巖土工程的發(fā)展趨勢與開發(fā)利用

吳志剛

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

巖土工程的發(fā)展趨勢與開發(fā)利用

吳志剛

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

巖土工程（Geotechnicalengineering）是以土力學(xué)（Soilmechanics）、巖體力學(xué)（Rockmechanics）及工程地質(zhì)學(xué)（Engineeringgeology）為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用各種勘探測試技術(shù)對巖土體進(jìn)行綜合整治改造和利用而進(jìn)行的系統(tǒng)性工作。這一學(xué)科在國外某些國家和地區(qū)被稱為“大地工程”、“土力工程”或“土質(zhì)工學(xué)”。本文簡要回顧了巖土工程的發(fā)展歷史，分析了巖土工程的概念，指出未來巖土工程的研究方向，展望了巖土工程的發(fā)展趨勢。

巖土工程；發(fā)展歷史；發(fā)展趨勢

1 問題的提出

國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50279-98）中說，巖土工程是指“土木工程中涉及巖石或土的利用、處理或改良的科學(xué)技術(shù)”。這一定義說明了，巖土工程在學(xué)科歸屬上是土木工程的一個(gè)分支，它包括巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、施工和監(jiān)測,涉及工程建設(shè)的全過程。

2 巖土工程的發(fā)展階段

巖土工程的發(fā)展歷史不僅可以追溯到人類有歷史之前，而且應(yīng)當(dāng)說地球上一有人類，就有巖土工程活動。只不過巖土工程形成為一門專門學(xué)科，至今尚不足100年。人類發(fā)展的歷史就交織著巖土工程發(fā)展的歷史，巖土工程的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個(gè)階段。

第一階段：巖土工程起始于人類依靠穴居以躲避洪水猛獸和風(fēng)霜雨雪侵襲的時(shí)代，包括其后原始人利用土、木、石等自然資源，以謀求改善生存生活和生產(chǎn)條件的時(shí)代。此中人類的種種活動無不包含了或有賴于巖土工程。而在其早期，巖土工程活動以解決棲身之處和防治水患為首要目的。人類經(jīng)過聚居時(shí)代、部落時(shí)代等等而產(chǎn)生了城市，道路橋梁漸漸為人類生活交往、生產(chǎn)活動及統(tǒng)治者進(jìn)行治理和對敵進(jìn)攻等所必需,于是出現(xiàn)了與巖土工程密切相關(guān)的又一重要工程領(lǐng)域。

第二階段：自18世紀(jì)60年代起至20世紀(jì)20年代中期或1925年太沙基發(fā)表劃時(shí)代的《土力學(xué)》名著之前。第二次工業(yè)革命極大地推動了世界各國生產(chǎn)力的發(fā)展，使工場手工業(yè)漸漸向近代大工業(yè)機(jī)器生產(chǎn)發(fā)展。巖土工程施工隨之由純粹的手工操作、體力勞動,發(fā)展為半機(jī)械化或局部機(jī)械化作業(yè)。尤其是此時(shí)陸上交通進(jìn)入了鐵路時(shí)代，以及碼頭、水庫等的興建，都帶來了一系列新的巖土工程技術(shù)問題，促使人們開始進(jìn)行理論探索與技術(shù)創(chuàng)新，為此拉開了巖土工程學(xué)術(shù)研究的序幕。

第三階段：此時(shí)期始于太沙基發(fā)表《土力學(xué)》名著的1925年。自1925年以來，特別是二戰(zhàn)后的50余年以來，與土力學(xué)理論不斷獲得發(fā)展和完善的同時(shí)，在相關(guān)學(xué)科科技進(jìn)步以及世界各地社會經(jīng)濟(jì)總體不斷增長的有力推動下，巖土工程不論在我國或在世界范圍，不論其類型、規(guī)模、數(shù)量或質(zhì)量而言，都取得了前所未有的巨大進(jìn)展，此時(shí)期可稱為巖土工程學(xué)科的創(chuàng)建奠基和初具框架的時(shí)期。

第四階段：進(jìn)入21世紀(jì)，以電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、航天技術(shù)、信息技術(shù)為代表的一系列現(xiàn)代高新技術(shù)的興起，已引發(fā)了人類歷史上前所未有的一場科技革命。就我國而言，在新的世紀(jì)里將會出現(xiàn)史無前例的工程建設(shè)高潮，大量的復(fù)雜的巖土工程問題都將急需研究攻克，巖土工程的重要性必將更為突出。巖土工程學(xué)科必將出現(xiàn)新的突破。因此可以預(yù)料，巖土工程學(xué)將在21世紀(jì)迅速實(shí)現(xiàn)由第三階段向第四階段的轉(zhuǎn)變。

