芦 保 国

(太原理工大学力学学院，山西 太原　030024)



地质工程中的力学知识探讨

芦 保 国

(太原理工大学力学学院，山西 太原030024)

结合教学经验，介绍了地质工程专业的特点，并从地壳演化、地质构造、地下水运动、地质勘探等方面，探讨了地质工程中的力学知识，旨在激发学生的学习兴趣，从而提高教学质量。

地质工程，力学知识，地质构造，岩土

0　引言

地质工程是研究人类工程活动与地质环境之间相互制约关系，主要研究如何获取地质环境条件，并分析研究人类工程活动与地质环境相互制约形式，进而研究认识、评价、改造和保护地质环境的一门科学，是地质学的一个分支，是地质学与工程学相互渗透、交叉的边缘学科。本专业课程结构中，材料力学是一门重要的专业基础课，在专业学习中起承上启下的作用，学好材料力学，将为学习土质土力学、岩石力学、工程流体力学等后续课程奠定坚实的基础。2016年上半年笔者为地质工程专业学生讲授材料力学。为有针对性地授课，激发学生学习的兴趣，提高教学质量，对地质工程中涉及的力学知识进行了探索。

1　地壳演化的力学

工程地质学的研究方法有地质分析法、工程地质类比法、力学分析法和模型模拟试验法。其中力学分析法是指对某一工程地质问题或工程动力地质现象，在进行地质分析的基础上，根据已确定的边界条件和计算参数，运用理论公式或经验公式进行分析。随着现代电子技术的发展，各种力学计算模型、数学模型、有限单元法等广泛应用于地基稳定、坝基抗滑稳定、地面沉降、地基液化判断计算及水库诱化地震等分析计算中，为工程地质定量评价开辟了新的道路(计算力学)。

岩石在地壳长期活动作用下，随地壳运动、地应力和工程作用变化和发展，在岩石内部产生结构面并将岩石切割成块体，结构面与切割的块体统称岩体。岩体在天然状态下所存在的内在应力称为初始应力，又称地应力。地应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起，其中地质构造应力与岩体的裂隙发育密度和方向以及岩体的弹性、塑性、黏性等特性密切相关，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动中所形成的各种地质构造密切相关。结构面是指在地质发展过程中，尤其是地质构造变形过程中岩石受力而形成，具有一定方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，包括分界面和不连续面。

在漫长的地质年代里，经过风化、剥蚀等外力作用，破碎成大小不等的岩石碎块或矿物颗粒，这些岩石碎块或矿物颗粒在斜坡重力作用、流水作用、风力吹扬作用、冰川作用或其他作用下被搬运到适当的环境下沉积而形成各种类型的沉积物。经长期风化作用，改变其原有形态和结构，形成与原来岩石性质不同的风化产物，除一部分易溶物质被水溶解流失外，大部分物质残留在原地，形成残积土。地表的风化碎屑物被雨水或融化的雪水从高处冲刷搬运，或由于自身重力作用而向下搬运，在较平缓山坡或坡脚处堆积下来，形成坡积土。由于暴雨或大量融雪形成的暂时性山洪急流带来的碎屑物质在山间盆地、山沟出口处或山前倾斜平原处堆积而形成洪积土。还有由河流的流水作用将碎屑物质搬运到河谷坡度平缓的地段堆积而形成冲积土，河流带入海洋的物质或海岸破坏后的物质在搬运过程中，随着流速的逐渐降低，搬运物质逐渐沉积下来形成海水洋沉积土，湖泊中由于沉积作用沉积下来的土体形成湖泊沉积土，在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一定距离，在风力减弱后发生堆积形成风积土。

2　地质构造及其地质作用中的力学

褶皱构造是指构成地壳的岩层在构造运动的作用下，变形而形成的一系列连续弯曲的构造。褶皱岩层的弯曲主要是由于受到与岩层相平行的挤压力、相垂直的竖向力或剪切力而形成的，分别称为纵弯褶皱作用(材料力学的轴向压缩)、横弯褶皱作用(材料力学的弯曲)和剪切褶皱作用(材料力学的剪切)。断裂构造是指构成地壳的岩体受应力作用，当应力超过一定强度时，岩体便发生破裂，甚至沿破裂面发生错动，使岩层的连续性和完整性遭到破坏的构造。根据岩体断裂后两侧岩块相对位移的情况，将断裂构造分为节理和断层两类。节理是指岩层或岩石破裂后无显著位移的断裂构造，分为张节理(拉伸)和剪节理(剪切)两种。断层是指岩层或岩石沿断裂面发生明显位移的断裂构造。

地质作用是指自然界中，由于地球内力、外力或人为的作用，引起地壳组成物质、结构、构造或地表形态发生变化的作用，分为内动力作用、外动力作用和人为地质作用。由于地球的不断运动和变化，地壳中的岩石受力产生变形，在变形的过程中机械能不断地累积，当累积到一定的限度时，岩石就会发生破裂，在破裂的同时，大量的机械能瞬间释放，地壳便受到猛烈冲击而发生震动，即为地震。地震是地应力缓慢积累和快速释放的过程，是地球内部应力不断调整和平衡的作用过程。河流地质作用是以水流的作用力将山地、坡地或河谷中的岩块或土体等进行侵蚀，在重力及水流作用下进行搬运，并在低洼处沉积下来的整个过程。

