第一篇 工程動力地質作用

第一章 工程動力地質作用概述

第一節 工程動力地質學的研究對象和目的

由自然地質作用所引起的物理地質現象和由人類工程活動引起的工程地質現象都能給工程建筑帶來嚴重的影響和危害。專門研究與工程建設活動有密切關系的各種動力地質作用，研究它們的發生條件、發展規律，以及防治措施的學科，就稱為工程動力地質學。屬于工程地質學的一門分支學科。

所謂與工程建設活動有密切關系的各種動力地質作用，包括對工程活動有一定危害的自然動力地質作用和由工程活動所引起的動力地質作用，前者稱自然（物理）地質作用，后者稱工程地質作用，二者統稱為工程動力地質作用。因此，工程動力地質學以工程動力地質作用作為自己的研究對象。

任何工程建設活動都必然地要和地質環境發生聯系和相互作用，建筑物由于地質原因而被破壞或不能正常使用，就是一定的工程動力地質作用所造成的。例如自然地質作用中的地震及伴隨地震在某些特定地區產生的砂土液化、斜坡突然失穩等次生效應，不僅壓蓋農田，還會破壞道路、橋梁、工業設施、民用建筑、水利工程等；崩坍、滑坡、泥石流等則會破壞鐵路、公路、航道，威脅交通安全，甚至阻斷交通；從工程地質作用來看，修建水庫可能會誘發地震，破壞大壩，產生地裂、崩坍和滑坡，還會改變水鹽及泥沙動態，淤積水庫，威脅其使用壽命，引起土壤鹽漬化、沼澤化，沿岸黃土濕陷、滑坡加劇，危及建筑物安全；修建鐵路和公路可能會破壞自然斜坡的穩定平衡條件，引起沿途崩滑加劇發展；開發礦山，則可能引起大型巖爆、山崩和地面沉陷；開采石油和地下水或礦山排水，會引起地面沉降和地面塌陷等等。因此，為了保證建筑物的穩定和正常使用，就必須研究工程動力地質作用。

為了防止不良地質作用使建筑物破壞或不能正常使用，往往要采取一些工程措施，或改變建筑物的正常結構或改善自然地質條件。例如用箱形基礎的防止修建在強壓縮性土層上的建筑物產生強烈沉陷；用帷幕灌漿改善壩下滲流條件。為了防止在施工過程中產生不良地質作用，往往不得不增加工程量。例如為基坑邊坡穩定安全而增加土石方開挖量；為預防滲透變形破壞而不得不人為降低地下水位等。不管采用哪種工程措施，都會使建筑物的造價提高和施工速度延緩。因此，為了使采取的工程措施盡可能合理，以保證修建建筑物的經濟和速度，也必須研究工程動力地質作用。

此外，工程地質作用還可能惡化環境，影響其他人類經濟活動和生活條件，此時，它就制約工程本身的修建。為此，同樣需要研究工程動力地質作用。

由于工程動力地質作用與工程的安全穩定、經濟和環境等方面的關系如此密切，所以在工程地質領域內對它的研究就占有特殊重要的地位。在整個工程地質研究過程中，始終必須預測可能產生的工程動力地質作用的規模、危害程度、發生和發展規律等。因為只有這樣才能做到正確地選擇修建建筑物地區，在選定地區內分析有利和不利條件，以及提供有效防護措施。也就是說，只有不斷揭示各種工程動力地質作用的客觀規律性，才能運用這些規律為人類的工程實踐服務，才能從地質方面保證工程建設的安全穩定、經濟和環境效益。

綜上所述，我們可以說，工程動力地質學是研究與人類工程活動有關的各種動力地質作用的形成機制、規模、分布規律、對建筑物的影響程度、有效防治措施，以及進行工程地質研究的原則和方法的科學。它是工程地質學的重要理論基礎。

第二節 工程動力地質作用的分類

一、工程地質作用

任何工程建設活動都要在一定的地質環境中進行，工程建筑物與地質環境之間必然存在相互制約和相互作用。一方面，地質環境對人類工程活動的作用與制約普遍存在；另一方面，人類工程活動會成為一種新的營力因素，與自然地質環境產生復雜的相互作用，并可能引起不良地質作用的發展。這些不良地質作用不僅會危及工程本身，而且還會在更大的范圍內惡化人類的生存和發展環境。這種由人類工程活動引起的地質作用，通常被稱為工程地質作用。

