論工程地質勘探定量理論與方法

邢光杰++王建法++王昌益

摘 要：當前工程地質勘探定量理論與方法存在根本性缺陷，工程地質勘探工作存在嚴重問題，操作過程存在嚴重問題，所以，工程地質勘探技術革新與改造勢在必行。因此，建議各級領導和工程技術人員重視工程地質勘探技術革新改造工作，盡快讓工程地質勘探技術提高到更高的科學水平。

關鍵詞：工程地質勘探 定量理論與方法 根本性缺陷 技術革新與改造

中圖分類號：TD166 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0043-02

工程地質勘探工作是建筑工程的基礎性研究工作，其基本任務是查明建設場地的巖土工程條件，分析和評價場地的巖土工程問題，提出解決巖土工程問題的方法與措施，為建筑物地基基礎設計和施工方案的確立奠定基礎。工程地質勘探的方法主要包括物探、鉆探和坑探。工程地質勘探的主要內容：工程地質調查和測繪、勘探及采取土試樣、原位測試、室內試驗、現場檢驗和檢測，最終對場地工程地質條件進行分析評價，編制滿足不同階段所需的成果報告。

1 當前工程地質勘探定量方法缺陷及其造成的后果

根據最近30多年的研究與實踐發現：目前的工程地質勘探在定量研究方法上存在著根本性的缺陷。這種根本性缺陷的基本內容主要是關于地基承載力和地層性質參數確定的理論方法存在嚴重錯誤，主要表現是計算地基承載力的理論公式不正確，表述地層性質特征的定量參數脫離實際。公式錯誤和參數不合理直接帶來的問題是：通過原位測試或室內測試得到的地層承載力和地層性質度量參數具有模糊性、大致性，不是準確數據，只能說是參考數據。這種模糊數據給現場工作留下了可以作弊、可以投機取巧的余地，給行賄受賄行為創造了空間。這就是為什么市場經濟條件下，工程地質勘察工作中普遍存在作弊行為、無法杜絕的根本原因。

然而，對于這種嚴重問題，許多管理者、工程技術人員、專家學者卻不以為然。當在2013年1月14日關于《地基極限承載力的測量方法》的發明專利（專利號為201310012898X）出現以后，發明人企圖根據發明成果對行業進行革新改造時，所遇到的盡是阻力，說什么的都有。例如，有人說：“現在是經濟年代，大家都是為了賺錢，現在的勘探方法普遍認可，能賺錢，誰去搞你那些革新、改造之類的、不被普遍認可的東西？”還有的人有給出了貌似正當的理由：“你那個發明與規范一致，不能應用”。因此，在工程地質勘探方法革新方面，現在推行困難，至今不能實施。

公式出現錯誤和地層性質度量參數不合理現象出現的最早產生于力學的參數引入法：在兩個量之間添加一個參數就可得到一個理論公式，不用考慮其是否正確，不用考慮量綱統一問題，不用考慮是否與客觀規律一致，例如，胡克定律、應力應變理論都是這種參數引入法產生的理論。然而，實踐證明，胡克定律、應力-應變理論等都存在根本性的錯誤。那么，為什么這種錯誤能長期存在？其原因主要是定律迷信、套用公式的方法方便，不費腦筋、不用考慮客觀規律。

2 工程地質勘探科學技術革新方案研究

2.1 正確認識地層性質和地層承載力概念

在傳統理論有很多描述地層性質的概念，如松散、密實、堅硬、軟弱、完整、破碎、可塑性、不可塑性、孔隙度、裂隙度、脆性、韌性等，然而，人們對這些概念中的許多概念本質含義卻不是很清楚。

根據作用學新理論，工程地質研究中涉及到的地層性質概念主要是地層在作用下變形或不變形的一種性質，其本質是變形程度或不變形程度。變形程度決定于地層的松散程度、孔隙裂隙程度、風化程度、組成部分的活動性等，其實質是決定于地層內部可變形空間的存在。因此，作用學將變形程度叫做虛度，即虛弱或軟弱程度。不變形程度決定于地層的密實程度，其實質是決定于地層內部空間含量的多少以及質點的排列組合關系和聯結方式等。作用學將不變形程度叫做實度，即堅硬程度。虛度與實度不僅與內部質空關系有關，與周圍環境之間的質空關系也有關系。虛度和實度都是一種百分數，或者是介于0～1之間的小數。其物理特性類似于物質含量和空間含量，并不是任意參數，只是它們與作用和變形現象相關統一。虛度記為E，實度記為T，兩者都是無量綱參數，它們分別用于度量地層的軟弱程度和密實堅硬程度。

