地質工程中的力學知識探討

蘆 保 國

(太原理工大學力學學院，山西 太原　030024)

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地質工程中的力學知識探討

蘆 保 國

(太原理工大學力學學院，山西 太原030024)

結合教學經驗，介紹了地質工程專業的特點，并從地殼演化、地質構造、地下水運動、地質勘探等方面，探討了地質工程中的力學知識，旨在激發學生的學習興趣，從而提高教學質量。

地質工程，力學知識，地質構造，巖土

0　引言

地質工程是研究人類工程活動與地質環境之間相互制約關系，主要研究如何獲取地質環境條件，并分析研究人類工程活動與地質環境相互制約形式，進而研究認識、評價、改造和保護地質環境的一門科學，是地質學的一個分支，是地質學與工程學相互滲透、交叉的邊緣學科。本專業課程結構中，材料力學是一門重要的專業基礎課，在專業學習中起承上啟下的作用，學好材料力學，將為學習土質土力學、巖石力學、工程流體力學等后續課程奠定堅實的基礎。2016年上半年筆者為地質工程專業學生講授材料力學。為有針對性地授課，激發學生學習的興趣，提高教學質量，對地質工程中涉及的力學知識進行了探索。

1　地殼演化的力學

工程地質學的研究方法有地質分析法、工程地質類比法、力學分析法和模型模擬試驗法。其中力學分析法是指對某一工程地質問題或工程動力地質現象，在進行地質分析的基礎上，根據已確定的邊界條件和計算參數，運用理論公式或經驗公式進行分析。隨著現代電子技術的發展，各種力學計算模型、數學模型、有限單元法等廣泛應用于地基穩定、壩基抗滑穩定、地面沉降、地基液化判斷計算及水庫誘化地震等分析計算中，為工程地質定量評價開辟了新的道路(計算力學)。

巖石在地殼長期活動作用下，隨地殼運動、地應力和工程作用變化和發展，在巖石內部產生結構面并將巖石切割成塊體，結構面與切割的塊體統稱巖體。巖體在天然狀態下所存在的內在應力稱為初始應力，又稱地應力。地應力主要是由巖體的自重和地質構造運動所引起，其中地質構造應力與巖體的裂隙發育密度和方向以及巖體的彈性、塑性、黏性等特性密切相關，也與正在發生過程中的地質構造運動以及與歷次構造運動中所形成的各種地質構造密切相關。結構面是指在地質發展過程中，尤其是地質構造變形過程中巖石受力而形成，具有一定方向、延展較大、厚度較小的二維面狀地質界面，包括分界面和不連續面。

在漫長的地質年代里，經過風化、剝蝕等外力作用，破碎成大小不等的巖石碎塊或礦物顆粒，這些巖石碎塊或礦物顆粒在斜坡重力作用、流水作用、風力吹揚作用、冰川作用或其他作用下被搬運到適當的環境下沉積而形成各種類型的沉積物。經長期風化作用，改變其原有形態和結構，形成與原來巖石性質不同的風化產物，除一部分易溶物質被水溶解流失外，大部分物質殘留在原地，形成殘積土。地表的風化碎屑物被雨水或融化的雪水從高處沖刷搬運，或由于自身重力作用而向下搬運，在較平緩山坡或坡腳處堆積下來，形成坡積土。由于暴雨或大量融雪形成的暫時性山洪急流帶來的碎屑物質在山間盆地、山溝出口處或山前傾斜平原處堆積而形成洪積土。還有由河流的流水作用將碎屑物質搬運到河谷坡度平緩的地段堆積而形成沖積土，河流帶入海洋的物質或海岸破壞后的物質在搬運過程中，隨著流速的逐漸降低，搬運物質逐漸沉積下來形成海水洋沉積土，湖泊中由于沉積作用沉積下來的土體形成湖泊沉積土，在干旱的氣候條件下，巖石的風化碎屑物被風吹揚，搬運一定距離，在風力減弱后發生堆積形成風積土。