由于工程地質作用是由人類工程活動引起的，因此，它具有一些與自然地質作用不同的特點：人類工程活動的規模比較小，因此這類作用的影響范圍往往不如自然地質作用廣；雖然工程地質作用的影響范圍、規模不是很大，但它多發生在工程建設區和人煙稠密地區，成災的強度很高，對人類生存和生活條件有著很大的威脅；由于人類工程活動往往是突然地使自然產生極顯著的變化，因此，工程地質作用在開始時強度就很大，在這方面，今天它已經遠遠超過了自然地質作用，尤其是隨著工程建設規模日益擴大，如果工程活動沒有能正確反映客觀規律時，常常會使工程地質作用突然產生，迅速發展，對人類工程活動和地質環境產生很大的危害。

二、工程動力地質作用

工程動力地質作用是自然（物理）地質作用和工程地質作用的總稱。它與工程活動密切相關，或者影響、制約工程活動，或者由工程活動引起、誘發、加劇，并且會反過來作用于工程建筑物或影響人類其他經濟活動和人類生存環境。

由于人類工程活動所涉及的范圍主要是地殼表層，因此，工程動力地質作用也都發生在巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈交界的地殼表層，由這些作用引起的地殼表層的變動，是上述各圈層相互作用的方式，主要是形成和改變地表地形的重要作用。而地表地形是在內外動力作用的過程中形成和發展的，所以，工程動力地質作用的產生和發展趨勢也取決于內外動力之間的力量對比。因此，要查明這些作用的發展變化情況，就需要了解地區的地質發展史，特別是新構造運動發展史。

工程動力地質學以工程動力地質作用作為研究對象。隨著人類工程活動規模空前擴大，以及工程地質學的迅速發展，在今天它已被賦予許多新的內容，而且工程動力地質學也從以研究自然（物理）地質作用為主轉變為重點研究工程地質作用，從靜態分析描述發展到動態的模擬預測等。

三、工程動力地質作用的分類

為了便于和有成效地進行理論研究，掌握其發生的原因和發展變化的規律，作為制訂防治措施的依據，必須對工程動力地質作用進行分類。雖然自然界的工程動力地質作用和現象種類繁多，性質復雜，但就其成因而言，主要是由于作用在地球上的各種力所引起的。因此，盡管過去已有的分類方案很多，且各有其優點，但現在普遍認為：各種地質作用的進一步分類應以其產生和發育的具體作用力為依據，以成因觀點研究工程動力地質作用和現象是較為正確的觀點。

基于這種觀點，B.只.羅姆塔澤對Φ.Ⅱ.薩瓦連斯基的分類作了進一步的補充和發展，見表1-1。南京大學地質系根據地殼表層導致各種地質作用的力為標準，提出了一個較為嚴密的新的分類體系，見表1-2，以供參考。

第三節 工程動力地質學的研究原則和方法

各種工程動力地質作用都是在自然界存在有一定矛盾的條件下產生的，這些矛盾的普遍存在是產生各種地質作用的必要條件。但是，在地殼表層的不同部位上，工程動力地質作用的性質是各不相同的，即各種工程動力地質作用具有區域性的特點。所以，只有具體地明確各種動力地質作用相互作用的兩個主要方面是什么，其物質屬性如何，才有可能查明各種作用的發展變化規律。同時也要注意到參與作用的往往是一系列因素，因此，要把各種因素及其對作用的影響一一查明，才能最終查明作用的發展規律。此外，還要注意到各種工程動力地質作用還具有發展的階段性特點。

在上述總的思想指導下，要堅持充分掌握工程動力地質作用發生、發展的條件，確切認識工程動力地質作用發生、發展的影響因素的原則。

一、充分掌握工程動力地質作用發生、發展的條件

工程動力地質作用發生在地殼表層，也就是巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈的交界帶。在這里，各個圈的作用力（內動力及外動力）相互作用，如果其相對平衡遭到破壞，就會引起工程動力地質作用的產生。具體講，工程動力地質作用發生、發展的條件如下所述。

