山风工作室 （sea3000@gmail.com）　2008.09.30 12:42:24

王昌益

蓬莱国土资源局

根据力学定律来进行的工程地质勘探方法叫工程地质勘探的力学方法，而根据作用学原理进行的工程地质勘探方法叫工程地质的作用学方法。

1.力学对作用与变形关系的认识和工程地质勘探的力学方法

工程地质勘探的力学方法建立在力学关于“作用与变形之间关系规律”认识的基础上。力学关于作用与变形之间关系规律的认识是：1作用与变形之间的关系就是力与变形之间的关系，其关系遵守胡可定律。胡可定律认为弹性变形量(伸长量)x与力F的大小成正比，即

x=-kF.

式中，系数k叫弹性系数。很显然，这种变形与力之间的胡克关系是人为规定的，而不是作用与变形之间的天然关系。所以，式中的k系数不是受作用体的自然系数，而是人为规定的系数，它并不反映受作用体的某种天然性质。根据作用学，

k=-∫₀^t[(v+∫₀^tFdt/m)dt]/F.

式中，v等于受作用和变形位移点（或受作用面）与受作用物体之间的关系变化初速度；m是受作用点（或受作用面）的质量；t是作用或变形时间。很显然，k并不是一个常数，而是一个变量。2在胡克定律基础上，力学建立了应力-应变理论。根据应力应变理论，力学认为，产生极限变形时的作用应力就是材料的抗变强度，只要通过实验获得极限应力值就可以确定材料的抗变能力，就可以选择工程材料。即，只要确保所用材料的抗变强度[σ]与拟建工程所受作用的实际应力σ之间的关系满足不等式

σ＞[σ]

的要求就满足工程要求。在工程地质的地基勘探中，只要确定地基的承载应力（也叫承载能力）[σ]远远大于建筑物的实际下压应力σ的值就满足工程要求。在此基础上，再结合经验进行勘探和施工工作。然而，根据作用学，在实践中我们也经常发现，虽然实际作用应力σ很小，远远小于工程构件的抗变强度[σ]值，但是，随着时间的推移，工程构件仍然有非常巨大的变形量生成，照样也会使工程构件破坏。根据力学，构件的使用寿命是无法预测的。由此可以看出，在力学理论存在很大科学缺陷。但是，工程地质的力学方法也就是在这种力学理论基础上确立的。目前，工程地质勘探的力学方法仍然是指导人们从事工程地质勘探工作研究的主导方法。

在工程地质勘探中，根据地质学来确立地质与构造、水文地质特征、评价地基稳定性等工作是缺少不了的，在此不进行过多讨论。就地基力学性质的勘探问题而言，目前，人们在力学理论指导下所进行的工程地质勘探工作方法与程序可简叙为：钻进—标贯实验（或静压试验等）—取土—室内实验研究—理论分析—编制工程地质报告—交验审查—修改—提交报告。其中，野外钻探、进行标贯试验和取土、室内进行史研究是工程地质勘探力学研究的主要内容与程序。这几项研究的主要任务是研究地基的承载能力、确立持力地层，评价地基的稳定性、均匀性。根据力学和经验所确立的勘探规范和工程要求，勘探研究最终定量确立一个满足要求的地基持力地层，并指出适合要求的地基建筑材料、建筑结构和形式的定量指标。然而，力学存在缺陷，在力学基础上所进行的工程地质力学研究是否科学？我们不得不提出疑问。根据作用学，工程地质力学研究至少存在如下缺陷：野外实验（主要是标贯实验）与室内实验主要确定力与变形量、承载力之间的关系，不研究作用与变形之间的关系，至少缺少作用、变形、时间之间的关系参数，不合客观规律，难以满足工程建设需要。

2.作用学对作用与变形关系的认识

作用学认为，力与变形之间的关系不等于作用与变形之间的关系。因为，作用现象叫作用，作用现象的量叫作用量，记为A；瞬间作用产生的作用量（或单位时间产生的作用量）叫做力，记为F。因此，作用量与力之间的关系是

A=Ft或F=A/t.

t表示作用时间。因此，作用与变形之间的关系式是

x=∫₀^t(v+A/m)dt=∫₀^t[(v+∫₀^tFdt/m)dt].

