工程地質力學及其應用中的若干問題

  1 引言

 

  地質力學既是地質學的一個分支也應當是力學的一個分支，涵蓋了與地質體的演化、變形與破壞有關的大量內容。工程地質力學著重于研究與工程相關的地質力學問題。在這里，“工程”是指以工程為目的，研究工程尺度的問題；“地質”是指研究對象為地質體；“力學”則代表學科性質。作為地學、力學與工程科學相結合的交叉學科，工程地質力學是以地學為基礎，以力學為手段，解決與工程相關的、涉及地質體演化、變形與破壞的科學問題。在李四光創立的地質力學[1]的基礎上，谷德振[2]等率先開展工程地質力學的研究。之后，孫光忠[3]發表了專著《巖體結構力學》，將巖體的結構進行分類，對不同種類結構巖體并給出不同的力學分析方法；王仁[4]借助于有限元方法將彈塑性理論用于反演大地構造應力，成功地預測了未來地震危險地區，是力學和地學相結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制研究的基礎上，發展了巖石工程穩定性分析原理和方法。

 

  近年來，隨著我國實施西部開發和大規模的基礎設施建設，越來越多的研究人員正在地學、力學和工程科學等領域從事地質工程問題的相關研究，并在世界范圍內形成了不可忽視的研究力量。已經開展的工作涉及巖石力學的集成分析[6]、多場耦合[7]、力學參數探測[8]、地應力變化[9]、損傷力學[10]和破損力學[11]、巖石動力學[12]、深層巖石力學[13]等方面。然而，工程地質力學的發展不僅面臨著機遇，也面臨著巨大的挑戰。許多超常規模的地質工程建設中存在著大量的經典力學理論和方法難以解決的力學問題[14，15]。為此，王思敬[16]在總結我國地質力學的研究成果同時，也提出了未來巖石力學發展的任務。

 

  本文綜合前人的成果，針對我國地質工程迫切需要解決的問題，從力學的角度，首先分析了地質體的特性，提出了工程地質力學面臨的工程問題和科學問題，討論了工程地質力學的研究方法以及與相關學科相結合的切入點，認為以地學為基礎、力學為手段、工程為目的的結合形式有利于工程地質力學的發展。

 

  2 地質體的主要力學特性

 

  地質體是由賦存于一定地質環境中并按照某種結構排列的巖石、土和水組成的。它具有非連續、非均勻、流–固耦合以及未知“初始”狀態的特性。

 

  地質體的這些特性充分體現了地質體與傳統力學研究對象的區別。

 

  非連續性：地質體中含有大量的斷層、裂隙、節理、軟弱夾層(通稱為結構面)等，它們共同的特性是復雜而有序地分布在地質體中，對地質體整體的強度起著控制作用。

 

  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、空間姿態是隨機的。土、石兩種材料強度有兩個量級以上的差別以及土體的斷裂可以導致更為復雜的力學行為。

 

  流–固耦合特性：主要體現在地質體結構面上的強度與裂隙中水的壓力具有相同的量級。該特性不僅包括巖石或土作為材料的特性、裂隙滲流規律，更為重要的是體現了山體的整體力學特性。

 

  地質體的上述特性盡管在描述方法上仍然有很多問題值得深入的研究和探索，但一般可通過室內實驗進行精細的分析并獲得形式多樣的本構關系和一些特殊的規律。然而，地質體是一個復雜的系統，從這個系統中取出任何一個局部(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；從另一個方面說，巖體的試樣離開了地質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程中其特性就發生了改變。當然，為研究地質體的整體特征，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上描述和探測出地質體的整體特性。

 

  地質體未知“初始”狀態的特性可作為區別地質體與巖土材料的要素之一。它包括未知的“初始”地應力和未知的“初始”破壞程度(結構面的發育程度)，在這里，“初始”狀態是相對的，有時也可稱為“當前”狀態，特指某一事件(開挖、崩塌、降雨)發生前的地質體的狀態。地質體的這一特性與地質環境和地質構造運動的歷史有關，并且決定著地質體的力學行為。按照力學的分析方法，不能定量化地給出初始的狀態就無法獲得定量化的結果。因此，探明地質體的初始狀態，不僅是工程地質力學的重要任務，也是使該學科真正能夠解決實際問題的關鍵。

 

  盡管地質體還存在其他的特性，如材料的各向異性特征、尺度效應、非彈性、非線性特性等，筆者認為這些特性主要與巖體結構面的空間分布有關。并且，由于地質體的時間效應、溫度效應、化學腐蝕特性是通常固體材料所共有的，而且這些特性對大多數的工程實際問題的影響通常被地質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系的地質體，特別是表層凍土隨著天氣的變化而有相變發生，其力學過程更為復雜。

 

  3 工程地質力學面臨的工程問題

 

  地質工程大致可歸為兩類問題：其一為地下工程，包括交通和水電工程中的隧道、地下廠房、地下核廢料庫以及地下礦藏開采形成的采空區，地質體中的軟巖、透水、活動斷層等直接影響著工程的成敗和工程建設的造價，主要的力學問題是高地應力環境下卸荷后地質體的變形和破壞；其二為地面工程，包括工程建設方面的大型基礎、航道、露天礦開挖、鐵路公路的邊坡，引發的災害有滑坡、崩塌、泥石流。在我國當前由邊坡工程引發的災害極為嚴重，其主要的力學問題是地質體在重力、地震、水的作用等自然力作用下的破壞規律。工程建設主要包括選址、勘察、設計、施工、運營幾個階段。

 

  在不同的工程階段，工程目的不同，所遇到的工程問題的側重點也不同，然而，一般而言，地質工程是一個系統工程，各個階段相互關聯，需要綜合考慮不同階段依賴于工程地質力學解決的問題。

 

  3.1 地質體穩定性判斷及其安全預測

 

  在大型工程建設中，“避讓”是一條基本的并且是非常重要的原則，要避開危險的區域首先要知道哪些區域是危險的。在獲得一定地質資料之后，就要對山體的穩定性做出判斷。穩定性判斷的可靠性關系到工程建設的成敗，道理很簡單，建筑在不穩定的基礎上的工程一定是失敗的；另一方面，如果本來穩定的地質條件被誤判為不穩定的，無論是避讓還是采取工程措施都會造成不必要甚至是非常巨大的浪費。在我國的工程實踐中，解決該問題主要是依賴于地質工程師豐富的實踐經驗進行定性的判斷；以剛體極限平衡條分法為基礎的邊坡穩定性判斷方法對滑面上的參數很敏感，而確定這些參數更重要的依賴于經驗；有個別工程也采用有限元、離散元、有限差分等計算，仍屬有探索或科研性工作。從目前來看，給出可靠的分析方法并為工程接受還需要進行大量的工作。

 

  3.2 探測地質體力學特性的方法

 

  選址是地質專家的工作，他們根據地形地貌、地質條件，借助于多年積累的豐富經驗，判斷工程建設的可行性，初步確定工程建設的地點、線路、以及區域。在此基礎上進行地質勘察，其主要目的是了解地質條件，進一步確認工程建設的可行性,通過各種手段獲得地質資料為工程設計提供設計依據。勘察獲得的資料越豐富，工程設計的可靠性也就越大。然而，在實際工程中，盡管地質勘察的手段很多，受勘察手段、經費的限制，獲得詳細的地質資料是很困難的，工程設計往往是在較大范圍內以修改結果為基礎。如何用最小的代價獲得最豐富的地質信息，是地質工程中最為迫切和關鍵的問題。