1.氣候條件

在這里，氣候條件主要是指氣溫變化及大氣降水的特點。氣溫和降水既是外動力的主要營力，也是工程動力地質作用發生、發展的重要條件。

2.地層巖性

任何一種地質作用都是發生在各類巖體之中，離開了具體的巖體，也就無所謂地質作用。因此，地層巖性是地質作用的物質基礎，巖體的巖性特征決定著地質作用的種類和特征，如巖溶只有在可溶性巖石中才能產生，而滲透變形則常發生在松散的砂礫石和有充填物的巖石裂隙之中等等。

3.地質構造

由構造運動而形成的各種構造形跡，包括褶皺、斷裂等改變了巖體的性狀，同時為地下水的運動創造了條件，因此，它是地質作用發生的重要前提條件。

4.地下水

區域的水文地質條件，地下水的分布情況、成分、水力坡降、動態等，對巖體性狀的影響及對各類地質作用的發生、發展，都有著十分重要的意義。

5.地貌

地貌本身是在內、外動力作用過程中形成和發展的，因此，各種地質作用的發生和發展都對地貌的形成有著重要意義。而地貌的形成和發展又會反過來影響工程動力地質作用的發生和發展。如陡峻的高山地貌形態是易于發生崩坍作用的有利條件。

在這里必須指出的是：①以上這些條件在地殼表層發展過程中彼此間是相互聯系和相互影響的，因此，必須將它們作為一個整體來認識，否則，就難以正確分析各類地質作用的發生和發展，做出正確的評價。②由于這些條件在地殼表層具有分帶性和區域性的特點，因此，各類地質作用也具有分帶性及區域性的分布規律。分帶性是指氣候條件的分帶性，有緯度氣候帶及高山氣候帶；區域性則指地質因素的區域特征。在地殼表層的不同部位上，引起各種動力地質作用的條件及其組合關系是不同的，因而工程動力地質作用的類型、性質也就各不相同。這種地質作用對于一定自然帶或區域的從屬關系，具有重要的工程地質意義。

二、確切認識工程動力地質作用發生發展的影響因素

僅僅掌握工程動力地質作用發生的條件，對于解決工程地質問題，特別是要有效的采取防治措施是不夠的，還必須掌握它們發生發展的規律，這就要求進一步分析促進工程動力地質作用發生發展的影響因素。

影響工程動力地質作用兩方面的因素往往是錯綜復雜的，是一系列的因素。因此，只有把所有的因素及其對作用的影響以及各因素之間的相互關系都查明，才有可能闡明作用的發展規律。例如促進斜坡剝蝕作用發生發展的就有重力作用，風化作用，地表水地下水的沖刷、軟化、潛蝕作用，地震作用，新構造運動等等。如果對其中有一個因素沒有查明，往往就會使所提供的防護措施不能起到應有的效應。

雖然任何地質作用都是在一定的自然條件下產生，在幾種因素同時影響下才得以發展的，但在錯綜復雜的作用過程中，各種因素所起作用的大小是不一樣的，各種因素的不同組合，其結果也往往相差懸殊，因此，要查明各種因素是如何決定或改變相互作用的雙方的特性，以致影響整個作用的進程的。在這里要特別注意主導因素以及因素的組合關系的研究。

還必須指出，在影響工程動力地質作用的諸因素中，也包括人類的工程活動，因為它對地殼表層巖體性狀的影響與某些自然地質作用是很相似的。在某種程度上，甚至比后者的影響要強烈。它不僅可以引起各種工程地質作用，而且可以影響自然物理地質作用的發生時間和發展速度。因此，當前的人類工程活動已被作為一種積極的地質因素而日益受到重視。

總之，要具體分析各類地質作用產生的條件，全面分析其影響因素，并找出其主導因素，掌握它發生發展的客觀規律，以求得正確的評價，提出有效的防治措施。

三、工程動力地質作用研究的主要方法

工程地質學一般是將工程動力地質作用作為影響各種工程建筑物穩定性的不利因素來研究，并具體評價它對工程建筑穩定性的影響程度，為工程設計和防治措施設計提供必要的數據。顯然，除了定性的分析外，還要進行定量的評價及發生的時間預報，這就要求有量的概念，即對地質現象要盡可能的以數字表示其特征，并進行量的計算。