斜坡上岩土体，在重力作用下顺坡向下移动的地质作用，称为斜坡重力作用，是地表外动力剥蚀夷平作用的重要组成部分，同时也是频繁发生的地质灾害。按照斜坡物质的组成、运动方式等特点可将斜坡重力作用分为崩塌、滑坡和泥石流三种。崩塌是指位于陡崖、陡坡前缘的岩土体，在重力作用下突然与母体分离，翻滚跳跃崩坠崖底或塌落在坡脚的过程和现象。滑坡是指斜坡上的岩土体，受地表水冲刷、地下水活动、地震或人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的现象。泥石流是指在山区因暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带大量的泥沙以及石块的特殊洪流，是一种灾害性的地质现象。具有突发性、流速快、流量大和破坏力强等特点。海水运动是海洋地质作用的重要的机械动力，包括波浪、潮汐、洋流和浊流运动。

3　地下水运动中的力学

水在多孔介质中的渗透速度与水力梯度的一次方成正比，即著名的达西定律，也称线性渗透定律，是研究渗流运动的理论基础。当地下水流呈紊流状态，或仍属于层流但雷诺数较大，则渗透速度与水力梯度的关系变为非线性关系，相当于变为非线性渗透定律。由于受毛细力作用充填在岩土细小孔隙中的水，称为毛细水，毛细水受重力作用和毛细力作用而发生运动。毛细管与水接触时，由于固体分子引力大于水的表面张力，使得接触处形成一向水体内部凸出的弯液面，从而使液面表面变大，而液面一旦变大，由于水的表面张力和收缩作用，促使液面要恢复水平趋势，于是管内水随之上升以减小面积，直到表面张力向上的拉引作用与管内升高的液柱重量达到平衡，管内的水才停止上升。

水在土粒骨架的孔隙中流动时，受到土粒骨架对孔隙水流的摩阻力，这个作用力的方向与水流方向相反，它使动水的能量逐渐减小，水头逐渐损失。根据牛顿第三定律，水流也必然有一个相等的力作用在土颗粒上，这个力在土力学上称为渗流力。渗流力与水流坡降密切相关，当水流坡降超过一定界限后，土中的渗透水流会把部分土体或颗粒带走，导致土体发生位移，当位移达到一定程度，土体将发生失稳破坏，这种现象称为渗透变形。当基坑下有承压水存在时，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，在厚度减少到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成基坑突涌。当建筑物基础底面位于地下水面以下时，地下水会对基础底面产生静水压力，即浮托力。

4　工程地质勘探中的力学

工程地质勘探是利用一定的机械工具或者开挖作业环节深入了解地质情况的现场工作。方法有钻探、坑探等，钻探是用钻机设备从地表向地下钻进成孔，从而达到所要任务的施工工程。其中钻探工程勘察是从钻孔中取得岩芯，土样进行物理力学分析从而判断其地基基础是否满足工程建设的承载重力和稳定性。坑探是为揭露地质情况，在地表或地下挖掘的不同类型的坑道工程。主要有探坑、探槽、探井和平洞等，是一种不使用专用机具的常用勘探方法。其特点是地质人员可直接观察被揭露出的地质现象，采取各种岩土试验样品和直接进行岩土原位试验。

要对岩土体进行准确定量评价必须通过试验，分为室内和野外两种试验。静力载荷试验是通过一定垂直压力测定土在天然产出条件下的变形模量、土的变形随时间的延续性，在载荷板接近于实际基础条件下估算地基承载力的试验。静力触探是借助机械把一定规格的圆锥形探头匀速压入土中，通过测定探头的锥尖压力和侧壁摩阻力来确定土体的物理力学参数，划分土层的一种勘测技术；而动力触探试验则是利用一定质量的重锤，以一定高度的自由落体，将标准规格的圆锥形探头打入土层，根据打入土中一定距离所需锤击数，判定土的力学特性，划分土层，确定土层的物理力学参数的试验，具有勘探和测试双重功能。标准贯入试验是用质量为63.5 kg的重锤按照规定的落距(76 cm)自由下落，将标准规格的贯入器打入地层，根据贯入器在一定深度得到的锤击数来判定土层的性质，仍属动力触探类型。十字板剪切试验是用插入土中的标准十字板探头，以一定速率扭转，量测土破坏时的抗扭力矩，测定土的不排水抗剪强度、残余抗剪强度和灵敏度(类似于金属的扭转试验)。旁压试验则是通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜膨胀，并由旁压膜将压力传给周围土体，使土体产生变形直至破坏，再通过量测装置测出施加的压力和土体变形之间的关系，并绘制应力—应变关系曲线(类似于量血压)。扁铲侧胀试验是将接在探杆上的扁铲测头压入土中至预定深度，然后施加使位于扁铲一侧面的圆形钢膜向土内膨胀，量测钢膜膨胀三个特殊位置的压力，从而获得多种岩石参数。

5　结语

以上是地质工程中所涉及的一些力学知识，授课过程中，如果能适时加入这些实例，将会极大地激发学生的学习兴趣，提高教学质量。因此今后将继续搜集勘查技术与工程、安全工程等方面涉及的力学知识，为改善教学效果而努力。

[1]高华喜，闻敏杰.工程地质学[M].北京：海洋工业出版社，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

芦保国(1965- )，男，硕士，讲师

P641

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