 

  作為力學研究不僅研究給定條件的結果，還要提出如何獲得地質條件的方法。用波動、滲流以及表面位移監測的方法探測地質體的力學特性，從理論上要比直接鉆孔、開挖更合理。事實上這些方法不破壞地質體的原有結構，反映了某個區域而不是某個點的特性，探測成本也低。這些方法已經在地質勘察中發揮了一些作用，但還很不夠，完成這一任務需要更基礎的理論工作和計算技術，否則很難獲得突破。地質雷達是探測地質體特性的重要手段之一，受發射能量的限制，探測深度在土體中一般不超過30 m，包括電法都存在著如何將探測結果轉化為力學參數的問題。用力學的方法(特別是地震波法)探測力學參數，應該更為直接和有效。

 

  3.3 地質工程防治的設計依據

 

  對于工程而言，僅僅做出山體的穩定性判斷還不夠，還需要研究山體的變形與工程結構的相互作用。例如，庫區蓄水引起的庫岸變形(整體并不失穩)照樣可能導致上部結構的破壞，這是比山體滑坡更為普遍的地質災害；有些情況工程建設地點不可避讓和無法選擇，必須要研究地質體的變形。由于地質體通常允許的變形比工程結構所能夠容許的變形大很多，研究地質體與工程結構的相互作用遠比判斷山體穩定性以及分析單純結構的變形復雜得多，不清楚地質體的初始狀態、地質體的地質結構和地應力場的分布，試圖給出科學和合理的工程設計非常困難，而工程設計的優化要求更高一些。對地下工程常用的工程設計基礎是巖體分類技術[18]，邊坡工程還沒有這樣的分類。深入分析這種技術的理論基礎，仍然有值得探索的地方：給出分類技術合理性的依據目前還不完全清楚；尋求獲得地質體的力學參數更為普遍的方法；論證這種巖體分類適用于我國西部復雜的地質環境以及滿足超常規模的地質工程的可行性。一般說來工程巖體分類是粗曠性的，主要用于初步設計、工程概預算和招投標階段。

 

  它不能取代具體工程的力學計算和分析，特別對一些復雜、大型、重要的工程，巖體分類還遠遠不夠。

 

  當地質條件復雜和有更多的工程方案供選擇時工程設計應該具體問題具體分析，為此需要提出科學的分析方法和建立完整、可靠的設計依據。

 

  3.4 預報地質工程安全的方法

 

  主要涉及到已有的難以治理的工程，為避免和減少災害造成的損失，需要對災害的破壞程度做出預測，預報災害可能發生的時間。在靜態問題沒有清晰的認識之前，考慮地質體的時間效應很困難，但是，這是一個十分迫切的亟待解決的問題，它不僅是一個預測、預報方法的理論問題，同時涉及到如何進行監測和如何分析測量結果。盡管如此，有一點可確定：地質災害的發生是地質體經過長期演化后在突發事件的作用下發生的。根據監測結果能夠了解和預測地質體在觀測時間尺度內的演化過程，但是，災害發生的時間不只是與演化的時間有關，而是取決于突發事件的時間。由此可知，如果不能夠預報突發事件的時間，就不能預報災害發生的時間。例如，三峽新灘滑坡如果沒有對黃巖危巖體崩塌這一重要事件的預報，那么根據前兩年的監測數據預報滑坡發生的時間，就如同不知道東南亞何時、何地發生地震卻能夠預報印度尼西亞海岸哪一天發生海嘯一樣。地質災害預測、預報脫離不了現場監測，在此基礎上能夠解決實際問題的工作集中在對地質災害的短期預報(臨發預報)和針對具體的地點給出發生災害的外界條件，即經過研究能夠預測出在什么條件下會發生地質災害。

 

  長期以來，人們為解決上述工程問題積累了豐富的經驗，也從不同的角度、深度探索科學的解決方法，提出了一些非常有意義的科學問題，但還不盡人意，地質災害仍然是防不勝防，這涉及到更深層次的科學問題。

 

  4 工程地質力學中的科學問題

 

  應用科學研究的目標一方面能夠解決制約著工程技術發展的科學問題；另一方面是能夠引領新技術的產生和發展。工程地質力學作為一門應用性科學，需要通過研究地質體的變形和破壞規律這個共性的問題，解決工程中的共性問題，其主要包括：

 

  地質體的本構關系、獲得未知的初始狀態以及描述地質體由連續到非連續的演化過程。

 

  4.1 本構關系

 

  應當說介質的本質是非連續的，連續介質力學采用簡化的處理方法為解決大量的力學問題做出了巨大的貢獻。它將由離散顆粒構成的材料，用有限的方程來描述。也就是要建立應力–應變、應力–應變率、應力與速度梯度、力與位移等之間的聯系。連續介質力學可得到很好的結果，廣泛地應用于工程實踐，主要有兩方面的原因：其一，大量的連續介質力學研究的問題中介質通常可以簡化為連續的，非連續特性的尺寸與研究區域的尺寸相差兩個甚至幾個量級以上；其二，介質非連續的特性在實際問題中一般不能表現出來或者說可以避免這種表現出現。對于一般的材料，沒有必要研究缺陷帶來的影響。大部分金屬構件，人們為了安全起見，只是利用它的線彈性部分，不考慮由于材料的缺陷帶來的非線性等因素就可以滿足實踐的要求。當然，隨著材料科學研究不斷的深入，對力學研究的要求不斷提高，需要建立一些復雜的本構關系，進而產生了一些新的研究理論和研究方法，比如非線性力學、應變梯度理論等。

 

  對地質體問題，結構面的尺寸與研究區域的尺寸有相同的或者接近的量級，不考慮結構面的影響，就不能從根本上解決問題。描述地質體的非連續特性的方法有兩種：一種是均勻化的方法，該方法建筑在根深蒂固的連續介質理論之上，將介質復雜的結構性用復雜的應力應變關系等效，不考慮結構面上的力學特性，而是將結構面的這種特性等效在連續介質的應力應變關系之中，如損傷模型；另一種是直接考慮結構面的力學特性，將介質的非連續幾何特征充分的概化，使得材料的本構關系非常簡單，界面上滿足虎克定律和摩擦準則，非界面的區域內采用線彈性的關系，這種方法使得整個研究區域的結構變得復雜。一種形象比喻稱前者為“復雜的本構、簡單的結構”，這是較為傳統的方法，而后者為“復雜的結構、簡單的本構”，正在為人們所接受。

 

  作者也希望在這方面進行一些研究，同時，也認為這種思想更具有生命力。

 

  比較兩種方法可知，連續介質力學的研究方法，是將地質體復雜的結構的幾何問題轉化為物理問題，簡單而言，就是將結構面的幾何分布轉化為本構關系。而非連續介質的做法，是試圖直接考慮介質的幾何結構。

 

  4.2 初始狀態

 

