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精准滑坡灾害防治的三个地质力学研究方面与关系 精选

已有 4071 次阅读 2017-5-14 14:42 |系统分类:教学心得

精准滑坡灾害防治的

三个地质力学研究方面与关系

岳中琦

滑坡灾害是,在重力、水、气等内外载荷力作用下,自然或人造稳定斜坡地质岩土体的变形、破坏、失稳与运动所造成的。滑坡灾害的现代地质力学研究,就是要建立、建全和完善各种科技方法与理论,来精确模拟、计算和预测斜坡(或边坡)地质岩土体的力学响应与破坏规律,以达到精准地质灾害预防和治理的目的。



根据当今滑坡灾害研究内容,可将滑坡灾害的地质力学研究划分为三个方面。它们是,理想地质体滑坡力学研究、已知地质体滑坡力学研究、和未知地质体滑坡力学研究。

第一个方面,理想地质体滑坡力学研究。

它首先把斜坡地质岩土体的复杂力学行为(如,力与变形的关系),用极其简单、理想化的、假设的力学模型进行替代。这些理想地质体模型有,刚体、弹性体、塑性体、脆性体、流变体、或粘弹性体模型等。在一种理想模型基础上,建立相关的力学方程与理论,来计算这个理想地质体斜坡在相关外力作用下的响应或破坏。这些力学理论包括刚体力学平衡、极限平衡、弹性力学、塑性力学、断裂力学和粘弹性力学等静、动力学理论。由此,人们可将此理想斜坡体在外力作用下的响应,用于预测或代表实际地质斜坡体在相同外力作用下的响应。

多年来,在牛顿力学理论、重力与水作用基础上,人们已经建立了一些这样的理想斜坡稳定性分析和滑坡运移的基本理论和方法。它们是滑坡灾害理论分析的基石,极其重要。最著名和广泛应用的理论是斜坡稳定性条柱极限平衡法,来计算斜坡的安全系数。它是大学斜坡工程课的基础。现在,相关研究依然活跃。这方面研究的精髓是解析、定量和精确。计算方法有解析法、半解析法和数值法。

第二个方面,已知地质体滑坡力学研究。

人造斜坡的岩土体条件应该是已知的、是按照设计进行施工建造的。因此,组成人造斜坡的地质岩土体和它们的基本力学行为是已知的。因此,可利用、选择相关、对应的理想地质体滑坡力学研究成果和理论,来研究某幅人造斜坡的稳定性、滑坡力学行为和灾害。

自然斜坡是大自然在千百万年的地质历史时期形成的。这个详细形成建造过程难以被人们认识和知道的。并且,组成斜坡空间的地质体是难以全面地被人用肉眼、仪器、开挖或钻孔等方法透视、看穿和掌握。因此,人们对世界各地的斜坡地质体进行了大量调查和研究,建立了多种科技方法和手段来定量探测地质体岩土物质、内部结构和空间分布。经过大量、长期的相关岩土工程实践、滑坡调查、斜坡加固工程,人们对各地区的主要斜坡地质岩土体的破坏模式积累了丰富的经验和认识。同时,一幅斜坡的空间场地是相当有限。从而,人们对这些斜坡地质体的主要和重要力学破坏因素和行为,已经有了相当的认识和了解。

例如,香港滑坡灾害的发生,主要是因强降雨水渗透到风化花岗岩土或火山岩土组成的、稳定性较低的自然或人造斜坡。特别地,如果风化土中存在软弱粘土薄层或具低抗剪强度的原始节理或断层面,这个斜坡就更容易发生滑坡。另外,由松散或低压实度填土组成的斜坡遇到雨水浸入也容易发生滑坡灾害。

因此,在很多情况下,人们主要在研究,已知主要造成滑坡灾害因素或规律的、某幅斜坡地质体的具体滑坡力学行为和滑坡灾害防治。在场地勘察资料的基础上,在相关已知主要滑坡因素和规律认识的指导下,人们研究任务主要是建立(考虑了这些已知主要斜坡地质体破坏因素的)这幅斜坡场地的理想地质体滑坡力学模型。之后,再选择、利用相关的、对应的理想地质体模型的力学理论,来定量分析、计算和预测这幅斜坡的滑坡力学行为和破坏规律。

这方面研究是当今工程地质、岩土工程、岩石力学研究的主要工作和内容之一。大量基础工程实践都需要进行这样的研究工作。这方面研究的精髓是精细勘察斜坡场地地质体资料,充分认识和掌握主要滑坡因素,建立符合实际的斜坡地质体力学模型。这方面研究的特色是实践出真知,按照设计建造或加固的工程斜坡长期稳定的考验和检验。

