第六节
地质工程的研究方法

地质工程的研究方法是与其研究内容相适应的。总的来说，主要有自然历史分析法、数学力学分析法、模型模拟试验法和工程地质类比法等。

一、自然历史分析法

自然历史分析法是地质工程研究中最基本的一种方法。地质工程所研究的对象——地质体和各种地质现象，是在自然历史地质过程中形成的，而且随着所处条件的变化，还在不断发展演化着。所以对动力地质作用或建筑物场地进行工程地质研究时，首先要做好基础地质调查工作，查明自然地质条件和各种地质现象以及他们之间的关系，预测其发展演化的趋势。只有这样，才能真正查明所研究地区的工程地质条件，并作为进一步研究工程地质问题的基础。如对斜坡变形与破坏问题进行研究时，要从形态研究入手，确定斜坡变形与破坏的类型、规模及边界条件，分析斜坡变形破坏的机制、影响因素，以展现其空间分布格局，进而分析其形成、发展演化过程和发育阶段，从空间分布和时间序列上揭示其内在的规律，预测其在人类工程经济活动下的变化，为深入进行斜坡稳定性工程地质评价奠定基础。又如研究坝基抗滑稳定性问题时，必须先查明坝基岩体的地层岩性特点、地质结构及地下水活动条件，尤其要注意研究软弱泥化夹层的存在和岩体中其他各种破裂结构面的分布及其组合关系，找出可能的滑移面和切割面以及他们与工程作用力的关系，研究滑移面的工程地质性质，以作为进一步研究坝基抗滑稳定的基础。

二、数学力学分析法

数学力学分析法是在自然历史分析法的基础上展开的，对某一工程地质问题或工程动力地质现象，根据所确定的边界条件和计算参数，运用理论公式或经验公式进行定量计算。例如在斜坡稳定性计算中通常采用的刚体极限平衡理论法，就是假定斜坡岩土体为刚体的前提下，将各种作用力以滑动力和抗滑力的形式集中作用于可能的滑移破坏面上，求出该面上的边坡稳定系数作为评价的依据。为了搞清边界条件和合理地选用各项计算参数，需要进行工程地质勘探、试验等，有时则要耗费大量的人力和财力。所以除大型或重要的建筑物外，一般建筑物则往往采用经验数据类比进行计算。

由于自然地质条件比较复杂，在计算时常常需要把条件进行适当简化，并将空间问题简化为平面问题来处理。一般的情况是，先建立地质模型（物理模型），随后抽象为数学模型代入各项计算参数进行计算。当前由于现代电子计算技术的发展，各种数学、力学计算模型越来越多地运用于工程地质领域中。弹性力学和弹塑性力学理论的有限单元法也日益广泛地应用于斜坡稳定性、坝基抗滑稳定性、地面沉降及水库诱发地震危险性等的分析计算。这种方法在计算空间问题、非均一、非线性的复杂问题时更显示出它的优越性。此外，模糊数学、数量化方法、灰色理论等的引入，为工程地质定量评价开辟了新的途径。

三、模型模拟试验法

该方法可以帮助我们探索自然地质作用的规律，进一步揭示工程动力地质作用或工程地质问题产生的力学机制、发展演化的全过程，以便我们做出正确的工程地质评价。有些自然规律或建筑物与地质环境相互作用的关系可以用简洁的数学表达式来表示；而有些数学表达式则十分复杂且难解，甚至因不易发现其作用的规律而无法用数学表达式来表示，此时，模型模拟试验法就十分奏效。进行模型模拟试验除了要有工程力学、岩体力学、土力学、水力学、地下水动力学等理论指导外，还必须有量纲原理和相似原理作指导。

根据试验所依据的基础规律与实际作用的基础规律是否一致，可以区分模型试验与模拟试验，例如用渗流槽进行坝基渗漏试验，是属于模型试验的方法，因为试验所依据的是达西定律，与实际控制坝基渗漏的基础规律相同。

在地质工程中常用的模型试验有：地表流水和地下水渗流作用、斜坡稳定、地基稳定、水工建筑物抗滑稳定、地下洞室围岩稳定、煤层顶底板采动破坏等工程岩土体稳定性试验。常用的模拟试验有光测弹性和光测塑性模拟试验、模拟地下水渗流的电网络模拟试验等。

图1-3为成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的TLJ500型土工离心试验平台，它采用全新“一体化吊篮”设计，有效负载达到1.2t，振动时最大离心加速度达100g，最大振动加速度达32g，最大速度达0.75m/s，有效模型体积达到0.44m ³ ，是此前同类设备的4倍以上，可模拟地震原型体积达到了44m ³ 。

四、工程地质类比法

工程地质类比法（又称工程地质比拟法）是一种常用的工程地质研究方法，具有简单、实用等特点，可用于定性评价，也可用作半定量评价。它是将已有工程建筑物的各种工程地质问题的评价经验运用到自然地质条件大致相同的、拟建的、同类建筑物中去进行对比，从而为拟建工程的评价和设计提供参数的一种方法。显然，这种方法的基础是相似性，即自然地质条件、建筑物的工作方式、所预测的工程地质问题都应大致相同或相似。它往往受研究者的经验所限制。由于自然地质条件等不可能完全相同，类比时又往往把条件加以简化，所以这种方法是较为粗略的，一般适用于小型工程或初步评价。

在地质条件复杂地区，勘测工作初期资料缺乏时，常采用工程地质类比法对工程地质问题进行分区和作出相应的工程地质评价。但是，由于这种方法的不定量性及其经验性、地区性强的特点，加之在以往的使用中大多是通过对一两个或少数因素的对比，从而得到标准数据，因此其研究结果十分粗糙，常与实际地质情况出入较大，所提供参数指标的可靠度自然不高，严重地影响了工程地质类比法的使用。编者曾把模糊数学中相似优先比的原理及有关模糊性度量应用于工程地质类比中，不仅可以弥补以往工程地质类比法中由于经验性和地区性等人为因素造成的影响，而且能使评价从定性分析走向定量化，为拟建工程提供比较可靠的设计指标。

随着地质工程行业的快速发展，地质工程技术也在不断变化和革新，具体从技术层面来看，主要包括地质体勘查评价技术、地质体试验测试技术、地质体改造和控制技术三部分。具体来看，有如下技术手段：

（1）地质勘查技术。包括主量元素测定、稀土元素测定、同位素测定、矿物包裹体分析、重力勘探、磁法勘探、地震勘探、电法勘探、地震CT技术、地质雷达等。

（2）实验室岩石力学试验技术。包括单轴常规岩石力学测试、三轴常规岩石力学测试岩石硬度、抗剪和抗拉强度测试、蠕变实验、声学测试、CFS试验技术等。

（3）现场岩体力学测试技术。包括岩土体原位测试技术、位移反分析技术等。

（4）数值分析技术。包括适用于分析岩体渐进破坏和失稳及模拟大变形的三维数值分析软件FLAC3D等。

（5）监测技术。包括GPS技术、RS技术、全站仪和其他各种监测仪监测等。

（6）信息分析技术。包括GIS技术、位移时空综合分析技术等。

（7）改造技术。包括多功能锚固、注浆、反馈动态设计等。 xlLUQhD+tdQLUENBy4YkO8V55k8HpOXHWFR8lg1KPQT31retbzaIHL9vmzrZoJnp