  地質體當前的狀態是經過地質年代的長期演化的結果，與地質體形成演化過程密切相關。事實上，初始狀態是相對的，如邊坡開挖工程，只需將開挖以前斜坡的狀態作為初始狀態；而隧道工程，將隧道開挖前的狀態作為初始狀態。當然，也有些問題就很難界定什么是初始狀態，如山體滑坡問題，通常有記錄的時間都是很短的，人們幾乎不能了解記錄之前變形了多少，最初的狀態只能根據地貌和地表特征等做出定性地判斷。

 

  搞清地質體的形成演化過程是獲得地質體初始狀態的基礎。例如，地質體當前的構造和結構一般是經歷了多期、次構造運動留下的形跡，每次構造運動的構造形跡不同，地質體力學特性的差別就很大。如果了解了某一工程區構造運動的演化史，就能夠深刻認識和理解該工程區的構造格局及其宏觀力學特性。主應力狀態是地質體經過若干次構造運動后形成的，最近的一次構造運動往往決定了當前的主應力狀態。因此，搞清楚了地質體、構造運動以及構造應力場的形成演化過程，對判斷和確定主應力方向非常重要。

 

  地質學家通常可以給出地質形成的年代、地質體的建造和改造過程，這是力學家望塵莫及的。在此基礎上，地質工程師就可以憑借豐富的經驗對地質體的穩定性做出基本的判斷；而對力學分析而言，不僅要知道不同特性的地質體所在的區域、最大主應力方向，還需要定量地知道在不同區域內力學特性和最大主應力的具體數值，然后，才能夠借助力學分析給出工程上所需要的結果。由此可以清楚地發現地學、力學不同的工作特點以及在工程應用中所發揮的作用。地質工作探明了地質的成因和演化，需要進行定量化的描述，進一步借助于力學手段給出定量化的結果。力學工作依賴于地質分析：

 

  將看起來相同的地質體劃分為不同的類別，確定了地質勘查的對象、范圍。

 

  地學根據地質分析向力學提供哪些基本的地質特征，以及力學如何根據地學提供的定性分析獲得定量化描述的參數是地學和力學相結合的切入點，也是獲得地質體初始狀態的基本途徑。

 

  工程實踐中，初始的地應力有很多的方法可以測量，當構造應力較大并且地層較均勻時，能夠得到一些可以利用的結果。但是，地質體的不均勻和復雜的地質構造致使地應力的分布本身就是不均勻的。通常測量傳感器的尺寸很小，所代表的范圍非常有限，測量時有些點測得的應力值很大，而由另一些點得到的值很小，甚至為0。上述現象較為普遍，為了獲得準確的地應力信息通常要設置較多的測點。應當說，初始地應力狀態的不確定性是由于地質構造的不確定性而決定的。

 

  初始的地質構造表征著地質體經受過破壞的特性。對于巖體，未知的初始狀態包含了未知結構面的形狀、方位、間距以及連通率；對土石混合體，包含了土石混合比、塊石的尺寸、形態、分布；滲流場是未知初始狀態的另一個重要的特征，在研究地質災害時，這一因素起著極其關鍵的作用，在巖體中，滲流場不再是均勻滲流，裂隙中水的流動與巖塊中水的滲流速度相差幾個量級。因此，如果不能描述巖體的結構，巖體內部的滲流規律也很難得到。

 

  由此可知，無論是地質體初始地應力的不確定性、地質體結構和滲流場的復雜性，都可以歸結為地質結構的幾何問題。

 

  4.3 地質體變形與破壞的演化過程

 

  描述巖體受到擾動發生變形、破壞不能單純研究地質體的結構，需要認識兩方面的問題：其一，地質體內部已經有了很多的破壞面——結構面，這些結構面的存在影響著應力場的分布，描述地質體的復雜結構，并且能夠得到準確的地應力場需要建立合理的力學模型；其二，地質體發生災變是逐步演化而來的，發生災變的關鍵并不是這些結構面的破壞，而是那些結構面以外，具有較高強度的巖塊(巖橋)的破壞。在應力場作用下巖橋破壞，地質體內會形成新的結構面，并改變地質體的整體特性，應力場重新分布，進而誘發新的破壞。

 

  準確地給出地質體內部的應力場、描述地質體內部應力轉移的過程就是研究地質體由局部破壞引發整體破壞的過程，也可認為是局部連續的區域演化為破壞面的過程。客觀地描述這樣的力學過程比較困難，人們借助于不同的力學模型作了大量的工作，結果還是不理想。相關基礎理論或相應計算方法的不完善制約了力學在地質工程中的應用。

 

  總之，筆者認為，研究地質體的關鍵科學問題包括：提出合理的描述地質體特性的力學模型、將力學和地學結合給出探測地質體的初始狀態方法、研究定量地描述地質體由局部破壞演化為整體破壞的過程的力學分析方法。

 

  5 工程地質力學的研究方法

 

  5.1 上、下限解定理與解析解

 

  按照“復雜結構、簡單本構”的思路，不同的山體其地質體的結構性不同。不同的山體就如不同的建筑物，地質體的結構與人造的建筑結構相比復雜得多，很難將一個工程的結果用于另一個工程，這就需要針對具體的問題進行具體的分析，很難從中總結出一個具有普遍意義的解析解。事實上，解析解真正能夠解決的問題甚少，一些通過實驗整理出的經驗公式所能應用的范圍也比較有限。

 

  在結構塑性極限分析中有兩個定理——上、下限定理。其中，上、下限是指使得系統破壞外加力的最大值和最小值。簡而言之，當外加力超過系統允許的上限時系統一定會發生塑性破壞，并會發生整體的運動；當外力小于系統允許的下限時，整個系統一定不會發生塑性破壞。定理還強調了用運動學的方法可以確定材料的上限，用靜力學的方法可以確定下限，而上、下限定理本身并沒有給出具體的求解方法。如果對地質體進行極限分析，在滿足塑性極限分析的條件的基礎上，外加的力是不變的，通常的分析方法是通過降低巖體內部的材料強度來分析地質體的破壞安全度。材料強度降低相當于外力增大，反之，則是外力減少。這樣，如果用材料的強度來說明上、下限定理就是當介質的強度低于系統允許的強度下限時，系統就會破壞，當介質的強度高于系統允許強度的上限時，系統一定不會發生破壞。有必要說明的是，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模型，但是，根據上、下限定理并不能鑒別力學模型是否客觀。舉例說明，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，該結果的合理性取決于地質體可簡化成為條分結構和沿滑面滑動的假設。如果復雜的地質體不滿足這種假設，所得到的結論也就不一定合理。

 

  研究含有復雜結構的地質體，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際問題還比較遠。隨著計算方法逐漸成熟和計算技術的不斷提高，人們已經不再期望通過解析解來解決實際工程問題。

 

  5.2 室內實驗研究

 

  在解析解應用范圍非常有限的情況下，開展室內實驗研究不失為一種探索地質體力學特性的方法。室內實驗研究主要可分為模型實驗、模擬實驗和巖石力學性能的測量。模型實驗只能給出實驗尺寸條件下的結果，模擬實驗試圖給出相似條件下原型尺寸下的結果。

 

  5.2.1 模型實驗

 