2　地質構造及其地質作用中的力學

褶皺構造是指構成地殼的巖層在構造運動的作用下，變形而形成的一系列連續彎曲的構造。褶皺巖層的彎曲主要是由于受到與巖層相平行的擠壓力、相垂直的豎向力或剪切力而形成的，分別稱為縱彎褶皺作用(材料力學的軸向壓縮)、橫彎褶皺作用(材料力學的彎曲)和剪切褶皺作用(材料力學的剪切)。斷裂構造是指構成地殼的巖體受應力作用，當應力超過一定強度時，巖體便發生破裂，甚至沿破裂面發生錯動，使巖層的連續性和完整性遭到破壞的構造。根據巖體斷裂后兩側巖塊相對位移的情況，將斷裂構造分為節理和斷層兩類。節理是指巖層或巖石破裂后無顯著位移的斷裂構造，分為張節理(拉伸)和剪節理(剪切)兩種。斷層是指巖層或巖石沿斷裂面發生明顯位移的斷裂構造。

地質作用是指自然界中，由于地球內力、外力或人為的作用，引起地殼組成物質、結構、構造或地表形態發生變化的作用，分為內動力作用、外動力作用和人為地質作用。由于地球的不斷運動和變化，地殼中的巖石受力產生變形，在變形的過程中機械能不斷地累積，當累積到一定的限度時，巖石就會發生破裂，在破裂的同時，大量的機械能瞬間釋放，地殼便受到猛烈沖擊而發生震動，即為地震。地震是地應力緩慢積累和快速釋放的過程，是地球內部應力不斷調整和平衡的作用過程。河流地質作用是以水流的作用力將山地、坡地或河谷中的巖塊或土體等進行侵蝕，在重力及水流作用下進行搬運，并在低洼處沉積下來的整個過程。

斜坡上巖土體，在重力作用下順坡向下移動的地質作用，稱為斜坡重力作用，是地表外動力剝蝕夷平作用的重要組成部分，同時也是頻繁發生的地質災害。按照斜坡物質的組成、運動方式等特點可將斜坡重力作用分為崩塌、滑坡和泥石流三種。崩塌是指位于陡崖、陡坡前緣的巖土體，在重力作用下突然與母體分離，翻滾跳躍崩墜崖底或塌落在坡腳的過程和現象?；率侵感逼律系膸r土體，受地表水沖刷、地下水活動、地震或人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的現象。泥石流是指在山區因暴雨、暴雪或其他自然災害引發的山體滑坡并攜帶大量的泥沙以及石塊的特殊洪流，是一種災害性的地質現象。具有突發性、流速快、流量大和破壞力強等特點。海水運動是海洋地質作用的重要的機械動力，包括波浪、潮汐、洋流和濁流運動。

3　地下水運動中的力學

水在多孔介質中的滲透速度與水力梯度的一次方成正比，即著名的達西定律，也稱線性滲透定律，是研究滲流運動的理論基礎。當地下水流呈紊流狀態，或仍屬于層流但雷諾數較大，則滲透速度與水力梯度的關系變為非線性關系，相當于變為非線性滲透定律。由于受毛細力作用充填在巖土細小孔隙中的水，稱為毛細水，毛細水受重力作用和毛細力作用而發生運動。毛細管與水接觸時，由于固體分子引力大于水的表面張力，使得接觸處形成一向水體內部凸出的彎液面，從而使液面表面變大，而液面一旦變大，由于水的表面張力和收縮作用，促使液面要恢復水平趨勢，于是管內水隨之上升以減小面積，直到表面張力向上的拉引作用與管內升高的液柱重量達到平衡，管內的水才停止上升。

