1 模型的內(nèi)涵與意義

 

  模型一詞由來已久,應(yīng)用最為廣泛的要算規(guī)劃模型(城市或工程) ; 隨著實踐擴展,逐步引入到介質(zhì)模型、機制模型、演化模型、計算模型等。在數(shù)學領(lǐng)域形成了一個獨立研究領(lǐng)域- “模型論” ,它是數(shù)理邏輯主要分支之一; 其研究成果已引用到集合論、代數(shù)與數(shù)論等之中。今天,模型或模式一詞已廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域。

 

  綜合所有應(yīng)用,可概括地為模型下一定義; 即所謂模型,就是根據(jù)實物、設(shè)計圖或構(gòu)想,按比例(有的不一定按比例)、生態(tài)或主要特征(或者說要素)作成相似的物體或圖示;用以展現(xiàn)、揭示或闡明一類事物和問題。

 

  在工程地質(zhì)學科中,模型稱呼不一,有的稱地質(zhì)模型,有的叫工程地質(zhì)模型。綜合來看,以稱工程地質(zhì)模型為宜; 它較確切地反映其應(yīng)用范疇和內(nèi)涵。顧名思義,所謂工程地質(zhì)模型,就是依據(jù)工程性狀,將重要的工程地質(zhì)條件,亦可稱要素,按實際狀態(tài),簡明醒目地用圖形表示出來; 簡言之。即工程與地質(zhì)條件相互依存關(guān)系的圖示。這種地質(zhì)與工程結(jié)合形式— 模型,它較好地解決了地質(zhì)與工程的脫節(jié),便于設(shè)計人員充分認識與真正應(yīng)用好工程地質(zhì)工作成果; 它深化了工程地質(zhì)條件的研究,要抓住影響工程巖體變形或破壞的關(guān)鍵條件;與此同時,還促進地質(zhì)與工程結(jié)合后的巖體變形規(guī)律、效應(yīng)與法則的理性化; 在理論與實用的二方面均會得到實質(zhì)性的進展。由此可見,工程地質(zhì)模型的正名與強化,其意義是深遠的。可以預(yù)計,隨著工程地質(zhì)模型的全方位研究,必將產(chǎn)生新的認識。

 

  2 建模依據(jù)與方法

 

  2. 1 建模的依據(jù)

 

  首先應(yīng)明確,工程地質(zhì)模型是人們對觀事物認識的精煉和圖示化。建模最基本的依據(jù)是觀點、理論基礎(chǔ)。這里推崇巖體工程地質(zhì)力學,其核心觀點就是巖體(實際上亦包括土體)具內(nèi)在結(jié)構(gòu);巖體結(jié)構(gòu)基本控制巖體物理力學性能、巖體變形破壞和巖體穩(wěn)定性;在巖體結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)面起著主導(dǎo)作用,軟弱巖層(軟巖)起著起始變形與突破口的作用。結(jié)構(gòu)面類型較多,性狀復(fù)雜。不僅有軟硬之分,還有大小之分和分布上的隨機性。歸納多年研究成果,在結(jié)構(gòu)面對工程巖體影響和作用中,大體可歸納三個重要的效應(yīng):

 

  ( 1)結(jié)構(gòu)面工程尺寸效應(yīng): 即結(jié)構(gòu)面尺寸與工程尺寸的相關(guān)性問題,其中潛在著匹配與取舍。

 

  ( 2)結(jié)構(gòu)面與工程的依存效應(yīng): 結(jié)構(gòu)面與工程就有一個依存關(guān)系。隨著依存關(guān)系的不同,結(jié)構(gòu)面對工程巖體影響是不同的。

 

  3)多組結(jié)構(gòu)面的組合效應(yīng): 巖體中有單組結(jié)構(gòu)面發(fā)育,很多情況是多組結(jié)構(gòu)面存在。

 

  這就產(chǎn)生多組結(jié)構(gòu)面對工程巖體的共同影響,即組合效應(yīng)問題。

 

  上述三種效應(yīng)應(yīng)成為建模的重要依據(jù)。

 

  2. 2 建模的要素

 