  一般不考慮相似率，實驗結果只是用于模型的尺寸，用于觀察實驗現象和得到實驗尺度上的規律性。從實際應用的角度而言，模型實驗似乎沒有意義，也由于不滿足相似率經常遭到非議。然而，如果將實驗的目的用于驗證數值模擬結果的可靠性，或者說將實驗和數值模擬相結合，其研究意義就不同。模型實驗中，可以制造一些復雜的巖體結構，精確的測量、研究某些參數逐漸變化得到某種條件下“山體”變形和破壞的規律，然后用數值方法模擬該實驗，并將兩種方法得到的結果比較，驗證數值方法的正確性，最后通過數值模擬給出回答工程問題的答案。數值模擬有時可以通過改變參數得到所需要的結果，得到與某個工程測量結果相接近也不困難，但是，如果幾個力學參數變化的規律都能夠做到實驗和數值模擬吻合或得到相同的規律，計算程序就比較可信。目前大量的計算軟件是基于連續介質力學模型的，模擬巖體問題受到很多限制，在用于模擬工程以前很有必要通過室內實驗驗證這些方法的可靠性。

 

  5.2.2 模擬實驗

 

  對地質工程而言，主要的相似參數是幾何相似和重力相似參數。

 

  在幾何相似方面，由于山體的尺寸很大，幾何相似時，要求對實驗材料的制作有了很高的要求，如山體的尺寸為幾百米，考慮結構面的間距為米的量級；若幾米的模型實驗中結構面間距的尺寸要小于1 cm，就給模型制作增加了難度，如果要想考慮結構面的厚度，模型實驗真正實現起來并不容易。

 

  在重力相似方面，可寫出重力產生的應力與強度的比(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 為材料的強度。滿足相似率可以通過增加材料的密度和降低材料強度的方法，也可以用原材料做離心機實驗研究水的特性還需要分析滲流過程中的動力相似問題，將更加復雜。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實驗中除重力之外其他不相似的因素，仍然可以認為，如果期望模擬實驗能夠模擬實際工程問題，給出實際工程真正需要的結論，必須很清楚地質結構，而這是很困難的。事實上，模擬實驗最重要的模型的相似性，但是，在地質體原型的結構還不知道的情況下，不可能做出具有相同結構實驗模型，不能做到結構的一致性，也就不能達到實驗模擬目的。更為明確地講，正是地質體未知的“初始”狀態，降低了離心機實驗的使用價值。由此可知，無論模型實驗還是模擬實驗，室內實驗更重要的作用是為數值模擬提供驗證的依據和定性地觀察一些實驗現象。

 

  5.2.3 巖體力學性能測量

 

  巖體力學性能室內實驗主要是測量巖樣、土樣的力學性能，主要的工作是在材料實驗機上完成的，包括巖塊的本構關系、強度實驗以及結構面的強度實驗等。常規的實驗內容基本上還是借用金屬材料特性實驗的方法和儀器，針對巖土特性的實驗加入了峰后特性(post-peak failure)、結構面剪切、化學腐蝕以及流、固耦合方面的實驗儀器。需要指出的是，在已獲得應力應變關系為基礎的實驗中，一個最基本的假設是通過對試樣的測量得到巖體中一個點的力學特性。這樣，從有限體積試樣的實驗中得到本構關系和強度準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。對于非均勻材料，當施加力的邊界是剛性邊界時，也就是給定位移邊界(邊界上各點的位移相等)，邊界上力的分布就是非均勻的。換言之，對土石混合體、含結構面巖體、以及有內部缺陷的巖塊如果用常規的材料實驗機進行實驗，實驗給出的是已知邊界合力、未知應力分布條件下的結果。因此，當非均勻材料作常規實驗得到一些不規律的實驗結果并不奇怪(特別是試樣的強度離散度較大)，因為實驗中的所加的荷載本身就是不確定的。一種新型的材料試驗機即柔性邊界加載的材料試驗機試圖解決這一問題。

 

  5.3 現場地質調查與現場監測

 

  盡管在地質體的研究過程中，人們經常采用類比的方法對山體的穩定性做出判斷，但是在工程實踐中，幾乎很難發現地質條件相同的兩個山體，這也正是工程地質力學研究的主要的難點之一。深入細致地進行調查研究，了解和掌握地質體的演化、分層特性、層內介質的力學特性、地質體的結構等對概化力學模型是非常重要的。這項工作是工程地質力學的基礎工作，是建立力學模型的基本出發點，對工程地質力學研究成果的可靠性起著關鍵的作用。

 

  現場地質調查、勘察和分析應當是地質力學研究的一部分，除了上述為力學模型建立做準備的工作，還應當包括了力學分析方法作為地質調查、勘察基本手段的內容。隨著現代通訊技術和測量儀器的發展，現場地質測量的技術水平也相應有了大幅度提高。筆者認為，基于新的力學分析手段可以提出所需要的力學參數，為了定量地獲得這些參數就必須要在地質調查過程中進行現場的測量，而有些測量儀器的開發和測量結果的分析又需要力學的分析工具來實現。也就是說，地質調查是建立力學模型的基礎、現場測量為確定計算參數提供原始數據，力學分析是確定力學參數一種手段。

 

  地質工程師的工作是在地質調查的基礎上直接做出判斷并給出結論，而工程地質力學是在此基礎上進行測量，獲得定量的參數，建立力學模型，通過分析和計算才給出結論，這正是地學與工程地質力學的主要差別之一。

 

  5.4 數值模擬

 

  隨著數值模擬在其他力學分支學科扮演著越來越重要的作用，人們也試圖將數值模擬發展為工程地質力學研究中最主要的工具之一。然而，現有的數值方法在模擬復雜地質體方面，還遠遠不能滿足工程的要求，所給出的結果也通常不盡人意。面對應用于工程地質力學領域內的眾多數值方法，有必要考察其適用范圍，驗證其可靠性。為此，筆者建議從以下4 個方面對數值方法的可靠性進行判斷：

 

  (1) 能夠定量地描述復雜的地質環境；(2) 能夠模擬地質體由變形到破壞的演化過程；(3) 能夠實現數值模擬結果與地質體幾何結構及力學響應之間的信息互饋；(4) 計算結果和判斷方法能夠被工程師所接受。L. Jing[20]已經對巖石力學中所涉及的數值方法作了較為全面和準確的論述，本文基于以上4 個方面簡要地評述幾種主要數值方法的適用性。

 

  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值方法，特別適于處理涉及流變體，如流體動力學、熱傳導等的工程問題。但對于巖石材料而言，該方法在處理連續問題方面，與有限元相比并不具有優勢；在處理非連續問題方面，由于可看作顯示離散元方法的基礎，也可被后者所取代。因此，有限差分方法與其他數值方法雜交，可更為有效地應用于流–固耦合問題。

 

  5.4.2 有限元方法

 

  有限元方法建立在連續介質力學模型的基礎之上，能夠很好地描述在均勻化假定下巖土的力學特性。近年來大量的研究工作致力于有限元方法的擴展算法，試圖模擬巖土材料的破壞過程。Goodman單元在前處理中，根據巖體結構面的幾何分布來劃分網格，可模擬已知結構面材料的失效過程。

 

