第一篇 工程动力地质作用

第一章 工程动力地质作用概述

第一节 工程动力地质学的研究对象和目的

由自然地质作用所引起的物理地质现象和由人类工程活动引起的工程地质现象都能给工程建筑带来严重的影响和危害。专门研究与工程建设活动有密切关系的各种动力地质作用，研究它们的发生条件、发展规律，以及防治措施的学科，就称为工程动力地质学。属于工程地质学的一门分支学科。

所谓与工程建设活动有密切关系的各种动力地质作用，包括对工程活动有一定危害的自然动力地质作用和由工程活动所引起的动力地质作用，前者称自然（物理）地质作用，后者称工程地质作用，二者统称为工程动力地质作用。因此，工程动力地质学以工程动力地质作用作为自己的研究对象。

任何工程建设活动都必然地要和地质环境发生联系和相互作用，建筑物由于地质原因而被破坏或不能正常使用，就是一定的工程动力地质作用所造成的。例如自然地质作用中的地震及伴随地震在某些特定地区产生的砂土液化、斜坡突然失稳等次生效应，不仅压盖农田，还会破坏道路、桥梁、工业设施、民用建筑、水利工程等；崩坍、滑坡、泥石流等则会破坏铁路、公路、航道，威胁交通安全，甚至阻断交通；从工程地质作用来看，修建水库可能会诱发地震，破坏大坝，产生地裂、崩坍和滑坡，还会改变水盐及泥沙动态，淤积水库，威胁其使用寿命，引起土壤盐渍化、沼泽化，沿岸黄土湿陷、滑坡加剧，危及建筑物安全；修建铁路和公路可能会破坏自然斜坡的稳定平衡条件，引起沿途崩滑加剧发展；开发矿山，则可能引起大型岩爆、山崩和地面沉陷；开采石油和地下水或矿山排水，会引起地面沉降和地面塌陷等等。因此，为了保证建筑物的稳定和正常使用，就必须研究工程动力地质作用。

为了防止不良地质作用使建筑物破坏或不能正常使用，往往要采取一些工程措施，或改变建筑物的正常结构或改善自然地质条件。例如用箱形基础的防止修建在强压缩性土层上的建筑物产生强烈沉陷；用帷幕灌浆改善坝下渗流条件。为了防止在施工过程中产生不良地质作用，往往不得不增加工程量。例如为基坑边坡稳定安全而增加土石方开挖量；为预防渗透变形破坏而不得不人为降低地下水位等。不管采用哪种工程措施，都会使建筑物的造价提高和施工速度延缓。因此，为了使采取的工程措施尽可能合理，以保证修建建筑物的经济和速度，也必须研究工程动力地质作用。

此外，工程地质作用还可能恶化环境，影响其他人类经济活动和生活条件，此时，它就制约工程本身的修建。为此，同样需要研究工程动力地质作用。

由于工程动力地质作用与工程的安全稳定、经济和环境等方面的关系如此密切，所以在工程地质领域内对它的研究就占有特殊重要的地位。在整个工程地质研究过程中，始终必须预测可能产生的工程动力地质作用的规模、危害程度、发生和发展规律等。因为只有这样才能做到正确地选择修建建筑物地区，在选定地区内分析有利和不利条件，以及提供有效防护措施。也就是说，只有不断揭示各种工程动力地质作用的客观规律性，才能运用这些规律为人类的工程实践服务，才能从地质方面保证工程建设的安全稳定、经济和环境效益。

综上所述，我们可以说，工程动力地质学是研究与人类工程活动有关的各种动力地质作用的形成机制、规模、分布规律、对建筑物的影响程度、有效防治措施，以及进行工程地质研究的原则和方法的科学。它是工程地质学的重要理论基础。

第二节 工程动力地质作用的分类

一、工程地质作用

任何工程建设活动都要在一定的地质环境中进行，工程建筑物与地质环境之间必然存在相互制约和相互作用。一方面，地质环境对人类工程活动的作用与制约普遍存在；另一方面，人类工程活动会成为一种新的营力因素，与自然地质环境产生复杂的相互作用，并可能引起不良地质作用的发展。这些不良地质作用不仅会危及工程本身，而且还会在更大的范围内恶化人类的生存和发展环境。这种由人类工程活动引起的地质作用，通常被称为工程地质作用。

