工程地质 VS 岩土工程--教学笔记

昨天在朋友圈惊闻著名工程地质力学专家张倬元教授去世。虽然从没跟张教授见过面，但对他却从未感到过陌生，因为自从学生时代就开始读他的那部《工程地质分析原理》并受益匪浅。今天斗胆谈谈工程地质学和岩土工程到底什么关系。

首先说说岩土工程中岩石力学和土力学之间有什么区别和联系。

岩石和土都是工程地质材料。工程地质材料和混凝土等“人造”的材料的最大不同就是它的不可选择性。像金属材料，混凝土材料可以事先很准确的测出它们的各种力学参数，在分析它们的变形，破坏，稳定性时，可以相对容易得到满意的结果。而地质材料中的岩石和土是天然形成的材料，每个工程问题面对的地质材料性质都不同，而且很难准确测量它们的物理力学性质。所以岩土问题要比机械结构问题更加复杂。

之所以把岩石和土放在一起，所谓岩土不分家，是和它们的地质成因分不开的。岩石和土在历史上由于地质因素是互相转化的。即使这样，它们的物理力学性质还是有很大的不同，以至于形成了两个不同的学科：岩石力学，和土力学。其实是两套人马在从事不同的研究。就国际期刊而言，所谓岩土四大杂志Geotechnique，ASCE, CGJ, S&F 其实主要发表土力学相关论文，岩石力学论文估计不会超过10%。而岩石力学的顶级期刊RMRE, IJRMMS根本不发土力学的论文。岩石力学和土力学都研究自身材料的变形问题，破坏问题，和渗流问题。但岩石的变形和破坏主要是由其微观/细观结构包含很多微小的裂纹（孔洞）而引起的损伤发展造成的。断裂损伤力学和岩石力学结合紧密。而土的变形破坏问题也是由于土微观结构，比如颗粒间相对位置的变化和颗粒破碎引起的塑性变形造成的。土的critical state就是这么定义的。但在土中是很难定义什么是裂纹的。

在研究土和岩石的本构时，我们知道在塑性力学中将应力和应变一类能够直接测量得到的量成为外变量（简称变量），还引进了一些不能直接测量，但能反映材料结构的不可逆变化的量，成为内变量。内变量也是一种宏观的量，例如等效应变，塑性功等。土的屈服强度是随内变量的增加而变化的， f(I1, I2, I3, H)=0; 塑性势函数也是应力状态的函数 g(I1, I2, I3, H)=0。这其中 H 是硬化参数，一般是塑性应变的函数，在不同的本构模型中他常被假设为塑性应变功，所以H 是内变量。硬化参数H 因为它是塑性应变的函数，而塑性应变实质上反映了土中颗粒间相对位置的变化和颗粒破碎的量，即土的状态和结构发生了变化的情况。因此硬化参数H实际是图的状态与结构变化的内在尺度，从宏观上影响土的应力应变关系。

如果屈服函数和塑性势函数相等f=g，成为相适应流动法则，它能满足经典塑性理论要求的材料的稳定性，能保证解的唯一性，其刚度矩阵[D]ep是对称。如果f=/g，成为不相适应流动法则，它不能满足经典塑性理论要求的材料的稳定性，不能保证解的唯一性，其刚度矩阵[D]ep 是非对称的。在增量弹塑性模型中的dλ可通过屈服准则，流动法则和硬化规律来推导。研究土的本构问题其实主要就是在找屈服准则(f)，塑性势函数(g)， 和硬化参数H。

相对土的本构，岩石的弹塑性本构通常都会引入损伤变量(D)，这是因为岩石的塑性也是由岩石的微观结构决定的，那就是岩石包含很对细小的裂纹或孔洞，可以用损伤变量来描述。而岩石的损伤同样是不可逆的。所以在岩石的本构模型里，损伤变量通常也是塑性应变的函数，也是个内变量，这和土本构模型里的硬化参数H有异曲同工的作用。

可见岩石力学和土力学虽然有很多不同，但它们的本构研究方法有很多地方是相似的，需要互相学习。那么工程地质学呢？在我看来，从力学的角度分析，工程地质学是涵盖岩石力学和土力学的，因为地质材料本身就是由岩石（岩体）和土构成的。其实土力学和岩石力学教材最前面也是先介绍岩土材料的地质成因，物理性质等，只是不太深入，而这部分恰恰是工程地质重点研究的内容。相应地，工程地质学教材里从力学角度研究岩土材料的力学性质也并不深入。但工程地质勘察是工程地质学的特色。除此以外，工程地质学和岩土工程（包括岩石力学和土力学）的研究内容绝大部分都是重叠的。这从国际工程地质学报《Engineering Geology》上的文章内容就能看出来，大部分论文其实都是岩土相关的论文。所以随着先进检测手段不断在岩土材料中得到应用，以及伴随着电子计算机技术的快速发展带来的数值计算（结合材料本构）的精益求精，工程地质学也会进一步发展以至于将来会和岩土工程（岩石力学，土力学）统一起来，这是必定的趋势。