  對于含有大量結構面的巖體，劃分單元的工作將十分繁重。最近，嵌入不連續的有限元方法得到較大的發展，該方法可在無需網格重劃分的前提下，將不連續表面或裂紋引入有限元中，也已經應用于對不連續問題的研究。此外，利用生死單元并借助處理塑性單元的技術在一定程度上也可模擬材料的拉伸破壞，由于該方法存在網格不客觀問題，數值結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構面的復雜分布模式，也可模擬材料變形和破壞過程，在結構面上所使用的剪切破壞準則類似于常規的剛體極限平衡方法，可給出工程師習慣使用的安全系數。該方法的缺點主要是沒有嚴格的理論基礎，確定結構面的剛度依賴于經驗；不能夠很好地描述地質體中具有連續介質特性的部分；對結構面事先給定的模型也不能模擬演化過程，可斷裂塊體的模型將塊體用連續模型描述還是擺脫不了連續模型的限制。當然，工程地質力學模型本身已經進行大量的簡化，這種靠經驗確定結構面剛度的方式有時候不影響離散元在實際工程中的應用，因為與常規的剛體極限平衡方法相比，離散元方法考慮了更多的地質因素。但是，應當明確各種模型下離散元界面剛度的物理意義[30](李世海，2004)還要對該方法的適用范圍有足夠的認識；基于連續介質的離散元方法試圖給出結構面單元剛度的確定方法和分析地質體由連續到非連續的演化過程。

 

  5.4.4 剛體極限平衡方法

 

  L. Jing的相關研究中，剛體極限平衡方法由于沒有被列為數值分析方法，未做討論。J. M.Duncan對該方法有較為全面的綜述，認為極限平衡方法比有限元方法更為保守，有限元計算地應力可以作為極限平衡方法的補充。筆者認為，剛體極限平衡方法盡管能夠為工程師提供容易理解的分析結果，但其固有的缺陷弱化了它的實用價值。該方法通過尋找滑面的方式描述地質結構，提供一種破壞狀態，而無法描述變形及破壞的過程；條分和沿破壞面滑動的假設，掩蓋了地質體復雜特性對穩定性的作用，至于是偏保守還是偏危險(與離散元相比要偏危險)，取決于各種方法所建立的力學模型，不能一概而論；只是研究破壞狀態不能夠充分利用一些地質勘查和測量的結果。但是，在目前情況下，要取代該方法，還需要進行大量的工作。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，還沒有一種令人信服的方法能夠取代剛體極限平衡方法，人們仍習慣使用傳統方法；其三，一種新的方法能夠推廣應用，必須要通過大量的室內實驗和工程實踐證明其可靠性和實用性；其四，需要提高工程技術人員對計算技術和力學模型的認識水平，使他們真正地認識到傳統方法的固有缺陷。

 

  5.4.5 神經網絡及遺傳算法

 

  神經網絡及遺傳算法是一種經驗方法，其可靠性基于在對大量工程數據積累。當所獲得的地質體數據的準確性受到質疑時，該方法提供的分析結果也就值得懷疑[35，36]。此外，如何抽取各種計算因子并確定它們的權重都是必須解決的問題。事實上，這些問題的真正解決仍然依賴于對地質體定量化的描述。支持向量機[37]是一種進行參數敏感性分析的計算工具，它將由參數變化產生的結果用函數的形式表示出來，可以通過對該函數的運算，判斷進一步計算參數改變的方向，以求得節省計算工作量。

 

  當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合的方法，可以高效率地分析出各種參數對工程地質力學響應的影響度，回答工程問題。利用該方法，可將選取的影響因子與力學模型的基本參數對應起來，來補充修正力學模型。如果將支持向量機中的影響因子用量綱一的量表述，也可以減少計算的工作量并且使計算結果分析更具有物理意義。

 

  由于地質體中各種力學參數的選取具有不確定性，給出確定性的穩定性結論和確定性的預報結果實際上是不可能的。因此，在研究地質體的工程問題時，需要采用概率統計方法來表征參數的不確定性。實現概率統計結果的可靠性仍然依賴于工程地質力學中的兩個基本要素：其一，力學參數分布函數的可靠性，如現場地質調查得到的巖體結構面間距的均值和方差是否準確可靠。這需要以地學為基礎；其二，計算方法的科學性。如果采用的計算方法過于簡單，以至于不能反映研究問題中復雜地質體的基本(或主要)特征，則所得到的概率結果仍然不可靠。

 

  總之，發展地質力學數值分析方法，要客觀描述地質體的運動規律，新方法所給出的結果應該采用傳統的表達方式，以便能夠為工程師接受并可與當前的規范相結合，從而逐步將其推廣使用。實現這一目標的關鍵還是要通過模擬大量的實驗和工程驗證方法的可靠性。

 

  6 地學、力學與工程結合的問題

 

  長期以來，我國的科學家就非常注重地學與力學的結合，并強調以工程建設為目的。然而，影響這種結合的主要因素包括力學基本理論的發展、測量和勘查技術以及大型工程建設的需求。在力學的研究工具不足以模擬復雜的地質結構時，那些簡單模型下給出的結論很難滿足工程的要求。數值計算結果的計算參數來自于經驗的估計，計算給出的結果就只能是供參考，超出不了工程師的經驗判斷；如何擺脫這種局面，需要地學和力學的相互滲透并將研究目標著眼于解決工程的實際問題。

 

  6.1 力學研究成果應用面臨的困難

 

  (1) 不了解地質演化的基本規律，不能準確地將地質演化過程中特殊的構造融入到計算模型中。

 

  而這些特殊的構造是地質工程師經驗判別的主要因素，因此，那些結果難以得到地質工程界的認同。

 

  (2) 均勻化的力學模型建立了復雜的本構關系，用于描述地質結構時有些困難，研究成果不實用。

 

  (3) 計算結果依賴于參數選取，參數選取具有很大的人為性，當得到的結果與工程師長期積累的經驗不符合時，又缺少充分的依據給予證明。

 

  6.2 地學研究成果應用面臨的困難

 

  (1) 根據工程地質、施工地質的大量的地質調查結果直接做出判斷，沒有將調查結果抽象為用于定量化分析的參數，給出的結論缺少多種因素和定量化分析的結果。

 

  (2) 對大型的現代化工程，特別是工程治理設計，經驗判斷不能給出設計參數，滿足不了現代化工程的需求。

 

  地學和力學研究成果應用的困難導致了地質災害防治的傳統工藝、分析方法和防治思路難以獲得突破：物探、監測獲得的地質體信息難以直接用于分析方法當中；難以檢驗工程治理的效果：盡管治理后的邊破是穩定的，但是，難以判斷該邊坡是否有必要治理。地質體與工程結構的相互作用并不是整體失穩和失穩條件下的結果，準確、定量描述變形的過程，需要科學的計算方法。

 

  在工程實踐中，由于地質工程師的經驗和長期的地質調查工作積累，往往可對某一地區的地層直接做出判斷，在此基礎上開展地質調查可以有的放矢，進而節約經費和時間。如果地質判斷失誤，已有的經驗會導致工程失敗，在此基礎上的力學分析也不會成功。反過來，在地質調查中，需要補充力學的分析手段，更準確地獲得地質體的力學參數。

 

  工程地質對地質體的判斷借助于力學的手段定量化，并通過力學的理論方法進行定量分析，給出滿足工程設計要求的設計依據。將地質環境定量化，在考慮地質構造形成的宏觀運動過程和地層的辨認和定性地描述的同時，還要注重地層幾何特性、物理特性的定量化，并結合地質勘查和現場的監測彌補經驗判斷的不足，避免失誤。

