地質(zhì)工程特征與教學(xué)綜述

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地質(zhì)工程是地質(zhì)學(xué)中直接面向工程應(yīng)用的一個(gè)力學(xué)分支，是將地質(zhì)學(xué)理論應(yīng)用于工程實(shí)踐的一門學(xué)科。它研究的主要目的是人類工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用，以便正確評(píng)價(jià)、合理利用、有效改造和完善保護(hù)地質(zhì)環(huán)境，即探討地質(zhì)體面向工程活動(dòng)時(shí)其力學(xué)性能和力學(xué)行為，并在此基礎(chǔ)上為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。我國(guó)的地質(zhì)工程研究是隨著20世紀(jì)50年代初大規(guī)模建設(shè)發(fā)展起來(lái)的，已經(jīng)走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷程，在理論和實(shí)踐上都得到了很大的發(fā)展，同時(shí)加深了對(duì)地質(zhì)工程的學(xué)科特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。本文通過對(duì)地質(zhì)工程的學(xué)科特點(diǎn)的討論和思考，分析了關(guān)于地質(zhì)工程的教學(xué)問題。

一、地質(zhì)工程研究對(duì)象的特點(diǎn)

地質(zhì)工程的研究對(duì)象主要是賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境中的巖體和土體，就屬性來(lái)說，其屬于自然造物，是一種具有工程意義的地質(zhì)體，是地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，其形成是受地質(zhì)作用支配。同時(shí)，作為工程所依存的地質(zhì)體而言其又賦存于地質(zhì)系統(tǒng)中，保持著與周圍環(huán)境間的相互依存和相互作用關(guān)系。因此，對(duì)地質(zhì)體的組成、結(jié)構(gòu)、特性和分布，以及發(fā)育規(guī)律的認(rèn)識(shí)，要求有深刻的地質(zhì)研究。地質(zhì)工程是從根本上以地質(zhì)為基礎(chǔ)，以工程應(yīng)用為目的的動(dòng)態(tài)研究過程，對(duì)它的分析需要用發(fā)展的眼光，包括地質(zhì)的規(guī)模、動(dòng)力模式、演化規(guī)律等。工程地質(zhì)體是復(fù)雜的，其演化過程也是復(fù)雜多變的，這種復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)研究對(duì)象的復(fù)雜。系統(tǒng)的復(fù)雜性源于地質(zhì)體是特殊的開放復(fù)雜巨系統(tǒng)。

(2)實(shí)踐手段的復(fù)雜。為解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)的工程問題采取的工程手段復(fù)雜多變，并且多具有不完善、與地質(zhì)體相互作用的復(fù)雜關(guān)系等。

(3)地質(zhì)體內(nèi)在的復(fù)雜性。地質(zhì)體內(nèi)部是復(fù)雜的，其演化過程包含大量的相互關(guān)聯(lián)、相關(guān)影響、相互作用，甚至有時(shí)是牽一發(fā)而動(dòng)全身，對(duì)地質(zhì)體內(nèi)部來(lái)說，它的演化本身是統(tǒng)籌兼顧的，全面協(xié)調(diào)發(fā)展的。

(4)地質(zhì)工程系統(tǒng)是開放性的，其演化過程具有能量積累與能量耗散，與其賦存環(huán)境不斷地發(fā)生著交換關(guān)系，這又影響著系統(tǒng)的演化行為，同時(shí)地質(zhì)工程系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)能力，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)其接受到的信息進(jìn)行反饋，進(jìn)而相應(yīng)的調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)賦存環(huán)境的適應(yīng)性。

(5)系統(tǒng)具有時(shí)間屬性，包括工程時(shí)間尺度，地質(zhì)時(shí)間尺度，工程時(shí)間尺度只關(guān)心其工程運(yùn)營(yíng)期間的穩(wěn)定性，屬于短時(shí)間的尺度問題。對(duì)于地質(zhì)時(shí)間尺度來(lái)說，工程失效是肯定的，這是地質(zhì)歷史演化的必然性。

(6)存在著控制性條件。控制的涵義是系統(tǒng)關(guān)鍵性制約因素，控制的過程就是借助不同形式、不同載體的信息運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量的交換。在地質(zhì)工程的系統(tǒng)觀中可把地質(zhì)體演化分為兩種類型，一種是前進(jìn)型演化，演化過程即為有序性增加的過程，其演化的最終結(jié)果是地質(zhì)體的工程失效；一種是后退型演化，演化過程即為降低有序性的過程，其結(jié)果是地質(zhì)體能保持其穩(wěn)定性，這也是我們進(jìn)行工程處理的目的，阻止正向演化甚至是讓地質(zhì)體反向演化。

由于上述特點(diǎn)，使得目前的地質(zhì)工程研究正處于一個(gè)瓶頸階段，這主要體現(xiàn)在：

(1)地質(zhì)工程學(xué)界所用的分析模型多是線性的，這些線性模型雖然能在一定程度上描述地質(zhì)體變形的發(fā)展，但無(wú)法表現(xiàn)地質(zhì)體的本質(zhì)特征，不能進(jìn)行定量的描述；