由于工程地质作用是由人类工程活动引起的，因此，它具有一些与自然地质作用不同的特点：人类工程活动的规模比较小，因此这类作用的影响范围往往不如自然地质作用广；虽然工程地质作用的影响范围、规模不是很大，但它多发生在工程建设区和人烟稠密地区，成灾的强度很高，对人类生存和生活条件有着很大的威胁；由于人类工程活动往往是突然地使自然产生极显著的变化，因此，工程地质作用在开始时强度就很大，在这方面，今天它已经远远超过了自然地质作用，尤其是随着工程建设规模日益扩大，如果工程活动没有能正确反映客观规律时，常常会使工程地质作用突然产生，迅速发展，对人类工程活动和地质环境产生很大的危害。

二、工程动力地质作用

工程动力地质作用是自然（物理）地质作用和工程地质作用的总称。它与工程活动密切相关，或者影响、制约工程活动，或者由工程活动引起、诱发、加剧，并且会反过来作用于工程建筑物或影响人类其他经济活动和人类生存环境。

由于人类工程活动所涉及的范围主要是地壳表层，因此，工程动力地质作用也都发生在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈交界的地壳表层，由这些作用引起的地壳表层的变动，是上述各圈层相互作用的方式，主要是形成和改变地表地形的重要作用。而地表地形是在内外动力作用的过程中形成和发展的，所以，工程动力地质作用的产生和发展趋势也取决于内外动力之间的力量对比。因此，要查明这些作用的发展变化情况，就需要了解地区的地质发展史，特别是新构造运动发展史。

工程动力地质学以工程动力地质作用作为研究对象。随着人类工程活动规模空前扩大，以及工程地质学的迅速发展，在今天它已被赋予许多新的内容，而且工程动力地质学也从以研究自然（物理）地质作用为主转变为重点研究工程地质作用，从静态分析描述发展到动态的模拟预测等。

三、工程动力地质作用的分类

为了便于和有成效地进行理论研究，掌握其发生的原因和发展变化的规律，作为制订防治措施的依据，必须对工程动力地质作用进行分类。虽然自然界的工程动力地质作用和现象种类繁多，性质复杂，但就其成因而言，主要是由于作用在地球上的各种力所引起的。因此，尽管过去已有的分类方案很多，且各有其优点，但现在普遍认为：各种地质作用的进一步分类应以其产生和发育的具体作用力为依据，以成因观点研究工程动力地质作用和现象是较为正确的观点。

基于这种观点，B.只.罗姆塔泽对Φ.Ⅱ.萨瓦连斯基的分类作了进一步的补充和发展，见表1-1。南京大学地质系根据地壳表层导致各种地质作用的力为标准，提出了一个较为严密的新的分类体系，见表1-2，以供参考。

第三节 工程动力地质学的研究原则和方法

各种工程动力地质作用都是在自然界存在有一定矛盾的条件下产生的，这些矛盾的普遍存在是产生各种地质作用的必要条件。但是，在地壳表层的不同部位上，工程动力地质作用的性质是各不相同的，即各种工程动力地质作用具有区域性的特点。所以，只有具体地明确各种动力地质作用相互作用的两个主要方面是什么，其物质属性如何，才有可能查明各种作用的发展变化规律。同时也要注意到参与作用的往往是一系列因素，因此，要把各种因素及其对作用的影响一一查明，才能最终查明作用的发展规律。此外，还要注意到各种工程动力地质作用还具有发展的阶段性特点。

在上述总的思想指导下，要坚持充分掌握工程动力地质作用发生、发展的条件，确切认识工程动力地质作用发生、发展的影响因素的原则。

一、充分掌握工程动力地质作用发生、发展的条件

工程动力地质作用发生在地壳表层，也就是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的交界带。在这里，各个圈的作用力（内动力及外动力）相互作用，如果其相对平衡遭到破坏，就会引起工程动力地质作用的产生。具体讲，工程动力地质作用发生、发展的条件如下所述。