 

  工程地質力學是地學、力學和工程科學的交叉學科，遵循以地學為基礎、以力學為手段、以工程為目的的基本思路，就可以將各個學科有機聯系起來，推動工程地質力學的發展。

 

  7 工程地質力學的主要研究內容

 

  根據工程地質力學的發展狀況，筆者認為，當前的研究內容應包括下述幾個方面的內容。

 

  7.1 建立地質體的力學分類標準，并在此基礎上提出地質調查新方法巖體分類對地質工程非常重要，國內外學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行，主要目的用于初步設計、工程概預算、工程定額計算、工程招投標等，在這一階段，所能獲取的地質數據非常少，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行的分類方法，主要考慮巖體的質量，按照巖體本身的工程地質力學特性(如巖石的堅硬程度和巖體的完整程度)進行分類的。例如，我國現行的國家標準《工程巖體分級標準》(GB50218–94)、國際上應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；另一類是結合工程進行的分類方法。基本上限于圍巖穩定性分類，如國內鐵路部門的《鐵路隧道圍巖穩定性分類》、煤炭系統的《礦山巷道圍巖穩定性分類》等，這種分類法用得不多，它著眼于工程擾動后圍巖的穩定程度，既考慮巖體本身的工程地質力學特性，也考慮工程的類型和規模，如隧道的跨度、高度，主要節理組與隧道軸線的夾角，隧道的重要程度和服務年限等。

 

  比較兩類分類方法就會發現，特性分類方法只是給出地質體的特性，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的設計規范，從而使工程設計與巖體的分類(包括特性分類)緊密的結合起來。

 

  以 Q 分類法為例，確定Q 值需要6 個參數：巖石質量指標RQD；節理組數Jn；節理粗糙度Jr；節理蝕變度Ja；節理水影響的降低因子Jw；應力降低因子SFR。上述6 個參數均與工程特性無關。可見，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應的建議支護參數。

 

  由此可知，巖體分類直接或間接與工程設計所建立的聯系，決定了巖體分類在地質工程中的重要作用，從某種意義上講，巖體分類決定了設計參數。

 

  現在從力學的角度分析從地質調查到完成工程設計及優化所必需的條件和力學分析過程：

 

  (1) 必需條件：邊界條件(地下空間的尺度)、初始地應力場或位移場、給定地質結構幾何特性；(2) 本構關系：地質體結構力學特性，包括巖塊和結構面的力學特性；(3) 強度準則：工程結構及地質體強度準則；

 

  (4) 受力分析：借助于計算技術，給出工程結構與地質體相互作用的規律；(5) 強度校核：設計強度較核；

 

  (6) 結構優化：改變工程結構，重新分析，并比較不同結構的差別。

 

  由此可知，借助于力學手段進行結構優化，所需要的基本力學參數有些能夠通過已有的巖體分類獲得，有一些卻不能。通過巖體的分類法能夠直接或間接地確定工程設計的原則，其產生的定量結果并不是通過確定性的方法得到的，其中含有較多的經驗成份。隨著計算技術的發展，人們已經有可能也有必要實施確定性的分析，對于難以確定的地質體的強度、初始地應力場也可以通過實驗、現場監測和參數反分析等方法估算出來。如果在巖體分類法中不結合具體的工程類別，直接給出力學分析需要的確定性參數，對不確定的力學參數采用統計、測量或反演的方法給出，然后借助于力學手段提供工程設計的依據，巖體分類的目標就非常明確了。

 

  基于上述討論，為了定量描述地質體與結構的相互作用，地質體分類的目的不再僅僅是直接為工程設計使用，或者為工程設計提供巖體質量的級別，而且還是直接或間接為力學分析中提供所需要的力學參數。這樣的思路，不排除已有的巖體的分類方法，只是分類的指標更為具體和更具有針對性。為了有別于傳統的分類方法，將這種根據力學分析對力學參數的需求進行分類的方法，稱為地質體的力學分類法。

 

  力學分類方法充分體現了地學與力學的有機結合，它將地學對地質體的描述通過力學定量化，同時完成了力學研究者的知識結構難以實現的工作。圍繞著力學需求，地質調查的內容更加明確，列出如下的內容作為說明：

 

  (1) 不同地層與構造的分布參數地質工作可以對研究區域內可能存在的地層分布做出判斷，給出不同地層的地質特性，經過地質勘查校核，確認地層的分布。力學研究可以通過建立地質體的力學模型將地質勘查得到的結果給出更精細的分析。

 

  (2) 地質界面的幾何與力學特性參數明確表述地層的厚度、傾向、傾角，各個地層之間連接的方式、形成年代決定的界面強度、相互之間是否錯動所決定的界面的連通率，力學研究是將這些幾何特性，融入到計算模型中。

 

  (3) 結構面的幾何和力學特性參數通過地質調查給出結構面的傾向、傾角、間距、結構面的厚度、填充物的特性、結構面的連通率。

 

  土石混合體不存在結構面，相關的參數包括土、石混合的比例、塊石的尺度、分布規律等。

 

  (4) 滲流場邊界條件參數

 

  地質體內的滲流場分布除了地質體的結構參數之外，還應包括滲流場的邊界條件：補、排水的位置、幾何尺寸、流量(流速)等。

 

  (5) 地質體當前狀態參數

 

  裂隙是壓性(閉合型)還是張性的，反映了地質體在該區域內的受力狀態，定量地描述要借助測量，比如波速，地下水位以及在降雨條件下的水位變化，表征了結構面張開以及連通的程度。

 

  (6) 通過測量給出的分類參數

 

  借助于地震勘探[38]，給出的地質體波的傳播速度、震動衰減規律、地表振動的頻率、振動持續時間等。對于大型工程，一般可以通過變化荷載(開挖、降雨、震動等)測量出地質體的相關物理量(位移、應力、水壓力等)的變化。在地質工作根據結構面的形態和運動的痕跡判斷結構面的狀態的基礎上，力學研究可以模擬出與此對應的可能的初始狀態，進而得到地質參數變化的范圍。

 

  地質體的力學分類方法是以地質體自身的力學特性為基礎的，具有普遍的意義，不受工程類別的影響，在此基礎上，可以直接為數值計算提供力學參數，工程結構設計以及優化均可以根據計算結果得到。更進一步而言，材料特性中個別參數不能給出確定的數值，但是具有統計意義。可以在力學模型中設為統計量，通過反分析和測量結合進一步確定取值范圍。

 

  建立統一的分類標準，將分類的標準定量化，并作為數值模擬的參數輸入，在此基礎上計算出的結果應用于工程，體現了力學、地學與工程的有機結合。

 

  7.2 建立合理的力學模型并給出可靠的計算方法描述地質體非連續、非均勻、流固耦合以及未知的初始狀態的特性，需要合理的地質力學模型。

 

  傳統的有限元、離散元等方法分別基于連續、非連續介質的力學模型，在定量描述地質體的力學特性方面均有自己的優勢，也有自己的缺陷。針對一個具體的問題，總可以提出一種簡化的模型，并完成某一種條件下的力學分析，但是計算結果的可靠性總是遭到質疑。解決問題需要開展兩個方面的工作：一是計算方法要有堅實的理論基礎，基本上能夠反映材料特性；二是計算方法穩定性要好。