(2)大量的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐脫鉤；

(3)缺乏對(duì)工程地質(zhì)體特殊性的思考，輕視了對(duì)地質(zhì)工程問題的整體性理解，而追求高精度的數(shù)值計(jì)算，將大量的精力、財(cái)力和時(shí)間用在復(fù)雜而繁瑣的數(shù)值計(jì)算上，使得研究成果與實(shí)際問題有很大偏差。

因此，盡管地質(zhì)工程研究取得了很大進(jìn)展，但由于地質(zhì)體的復(fù)雜性、多樣性及工程本身的復(fù)雜性、差異性，出現(xiàn)了大量的新問題，對(duì)工程地質(zhì)學(xué)的研究提出了新的更高要求。

這也體現(xiàn)在社會(huì)對(duì)地質(zhì)工程的需求上，例如：

(1)隨著城市化、工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程加快，不得不在極其困難的工程環(huán)境中開發(fā)建設(shè)巨大的工程項(xiàng)目，而大大縮小了對(duì)環(huán)境的選擇空間，如我國(guó)在對(duì)大西北和大西南開發(fā)中所面臨的問題；

(2)人類自身活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，例如過量抽取地下水引起的區(qū)域性地面沉降等不恰當(dāng)?shù)墓こ套饔靡鹆藶?zāi)難性后果等。我國(guó)大規(guī)模建設(shè)的開展、城市化進(jìn)程的加速，特別是科學(xué)發(fā)展觀的貫徹，無(wú)疑直接加重了地質(zhì)工作人員的社會(huì)責(zé)任，要求探討在可持續(xù)發(fā)展機(jī)制的形成中尋求地質(zhì)工程研究新的定位。基于目前理論落后于實(shí)際及社會(huì)需要不斷提高的現(xiàn)狀，我們必須從地質(zhì)工程對(duì)象實(shí)際出發(fā)，以系統(tǒng)概念和系統(tǒng)思想為指導(dǎo)，結(jié)合數(shù)學(xué)分析和力學(xué)分析，依靠原型的監(jiān)測(cè)資料的反饋，走理論分析和經(jīng)驗(yàn)分析的道路。

二、地質(zhì)工程的定位

由地質(zhì)工程的定義可知，其是聯(lián)結(jié)地質(zhì)研究和工程應(yīng)用之間的橋梁，是工程建設(shè)的基礎(chǔ)。工程活動(dòng)內(nèi)容決定著對(duì)地質(zhì)體的要求級(jí)別，也確定了地質(zhì)工程認(rèn)識(shí)程度；反過來(lái)，地質(zhì)體的賦存環(huán)境和工程適應(yīng)性也決定了工程活動(dòng)的程度。工程活動(dòng)和地質(zhì)體研究之問是通過地質(zhì)工程研究實(shí)現(xiàn)的(圖1)。由于地質(zhì)工程的直接服務(wù)對(duì)象是工程活動(dòng)，所以在地質(zhì)工程的研究也體現(xiàn)在各種工程實(shí)踐中(表1)。正是由于地質(zhì)工程研究分布于各個(gè)與之相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)中，不同行業(yè)的發(fā)展不同，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和分類級(jí)別不同，在相關(guān)教學(xué)活動(dòng)中的要求也不同。地質(zhì)工程研究需要回答工程活動(dòng)所面臨的問題，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)框架。然而，由于工程地質(zhì)對(duì)象的復(fù)雜性，使得各種因素量化很難具有精確的意義，這也導(dǎo)致對(duì)地質(zhì)工程問題的判斷往往更具有現(xiàn)實(shí)意義。Terzaghi在土力學(xué)研究中指出，無(wú)論天然的土層結(jié)構(gòu)是怎樣復(fù)雜，也無(wú)論我們的知識(shí)與土的實(shí)際條件之間存在多么大的差距，我們必須利用處理問題的藝術(shù)在合理的造價(jià)前提下，為土工結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)問題尋求滿意的答案。有位教授亦曾指出，學(xué)好土力學(xué)，不僅要學(xué)到教授們懂得知識(shí)，更重要的是要知道他們不知道什么。將掌握的知識(shí)與未知領(lǐng)域的判斷結(jié)合起來(lái)，才能進(jìn)行正確的工程判斷與處理。關(guān)于地質(zhì)工程的判斷在處理工程活動(dòng)中的重要性，劉建航院士詮釋為：理論導(dǎo)向，實(shí)測(cè)定量，工程判斷，檢測(cè)驗(yàn)證。理論推斷是工程判斷的依據(jù)。盡管在很多情況下，理論分析的結(jié)果只能定性理解，但它在工程決策中起著導(dǎo)向作用，是不可替代的；實(shí)測(cè)定量是盡量將這種理論的推斷賦予量化的特征，而檢測(cè)驗(yàn)證除了對(duì)工程的信息化作業(yè)方面的意義之外，更是工程經(jīng)驗(yàn)積累的資源。

