論工程地質(zhì)勘探定量理論與方法

邢光杰++王建法++王昌益

摘 要：當(dāng)前工程地質(zhì)勘探定量理論與方法存在根本性缺陷，工程地質(zhì)勘探工作存在嚴(yán)重問題，操作過程存在嚴(yán)重問題，所以，工程地質(zhì)勘探技術(shù)革新與改造勢在必行。因此，建議各級領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員重視工程地質(zhì)勘探技術(shù)革新改造工作，盡快讓工程地質(zhì)勘探技術(shù)提高到更高的科學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)勘探 定量理論與方法 根本性缺陷 技術(shù)革新與改造

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

工程地質(zhì)勘探工作是建筑工程的基礎(chǔ)性研究工作，其基本任務(wù)是查明建設(shè)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(chǔ)設(shè)計和施工方案的確立奠定基礎(chǔ)。工程地質(zhì)勘探的方法主要包括物探、鉆探和坑探。工程地質(zhì)勘探的主要內(nèi)容：工程地質(zhì)調(diào)查和測繪、勘探及采取土試樣、原位測試、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場檢驗和檢測，最終對場地工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析評價，編制滿足不同階段所需的成果報告。

1 當(dāng)前工程地質(zhì)勘探定量方法缺陷及其造成的后果

根據(jù)最近30多年的研究與實踐發(fā)現(xiàn)：目前的工程地質(zhì)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(nèi)容主要是關(guān)于地基承載力和地層性質(zhì)參數(shù)確定的理論方法存在嚴(yán)重錯誤，主要表現(xiàn)是計算地基承載力的理論公式不正確，表述地層性質(zhì)特征的定量參數(shù)脫離實際。公式錯誤和參數(shù)不合理直接帶來的問題是：通過原位測試或室內(nèi)測試得到的地層承載力和地層性質(zhì)度量參數(shù)具有模糊性、大致性，不是準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，只能說是參考數(shù)據(jù)。這種模糊數(shù)據(jù)給現(xiàn)場工作留下了可以作弊、可以投機(jī)取巧的余地，給行賄受賄行為創(chuàng)造了空間。這就是為什么市場經(jīng)濟(jì)條件下，工程地質(zhì)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(yán)重問題，許多管理者、工程技術(shù)人員、專家學(xué)者卻不以為然。當(dāng)在2013年1月14日關(guān)于《地基極限承載力的測量方法》的發(fā)明專利（專利號為201310012898X）出現(xiàn)以后，發(fā)明人企圖根據(jù)發(fā)明成果對行業(yè)進(jìn)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(xiàn)在是經(jīng)濟(jì)年代，大家都是為了賺錢，現(xiàn)在的勘探方法普遍認(rèn)可，能賺錢，誰去搞你那些革新、改造之類的、不被普遍認(rèn)可的東西？”還有的人有給出了貌似正當(dāng)?shù)睦碛桑骸澳隳莻€發(fā)明與規(guī)范一致，不能應(yīng)用”。因此，在工程地質(zhì)勘探方法革新方面，現(xiàn)在推行困難，至今不能實施。

公式出現(xiàn)錯誤和地層性質(zhì)度量參數(shù)不合理現(xiàn)象出現(xiàn)的最早產(chǎn)生于力學(xué)的參數(shù)引入法：在兩個量之間添加一個參數(shù)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(tǒng)一問題，不用考慮是否與客觀規(guī)律一致，例如，胡克定律、應(yīng)力應(yīng)變理論都是這種參數(shù)引入法產(chǎn)生的理論。然而，實踐證明，胡克定律、應(yīng)力-應(yīng)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(guī)律。

2 工程地質(zhì)勘探科學(xué)技術(shù)革新方案研究

2.1 正確認(rèn)識地層性質(zhì)和地層承載力概念

在傳統(tǒng)理論有很多描述地層性質(zhì)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(zhì)含義卻不是很清楚。

