地質(zhì)工程中的力學(xué)知識(shí)探討

蘆 保 國(guó)

(太原理工大學(xué)力學(xué)學(xué)院，山西 太原　030024)

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地質(zhì)工程中的力學(xué)知識(shí)探討

蘆 保 國(guó)

(太原理工大學(xué)力學(xué)學(xué)院，山西 太原030024)

結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，介紹了地質(zhì)工程專業(yè)的特點(diǎn)，并從地殼演化、地質(zhì)構(gòu)造、地下水運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)勘探等方面，探討了地質(zhì)工程中的力學(xué)知識(shí)，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

地質(zhì)工程，力學(xué)知識(shí)，地質(zhì)構(gòu)造，巖土

0　引言

地質(zhì)工程是研究人類工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境之間相互制約關(guān)系，主要研究如何獲取地質(zhì)環(huán)境條件，并分析研究人類工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境相互制約形式，進(jìn)而研究認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)、改造和保護(hù)地質(zhì)環(huán)境的一門(mén)科學(xué)，是地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支，是地質(zhì)學(xué)與工程學(xué)相互滲透、交叉的邊緣學(xué)科。本專業(yè)課程結(jié)構(gòu)中，材料力學(xué)是一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)學(xué)習(xí)中起承上啟下的作用，學(xué)好材料力學(xué)，將為學(xué)習(xí)土質(zhì)土力學(xué)、巖石力學(xué)、工程流體力學(xué)等后續(xù)課程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2016年上半年筆者為地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生講授材料力學(xué)。為有針對(duì)性地授課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，對(duì)地質(zhì)工程中涉及的力學(xué)知識(shí)進(jìn)行了探索。

1　地殼演化的力學(xué)

工程地質(zhì)學(xué)的研究方法有地質(zhì)分析法、工程地質(zhì)類比法、力學(xué)分析法和模型模擬試驗(yàn)法。其中力學(xué)分析法是指對(duì)某一工程地質(zhì)問(wèn)題或工程動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象，在進(jìn)行地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)已確定的邊界條件和計(jì)算參數(shù)，運(yùn)用理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，各種力學(xué)計(jì)算模型、數(shù)學(xué)模型、有限單元法等廣泛應(yīng)用于地基穩(wěn)定、壩基抗滑穩(wěn)定、地面沉降、地基液化判斷計(jì)算及水庫(kù)誘化地震等分析計(jì)算中，為工程地質(zhì)定量評(píng)價(jià)開(kāi)辟了新的道路(計(jì)算力學(xué))。

巖石在地殼長(zhǎng)期活動(dòng)作用下，隨地殼運(yùn)動(dòng)、地應(yīng)力和工程作用變化和發(fā)展，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)面并將巖石切割成塊體，結(jié)構(gòu)面與切割的塊體統(tǒng)稱巖體。巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)在應(yīng)力稱為初始應(yīng)力，又稱地應(yīng)力。地應(yīng)力主要是由巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所引起，其中地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力與巖體的裂隙發(fā)育密度和方向以及巖體的彈性、塑性、黏性等特性密切相關(guān)，也與正在發(fā)生過(guò)程中的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及與歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中所形成的各種地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)面是指在地質(zhì)發(fā)展過(guò)程中，尤其是地質(zhì)構(gòu)造變形過(guò)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(zhì)界面，包括分界面和不連續(xù)面。

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，經(jīng)過(guò)風(fēng)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(fēng)力吹揚(yáng)作用、冰川作用或其他作用下被搬運(yùn)到適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下沉積而形成各種類型的沉積物。經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化作用，改變其原有形態(tài)和結(jié)構(gòu)，形成與原來(lái)巖石性質(zhì)不同的風(fēng)化產(chǎn)物，除一部分易溶物質(zhì)被水溶解流失外，大部分物質(zhì)殘留在原地，形成殘積土。地表的風(fēng)化碎屑物被雨水或融化的雪水從高處沖刷搬運(yùn)，或由于自身重力作用而向下搬運(yùn)，在較平緩山坡或坡腳處堆積下來(lái)，形成坡積土。由于暴雨或大量融雪形成的暫時(shí)性山洪急流帶來(lái)的碎屑物質(zhì)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(zhì)搬運(yùn)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(zhì)或海岸破壞后的物質(zhì)在搬運(yùn)過(guò)程中，隨著流速的逐漸降低，搬運(yùn)物質(zhì)逐漸沉積下來(lái)形成海水洋沉積土，湖泊中由于沉積作用沉積下來(lái)的土體形成湖泊沉積土，在干旱的氣候條件下，巖石的風(fēng)化碎屑物被風(fēng)吹揚(yáng)，搬運(yùn)一定距離，在風(fēng)力減弱后發(fā)生堆積形成風(fēng)積土。