1.气候条件

在这里，气候条件主要是指气温变化及大气降水的特点。气温和降水既是外动力的主要营力，也是工程动力地质作用发生、发展的重要条件。

2.地层岩性

任何一种地质作用都是发生在各类岩体之中，离开了具体的岩体，也就无所谓地质作用。因此，地层岩性是地质作用的物质基础，岩体的岩性特征决定着地质作用的种类和特征，如岩溶只有在可溶性岩石中才能产生，而渗透变形则常发生在松散的砂砾石和有充填物的岩石裂隙之中等等。

3.地质构造

由构造运动而形成的各种构造形迹，包括褶皱、断裂等改变了岩体的性状，同时为地下水的运动创造了条件，因此，它是地质作用发生的重要前提条件。

4.地下水

区域的水文地质条件，地下水的分布情况、成分、水力坡降、动态等，对岩体性状的影响及对各类地质作用的发生、发展，都有着十分重要的意义。

5.地貌

地貌本身是在内、外动力作用过程中形成和发展的，因此，各种地质作用的发生和发展都对地貌的形成有着重要意义。而地貌的形成和发展又会反过来影响工程动力地质作用的发生和发展。如陡峻的高山地貌形态是易于发生崩坍作用的有利条件。

在这里必须指出的是：①以上这些条件在地壳表层发展过程中彼此间是相互联系和相互影响的，因此，必须将它们作为一个整体来认识，否则，就难以正确分析各类地质作用的发生和发展，做出正确的评价。②由于这些条件在地壳表层具有分带性和区域性的特点，因此，各类地质作用也具有分带性及区域性的分布规律。分带性是指气候条件的分带性，有纬度气候带及高山气候带；区域性则指地质因素的区域特征。在地壳表层的不同部位上，引起各种动力地质作用的条件及其组合关系是不同的，因而工程动力地质作用的类型、性质也就各不相同。这种地质作用对于一定自然带或区域的从属关系，具有重要的工程地质意义。

二、确切认识工程动力地质作用发生发展的影响因素

仅仅掌握工程动力地质作用发生的条件，对于解决工程地质问题，特别是要有效的采取防治措施是不够的，还必须掌握它们发生发展的规律，这就要求进一步分析促进工程动力地质作用发生发展的影响因素。

影响工程动力地质作用两方面的因素往往是错综复杂的，是一系列的因素。因此，只有把所有的因素及其对作用的影响以及各因素之间的相互关系都查明，才有可能阐明作用的发展规律。例如促进斜坡剥蚀作用发生发展的就有重力作用，风化作用，地表水地下水的冲刷、软化、潜蚀作用，地震作用，新构造运动等等。如果对其中有一个因素没有查明，往往就会使所提供的防护措施不能起到应有的效应。

虽然任何地质作用都是在一定的自然条件下产生，在几种因素同时影响下才得以发展的，但在错综复杂的作用过程中，各种因素所起作用的大小是不一样的，各种因素的不同组合，其结果也往往相差悬殊，因此，要查明各种因素是如何决定或改变相互作用的双方的特性，以致影响整个作用的进程的。在这里要特别注意主导因素以及因素的组合关系的研究。

还必须指出，在影响工程动力地质作用的诸因素中，也包括人类的工程活动，因为它对地壳表层岩体性状的影响与某些自然地质作用是很相似的。在某种程度上，甚至比后者的影响要强烈。它不仅可以引起各种工程地质作用，而且可以影响自然物理地质作用的发生时间和发展速度。因此，当前的人类工程活动已被作为一种积极的地质因素而日益受到重视。

总之，要具体分析各类地质作用产生的条件，全面分析其影响因素，并找出其主导因素，掌握它发生发展的客观规律，以求得正确的评价，提出有效的防治措施。

三、工程动力地质作用研究的主要方法

工程地质学一般是将工程动力地质作用作为影响各种工程建筑物稳定性的不利因素来研究，并具体评价它对工程建筑稳定性的影响程度，为工程设计和防治措施设计提供必要的数据。显然，除了定性的分析外，还要进行定量的评价及发生的时间预报，这就要求有量的概念，即对地质现象要尽可能的以数字表示其特征，并进行量的计算。