第三个方面,未知地质体滑坡力学研究。

1994年和1995年,香港岛分别发生了观龙楼和柴湾翡翠道滑坡事件,均导致人员身亡。这两幅人造斜坡曾经多次被岩土工程人员调查和审查,均认为它们稳定性安全符合标准,不会发生滑坡。但是,他们在强降雨时候还是发生了滑坡灾难。原因或许在于,根据过去经验建立的已知地质体斜坡力学模型与实际地质体斜坡力学行为不一致。可见,每次滑坡事件都是一次斜坡不稳定和滑坡的自然试验。进行滑坡事件调查可获得第一手经验和认识,增进对斜坡稳定性和滑坡机理的了解,发现新的、未知的造成滑坡的主导因素或规律。

因此,这第三方面的滑坡力学研究,就是要研究,某一场地(区域)未知的造成滑坡主导因素或规律的地质体滑坡力学行为。详细滑坡事件调查与研究是导致我们认识这个或这些未知的滑坡主导因素的主要途径。这方面研究至少存在三重困难。

第一重困难是详细、全面、客观的实际地质和滑坡资料的获取。在很多情况下,我们所获取的实际地质和滑坡资料仅仅是部分详细的。同时,未知因素,在经过不断研究与认识后,变得越来越隐蔽和难寻。这导致我们认识不到这些未知的因素或规律。第二重困难是相关人员的专业素质、能力和知识。这可导致我们把斜坡地质体的滑坡破坏力学行为,归化为已知的主导滑坡因素(或综合因素)所造成的。并且,用已知地质体滑坡力学研究理论和方法,也能够让人分析、解释和接受这次滑坡灾害事件。这样,这种可能存在的、未知的主导滑坡因素也就被忽视了,被当作不存在了。第三重困难是前人对过去类似滑坡事件已经有了合理的解释,后人对新滑坡事件也就跟随过去的调查、研究方法进行调查、研究。这样,就可以得出相类似的、大家都认为合理的、可以接受的已知的主导滑坡因素、原因或成因与机理。

由于这三重困难,我们一些可能具有原始创新特征的科学发现、技术创新和科学理论也就难以产生了。我们也就能跟着前人学、跟着前人做、跟着前人想。或者,我们也可以再提出一些新的专业科学术语,但是它们常常是令人难以理解的、空洞的、无法测量的、或无法建立力学模型进行定量计算的。

在科学网博文“经典土力学理论的根本局限性和灾难性后果”http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-836715.html中,我指出和论证了经典土力学理论是压剪土力学理论。但是,它却被它的创建者运用于斜坡稳定性安全分析,忽视了斜坡中的拉张应力分量和工况。包括我在内的不少后辈工程师,都跟着这些经典土力学创建者学、跟着他们做、跟着他们想。这导致了一些符合安全标准的工程人造斜坡的失稳和滑坡,造成了灾难性的后果http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-838492.html

因此,我们在地质体滑坡调查和力学研究中,需要耸人听闻、意想天开、奇思妙想,更需要详细、全面和客观。我们要通过大量现场调查图片、视频及室内外测试得到的翔实数据,对比数值模拟结果,并结合相关滑坡案列,真实地展现滑坡情景。再层层深入、抽丝剥茧地逐一论证、分析了诱发滑坡的可能与不可能因素,最后推定滑坡成因的最大可能性和主导因素。

如果这一主导因素是以往不被人们所注意的,是未知的,那么我们就有可能突破传统理论和经验的认识范围,更上一层楼,进入一个新的境界。科学研究就是要弥补和消除因知识认知不足而导致的各种灾难,这也正是所有科技者的努力和奋斗的方向。这样才可达到精准滑坡灾害防治。

第四,三个方面研究的相互关系。

上述三个方面的地质体滑坡力学研究是相互关联的、相互作用、缺一不可。理想地质体滑坡力学研究给我们提供了滑坡成因和机理的定量理论基础和信心。已知地质体滑坡力学研究给我们理想地质体滑坡力学研究认识和成果提供了实践、考验和检验,也给出我们未知地质体滑坡力学研究提供了前人已知导致滑坡因素与范围。未知地质体滑坡力学研究给我们理想地质体滑坡力学研究带来了新的理想地质体滑坡力学模型,可让我们建立新的理想地质体滑坡力学理论、测量技术和计算方法。同时,它们也为已知地质体滑坡力学研究提供了更多的可能导致滑坡的因素、理论分析和技术方法。从而,更有利、更有力和更合理地进行滑坡灾害防治。

这或许也就是,国家和政府乐意提供不少科研经费,让我们大学教员和科技人员进行滑坡灾害防治研究的原因之一。

2017年5月14日(母亲节)12:40写成于港大602办公室





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