水在土粒骨架的孔隙中流動時，受到土粒骨架對孔隙水流的摩阻力，這個作用力的方向與水流方向相反，它使動水的能量逐漸減小，水頭逐漸損失。根據牛頓第三定律，水流也必然有一個相等的力作用在土顆粒上，這個力在土力學上稱為滲流力。滲流力與水流坡降密切相關，當水流坡降超過一定界限后，土中的滲透水流會把部分土體或顆粒帶走，導致土體發生位移，當位移達到一定程度，土體將發生失穩破壞，這種現象稱為滲透變形。當基坑下有承壓水存在時，開挖基坑減小了含水層上覆不透水層的厚度，在厚度減少到一定程度時，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，造成基坑突涌。當建筑物基礎底面位于地下水面以下時，地下水會對基礎底面產生靜水壓力，即浮托力。

4　工程地質勘探中的力學

工程地質勘探是利用一定的機械工具或者開挖作業環節深入了解地質情況的現場工作。方法有鉆探、坑探等，鉆探是用鉆機設備從地表向地下鉆進成孔，從而達到所要任務的施工工程。其中鉆探工程勘察是從鉆孔中取得巖芯，土樣進行物理力學分析從而判斷其地基基礎是否滿足工程建設的承載重力和穩定性?？犹绞菫榻衣兜刭|情況，在地表或地下挖掘的不同類型的坑道工程。主要有探坑、探槽、探井和平洞等，是一種不使用專用機具的常用勘探方法。其特點是地質人員可直接觀察被揭露出的地質現象，采取各種巖土試驗樣品和直接進行巖土原位試驗。

要對巖土體進行準確定量評價必須通過試驗，分為室內和野外兩種試驗。靜力載荷試驗是通過一定垂直壓力測定土在天然產出條件下的變形模量、土的變形隨時間的延續性，在載荷板接近于實際基礎條件下估算地基承載力的試驗。靜力觸探是借助機械把一定規格的圓錐形探頭勻速壓入土中，通過測定探頭的錐尖壓力和側壁摩阻力來確定土體的物理力學參數，劃分土層的一種勘測技術；而動力觸探試驗則是利用一定質量的重錘，以一定高度的自由落體，將標準規格的圓錐形探頭打入土層，根據打入土中一定距離所需錘擊數，判定土的力學特性，劃分土層，確定土層的物理力學參數的試驗，具有勘探和測試雙重功能。標準貫入試驗是用質量為63.5 kg的重錘按照規定的落距(76 cm)自由下落，將標準規格的貫入器打入地層，根據貫入器在一定深度得到的錘擊數來判定土層的性質，仍屬動力觸探類型。十字板剪切試驗是用插入土中的標準十字板探頭，以一定速率扭轉，量測土破壞時的抗扭力矩，測定土的不排水抗剪強度、殘余抗剪強度和靈敏度(類似于金屬的扭轉試驗)。旁壓試驗則是通過旁壓器在豎直的孔內加壓，使旁壓膜膨脹，并由旁壓膜將壓力傳給周圍土體，使土體產生變形直至破壞，再通過量測裝置測出施加的壓力和土體變形之間的關系，并繪制應力—應變關系曲線(類似于量血壓)。扁鏟側脹試驗是將接在探桿上的扁鏟測頭壓入土中至預定深度，然后施加使位于扁鏟一側面的圓形鋼膜向土內膨脹，量測鋼膜膨脹三個特殊位置的壓力，從而獲得多種巖石參數。

5　結語

以上是地質工程中所涉及的一些力學知識，授課過程中，如果能適時加入這些實例，將會極大地激發學生的學習興趣，提高教學質量。因此今后將繼續搜集勘查技術與工程、安全工程等方面涉及的力學知識，為改善教學效果而努力。

[1]高華喜，聞敏杰.工程地質學[M].北京：海洋工業出版社，2013.

Inquiry on mechanical knowledge in geological engineering

Lu Baoguo

(College of Mechanics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Combining with teaching experience, the paper introduces features of geological engineering major. Starting from aspects of crustal evolution, geological structure, groundwater movement and geological survey, it explores mechanical knowledge in geological engineering, with a view to stimulate students’ learning interests and to improve teaching quality as well.

geological engineering, mechanical knowledge, geological structure, geotechnical

1009-6825(2016)25-0083-02

2016-06-28

蘆保國(1965- )，男，碩士，講師

P641

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