根據(jù)作用學(xué)新理論，工程地質(zhì)研究中涉及到的地層性質(zhì)概念主要是地層在作用下變形或不變形的一種性質(zhì)，其本質(zhì)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(fēng)化程度、組成部分的活動性等，其實質(zhì)是決定于地層內(nèi)部可變形空間的存在。因此，作用學(xué)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(zhì)是決定于地層內(nèi)部空間含量的多少以及質(zhì)點的排列組合關(guān)系和聯(lián)結(jié)方式等。作用學(xué)將不變形程度叫做實度，即堅硬程度。虛度與實度不僅與內(nèi)部質(zhì)空關(guān)系有關(guān)，與周圍環(huán)境之間的質(zhì)空關(guān)系也有關(guān)系。虛度和實度都是一種百分?jǐn)?shù)，或者是介于0～1之間的小數(shù)。其物理特性類似于物質(zhì)含量和空間含量，并不是任意參數(shù)，只是它們與作用和變形現(xiàn)象相關(guān)統(tǒng)一。虛度記為E，實度記為T，兩者都是無量綱參數(shù)，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(chǎn)生任何變形量前提下所能夠承載的最大作用強(qiáng)度。作用強(qiáng)度是指作用物體對單位受作用面產(chǎn)生的作用力，傳統(tǒng)理論稱之為應(yīng)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(yīng)力值就等于地層的承載力，記為σmax。

2.2 正確認(rèn)識地層虛度、實度和承載力與作用強(qiáng)度、變形強(qiáng)度之間的關(guān)系規(guī)律

虛度和實度都不是確定的常數(shù)，而是一種隨著作用強(qiáng)度和變形強(qiáng)度變化而變化的一種物理量。一般來說，作用強(qiáng)度越小，變形量越小，虛度越小，實度越大；反之，作用強(qiáng)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(shù)。根據(jù)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(qiáng)度范圍。例如，有一地層的虛度和實度及其承載力與作用強(qiáng)度之間的關(guān)系規(guī)律是特定的：當(dāng)作用強(qiáng)度（應(yīng)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(dāng)作用強(qiáng)度大于17.688 t/m2時，地層的虛度和實度就隨著作用強(qiáng)度的增大而變化：作用強(qiáng)度越大，地層變形量越大，虛度值越大，實度值越?。环粗?，亦反。

2.3 工程地質(zhì)勘探新方法及設(shè)備的確定

根據(jù)發(fā)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(guān)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(zhì)勘探的方法與專用設(shè)備：選擇靜壓、錘擊和沖擊三種作用方式，簡化工程地質(zhì)勘探程序，通過超載荷的探測作用力來探測地層性質(zhì)和承載力。

專用工程地質(zhì)鉆機(jī)配置：供運(yùn)行用的履帶、供安裝和使用的機(jī)械用的托盤、托盤上安裝供鉆探用的液壓機(jī)械、并配置空壓機(jī)、探桿、探頭、供探桿提升和下降用的探架、設(shè)置探桿約束、重錘、沖擊鉆、安裝探測時間記錄儀、作用強(qiáng)度記錄儀和探測深度記錄儀。在探測土層、砂層、風(fēng)化層度很強(qiáng)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(fēng)化程度低或未風(fēng)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(dāng)采用靜壓方法無法完成探測工作時，即當(dāng)壓入法沒有進(jìn)尺時，采用錘擊法。錘擊法可以選擇傳統(tǒng)的標(biāo)貫錘或非標(biāo)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(jìn)行探測。當(dāng)錘擊方法進(jìn)尺困難時，使用沖擊鉆機(jī)或回旋鉆機(jī)探測。在探測工作中，必須記錄探測作用時間、探側(cè)力的大小和探測深度。探測作用時間、探側(cè)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(zhì)隨探測力的變化而變化，所以，在探測工作中必須根據(jù)工程需要確定標(biāo)準(zhǔn)的虛度和實度數(shù)據(jù)，然后將通過不同探測力下得到的虛度和實度數(shù)據(jù)換算為與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相統(tǒng)一的有用數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

通過以上討論可知，當(dāng)前工程地質(zhì)勘探定量研究方法存在根本性錯誤，操作過程存在嚴(yán)重問題，所以，工程地質(zhì)勘探技術(shù)勢在必行。因此，建議各級領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員重視工程地質(zhì)勘探技術(shù)革新改造工作，盡快讓工程地質(zhì)勘探技術(shù)提高到更高的科學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 干洪.力學(xué)學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀與21世紀(jì)展望[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報，2001，9（2）：1-6.

[2] 胡海昌.彈性力學(xué)的變分原理及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社， 1981.

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

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

[5] 楊桂通.彈性力學(xué)簡明教程[M].清華大學(xué)出版社，2013.