為此，其研究的基本要求如下。

1）描述作用的特點、大小、范圍。

2）分析作用發生的自然環境、地質條件、作用原因、影響因素、發育和分布規律。分析和確定現代和過去地質作用的特性，預報發生新的工程動力地質作用的可能性，并確定其大小及范圍。盡可能用數字表示其作用特性和影響。

3）提出對不良地質作用的合理處理方案和防治措施，并提出設計所需數據。

為滿足上述要求，一般采取與工程地質學一致的研究方法，即以自然地質歷史方法為主。運用歷史地質及自然歷史分析方法，探索各種地質作用發生發展的規律，并在此基礎上開展模擬試驗，用類比法和計算法提出定量評價，為工程建設服務，保證建筑物的經濟和安全。

自然歷史分析法，是研究工程動力地質作用最基本的方法，這種方法就是一方面分析某一工程動力地質作用形成的條件、各種控制因素，找出其規律性，確定形態特征、規模和邊界條件，確定其空間分布特點和規律及與其他動力地質作用之間的關系等；另一方面，根據觀察到的一系列現象來分析這一工程動力地質作用的發展過程，區分出發展過程中的各個階段，以恢復其歷史發展過程，并預測目前的狀態及發展趨勢，以總結其規律性。

通過自然歷史分析，我們才有可能對某一工程動力地質作用有一個基本的認識，并作為進一步研究的基礎和依據。因此，自然歷史分析是研究工程動力地質作用的基礎工作，屬于定性評價的范疇。

類比法和計算法，都是目前工程地質工作中常用的定量、半定量評價方法。類比法是把已有工程動力地質作用的研究評價經驗運用到性質、類型相同，條件相近的新的工程動力地質作用的研究評價中。它雖然也能提供具體的數據，但本質上仍帶定性的性質，故常稱為半定量方法。很顯然，這種方法是比較粗略的，難免出現不同程度的誤差。計算法是在對某一工程動力地質作用進行自然歷史分析，并查明基本地質條件的基礎上，運用各種計算理論和方法，對工程動力地質作用加以計算和分析，以便定量地更本質地掌握這些作用的特點。運用這一方法時，搞清楚該動力地質作用的邊界條件，合理運用各項計算參數是非常重要的。在實際計算中，常將復雜的條件作適當簡化而化作平面問題處理，因此與實際情況也存在一定的差距。但隨著電子計算技術的進步及在工程地質領域中的運用，現在不但可以計算三維（空間）問題，而且還可以計算非均一、非線性的復雜課題。

四、防治工程動力地質作用的原則

由于任何工程動力地質作用的發生和發展都會影響工程建設和人類其他經濟活動，因此，對工程動力地質作用提出預防和治理措施，是研究的重要任務之一。

1.預防工作

預防工作是一項積極的措施，特別是對工程地質作用的發生更有重要意義。

為了達到預防的目的，就要認識和遵重客觀規律，即必須對地區的自然環境、地質條件、各類作用因素進行調查，并作出全面分析，找出它們之間相互依存又相互斗爭的客觀規律，盡量使人為預防因素符合客觀規律，否則，就產生不良后果。

2.治理原則

治理的具體措施多種多樣，但考慮措施的原則，可以歸納如下3條。

（1）針對性原則。著力找出造成該類地質作用的主要原因，針對原因進行治理，使其具有明顯的針對性。

（2）全面性原則。充分認識各種作用因素及自然環境和地質條件，全面地采取措施，以求收到良好的效果。

（3）因地制宜的原則。對同一類型的地質作用，應根據其發生的自然環境，產生原因及影響因素的不同而采取不同的措施，不能生搬硬套別處的經驗。

復習思考題

1.工程動力地質學研究的對象是什么?

2.什么是工程地質作用?

3.怎樣正確理解工程動力地質作用發生發展的條件和影響因素?

4.簡述工程動力地質作用的研究原則和主要方法。