地質工程特征與教學綜述

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地質工程是地質學中直接面向工程應用的一個力學分支，是將地質學理論應用于工程實踐的一門學科。它研究的主要目的是人類工程活動與地質環境之間的相互作用，以便正確評價、合理利用、有效改造和完善保護地質環境，即探討地質體面向工程活動時其力學性能和力學行為，并在此基礎上為工程結構的設計和施工提供科學依據。我國的地質工程研究是隨著20世紀50年代初大規模建設發展起來的，已經走過了半個多世紀的歷程，在理論和實踐上都得到了很大的發展，同時加深了對地質工程的學科特點的認識。本文通過對地質工程的學科特點的討論和思考，分析了關于地質工程的教學問題。

一、地質工程研究對象的特點

地質工程的研究對象主要是賦存在一定的地質環境中的巖體和土體，就屬性來說，其屬于自然造物，是一種具有工程意義的地質體，是地質歷史的產物，其形成是受地質作用支配。同時，作為工程所依存的地質體而言其又賦存于地質系統中，保持著與周圍環境間的相互依存和相互作用關系。因此，對地質體的組成、結構、特性和分布，以及發育規律的認識，要求有深刻的地質研究。地質工程是從根本上以地質為基礎，以工程應用為目的的動態研究過程，對它的分析需要用發展的眼光，包括地質的規模、動力模式、演化規律等。工程地質體是復雜的，其演化過程也是復雜多變的，這種復雜性主要體現在以下幾點：

(1)研究對象的復雜。系統的復雜性源于地質體是特殊的開放復雜巨系統。

(2)實踐手段的復雜。為解決復雜的現實的工程問題采取的工程手段復雜多變，并且多具有不完善、與地質體相互作用的復雜關系等。

(3)地質體內在的復雜性。地質體內部是復雜的，其演化過程包含大量的相互關聯、相關影響、相互作用，甚至有時是牽一發而動全身，對地質體內部來說，它的演化本身是統籌兼顧的，全面協調發展的。

(4)地質工程系統是開放性的，其演化過程具有能量積累與能量耗散，與其賦存環境不斷地發生著交換關系，這又影響著系統的演化行為，同時地質工程系統具有自我調節能力，當環境發生變化時，系統對其接受到的信息進行反饋，進而相應的調節自身結構，實現對賦存環境的適應性。

(5)系統具有時間屬性，包括工程時間尺度，地質時間尺度，工程時間尺度只關心其工程運營期間的穩定性，屬于短時間的尺度問題。對于地質時間尺度來說，工程失效是肯定的，這是地質歷史演化的必然性。

(6)存在著控制性條件?？刂频暮x是系統關鍵性制約因素，控制的過程就是借助不同形式、不同載體的信息運動進而實現物質運動和能量的交換。在地質工程的系統觀中可把地質體演化分為兩種類型，一種是前進型演化，演化過程即為有序性增加的過程，其演化的最終結果是地質體的工程失效；一種是后退型演化，演化過程即為降低有序性的過程，其結果是地質體能保持其穩定性，這也是我們進行工程處理的目的，阻止正向演化甚至是讓地質體反向演化。

由于上述特點，使得目前的地質工程研究正處于一個瓶頸階段，這主要體現在：

(1)地質工程學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體變形的發展，但無法表現地質體的本質特征，不能進行定量的描述；

(2)大量的理論研究與現場工程實踐脫鉤；

(3)缺乏對工程地質體特殊性的思考，輕視了對地質工程問題的整體性理解，而追求高精度的數值計算，將大量的精力、財力和時間用在復雜而繁瑣的數值計算上，使得研究成果與實際問題有很大偏差。

因此，盡管地質工程研究取得了很大進展，但由于地質體的復雜性、多樣性及工程本身的復雜性、差異性，出現了大量的新問題，對工程地質學的研究提出了新的更高要求。

這也體現在社會對地質工程的需求上，例如：

(1)隨著城市化、工業化發展進程加快，不得不在極其困難的工程環境中開發建設巨大的工程項目，而大大縮小了對環境的選擇空間，如我國在對大西北和大西南開發中所面臨的問題；

(2)人類自身活動對環境的影響，例如過量抽取地下水引起的區域性地面沉降等不恰當的工程作用引起了災難性后果等。我國大規模建設的開展、城市化進程的加速，特別是科學發展觀的貫徹，無疑直接加重了地質工作人員的社會責任，要求探討在可持續發展機制的形成中尋求地質工程研究新的定位?；谀壳袄碚撀浜笥趯嶋H及社會需要不斷提高的現狀，我們必須從地質工程對象實際出發，以系統概念和系統思想為指導，結合數學分析和力學分析，依靠原型的監測資料的反饋，走理論分析和經驗分析的道路。