  從某種意義上來說,條件研究最終就是為建立工程地質(zhì)模型。工程地質(zhì)條件多種多樣,經(jīng)多年實踐與研究,建模要素有二類: 一類是工程巖體的基本性態(tài)要素,即工程地質(zhì)巖組、巖體結(jié)構(gòu)類型(包括結(jié)構(gòu)面性狀) ; 一類是工程巖體的環(huán)境要素,即地下水、地應(yīng)力。四要素的特點、個性構(gòu)成了天然巖體。

 

  關(guān)于工程地質(zhì)巖組(簡稱巖組) ,它是巖體的物質(zhì)基礎(chǔ)。巖組性狀千變?nèi)f化,其中松散破碎巖組對工程巖體的工程力學行為影響巨大。為此,最簡便的辦法就是將巖組劃分出堅硬與軟弱二類巖體,以便區(qū)別對待。

 

  關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)類型(尤其結(jié)構(gòu)面) ,它是工程巖體的重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。巖體結(jié)構(gòu)類型在客觀上認識工程巖體的總體性狀; 而重點要研究結(jié)構(gòu)面的性狀。正如上所述,應(yīng)從力學性能(剛強、軟弱)、尺寸和組合幾方面進行定性定量研究。

 

  關(guān)于地下水,它在水理、力學作用二方面影響著工程巖體的穩(wěn)定性。前者即為當前研究熱點,即水巖相互作用;后者主要指水壓或滲透壓力。

 

  關(guān)于地應(yīng)力,它對工程巖體的作用愈來愈被重視。工程類型不同,它的作用,或者說地位是不等的。地應(yīng)力有一個明顯特點,即區(qū)域性。關(guān)于地應(yīng)力的相關(guān)參數(shù),應(yīng)盡量得到地學的解釋。

 

  2. 3 建模的方法

 

  鑒于地質(zhì)情況與工程類型的千變?nèi)f化,因而它們的組合是千差萬別的,也不可機械地將地質(zhì)與工程組合,那就成了工程地質(zhì)剖面圖了,顯然是不合適的。因而工程地質(zhì)模型的建立必須有一套方法,其中,既有科學簡化,又有實際操作。

 

  ( 1)關(guān)于科學簡化,主要是工程地質(zhì)條件的抽象和概括; 既不失真,又不拘泥一點一滴; 要從本質(zhì)上或機制上去把握要素的地位與作用。

 

  譬如巖組,按強度和變形特性,一個具體的工程最關(guān)心是有無足夠的承載或支撐能力,有無足夠的抵抗變形的能力; 由此可把巖組劃分二大類,即堅強或堅硬巖類; 軟弱巖類。只要在模型中,如實反映即可。又如結(jié)構(gòu)面,它有各種類型,為簡便起見。易劃分二大類,即硬性結(jié)構(gòu)面和軟弱結(jié)構(gòu)面。尤其按照結(jié)構(gòu)面工程尺寸效應(yīng)。把那些規(guī)模較小、對工程巖體不太起作用的,可忽略不計。這樣,所建立的模型不僅簡潔明嘹,而且抓住了關(guān)鍵。

 

  ( 2)關(guān)于具體操作方法,一般工程地質(zhì)模型以剖面形式為最常見與普遍,而且就基本滿足人們對工程地質(zhì)條件與工程關(guān)系的認識和了解。如果人們要從總體上把握條件與工程的關(guān)系,亦可作三維立體模型。具體操作方法如下:

 

  ①首先要做出一張帶工程輪廓線的剖面圖,并標出原始地形線和開挖線;②其次畫出巖組,按硬性巖組和軟弱巖組、產(chǎn)狀,準確地在剖面圖上畫出來,對軟弱巖組有特別標志;這樣,就能清楚地看到軟、硬巖的分布;③爾后,將結(jié)構(gòu)面,尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面(同樣用特殊圖例)、按產(chǎn)狀如實地畫在圖上,常常遇到的一組軟弱結(jié)構(gòu)面的分布。在出露的區(qū)段內(nèi),按比例間距(統(tǒng)計規(guī)律)將它們畫出,這時更關(guān)注“神似” ,不拘泥形似,而且也形似不了。如果幾組結(jié)構(gòu)面的組合對巖體起到重要作用,那就把組合交線畫在圖上,但一定用特有圖例,以示區(qū)別與識別。總之,在具體操作中,會遇見一些意想不到的現(xiàn)象;只要用心,總會可以解決的。