弹性位移x值由外作用量A和弹性恢复作用量A_R两个作用量产生.而弹性恢复作用量等于弹性恢复作用力对作用时间的积分。即，

A_R=∫₀^tRdt.

因此，弹性恢复变形位移量x与作用量A和阻碍作用量A_R之间的关系式是

x=∫₀^t(A+∫₀^tRdt)dt/m.

根据作用学关于作用的对立统一规律，弹性阻碍作用量A_R与作用量A之间的关系式是

A_R=TA=(1-E)A.

式中，T叫受作用物的实度，E叫受作用物的虚度。实度是指受作用物体内的密实度，不可侵犯程度，不可变程度，抵抗外作用的抗变程度等状态特征；虚度是指受作用物体内的松散程度，软弱程度，可变程度，对外作用的无力抵抗程度等状态特征。虚度和实度都是表示物体状态的自然参数。虚度与实度之和等于1.即，

T+E=1.

根据物体变形与其受作用和其虚实度性质之间的关系规律，还可以进一步得

x=∫₀^t(A+∫₀^tRdt)dt/m

=∫₀^t(1-T)Adt/m

=∫₀^tEAdt/m.

因此，作用学认为，工程地质勘探的关键任务是确立地层的虚度或实度参数。

根据作用学，地基承载力不仅决定于地基地层本身的性质，还与作用在其上的建筑物性质有关。要使拟建工程建筑物稳定，一般要求地基的实度T等于建筑物的实度[T].这就要求建筑物对地基受作用面形成的作用量等于地基对建筑物形成的反作用量。即，要求

A=-A_R=Mgt.

因此，在实践中，人们可以通过调整地基受作用面积的方法来调整建筑物与地基地层间的相对虚实度的当量关系。例如，当建筑物对地基产生的作用量等于Mgt，地基持力层对建筑物的阻碍作用量是0.65Mgt，作用面积是s,持力层的实度是T时，地基不稳定，为使建筑物稳定，将建筑物与地基持力层的接触面积增大为S,并确保不等式

0.65MgtS/s≥Mgt或0.65S≥s

恒成立。只要在勘探基础上设计的地基基础面积为S≥s/0.65即能确保地基稳定。这就提出一个问题：怎样通过勘探方法来确定地基持力层的实度与建筑物的作用实度之间的当量关系呢？

3.作用学的工程地质勘探方法

根据作用学，地基受作用时产生反作用力（或阻力）的大小决定于地基地层的实度（或虚度）性质。因此，在地基勘探中必须通过对地基地层进行作用来确定其实度（或虚度）值。即，根据作用学关于地层的实度等于地层对静压或动压钻具的阻碍作用量与其作用量之间的比值，我们可以直接测试确定地层相对于钻具的实度值。即

T₁′=A_R/A.

由于钻具与建筑物的实度有所不同，所以，地层相对于钻具的实度并不等于地层相对于建筑物的实度。因此，取得地层相对于建筑物的实度后还必须将其换算为地层相对于建筑物的实度。

根据地基地层的物质密度ρ、作用钻具的作用物质密度ρ₁、建筑物对地基作用的物质密度ρ₂、地基地层相对于钻具的实度T₁′、地基地层相对于建筑物的实度T₂′五者之间的关系规律，可以直接换算建筑物相对于地基地层的相对实度值。其换算关系：地基地层相对于钻具的实度是

T₁′=ρ/ρ₁=A_R/A；

地基地层相对于建筑物的的实度是

T₂′=ρ/ρ₁.

所以，

T₂′=ρ/ρ₂=ρ₁T₁′/ρ₂.

如果通过勘探发现地基持力层相对于建筑物的实度值[T]=[T₂′]＜1,那么，我们就必须增大地基与建筑物之间的接触面积，或增大地基的埋藏深度。

总之，作用学的地基勘探与分析方法比较简单。其方法与步骤可归结如下：

1测定地基地层相对于测定工具的相对实度；

2换算地基地层相对于拟建建筑物的相对实度；

3换算拟建建筑物与地基持力层之间的接触面积大小；

4为建筑设计与施工提出合理化建议。

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