2　地質(zhì)構(gòu)造及其地質(zhì)作用中的力學(xué)

褶皺構(gòu)造是指構(gòu)成地殼的巖層在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下，變形而形成的一系列連續(xù)彎曲的構(gòu)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(xué)的軸向壓縮)、橫彎褶皺作用(材料力學(xué)的彎曲)和剪切褶皺作用(材料力學(xué)的剪切)。斷裂構(gòu)造是指構(gòu)成地殼的巖體受應(yīng)力作用，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí)，巖體便發(fā)生破裂，甚至沿破裂面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，使巖層的連續(xù)性和完整性遭到破壞的構(gòu)造。根據(jù)巖體斷裂后兩側(cè)巖塊相對(duì)位移的情況，將斷裂構(gòu)造分為節(jié)理和斷層兩類。節(jié)理是指巖層或巖石破裂后無(wú)顯著位移的斷裂構(gòu)造，分為張節(jié)理(拉伸)和剪節(jié)理(剪切)兩種。斷層是指巖層或巖石沿?cái)嗔衙姘l(fā)生明顯位移的斷裂構(gòu)造。

地質(zhì)作用是指自然界中，由于地球內(nèi)力、外力或人為的作用，引起地殼組成物質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造或地表形態(tài)發(fā)生變化的作用，分為內(nèi)動(dòng)力作用、外動(dòng)力作用和人為地質(zhì)作用。由于地球的不斷運(yùn)動(dòng)和變化，地殼中的巖石受力產(chǎn)生變形，在變形的過(guò)程中機(jī)械能不斷地累積，當(dāng)累積到一定的限度時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生破裂，在破裂的同時(shí)，大量的機(jī)械能瞬間釋放，地殼便受到猛烈沖擊而發(fā)生震動(dòng)，即為地震。地震是地應(yīng)力緩慢積累和快速釋放的過(guò)程，是地球內(nèi)部應(yīng)力不斷調(diào)整和平衡的作用過(guò)程。河流地質(zhì)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(jìn)行侵蝕，在重力及水流作用下進(jìn)行搬運(yùn)，并在低洼處沉積下來(lái)的整個(gè)過(guò)程。

斜坡上巖土體，在重力作用下順坡向下移動(dòng)的地質(zhì)作用，稱為斜坡重力作用，是地表外動(dòng)力剝蝕夷平作用的重要組成部分，同時(shí)也是頻繁發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。按照斜坡物質(zhì)的組成、運(yùn)動(dòng)方式等特點(diǎn)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(guò)程和現(xiàn)象。滑坡是指斜坡上的巖土體，受地表水沖刷、地下水活動(dòng)、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(dòng)的現(xiàn)象。泥石流是指在山區(qū)因暴雨、暴雪或其他自然災(zāi)害引發(fā)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(zāi)害性的地質(zhì)現(xiàn)象。具有突發(fā)性、流速快、流量大和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。海水運(yùn)動(dòng)是海洋地質(zhì)作用的重要的機(jī)械動(dòng)力，包括波浪、潮汐、洋流和濁流運(yùn)動(dòng)。

3　地下水運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)

水在多孔介質(zhì)中的滲透速度與水力梯度的一次方成正比，即著名的達(dá)西定律，也稱線性滲透定律，是研究滲流運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)叵滤鞒饰闪鳡顟B(tài)，或仍屬于層流但雷諾數(shù)較大，則滲透速度與水力梯度的關(guān)系變?yōu)榉蔷€性關(guān)系，相當(dāng)于變?yōu)榉蔷€性滲透定律。由于受毛細(xì)力作用充填在巖土細(xì)小孔隙中的水，稱為毛細(xì)水，毛細(xì)水受重力作用和毛細(xì)力作用而發(fā)生運(yùn)動(dòng)。毛細(xì)管與水接觸時(shí)，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(nèi)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(fù)水平趨勢(shì)，于是管內(nèi)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(nèi)升高的液柱重量達(dá)到平衡，管內(nèi)的水才停止上升。

