極端環境條件下（高溫、高壓、強滲透壓和化學腐蝕）巖土變形及強度變化規律，探討巖土力學特性的時效及應變速率效應，其研究背景與科學意義為：深部能源開發關鍵技術研究；防護工程研究的需求；國家高效核廢料處置的需求；能源儲存（包括CO2儲存）等需求。

4 結語

隨著試驗手段與計算技術的發展，土的本構關系、非飽和土的耦合基本場方程、巖土工程數值分析方法、土動力學、塑性極限平衡與安定性分析等許多方面已取得了引人注目的進展，逐漸形成并不斷完善細觀土力學、非飽和土力學、計算土力學、非連續變形力學、土塑性力學等學科分支。可以預計，在不斷吸取其他學科新成果的基礎上，巖土工程學將進人一個更高層次的新階段，使這門半定性的經驗學科走向更加成熟。展望21世紀巖土工程的發展，挑戰與機遇并存，讓我們共同努力將中國的巖土工程水平推向一個新臺階。

[1]黃理興.新世紀的科技和巖土工程發展[J].巖土力學，2003，10：639～644.

[2]張劍鋒.21世紀巖土工程展望[J].電力勘測，2001，1：7～11.

[3]史佩棟，高大釗.千年更替話巖土[J].巖土工程界，2001，1：16～20.

[4]龔曉南.21世紀巖土工程發展展望[J].巖土工程學報，2000，3：238～242.