论工程地质中的场及其多场耦合

阙伟斌王曙斐

阙伟斌王曙斐

松阳县鼎力建筑工程有限公司浙江省丽水市323000

摘要：对于工程地质中的场与其多场耦合方面的作用分析项目近年来受到了很大的关注，也将研究推向了一个新的阶段；在这方面的课题研究中内容庞杂，归纳起来主要是对场的概念、工程地质中的场的含义、常见分类、多场耦合作用的途径与方法等；到目前来看，在这方面已经取得了初步的成果，为了使这些问题更明确与清晰化。

关键词：工程；地质；场；多场耦合；

在工程地质领域中，有关场及其多场耦合本身是一个十分复杂的问题，需要不断探索和研究。就场的概念、工程地质中场的内涵和种类、多场耦合以及相关理论与方法作一探讨。

一、概述

场的概念通常应用于物理学，常见的有电场、磁场等；以物理学界为准，将其定义为电、重力、磁效应存在的空间；其中，引力场通常指其中能够探测到引力、质分布相关的一个空间区域等。不同的词典也会给出不同的定义，不同的研究者也会给出不同的概念，但综合起来集中于空间、力或磁或电这些要素方面；具体也是物质、运动、时空三位一体的基本本形式，也可以将其理解为各元素作用的一个结果呈现；而工程地质中的场牵涉较多，主要包括应力场、温度场、污染场、变形场、重力场、渗流场、结构场等；从归纳的角度来看，可以划分为基本场、作用场、耦合场三个大类；基本场是地质体结构场；作用场是地质体结构场开放地质环境中所受到的所有场的总称，它包括上面所说的各种场；而应力场以地球重力作用为中心，细分中还有亚场，而且在不同的作用场下也会产生各自的应力场。

二、地质体结构场、变形场分析

1.在地质体结构场方面，它的特征主要体现在物质组成、组织结构、物理状态三个层次上，对应的内容为原生矿物等、料度与结构连接特征等、含水率与密度及比重等；都非常具体且可以通过数据来获得深入分析；从形成方面看，皆是多场耦合作用的结果，而且表现出不断变化的流动性特征。

2.除了这些在物质基础与桥梁方面，地质结构体的各种作用场也会出现交叉性，比如物质基础与桥梁方面就明显体现出既是耦合场又是作用场的特性；主要的原因也呈现出客观性，主要是来自于不断演化地结果，以及新结构场的不断出现，而且存在时间与空间差异，因此，就产生了这种重叠、交叉、共有性，按照推论法它可以推算到无穷无尽；第三，在变形场方面，它也是多场耦合作用的结果或者称之为外在表现；这是因为在每一个表现形式上，都会以单元变形的形式进行表达或者呈现；需要注意的是，这种变形也可能会是破坏性质的变形；集中于结构变化、结构应力应变等方面的影响，它也是基本的物理场，通过它可以构建起相关的多场耦合模型。

三、多场耦合分析中的相关课题

1.加强对地质体结构场的研究，地质体结构场具有自然属性，经过了漫长的地质历史时期演化而来。它是一个开放的系统，受到岩石圈、大气圈、水圈、生物圈的共同作用，在应力场、温度场、渗流场、化学场等多场作用下，其物质组成和结构形态十分复杂，且均在地表以下，具有很强的隐蔽性，仅依靠肉眼观察是无法掌握其演化过程的，必须依靠先进的技术手段，才能剥茧抽丝般地掌握多场作用机理和规律。而目前对地质体结构场中很多地质现象从定性的角度还难于掌握，如边坡变形导致的滑坡过程，深部岩体的物理状态等，因此在这样的认知背景下，建立各种多场耦合模型，常常会闭门造车，与地质体结构场的真实情况严重脱节，最终变为数学游戏，无法应用推广。因此，在本文中将地质体结构场作为一个作用场，与其他作用场一起耦合分析，目的是想阐明在建立多场耦合模型时，要在真正掌握了地质体结构场的物理性质及其演化规律的基础上，首先要建立单一作用场与地质体结构场间的真正耦合，然后再建立多个作用场的耦合模型，使多场耦合模型真正能够模拟地质体结构场的演化规律。只有正确掌握了物性变量的时空变化，才能正确建立多场耦合模型。