水在土粒骨架的孔隙中流動(dòng)時(shí)，受到土粒骨架對(duì)孔隙水流的摩阻力，這個(gè)作用力的方向與水流方向相反，它使動(dòng)水的能量逐漸減小，水頭逐漸損失。根據(jù)牛頓第三定律，水流也必然有一個(gè)相等的力作用在土顆粒上，這個(gè)力在土力學(xué)上稱為滲流力。滲流力與水流坡降密切相關(guān)，當(dāng)水流坡降超過(guò)一定界限后，土中的滲透水流會(huì)把部分土體或顆粒帶走，導(dǎo)致土體發(fā)生位移，當(dāng)位移達(dá)到一定程度，土體將發(fā)生失穩(wěn)破壞，這種現(xiàn)象稱為滲透變形。當(dāng)基坑下有承壓水存在時(shí)，開(kāi)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(shí)，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(dāng)建筑物基礎(chǔ)底面位于地下水面以下時(shí)，地下水會(huì)對(duì)基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力，即浮托力。

4　工程地質(zhì)勘探中的力學(xué)

工程地質(zhì)勘探是利用一定的機(jī)械工具或者開(kāi)挖作業(yè)環(huán)節(jié)深入了解地質(zhì)情況的現(xiàn)場(chǎng)工作。方法有鉆探、坑探等，鉆探是用鉆機(jī)設(shè)備從地表向地下鉆進(jìn)成孔，從而達(dá)到所要任務(wù)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(jìn)行物理力學(xué)分析從而判斷其地基基礎(chǔ)是否滿足工程建設(shè)的承載重力和穩(wěn)定性?？犹绞菫榻衣兜刭|(zhì)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(jī)具的常用勘探方法。其特點(diǎn)是地質(zhì)人員可直接觀察被揭露出的地質(zhì)現(xiàn)象，采取各種巖土試驗(yàn)樣品和直接進(jìn)行巖土原位試驗(yàn)。

要對(duì)巖土體進(jìn)行準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)必須通過(guò)試驗(yàn)，分為室內(nèi)和野外兩種試驗(yàn)。靜力載荷試驗(yàn)是通過(guò)一定垂直壓力測(cè)定土在天然產(chǎn)出條件下的變形模量、土的變形隨時(shí)間的延續(xù)性，在載荷板接近于實(shí)際基礎(chǔ)條件下估算地基承載力的試驗(yàn)。靜力觸探是借助機(jī)械把一定規(guī)格的圓錐形探頭勻速壓入土中，通過(guò)測(cè)定探頭的錐尖壓力和側(cè)壁摩阻力來(lái)確定土體的物理力學(xué)參數(shù)，劃分土層的一種勘測(cè)技術(shù)；而動(dòng)力觸探試驗(yàn)則是利用一定質(zhì)量的重錘，以一定高度的自由落體，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓錐形探頭打入土層，根據(jù)打入土中一定距離所需錘擊數(shù)，判定土的力學(xué)特性，劃分土層，確定土層的物理力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)，具有勘探和測(cè)試雙重功能。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是用質(zhì)量為63.5 kg的重錘按照規(guī)定的落距(76 cm)自由下落，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器打入地層，根據(jù)貫入器在一定深度得到的錘擊數(shù)來(lái)判定土層的性質(zhì)，仍屬動(dòng)力觸探類型。十字板剪切試驗(yàn)是用插入土中的標(biāo)準(zhǔn)十字板探頭，以一定速率扭轉(zhuǎn)，量測(cè)土破壞時(shí)的抗扭力矩，測(cè)定土的不排水抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度和靈敏度(類似于金屬的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn))。旁壓試驗(yàn)則是通過(guò)旁壓器在豎直的孔內(nèi)加壓，使旁壓膜膨脹，并由旁壓膜將壓力傳給周?chē)馏w，使土體產(chǎn)生變形直至破壞，再通過(guò)量測(cè)裝置測(cè)出施加的壓力和土體變形之間的關(guān)系，并繪制應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線(類似于量血壓)。扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)是將接在探桿上的扁鏟測(cè)頭壓入土中至預(yù)定深度，然后施加使位于扁鏟一側(cè)面的圓形鋼膜向土內(nèi)膨脹，量測(cè)鋼膜膨脹三個(gè)特殊位置的壓力，從而獲得多種巖石參數(shù)。

5　結(jié)語(yǔ)

以上是地質(zhì)工程中所涉及的一些力學(xué)知識(shí)，授課過(guò)程中，如果能適時(shí)加入這些實(shí)例，將會(huì)極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。因此今后將繼續(xù)搜集勘查技術(shù)與工程、安全工程等方面涉及的力學(xué)知識(shí)，為改善教學(xué)效果而努力。

[1]高華喜，聞敏杰.工程地質(zhì)學(xué)[M].北京：海洋工業(yè)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(guó)(1965- )，男，碩士，講師

P641

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