 

  7.2.1 描述巖體的力學模型

 

  巖體中含有大量的結構面，這些結構面有一定的分布規律，結構面內充填物的厚度(有些結構面沒有厚度)和充填材料的性質不同。如果已知結構面的位置，數學描述這些結構面并不困難。建立巖體的力學模型主要的研究內容包括：

 

  (1) 探測或確定結構面的連通率

 

  巖體的結構控制論強調了結構面對工程巖體的穩定性起著決定作用，一般而言，結構面的傾向、走向和間距確定之后，連通率越高，巖體的質量也就越差。連通率制約著力學模型的準確性，作為統計量就需要通過現場勘測和反分析確定它的分布規律。有了這樣的模型，研究波在地質體的傳播規律，應該是力學分析用于地質參數探測的重要方法。

 

  (2) 巖體結構面的壓、張狀態

 

  結構面的壓、張狀態是決定地質體當前狀態的重要指標之一。在離散元的計算模型中，同一組結構面空間位置是確定的，不能直接給出結構面的拉、壓狀態。地質調查可以通過地表觀察給出結果，還需要加到力學模型中去。

 

  (3) 巖體破壞的演化過程

 

  對工程而言，結構面連通率反映了巖體的工程質量，通過更進一步的分析，真正決定巖體破壞的是巖體中的“巖橋”。換言之，只有當結構面之間的完整巖體破壞時，巖體整體的破壞才會發生。而這部分巖體開始是連續的，只有描述了具有連續特性的完整巖體的破壞過程才能夠真正給出地質體的變形和破壞的規律。

 

  7.2.2 描述土石混合體的力學模型

 

  自然界中的土、石混合體以坡積層、古滑坡體的形式出現，力學模型的建立與巖體有本質的區別。土、石混合體內部一般沒有明顯的結構面，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律

 

  初始狀態完全可以通過有限元建立這種材料的力學模型，正如巖體的連通率一樣，山體中巖塊的含量、分布、塊體尺寸和姿態都很難用確定的方法給出，地質鉆孔也難以獲得基本可靠的數據。力學研究的內容需要給出影響山體穩定性的最大塊度、塊石分布的關鍵位置以及探測塊石分布的方法。

 

  (2) 山體上的裂縫分布和演化

 

  古滑坡體上產生的裂縫是山體變形、破壞的演化結果。通常情況是有了裂縫才被發現和開始研究，從有裂縫開始分析就需要知道裂縫和當前內部應力場的分布規律。在山體的變形過程中已有的裂縫可能會合并，其他的位置可能會產生新的裂縫，這樣的過程反映到力學模型中也需要非連續的力學模型。

 

  7.2.3 固體、流體耦合的力學模型

 

  當前用于裂隙巖體滲流預測的主要有3 種類型的模型：等效連續體模型、離散裂隙網絡模型和等效–離散耦合模型。

 

  (1) 等效連續體模型

 

  等效連續體模型將裂隙中的水流等效平均到整個巖體中，將裂隙巖體模擬為具有對稱滲透張量的各向異性連續體，然后利用經典的連續介質理論進行分析。等效連續介質模型的突出優點是可以沿用各向異性連續介質理論進行分析，不需知道每條裂隙的確切位置和水力特性，對于那些不易獲得單個裂隙數據的工程問題不失為一個很有價值的工具。但等效連續介質模型在應用時尚存在兩方面的困難：一是裂隙巖體等效滲透張量的確定；二是對于不存在代表性體積單元(RVE)或RVE很大的地質體，由于其有效性不能得到保證，將會帶來不合理的結果。

 

  (2) 離散裂隙網絡模型

 

  離散裂隙網絡模型力求在搞清每條裂隙的空間方位、隙寬等幾何參數的前提下，以單個裂隙內水流基本公式為基礎。利用流入和流出各裂隙交叉點流量相等的原則建立方程。然后通過求解方程組獲得各裂隙交叉點的水頭值。由于離散裂隙網絡模型對巖體裂隙網絡體系中的每條裂隙都加以具體的模擬，更能刻畫裂隙巖體滲流的基本規律。但當裂隙較多時，特別是三維問題，計算量過大，導致該模型在工程實踐應用上仍受到很大制約。

 

  (3) 等效–離散耦合模型

 

  等效–離散耦合模型對于裂隙密度較小的區域采用離散裂隙網絡模型。對于裂隙密度大的區域采用等效連續介質模型。多重裂隙網絡模型將巖體中的各種裂隙和空隙按規模和滲透性分為4 級處理，各級裂隙(孔隙)都形成各自的裂隙網絡。以水量平衡原理建立各級裂隙網絡之間的聯系，并考慮各級裂隙滲流與應力不同的相互作用關系。該模型既可避免離散裂隙網絡模型對每條裂隙進行模擬而帶來的巨大的工作量，又能保證等效連續介質模型的有效性。

 

  盡管人們逐漸認識到裂隙巖體滲流應力耦合對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絡中應力–應變狀態，而對于涉及巖石應力–應變對裂隙滲流率的影響，以及裂隙巖體在開挖卸荷作用下裂紋的萌生、擴展和貫通過程中滲透率的演化及其與應力的耦合機制方面，仍缺少深入的認識和分析計算手段。并且，在煤礦開采過程中，當地層卸壓后煤層中的瓦斯就會解析出來，瓦斯、水、固體顆粒和煤的多相運動形成瓦斯突出，是更為復雜的流、固耦合問題。因此，將非連續的力學模型與流固耦合力學模型相結合，發展相應的計算方法，并通過實用程序驗證理論的實用性，已成為巖石力學、水力學領域的前沿課題。

 

  7.2.4 多尺度計算模型

 

  多尺度計算模型涉及的問題很多，不同力學模型有不同的表述形式，現進行簡要的討論。眾所周知，巖體具有尺寸效應。同種類型的巖體，其強度在一定范圍內隨著試樣尺寸的增大而降低。“結構控制論”觀點認為，由于相同的巖體內部節理面的間距是一定的，因此小尺寸的巖塊所含有的節理面(缺陷)的數目少，而大尺寸的巖塊所含節理面的數目多，因此，大尺寸的巖塊強度要低。從材料均勻化的觀點看，大尺度試樣內所含有的缺陷尺寸和小尺度試樣內所含缺陷的尺寸對試樣強度的影響不同，因此，表現出不同的力學特性。兩種不同的解釋在計算模型中有不同的反映。以有限元為例，當不考慮尺寸效應時，有限元中網格的劃分僅對結果的精度有影響；當考慮尺寸效應時，材料的特性要隨網格的細化而發生改變(強度提高)，否則就不能體現材料的多尺度效應。在離散元中，塊體的劃分本身就可代表結構的特性，塊體的尺寸也就是結構面的間距。即使塊體和結構面強度都不變，邊界條件也不變，含有小尺寸塊體單元的區域要比同樣大小，但含有大尺寸塊體的區域更容易破壞。

 