3 21世紀(jì)巖土工程研究的幾個(gè)趨向

3.1 多層次、多尺度研究

巖石材料力學(xué)響應(yīng)的復(fù)雜性不僅和加載途徑與地質(zhì)環(huán)境相關(guān)，還與研究對象的層次和尺度有關(guān)。在微觀（含細(xì)觀）的層次和尺度內(nèi)，可以清晰地觀察到巖石斷面在不同激勵(lì)下，裂紋起始-分叉-發(fā)展-斷裂-破壞-卸載的全過程。圍繞這個(gè)課題，不僅深化了巖體損傷、斷裂的研究，還帶動了相關(guān)的加載設(shè)備、實(shí)時(shí)測試、數(shù)值模擬的發(fā)展。目前，越來越多的學(xué)者介入這項(xiàng)工作，在微觀、細(xì)觀、宏觀和巨觀等不同層次上進(jìn)行大量富有創(chuàng)新的探索工作。

3.2 耦合分析

巖石力學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)，它涉及的因素很多，既有內(nèi)在的，也有外來的。所以在研究巖石力學(xué)問題時(shí)，我們必須把有關(guān)的各種因素放在一起加以考慮，研究它們彼此之間的相互作用和影響，進(jìn)行多因素的耦合分析。

3.3 新的算法與程序

由于巖石工程的復(fù)雜性，一般難以用封閉形式的解析公式定量地求解問題，在這方面，60年代以后陸續(xù)問世的有限元法、離散元法、邊界元法及其各種耦合算法和程序充分展現(xiàn)了各自的長處，在很大程度上有力地促進(jìn)了巖石力學(xué)與工程的發(fā)展。現(xiàn)在出現(xiàn)了一些新的算法和程序，如剛性有限元法、廣義有限元法、運(yùn)動單元法、界面元法、塊體理論、DDA、流形元法、FLAC無網(wǎng)格法以及模擬退火算法等等。

3.4 地下空間的開發(fā)利用

近30年內(nèi)，地下空間建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，以激光導(dǎo)向技術(shù)和GPS定位技術(shù)為代表的地下施工技術(shù)，以遙感技術(shù)與地質(zhì)雷達(dá)為代表的地下勘探技術(shù)，以及地下掘進(jìn)及襯砌的自動控制施工技術(shù)給巖土工程的發(fā)展注入了新的活力。

3.5 環(huán)境巖土工程的研究

環(huán)境巖土工程是新的研究方向，旨在研究極端環(huán)境條件下（高溫、高壓、強(qiáng)滲透壓和化學(xué)腐蝕）巖土變形及強(qiáng)度變化規(guī)律，探討巖土力學(xué)特性的時(shí)效及應(yīng)變速率效應(yīng)，其研究背景與科學(xué)意義為：深部能源開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究；防護(hù)工程研究的需求；國家高效核廢料處置的需求；能源儲存（包括CO2儲存）等需求。

4 結(jié)語

隨著試驗(yàn)手段與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，土的本構(gòu)關(guān)系、非飽和土的耦合基本場方程、巖土工程數(shù)值分析方法、土動力學(xué)、塑性極限平衡與安定性分析等許多方面已取得了引人注目的進(jìn)展，逐漸形成并不斷完善細(xì)觀土力學(xué)、非飽和土力學(xué)、計(jì)算土力學(xué)、非連續(xù)變形力學(xué)、土塑性力學(xué)等學(xué)科分支。可以預(yù)計(jì)，在不斷吸取其他學(xué)科新成果的基礎(chǔ)上，巖土工程學(xué)將進(jìn)人一個(gè)更高層次的新階段，使這門半定性的經(jīng)驗(yàn)學(xué)科走向更加成熟。展望21世紀(jì)巖土工程的發(fā)展，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，讓我們共同努力將中國的巖土工程水平推向一個(gè)新臺階。

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[2]張劍鋒.21世紀(jì)巖土工程展望[J].電力勘測，2001，1：7～11.

[3]史佩棟，高大釗.千年更替話巖土[J].巖土工程界，2001，1：16～20.

[4]龔曉南.21世紀(jì)巖土工程發(fā)展展望[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，3：238～242.