“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的提出和基本理論框架

摘 要:本文首次提出了“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”新學(xué)科，并對(duì)“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的定義、研究對(duì)象、研究內(nèi)容和特點(diǎn)等進(jìn)行了分析，初步建立了“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”這一新學(xué)科的基本理論框架。

1“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的提出

作者長期從事工程地質(zhì)與巖土力學(xué)的實(shí)踐和研究工作。前不久，作者提出了“巖土工程地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)”的概念和“工程地層學(xué)”新學(xué)科[1～3]?！暗貙咏Y(jié)構(gòu)”是指三維空間中各地層的疊置或排列組合關(guān)系，其中地層的產(chǎn)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(jié)構(gòu)面等也看成是特殊的地層?！皫r土工程地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)”是指地層結(jié)構(gòu)的不同或變化對(duì)各類巖土工程的受力、變形和穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性有重要影響，同一工程可選在不同的地層結(jié)構(gòu)中，也可對(duì)選中的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)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?！肮こ痰貙訉W(xué)”就是利用地質(zhì)學(xué)中地層學(xué)的理論和知識(shí)為各類巖土工程服務(wù)的學(xué)科，它是地質(zhì)學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。

在上述的基礎(chǔ)上，最近作者經(jīng)過研究認(rèn)為，有必要建立“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”這一新的邊緣學(xué)科?！暗貙咏Y(jié)構(gòu)力學(xué)”就是研究與工程活動(dòng)相關(guān)的某個(gè)或某些地層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征、變形性狀，地層結(jié)構(gòu)與工程結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，地層結(jié)構(gòu)的改變對(duì)工程結(jié)構(gòu)受力、變形和穩(wěn)定性的影響，及基于力學(xué)機(jī)制的地層結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而為工程服務(wù)的學(xué)科。

基于以下幾點(diǎn)有必要建立“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”新學(xué)科:(1)地球的表層為地殼，地殼主要由各種產(chǎn)狀的地層組成。人類的所有工程活動(dòng)都是在地層中或地層上進(jìn)行的。同一工程選擇不同的地層結(jié)構(gòu)，或?qū)Φ貙咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的人工改造，都將對(duì)該工程的受力、變形、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益造成重大影響。作者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，為了更好地研究“巖土工程地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)理論體系”和“工程地層學(xué)”，很有必要建立“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”新學(xué)科。(2)工程活動(dòng)中，為了充分利用地層的自穩(wěn)能力，需要將地層也看成一種特殊的“工程材料”。這時(shí)，為了以盡可能少的工程代價(jià)(如噴錨、網(wǎng)狀柔性支護(hù)等)達(dá)到工程目的，需要了解地層這種特殊的工程材料的地層結(jié)構(gòu)力學(xué)特征。(3)人類制造的工程結(jié)構(gòu)物往往處于地層結(jié)構(gòu)中或地層結(jié)構(gòu)之上，為了更好地研究工程結(jié)構(gòu)與巖土體的共同作用或相互作用，需要地層結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)。

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

2“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的研究對(duì)象和研究內(nèi)容

“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的研究對(duì)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(jié)構(gòu)力學(xué)問題。

“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的研究內(nèi)容主要有:(1)地層及地層層序成因、演化研究。(2)地層結(jié)構(gòu)特征研究。(3)三維地層信息系統(tǒng)及三維地層可視化研究。(4)地層結(jié)構(gòu)所在的地層構(gòu)造應(yīng)力場及構(gòu)造體系研究。(5)地層結(jié)構(gòu)本身的變形和力學(xué)機(jī)制研究。(6)地層結(jié)構(gòu)力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)力學(xué)的關(guān)系，及地層結(jié)構(gòu)與工程結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作問題研究。(7)地層結(jié)構(gòu)的人工改造(含優(yōu)化)及其對(duì)地層結(jié)構(gòu)力學(xué)特征和工程結(jié)構(gòu)的影響研究。

3 “地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的特點(diǎn)

(1)“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”是地質(zhì)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。

“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”是地質(zhì)學(xué)特別是其中的地層學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物?！暗貙咏Y(jié)構(gòu)力學(xué)”首先要用地層學(xué)的知識(shí)研究工程場地中地層及地層結(jié)構(gòu)的成因、演化，然后用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)研究地層結(jié)構(gòu)在工程荷載作用下的變形、力學(xué)特征和穩(wěn)定性。

(2)“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的兩個(gè)層次。

①從“變形”到“力”:所有工程場地所在的地層和地層結(jié)構(gòu)都處在一定的地質(zhì)構(gòu)造單元中，地層和地層結(jié)構(gòu)中都保留有長期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中留下來的構(gòu)造形跡。所以，“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”首先要從地層和地層結(jié)構(gòu)中留存的構(gòu)造變形反推地層和地層結(jié)構(gòu)所遭受的各期古構(gòu)造應(yīng)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(jié)構(gòu)除收到古構(gòu)造應(yīng)力場的作用外，還受到了工程荷載的作用。所以，“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的第二層次就是要研究地層結(jié)構(gòu)在構(gòu)造應(yīng)力(包含重力)和工程荷載的作用下地層結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu)的變形。

(3)“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的理論基礎(chǔ)。

“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的理論基礎(chǔ)有地層學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)、土體力學(xué)、巖體工程地質(zhì)力學(xué)、巖體結(jié)構(gòu)控制論、關(guān)鍵層理論、優(yōu)勢層理論等。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣建平，劉文白．巖土工程地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)與層組參數(shù)[J]．人民交通出版社，2011.1(人民交通出版社重點(diǎn)圖書).

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

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