为此，其研究的基本要求如下。

1）描述作用的特点、大小、范围。

2）分析作用发生的自然环境、地质条件、作用原因、影响因素、发育和分布规律。分析和确定现代和过去地质作用的特性，预报发生新的工程动力地质作用的可能性，并确定其大小及范围。尽可能用数字表示其作用特性和影响。

3）提出对不良地质作用的合理处理方案和防治措施，并提出设计所需数据。

为满足上述要求，一般采取与工程地质学一致的研究方法，即以自然地质历史方法为主。运用历史地质及自然历史分析方法，探索各种地质作用发生发展的规律，并在此基础上开展模拟试验，用类比法和计算法提出定量评价，为工程建设服务，保证建筑物的经济和安全。

自然历史分析法，是研究工程动力地质作用最基本的方法，这种方法就是一方面分析某一工程动力地质作用形成的条件、各种控制因素，找出其规律性，确定形态特征、规模和边界条件，确定其空间分布特点和规律及与其他动力地质作用之间的关系等；另一方面，根据观察到的一系列现象来分析这一工程动力地质作用的发展过程，区分出发展过程中的各个阶段，以恢复其历史发展过程，并预测目前的状态及发展趋势，以总结其规律性。

通过自然历史分析，我们才有可能对某一工程动力地质作用有一个基本的认识，并作为进一步研究的基础和依据。因此，自然历史分析是研究工程动力地质作用的基础工作，属于定性评价的范畴。

类比法和计算法，都是目前工程地质工作中常用的定量、半定量评价方法。类比法是把已有工程动力地质作用的研究评价经验运用到性质、类型相同，条件相近的新的工程动力地质作用的研究评价中。它虽然也能提供具体的数据，但本质上仍带定性的性质，故常称为半定量方法。很显然，这种方法是比较粗略的，难免出现不同程度的误差。计算法是在对某一工程动力地质作用进行自然历史分析，并查明基本地质条件的基础上，运用各种计算理论和方法，对工程动力地质作用加以计算和分析，以便定量地更本质地掌握这些作用的特点。运用这一方法时，搞清楚该动力地质作用的边界条件，合理运用各项计算参数是非常重要的。在实际计算中，常将复杂的条件作适当简化而化作平面问题处理，因此与实际情况也存在一定的差距。但随着电子计算技术的进步及在工程地质领域中的运用，现在不但可以计算三维（空间）问题，而且还可以计算非均一、非线性的复杂课题。

四、防治工程动力地质作用的原则

由于任何工程动力地质作用的发生和发展都会影响工程建设和人类其他经济活动，因此，对工程动力地质作用提出预防和治理措施，是研究的重要任务之一。

1.预防工作

预防工作是一项积极的措施，特别是对工程地质作用的发生更有重要意义。

为了达到预防的目的，就要认识和遵重客观规律，即必须对地区的自然环境、地质条件、各类作用因素进行调查，并作出全面分析，找出它们之间相互依存又相互斗争的客观规律，尽量使人为预防因素符合客观规律，否则，就产生不良后果。

2.治理原则

治理的具体措施多种多样，但考虑措施的原则，可以归纳如下3条。

（1）针对性原则。着力找出造成该类地质作用的主要原因，针对原因进行治理，使其具有明显的针对性。

（2）全面性原则。充分认识各种作用因素及自然环境和地质条件，全面地采取措施，以求收到良好的效果。

（3）因地制宜的原则。对同一类型的地质作用，应根据其发生的自然环境，产生原因及影响因素的不同而采取不同的措施，不能生搬硬套别处的经验。

复习思考题

1.工程动力地质学研究的对象是什么?

2.什么是工程地质作用?

3.怎样正确理解工程动力地质作用发生发展的条件和影响因素?

4.简述工程动力地质作用的研究原则和主要方法。