工程地质学的研究目的在于查明建设地区或建筑场地的工程地质条件,分析、预测和评价可能存在和发生的工程地质问题及其对建筑物和地质环境的影响和危害,提出防治不良地质现象的措施,为保证工程建设的合理规划以及建筑物的正确设计、顺利施工和正常使用,提供可靠的地质科学依据。
工程地质学
研究与人类工程建筑等活动有关的地质问题的学科。属于地质学的一个分支,是地质学与数学、力学、结构工程交叉的学科。
- 英文名称
- engineering geology
- 主要代表人物
- K.泰尔扎吉;F.P.萨瓦连斯基;张倬元;谷德振
- 所属学科
- 地质学/地质资源与地质工程
工程地质学孕育、萌芽于地质学的发展和人类工程活动经验的积累中。17世纪以前,许多国家成功地建成了至今仍享有盛名的伟大建筑物,但人们在建筑实践中对地质环境的考虑,完全依赖于建筑者个人的感性认识。17世纪以后,由于产业革命和建设事业的发展,出现并逐渐积累了关于地质环境对建筑物影响的文献资料。第一次世界大战结束后,整个世界开始了大规模建设时期。1921年美国康奈尔大学的H.里斯和弗吉尼亚大学的T.L.沃森两位地质学教授出版了《工程地质学原理》。1929年奥地利的K.泰尔扎吉[注]、1937年苏联的F.P.萨瓦连斯基[注]先后也出版了《工程地质学》。第二次世界大战以后,工程建设蓬勃兴起,工程地质学家提出了学科的理论命题。其中具代表性的是苏联学者们致力研究的成因土质学理论。20世纪50年代,工程地质学学科的交叉,逐渐吸收了土力学、岩石力学和计算数学中的某些理论和方法,尤其是地球科学同工程科技的结合,逐渐丰富和发展了工程地质学的学科理论体系,进入现代地球科学分支行列。在中国,工程地质学的发展基本上始于20世纪50年代,从苏联引进的工程地质学理论和方法开始。60~70年代张倬元等经过大量的现场调查、工程实践和理论创新,逐渐形成了始于野外现场原型调研、经模型抽象-变形破坏机制分析-评价预测、终于防治措施建议的中国特色的工程地质系统研究理论和方法体系。谷德振在岩体稳定性问题中提出的结构控制论和刘国昌在区域工程地质方面的研究,都对工程地质学的发展作出了重要的贡献。
工程地质学的主要任务是研究人类工程活动与地质环境之间的相互制约,以便合理开发和有效保护地质环境,防止可能发生的地质灾害。具体任务包括:①阐明建筑地区工程地质条件,包括岩石和土的性质、地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、自然地质现象和天然建筑材料7项,指出有利和不利的因素。②论证和评价建筑物所存在的工程地质问题。③选择优良的建筑场址,合理配置建筑物。④研究工程建筑物对地质环境的影响,预测其发展趋势,提出合理利用和保护地质环境的建议。⑤提出建筑物类型、规模、结构和施工方法的建议,以及保证建筑物正常使用的地质要求。⑥提出改善和防治不良地质作用的措施方案。
工程地质学的研究内容可概括为五个方面:①研究工程活动的地质环境即工程地质条件。最根本的是研究岩石和土的工程地质特性、控制这些性质的岩石和土的成分与结构,以及在自然条件和工程作用下这些性质的变化趋向;制定岩石和土的工程地质分类。②分析和预测建设地区和建筑场地范围内在自然条件下及工程建筑活动中发生或可能发生的各种地质作用及工程地质问题(例如:地震、滑坡、泥石流,以及诱发地震、地基沉陷、人工边坡和地下洞室围岩的变形和破坏、开采地下水引起的大面积地面沉降、地下采矿引起的地表塌陷),以及发生的条件、过程、规模和机制,评价它们对工程建设和地质环境造成的危害程度。③研究防治不良地质作用的有效措施。④研究工程地质条件的区域分布特征和规律,预测其在自然条件下工程建设活动中的变化和可能发生的地质作用,评价其对工程建设的适宜性。⑤研究各种地质灾害的区域性成灾规律和危险性分析评价方法,研究区域的、城市的或重大工程的地质环境评价的原则和方法,预测各种工程活动可能产生的环境效应,以便达到合理开发利用和保护改善环境的目的。
包括地质学方法、实验和测试方法、计算方法和模拟方法。地质学方法,即自然历史分析法,是运用地质学理论查明工程地质条件和地质现象的空间分布,分析研究其产生过程和发展趋势,进行定性判断的方法。它是工程地质研究的基本方法,也是其他研究方法的基础。实验和测试方法,包括为测定岩体和土体特性参数的实验、对地应力的量级和方向的测试以及对地质作用随时间延续而发展的监测。计算方法,包括应用统计数学方法对测试数据进行统计分析,利用力学、岩石力学理论或经验公式对已测得的有关数据,进行计算,以定量地评价工程地质问题。模拟方法,可分为物理模拟(又称工程地质力学模拟)和数值模拟,它们是在通过地质研究深入认识地质原型,查明各种边界条件,以及通过实验研究获得有关参数的基础上,结合建筑物的实际作用,正确地抽象出工程地质模型,利用相似材料或各种数学方法,再现和预测地质作用的发生和发展过程。电子计算机在工程地质学领域中的应用,不仅使过去难以完成的复杂计算成为可能,而且能够对数据资料自动存储、检索和处理,甚至能够将专家们的智慧存储在计算机中,以备咨询和处理疑难问题,即所谓的工程地质专家系统。
包括工程岩土学、工程地质分析、工程地质勘查、区域工程地质学、环境工程地质学。工程岩土学研究岩土体性质的形成和它在自然或人类活动影响下的变化。工程地质分析研究工程活动与地质环境相互作用形成的工程地质问题产生的地质条件、力学机制及其发展演化规律,从而正确评价和有效防治它们的不良影响。工程地质勘查是运用工程地质学理论,解决工程实际问题,保证与人类工程活动的规划、设计、施工、使用、维修等有关的地质因素均能有效查明和妥善处理,需要在总结过去实践经验的基础上探讨调查研究方法。区域工程地质学是研究工程地质问题的区域性分布特点和规律的专门学科。环境工程地质学主要研究内容有定量预测人类活动干预地表岩土体的变形破坏过程,预测各种工程活动可能产生的环境效应,区域的、城市的或重大工程的地质环境评价的原则和方法。另外,由于各类工程建筑物的结构和作用及其所在空间范围内的环境不同,因而可能发生和必须研究的地质作用与工程地质问题往往各有侧重。据此,工程地质学又常分为水利水电工程地质学、道路工程地质学、采矿工程地质学、海港和海洋工程地质学、城市工程地质学等。
扩展阅读
- 张咸恭.工程地质学.北京:地质出版社,1979.
- 张倬元,王士天,王兰生,等.工程地质分析原理 . 4版.北京:地质出版社,2017.