二、地質工程的定位

由地質工程的定義可知，其是聯結地質研究和工程應用之間的橋梁，是工程建設的基礎。工程活動內容決定著對地質體的要求級別，也確定了地質工程認識程度；反過來，地質體的賦存環境和工程適應性也決定了工程活動的程度。工程活動和地質體研究之問是通過地質工程研究實現的(圖1)。由于地質工程的直接服務對象是工程活動，所以在地質工程的研究也體現在各種工程實踐中(表1)。正是由于地質工程研究分布于各個與之相關領域的專業中，不同行業的發展不同，技術標準和分類級別不同，在相關教學活動中的要求也不同。地質工程研究需要回答工程活動所面臨的問題，并建立相應的數學框架。然而，由于工程地質對象的復雜性，使得各種因素量化很難具有精確的意義，這也導致對地質工程問題的判斷往往更具有現實意義。Terzaghi在土力學研究中指出，無論天然的土層結構是怎樣復雜，也無論我們的知識與土的實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在合理的造價前提下，為土工結構和地基基礎問題尋求滿意的答案。有位教授亦曾指出，學好土力學，不僅要學到教授們懂得知識，更重要的是要知道他們不知道什么。將掌握的知識與未知領域的判斷結合起來，才能進行正確的工程判斷與處理。關于地質工程的判斷在處理工程活動中的重要性，劉建航院士詮釋為：理論導向，實測定量，工程判斷，檢測驗證。理論推斷是工程判斷的依據。盡管在很多情況下，理論分析的結果只能定性理解，但它在工程決策中起著導向作用，是不可替代的；實測定量是盡量將這種理論的推斷賦予量化的特征，而檢測驗證除了對工程的信息化作業方面的意義之外，更是工程經驗積累的資源。

三、地質工程的教學思考

1．地質工程的教學方式

在20世紀30年代，我國著名的地質學家李四光就提出了在地質研究中必須把地質與力學結合起來。作為地質學的分支學科，地質工程必須運用地質力學與地質歷史相結合的方法，其中地質力學研究是地質歷史分析的基礎，地質歷史分析是地質力學分析的綜合。將對工程研究對象——地質體研究融合在力學分析之中使得地質和力學緊密結合起來。地質工程的教學步驟和方式應分為以下4個方面：

(1)野外地質認識。通過野外地質教學對地質工程對象進行感性認知，并在此基礎上實現初步的抽象分析，探討相應的地質模型。

(2)理論分析。在對地質特征進行數學力學分析時，采用簡單的彈塑性力學、流變理論和強度分析等知識將地質工程對象抽象為理想化的物理模型，并進行一定程度的預測。

(3)實驗教學。實現對理論分析結果的檢驗，同時借助簡單方式分析用數學力學分析顯得十分復雜甚至無能為力的地質對象，并且這種方式還能在實驗中激發想象力。

(4)機制探討。將野外地質認識和實驗結果結合起來，解釋地質現象，進而得到和積累相應的工程判斷。

2．地質工程的教學思維

由于地質工程涵蓋的內容廣，信息量大，不同的地質問題有不同的思維方式和表述方式。針對具體的問題選用合適的思維和表述方法十分必要的，這需要對地質工程有深厚的理解和豐富的經驗以及正確的思維方法。如何在教學中將正確的思維方法和經驗準確、靈活地傳播是非常重要的。這就需要在教學過程在學生大腦中形象地建立起地質工程的基本概念、理論模型、各種物理、力學場量及其之間的關系。關于地質工程教學的特點和培養人才的方式已經有了較多的探討，并總結出了很多有意義與可行的教學方案。這里主要談談筆者對教學思維訓練的幾點看法：

(1)在教學課程中使用必要的動態圖像，從而準確、生動地演示和表現地質工程問題，通過對動態圖像的講解，使學生能形象地了解地質體的結構、物理和力學性質隨時問、空間、作用歷史的變化而變化的規律和過程，同時可有效地傳遞地質工程知識和經驗，進而將解析分析問題的能力和數理邏輯思維的能力準確地傳遞給學生，提高其思考與分析問題的能力和素質。

(2)在教學中使用形象化語言，例如在講述地質工程認識過程時，可用白居易的詩詞作為輔助闡述，“千呼萬喚始出來，猶抱琵琶半遮面”，盡管對工程對象進行了多方位的思索和測試，但我們的認識仍僅是復雜問題的一部分，這是緣于我們身在其中。在講述地質調查手段時，可用中醫的醫理“望、聞、問、切”進行說明，將地質體視為病人，地質工作人員則為醫生，“望”和“聞”即對地質體的表象觀測，對應的地質調查階段，“問”是亦為調查的一種方式，“切”則是由現象向機理研究的必要手段，就如號脈一般。

(3)在教學過程中，加深認識，實行分組做報告的方式進行探討，實現互動交流，從而使思維在碰撞中進發出新的火花，這也有利于培養學生自己和團隊(小組)成員之間的合作意識及集體完成任務的能力。

本文在分析地質工程特點基礎上思考了地質工程專業教學問題。目的是通過地質經驗、理論和試驗的結合實現素質教學。