 

  ④關(guān)于地下水和地應(yīng)力的表示,最佳方式是作出隨深度的滲透壓力(水壓)和地應(yīng)力值的變化曲線。如果參數(shù)值不太明朗,就大體給出一個數(shù)量級的數(shù)值。那就在相關(guān)說明中加以解釋。尤其是地下水,如在地下水不太富地區(qū),只考慮水對巖體的軟化,那就將水的作用放到巖體有關(guān)力學參數(shù)中加以考慮。

 

  ⑤附一張巖體物理力學參數(shù)表。

 

  一旦建模后,為使設(shè)計人員對模型的深切理解,工程地質(zhì)人員有必要作啟示性與實質(zhì)性的說明。在說明中應(yīng)包括:

 

  a.突出巖體中軟弱巖組和軟弱結(jié)構(gòu)面的性狀、地位與作用;b.闡明軟弱結(jié)構(gòu)面的功能,即在巖體變形或失穩(wěn)中的作用;c. 預(yù)測可能的機制和變形破壞方式;

 

  d. 預(yù)測巖體的穩(wěn)定狀態(tài);

 

  e.指出巖體加固或弱化的方向等。

 

  3 實 例

 

  現(xiàn)以甘肅金川銅鎳礦的露天礦上盤西段邊坡作為實例,加以具體操作。

 

  首先展示研究段的工程地質(zhì)平面與剖面圖,然后對巖組和結(jié)構(gòu)面進行分類與取舍。

 

  上盤區(qū)西段邊坡所遇到的巖組共七個。大理巖、花崗巖、超基性巖相對較為堅強,其它均較軟弱,如混合巖帶等,尤其片巖類,除巖石自身較弱外,加之斷裂的改造,是該段邊坡最為軟弱的巖組。

 

  該段邊坡巖體結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育,最顯著的是斷裂帶和層間錯動面。前者與片巖重合,后者主要發(fā)育于中厚層大理巖,其次為混合巖。此外,在厚層大理巖,段,發(fā)育一條切坡向的小斷層,它與一組節(jié)理密集帶組合,構(gòu)成了一個順坡向的塊體。

 

  因此,無論從巖組,或從主要結(jié)構(gòu)面的性狀,本邊坡總體為一個軟硬相間、層狀碎裂的巖體,它基本控制了邊坡的變形與破壞。

 

  在上述分析基礎(chǔ)上,將巖組與結(jié)構(gòu)面如實而巧妙地畫出來。

 

  第三,礦區(qū)處于干旱與半干旱地區(qū),地下水不豐,關(guān)于其對巖體的作用,放到巖體物理力學參數(shù)中加以考慮。礦區(qū)為高地應(yīng)力地區(qū),根據(jù)地質(zhì)分析和現(xiàn)場量測的數(shù)據(jù),建立地應(yīng)力隨深度的變化。

 

  第四,關(guān)于巖體有關(guān)力學參數(shù),可列表以明之。

 

  第五,工程地質(zhì)模型分析。

 

  露天礦上盤西段邊坡為一復(fù)合的工程地質(zhì)模型。F3 即片巖帶以上的大理巖體中,由斷層節(jié)理帶構(gòu)成為一組合塊體。這一組合塊體的組合交線,為近EW向,傾角33°(從實體比例投影和變形資料得到確認與驗證) ; 以下為反坡向陡傾軟硬相間的層狀碎裂結(jié)構(gòu)模型。

 

  在該模型的基礎(chǔ)上,必然要產(chǎn)生這樣的的變形破壞機制: 即上部塊體滑移,下部傾倒變形;上部的滑移推動和加速了下部傾倒變形的發(fā)生與發(fā)展; 一旦下部傾倒變形發(fā)生后,傾倒體下的未發(fā)生傾倒的巖體的支撐作用,就上升為重要的因素。可以理解,如果下部巖體堅強和整體性好,它就可以阻止上部傾倒體的下延發(fā)展。

 

  通過這一實例的介紹,不難看到建立工程地質(zhì)模型的學科和實用意義,還必將推動數(shù)值模擬與計算走上健康的軌道。

 