  筆者認為，針對工程地質力學的特點，在建立地質體多尺度力學模型時，需要給出一個基本尺度(最小尺度)，即實驗室巖石試樣尺度。事實上，對地質體而言，完整的巖塊可被看作是均勻材料，其應力–應變關系、破壞強度也是可測的。另外，結構面的強度也可通過實驗獲得。因此，在能夠構造結構面的情況下，當研究尺度細分到基本尺度時，材料的基本力學性質是已知的。此時，可直接采用實驗結果，而無需再研究更小尺度的問題。具體實現計算模型時，可根據實際情況，選擇不同尺度的尺寸。

 

  對于離散元，可以直接根據地質勘察結果建立結構面模型。如果條件允許，可直接將單元劃分到基本尺度。否則，當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構面時，可事先根據基本尺度和結構面模擬出該尺寸下塊體的本構關系和強度準則，加入到整個計算模型中去。

 

  對于有限元，可通過均勻化的方式在不同的研究尺度內劃分該尺度下的網格，并賦給相應的材料特性，當尺度細劃到基本尺度時，不必再研究更小的尺度。通過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。

 

  多尺度計算模型更能夠反映地質體的基本力學特性，也是普及使用大型計算程序的主要手段，應當是未來工程地質力學研究的內容之一。

 

  7.2.5 開發實用計算程序

 

  解決實際工程問題不僅需要建立力學模型，而且需要發展計算程序來數值實現力學模型，否則只能是紙上談兵。開發具有強大生命力的程序是一項系統工程，需要有基礎理論、基本算法、實驗研究、工程實踐、界面處理等多方面的支持。目前我國正進行大規模的地質工程建設，有市場需求，對開發實用計算程序有激勵作用。必須指出的是，用于模擬地質體的計算軟件，其可靠性的驗證不能完全依賴于實際工程，這是由地質體未知的初始狀態決定的。正如前文所討論的， 從開始獲取地質參數、參數反分析、信息反饋就需要數值分析，在這種情況下驗證計算程序，從邏輯上就不成立。地質體問題通常也沒有解析解，為了驗證開發程序的可靠性，就不得不做大量的實驗驗證工作。可靠的計算方法用于工程可以保證工程安全、避免或減少判斷失誤。

 

  軟件開發應致力于解決實際工程問題，適用于不同的地質條件和地質工程。同時還要考慮軟件使用者的認識水平，這就需要軟件開發者深入現場，對地質工程中的問題有清醒的認識。

 

  總之，開發工程適用的軟件，是一項復雜的系統工程。進行大量的工程實驗、現場地質考察是軟件開發的重要組成部分。

 

  7.3 提出關鍵測量參數、研發新型監測儀器力學研究通常是根據已知的參數通過理論或數值分析給出結果。對地質力學而言，需要什么參數、如何獲得這些參數以及獲得參數的可靠性都需要進行力學的分析工作。對不同的力學模型，相應的測量參數也就會發生改變。例如：分析滑坡的穩定性時，如果采用剛體極限平衡方法只需要知道材料的強度、地表的形狀、有時需要破壞面的位置；對有限元方法，除了上述參數外還需要彈性模量、泊松比、地質分層、滑面位置；對離散元方法還需要增加結構面的空間分布、結構面的力學參數；流固耦合的離散元方法還需要流體的黏性、補給水的位置和流量等；進行反分析需要測量一些變形、應力等物理參數的變化規律。由此可知，隨著力學分析方法的發展，地質力學參數就需要相應的改變。

 

  提出新的測量參數就需要獲得這些參數的方法和儀器。儀器的測量原理、測量精度以及數據處理在很大的程度上也是地質力學的研究內容。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、頻率和振動持續時間所攜帶的大量的信息都能夠反映地質體的特性，在當前對地震波在地質體中的傳播規律沒有足夠認識的情況下，測量儀器就不可能具有分析這些信息的功能。

 

  7.4 實驗驗證、篩選力學分析方法

 

  在不斷完善力學模型和提出新的力學模型的同時，地質力學研究應當更加注重新方法的驗證和應用的研究。每年我國有關地質災害防治的科學論文數以千計，各種各樣的本構關系、計算方法不斷的涌現，然而，分析山體滑坡穩定性依然采用二十世紀五六十年代的分析方法——剛體極限平衡方法。

 

  該方法有著固有的缺陷，工程師也明知其中含有更多的經驗成分，也不愿采用考慮更多地質因素的分析技術(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簡單，如節7.3所述，它只要求地表形狀和強度參數，并且在一些限定的條件下有其合理性，能夠與工程師長期的經驗建立起某種聯系；另一方面，目前還沒有經得起考驗的新的分析技術。力學分析方法越精確，要求的參數就越多，方法的精確性和參數的易取性是一對矛盾，也是相輔相成的，更需要相互促進。計算方法應當盡可能地利用已經獲得的力學參數，反之，為了利用精確的計算方法，應當開發勘測技術獲得更多的力學參數。如果將國家的規范停留在簡單的計算方法上，就沒有必要探測新的力學參數，工程地質力學的發展必然會受到限制。

 

  面對一系列的商用軟件和不斷提出的各種算法、計算軟件，需要開展一些專門的論證工作。在證明一些方法的可靠性的同時也發現其中的問題，確定其適用范圍，在此基礎上提出國家標準。

 

  由于一些商用軟件的源代碼是不公開的，很難從根本上發現程序的缺陷。計算工程問題時，只能是輸入參數得到結果。由于計算結果的需求方不能接受有問題軟件的計算結果，使用軟件者即使發現了軟件問題，也不便明確指出，對自己的計算結果也沒有信心。筆者認為，用于分析地質體的計算軟件仍然處在探索之中，計算結果中出現不合理的情況是正常的，不斷的發現問題和改進，計算軟件才有可能完善。沒有必要假定計算軟件可靠而對不合理的計算結果給出牽強附會的解釋。

 

  7.5 研究具體的地質工程并探索普遍規律

 

  自然界幾乎不存在地質構造相同的山體，更不可能有完全相同的地質工程，這也正是地質工程設計和地質力學應用的難度所在。鄭哲敏院士主張研究巖體力學首先要研究個別的案例，然后再去尋找一般的規律。矛盾的普遍性存在于矛盾的特殊性之中，在個別的問題不能很好解決的情況下，也是不可能的給出統一的方法。災害調查的過程中經常發現，與滑坡災害發生地相鄰或附近的山體，地質條件差異很小，經驗判斷也更危險，但是卻沒有發生滑動。這說明，人們對地質體的認知程度基本上處在經驗判斷和感性的階段，對個別案例的深入研究、積累數據和分析基本運動規律是地質力學長期的研究任務。

 

  8 結語

 

  開展工程地質力學的研究需要以地學為基礎、力學為手段、工程為目的。地質體復雜的力學特性對力學研究的方法提出了新的要求，研究地質體的力學分類、開發測量關鍵參數的新型儀器以及探索描述材料由連續到非連續破壞的演化過程是工程地質力學特有的或當今學科的前沿課題。工程地質力學研究面臨著機遇和挑戰，只有解決關鍵的科學問題才有可能從根本上解決地質工程的設計、施工中提出的問題，最終提高地質工程建設和地質災害防治的水平。實現這一目標首先要提練相關的科學問題、研究內容及方法，筆者主要從力學的角度對此提出了自己的看法。受知識結構和認識水平的限制，無論是深度、廣度都還很不夠，希望與地學、力學和工程科學的專家共同探討有關問題，以求得我國工程地質力學的研究目標更加明確。