三、地質(zhì)工程的教學(xué)思考

1．地質(zhì)工程的教學(xué)方式

在20世紀(jì)30年代，我國(guó)著名的地質(zhì)學(xué)家李四光就提出了在地質(zhì)研究中必須把地質(zhì)與力學(xué)結(jié)合起來(lái)。作為地質(zhì)學(xué)的分支學(xué)科，地質(zhì)工程必須運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)與地質(zhì)歷史相結(jié)合的方法，其中地質(zhì)力學(xué)研究是地質(zhì)歷史分析的基礎(chǔ)，地質(zhì)歷史分析是地質(zhì)力學(xué)分析的綜合。將對(duì)工程研究對(duì)象——地質(zhì)體研究融合在力學(xué)分析之中使得地質(zhì)和力學(xué)緊密結(jié)合起來(lái)。地質(zhì)工程的教學(xué)步驟和方式應(yīng)分為以下4個(gè)方面：

(1)野外地質(zhì)認(rèn)識(shí)。通過野外地質(zhì)教學(xué)對(duì)地質(zhì)工程對(duì)象進(jìn)行感性認(rèn)知，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)初步的抽象分析，探討相應(yīng)的地質(zhì)模型。

(2)理論分析。在對(duì)地質(zhì)特征進(jìn)行數(shù)學(xué)力學(xué)分析時(shí)，采用簡(jiǎn)單的彈塑性力學(xué)、流變理論和強(qiáng)度分析等知識(shí)將地質(zhì)工程對(duì)象抽象為理想化的物理模型，并進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)現(xiàn)對(duì)理論分析結(jié)果的檢驗(yàn)，同時(shí)借助簡(jiǎn)單方式分析用數(shù)學(xué)力學(xué)分析顯得十分復(fù)雜甚至無(wú)能為力的地質(zhì)對(duì)象，并且這種方式還能在實(shí)驗(yàn)中激發(fā)想象力。

(4)機(jī)制探討。將野外地質(zhì)認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，解釋地質(zhì)現(xiàn)象，進(jìn)而得到和積累相應(yīng)的工程判斷。

2．地質(zhì)工程的教學(xué)思維

由于地質(zhì)工程涵蓋的內(nèi)容廣，信息量大，不同的地質(zhì)問題有不同的思維方式和表述方式。針對(duì)具體的問題選用合適的思維和表述方法十分必要的，這需要對(duì)地質(zhì)工程有深厚的理解和豐富的經(jīng)驗(yàn)以及正確的思維方法。如何在教學(xué)中將正確的思維方法和經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確、靈活地傳播是非常重要的。這就需要在教學(xué)過程在學(xué)生大腦中形象地建立起地質(zhì)工程的基本概念、理論模型、各種物理、力學(xué)場(chǎng)量及其之間的關(guān)系。關(guān)于地質(zhì)工程教學(xué)的特點(diǎn)和培養(yǎng)人才的方式已經(jīng)有了較多的探討，并總結(jié)出了很多有意義與可行的教學(xué)方案。這里主要談?wù)劰P者對(duì)教學(xué)思維訓(xùn)練的幾點(diǎn)看法：

(1)在教學(xué)課程中使用必要的動(dòng)態(tài)圖像，從而準(zhǔn)確、生動(dòng)地演示和表現(xiàn)地質(zhì)工程問題，通過對(duì)動(dòng)態(tài)圖像的講解，使學(xué)生能形象地了解地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)、物理和力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)問、空間、作用歷史的變化而變化的規(guī)律和過程，同時(shí)可有效地傳遞地質(zhì)工程知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而將解析分析問題的能力和數(shù)理邏輯思維的能力準(zhǔn)確地傳遞給學(xué)生，提高其思考與分析問題的能力和素質(zhì)。

(2)在教學(xué)中使用形象化語(yǔ)言，例如在講述地質(zhì)工程認(rèn)識(shí)過程時(shí)，可用白居易的詩(shī)詞作為輔助闡述，“千呼萬(wàn)喚始出來(lái)，猶抱琵琶半遮面”，盡管對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行了多方位的思索和測(cè)試，但我們的認(rèn)識(shí)仍僅是復(fù)雜問題的一部分，這是緣于我們身在其中。在講述地質(zhì)調(diào)查手段時(shí)，可用中醫(yī)的醫(yī)理“望、聞、問、切”進(jìn)行說明，將地質(zhì)體視為病人，地質(zhì)工作人員則為醫(yī)生，“望”和“聞”即對(duì)地質(zhì)體的表象觀測(cè)，對(duì)應(yīng)的地質(zhì)調(diào)查階段，“問”是亦為調(diào)查的一種方式，“切”則是由現(xiàn)象向機(jī)理研究的必要手段，就如號(hào)脈一般。

(3)在教學(xué)過程中，加深認(rèn)識(shí)，實(shí)行分組做報(bào)告的方式進(jìn)行探討，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)交流，從而使思維在碰撞中進(jìn)發(fā)出新的火花，這也有利于培養(yǎng)學(xué)生自己和團(tuán)隊(duì)(小組)成員之間的合作意識(shí)及集體完成任務(wù)的能力。

本文在分析地質(zhì)工程特點(diǎn)基礎(chǔ)上思考了地質(zhì)工程專業(yè)教學(xué)問題。目的是通過地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)、理論和試驗(yàn)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教學(xué)。