  4 應(yīng) 用

 

  多年實踐表明,工程地質(zhì)模型這一理性概念與科學方法,可適用于各工程地質(zhì)勘測階段和各類工程。顯然,隨著勘測階段和工程類型的不同,建模的要求和精細程度是不一的。

 

  并隨著問題愈具體,工程地質(zhì)模型應(yīng)用的價值愈顯示出來。工程地質(zhì)模型一個最基本屬性就是其針對性、實用性。

 

  4. 1 關(guān)于各勘測階段的應(yīng)用

 

  ( 1)在前期可行性研究階段本階段主要任務(wù)是調(diào)查工程地質(zhì)條件,找出存在的工程地質(zhì)問題。因而無論從總體上,還是從具體問題上,只能建立粗線條的工程地質(zhì)模型。

 

  ( 2)在可行性研究階段  可結(jié)合必須論證的問題建立工程地質(zhì)模型,作出相應(yīng)的工程地質(zhì)評價; 還要指出下段查明的工程地質(zhì)條件和問題; 通過建模,可具體感受到還有那些不足。

 

  ( 3)在初步設(shè)計階段  這是工程興建中的關(guān)鍵階段,一切均以客觀事實為準繩,從設(shè)計大局出發(fā),針對薄弱環(huán)節(jié),補做工程地質(zhì)工作,余后,結(jié)合具體任務(wù)、工程或問題分別建立工程地質(zhì)模型。可在初步建模基礎(chǔ)上,進一步搞清楚相關(guān)條件,開展有針對性的巖體物理力學試驗和量測,最終確立模型,并進行數(shù)值分析和評價,為設(shè)計、決策提供可靠依據(jù)。

 

  ( 4)在定型設(shè)計和施工階段進一步修正模型和評價,通過施工驗證模型的準確性、可靠性,最終作出結(jié)論。

 

  4. 2 關(guān)于各類工程的應(yīng)用

 

  一般地質(zhì)工程可劃為三大類,即地基、這坡和地下洞室。工程地質(zhì)模型在這里大有用武之地。

 

  當前工民建地基問題主要出現(xiàn)在深基坑。而深基坑問題主要集中在涌水和坑坡坍塌。

 

  根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查,完全可以建立準確的工程地質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上,分析相關(guān)問題,作出評判,制定整治方案與措施。

 

  壩基主要問題是建基面的確定和穩(wěn)定性、滲透性等。可作出相應(yīng)模型和評價。

 

  前實例已作具體剖析,但還需強調(diào): ( 1)關(guān)注軟弱巖層與結(jié)構(gòu)面和工程的依存關(guān)系,它往往控制邊坡應(yīng)力狀態(tài)和變形演化進程; ( 2)關(guān)注邊坡變形破壞的突破點,要努力從模型中尋求地質(zhì)依據(jù)。

 

  軟巖、軟弱破碎巖帶、地下水和地應(yīng)力成為地下洞室圍巖變形與失穩(wěn)的控制要素; 由結(jié)構(gòu)面組合的塊體亦為圍巖失穩(wěn)的常見的影響因素。因此,在建模中,充分考慮上述因素是十分重要的。多年實踐表明,工程地質(zhì)模型在洞室圍巖變形失穩(wěn)中的應(yīng)用更具實用性。

 

  4. 3 關(guān)于專題中的應(yīng)用

 

  從某中意義上來說,前面集中探討了工程地質(zhì)模型在巖土體中穩(wěn)定性中的應(yīng)用。實際上,它還可擴展到區(qū)域地殼穩(wěn)定性、山體穩(wěn)定性等較宏觀的專題。如在區(qū)域地殼穩(wěn)定性中,根據(jù)模型思路,可建立地殼結(jié)構(gòu)模型、地殼動力學模型等; 有了這些模型,不僅標志著工作的精度和到位,而且更主要能形象直觀地闡明一系列問題。又如在山體穩(wěn)定性中,可建立山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,同樣能達到事半功倍的效果。

 

  總之,工程地質(zhì)模型有著豐富的內(nèi)容,限于篇幅,本文只能做到提示,拋磚引玉,期望共同推動其發(fā)展。