“地層結構力學”的提出和基本理論框架

摘 要:本文首次提出了“地層結構力學”新學科，并對“地層結構力學”的定義、研究對象、研究內容和特點等進行了分析，初步建立了“地層結構力學”這一新學科的基本理論框架。

1“地層結構力學”的提出

作者長期從事工程地質與巖土力學的實踐和研究工作。前不久，作者提出了“巖土工程地層結構效應”的概念和“工程地層學”新學科[1～3]。“地層結構”是指三維空間中各地層的疊置或排列組合關系，其中地層的產狀有水平的、傾斜的和褶曲形的，且將各類弱面(帶)，如斷層破碎帶、結構面等也看成是特殊的地層。“巖土工程地層結構效應”是指地層結構的不同或變化對各類巖土工程的受力、變形和穩定性、經濟性有重要影響，同一工程可選在不同的地層結構中，也可對選中的地層結構進行人為的改造(如加筋、注漿等)，使之更適合或更有利于該工程。“工程地層學”就是利用地質學中地層學的理論和知識為各類巖土工程服務的學科，它是地質學、力學、工程學相結合的產物。

在上述的基礎上，最近作者經過研究認為，有必要建立“地層結構力學”這一新的邊緣學科。“地層結構力學”就是研究與工程活動相關的某個或某些地層結構的結構力學特征、變形性狀，地層結構與工程結構的協同工作，地層結構的改變對工程結構受力、變形和穩定性的影響，及基于力學機制的地層結構優化，從而為工程服務的學科。

基于以下幾點有必要建立“地層結構力學”新學科:(1)地球的表層為地殼，地殼主要由各種產狀的地層組成。人類的所有工程活動都是在地層中或地層上進行的。同一工程選擇不同的地層結構，或對地層結構進行不同的人工改造，都將對該工程的受力、變形、穩定性和經濟效益造成重大影響。作者經研究發現，為了更好地研究“巖土工程地層結構效應理論體系”和“工程地層學”，很有必要建立“地層結構力學”新學科。(2)工程活動中，為了充分利用地層的自穩能力，需要將地層也看成一種特殊的“工程材料”。這時，為了以盡可能少的工程代價(如噴錨、網狀柔性支護等)達到工程目的，需要了解地層這種特殊的工程材料的地層結構力學特征。(3)人類制造的工程結構物往往處于地層結構中或地層結構之上，為了更好地研究工程結構與巖土體的共同作用或相互作用，需要地層結構力學的知識。

其實，目前在與“地層結構力學”的相關方面已開展了一些研究，這些研究為“地層結構力學”的研究提供了前提和基礎。這些研究主要有:(1)將地層(含土層)看成梁或板。(2)關鍵層理論。(3)優勢層理論。(4)地層結構效應、工程地層學。(5)硬殼層、雙層地基、三層地基。(6)煤礦地層力學。

2“地層結構力學”的研究對象和研究內容

“地層結構力學”的研究對象就是所有在地層之上或之中的工程，具體來說就是建筑工程、道路工程、海岸工程、海洋工程、邊坡工程、其他工程中的地層結構力學問題。

“地層結構力學”的研究內容主要有:(1)地層及地層層序成因、演化研究。(2)地層結構特征研究。(3)三維地層信息系統及三維地層可視化研究。(4)地層結構所在的地層構造應力場及構造體系研究。(5)地層結構本身的變形和力學機制研究。(6)地層結構力學與工程結構力學的關系，及地層結構與工程結構的協同工作問題研究。(7)地層結構的人工改造(含優化)及其對地層結構力學特征和工程結構的影響研究。

3 “地層結構力學”的特點

(1)“地層結構力學”是地質學與力學相結合的產物。

“地層結構力學”是地質學特別是其中的地層學和結構力學相結合的產物。“地層結構力學”首先要用地層學的知識研究工程場地中地層及地層結構的成因、演化，然后用結構力學的知識研究地層結構在工程荷載作用下的變形、力學特征和穩定性。

(2)“地層結構力學”的兩個層次。

①從“變形”到“力”:所有工程場地所在的地層和地層結構都處在一定的地質構造單元中，地層和地層結構中都保留有長期地質構造運動中留下來的構造形跡。所以，“地層結構力學”首先要從地層和地層結構中留存的構造變形反推地層和地層結構所遭受的各期古構造應力場(包含重力)。這是第一層次。

②從“力”到“變形”:工程場地所處的地層和地層結構除收到古構造應力場的作用外，還受到了工程荷載的作用。所以，“地層結構力學”的第二層次就是要研究地層結構在構造應力(包含重力)和工程荷載的作用下地層結構和工程結構的變形。

(3)“地層結構力學”的理論基礎。

“地層結構力學”的理論基礎有地層學、結構力學、構造地質學、地質力學、巖體結構力學、土體力學、巖體工程地質力學、巖體結構控制論、關鍵層理論、優勢層理論等。

參考文獻

[1]蔣建平，劉文白．巖土工程地層結構效應與層組參數[J]．人民交通出版社，2011.1(人民交通出版社重點圖書).

[2]蔣建平，黃智勤．巖土工程中的地層結構效應理論探討[J]．科技資訊，2011(12):47.

[3]蔣建平，賈寧．“工程地層學”新學科的有關問題討論[J]．科技資訊，2010(29):60.