2.加强大尺度的和原位多场耦合的试验。建立多场耦合模型，必须搞清楚地质体结构场中渗流、应力、温度、溶质运移场等两两场之间的相互作用关系，然而，目前一些耦合模型建立中，作用场之间的关系通常是建立在cm级或m级的小比例尺室内模型试验基础上的，这种试验实际上是将地质体作为一种材料属性来研究的，与现实中地质体的自然属性相差很远，据此建立的耦合模型同样脱离现实，无法应用。如在渗流场与应力场非线性耦合作用研究时，仅用适合于试验的有效应力原理来处理渗流与应力之间的相互作用关系，实际上只考虑了渗透静水压力的作用，而没有考虑渗透动水压力的作用，这与实际情况有很大出入。因此，必须尽量减少试验中的尺寸效应，多开展大尺度的和原位的多场耦合试验，并结合对地质体结构场的认识和地质现象规律的掌握，确定场之间的相互作用关系。

3.获取足够的准确的参数和数据。由于地质体结构场的复杂性和隐蔽性，物性指标和过程数据的获得常常异常困难，有些参数依目前的技术手段还难以获取。如深部岩体的地应力数据，地质结构体的各种计算所需模量和参数等，还无法在原位准确获取，只能通过在实验室中对一些地质材料的试验分析估算获得，而这常常与实际的地质体性质相差很远。另一方面，对地质过程的数据获取更是困难。过程数据的动态性、实时性和长期性对监测技术的要求更加苛刻。如获得黏性土滑坡的蠕变数据，需要高精度，长期稳定的、耐久的和实时的监测设备。对于深部岩土体的过程数据监测更是难上加难。因此，加强相关测量和监测技术的研发和应用，是保证多场耦合模型能够准确反映地质体结构场演化的关键课题之一。

4.加强多学科的联合与交叉。工程地质是一个复杂的系统工程，既具有自然属性，又具有人为属性，一般研究的工程地质体规模又大，面积又广，因此在现有的条件下通常无法对某些现象进行实体模型试验。因此，与其他相关学科如计算机科学、环境科学、地球物理等的联合，善于吸收一些最新的研究成果来开展工程地质多场耦合分析尤其必要。如计算机虚拟环境模拟开发技术，就能在计算机中模拟工程地质的多场作用;光电传感监测技术能够分布式获得工程地质的多场信息;3S技术的应用能够遥测和遥感地质体结构场的多场信息等。因此，可以说工程地质学也是一门大科学工程，多场耦合分析需要各种相关学科的联合与交叉。

四、分类研究说明

搞清楚十种耦合关系之后，即可以通过数学图形的形式将工程地质中常见的场进行分类，并做出耦合关系图谱，比如，在渗流场、应力场、温度场、化学场四大场方面，就可以表述多耦合关系，并且互相作用，而其中这四个都会通过相关联的联系系与地质体结构场发生联动，共同构建起一个工程地质中的场及多场耦合关系。另外，通过这些初步的说明与解析可以看出，在这方面的研究课题还非常多，获取数据与参数的方法还有很多可能性，所以，需要更多的人才投入其中，并设置与其相关的多种课题展开具体的探讨。

结束语：

在分析了工程地质中的场及其多场耦合方面的问题之后，应该认识到空间、物理作用、自然物质三种属性的统一性与辩证性；另一方面，对于基本场、作用场、耦合场的大类分型应该有一个正确的认知，并对地质体结构场中的相关特征进行精准定位与分析，认识到既是耦合场又是作用场的交叉特性及相关的具体实物；另外，应该对边界、域、双向、单向、直接与间接、同质与异质等等类型进行细致划分与清楚界定，并搞清楚其间存在的关系。

参考文献：

[1]尚开洋.工程地质岩组与岩体质量分级在岩石工程中应用对比.2016..

[2]伍法文.论工程地质中的场及其多场耦合.2017.