地層的承載力是指地層在保持不產生任何變形量前提下所能夠承載的最大作用強度。作用強度是指作用物體對單位受作用面產生的作用力，傳統理論稱之為應力，記為σ，其量綱為“t/m2”或“N/m2”。在保持不變形條件下，地層能夠承受的最大應力值就等于地層的承載力，記為σmax。

2.2 正確認識地層虛度、實度和承載力與作用強度、變形強度之間的關系規律

虛度和實度都不是確定的常數，而是一種隨著作用強度和變形強度變化而變化的一種物理量。一般來說，作用強度越小，變形量越小，虛度越小，實度越大；反之，作用強度越大，變形量越大，虛度越大，實度越小。但是，承載力卻是一種不變的常數。根據定義，地層的承載力是一種恒量，它一般不改變其值的大小。任何一種地層，無論多么軟弱，它都有一個使其虛度等于0、實度等于1的作用強度范圍。例如，有一地層的虛度和實度及其承載力與作用強度之間的關系規律是特定的：當作用強度（應力）介于0～17.688 t/m2之間時，地層保持不變形，其虛度總是等于0，實度總是等于1，該地層的承載力是17.688 t/m2。當作用強度大于17.688 t/m2時，地層的虛度和實度就隨著作用強度的增大而變化：作用強度越大，地層變形量越大，虛度值越大，實度值越??；反之，亦反。

2.3 工程地質勘探新方法及設備的確定

根據發明專利“地基極限承載力的測量方法（201310012

898X）”，虛度和實度與探測力之間的一般關系式分別為：

和，

地層的承載力為：

。

可以確定一種專門用于工程地質勘探的方法與專用設備：選擇靜壓、錘擊和沖擊三種作用方式，簡化工程地質勘探程序，通過超載荷的探測作用力來探測地層性質和承載力。

專用工程地質鉆機配置：供運行用的履帶、供安裝和使用的機械用的托盤、托盤上安裝供鉆探用的液壓機械、并配置空壓機、探桿、探頭、供探桿提升和下降用的探架、設置探桿約束、重錘、沖擊鉆、安裝探測時間記錄儀、作用強度記錄儀和探測深度記錄儀。在探測土層、砂層、風化層度很強的巖層等軟弱地層時，采用靜壓探測方法；探測碎石層等地基巖層時，可以采用錘擊方法；探測風化程度低或未風化巖石時，可以采用沖擊鉆探測方法。靜壓方法使用液壓裝置，直接將探頭壓入地層。探頭可以選擇合金鉆頭，可以配置可以取芯的巖芯管。但巖芯管必須便于取土。當采用靜壓方法無法完成探測工作時，即當壓入法沒有進尺時，采用錘擊法。錘擊法可以選擇傳統的標貫錘或非標貫錘，探頭使用耐錘擊的鉆頭，扔可配置巖芯管，也可以選擇實心探頭、采用不取芯方法進行探測。當錘擊方法進尺困難時，使用沖擊鉆機或回旋鉆機探測。在探測工作中，必須記錄探測作用時間、探側力的大小和探測深度。探測作用時間、探側力的大小和探測深度的記錄使用配置的傳感器或記錄儀器自動記錄，不需要人工記錄。

由于地層的性質隨探測力的變化而變化，所以，在探測工作中必須根據工程需要確定標準的虛度和實度數據，然后將通過不同探測力下得到的虛度和實度數據換算為與標準數據相統一的有用數據。

3 結語

通過以上討論可知，當前工程地質勘探定量研究方法存在根本性錯誤，操作過程存在嚴重問題，所以，工程地質勘探技術勢在必行。因此，建議各級領導和工程技術人員重視工程地質勘探技術革新改造工作，盡快讓工程地質勘探技術提高到更高的科學水平。

參考文獻

[1] 干洪.力學學科的發展現狀與21世紀展望[J].安徽建筑大學學報，2001，9（2）：1-6.

[2] 胡海昌.彈性力學的變分原理及其應用[M].科學出版社， 1981.

[3] 龍述堯.彈性力學問題的局部Petrov-Galerkin方法[J]. 力學學報，2001，33（4）：508-518.

[4] 張鴻慶.彈性力學方程組一般解的統一理論[J].大連理工大學學報，1978（3）：23-47.

[5] 楊桂通.彈性力學簡明教程[M].清華大學出版社，2013.