地质工程特征与教学综述

地质工程是地质学中直接面向工程应用的一个力学分支，是将地质学理论应用于工程实践的一门学科。它研究的主要目的是人类工程活动与地质环境之间的相互作用，以便正确评价、合理利用、有效改造和完善保护地质环境，即探讨地质体面向工程活动时其力学性能和力学行为，并在此基础上为工程结构的设计和施工提供科学依据。我国的地质工程研究是随着20世纪50年代初大规模建设发展起来的，已经走过了半个多世纪的历程，在理论和实践上都得到了很大的发展，同时加深了对地质工程的学科特点的认识。本文通过对地质工程的学科特点的讨论和思考，分析了关于地质工程的教学问题。

一、地质工程研究对象的特点

地质工程的研究对象主要是赋存在一定的地质环境中的岩体和土体，就属性来说，其属于自然造物，是一种具有工程意义的地质体，是地质历史的产物，其形成是受地质作用支配。同时，作为工程所依存的地质体而言其又赋存于地质系统中，保持着与周围环境间的相互依存和相互作用关系。因此，对地质体的组成、结构、特性和分布，以及发育规律的认识，要求有深刻的地质研究。地质工程是从根本上以地质为基础，以工程应用为目的的动态研究过程，对它的分析需要用发展的眼光，包括地质的规模、动力模式、演化规律等。工程地质体是复杂的，其演化过程也是复杂多变的，这种复杂性主要体现在以下几点：

(1)研究对象的复杂。系统的复杂性源于地质体是特殊的开放复杂巨系统。

(2)实践手段的复杂。为解决复杂的现实的工程问题采取的工程手段复杂多变，并且多具有不完善、与地质体相互作用的复杂关系等。

(3)地质体内在的复杂性。地质体内部是复杂的，其演化过程包含大量的相互关联、相关影响、相互作用，甚至有时是牵一发而动全身，对地质体内部来说，它的演化本身是统筹兼顾的，全面协调发展的。

(4)地质工程系统是开放性的，其演化过程具有能量积累与能量耗散，与其赋存环境不断地发生着交换关系，这又影响着系统的演化行为，同时地质工程系统具有自我调节能力，当环境发生变化时，系统对其接受到的信息进行反馈，进而相应的调节自身结构，实现对赋存环境的适应性。

(5)系统具有时间属性，包括工程时间尺度，地质时间尺度，工程时间尺度只关心其工程运营期间的稳定性，属于短时间的尺度问题。对于地质时间尺度来说，工程失效是肯定的，这是地质历史演化的必然性。

(6)存在着控制性条件。控制的涵义是系统关键性制约因素，控制的过程就是借助不同形式、不同载体的信息运动进而实现物质运动和能量的交换。在地质工程的系统观中可把地质体演化分为两种类型，一种是前进型演化，演化过程即为有序性增加的过程，其演化的最终结果是地质体的工程失效；一种是后退型演化，演化过程即为降低有序性的过程，其结果是地质体能保持其稳定性，这也是我们进行工程处理的目的，阻止正向演化甚至是让地质体反向演化。

由于上述特点，使得目前的地质工程研究正处于一个瓶颈阶段，这主要体现在：

(1)地质工程学界所用的分析模型多是线性的，这些线性模型虽然能在一定程度上描述地质体变形的发展，但无法表现地质体的本质特征，不能进行定量的描述；

(2)大量的理论研究与现场工程实践脱钩；

(3)缺乏对工程地质体特殊性的思考，轻视了对地质工程问题的整体性理解，而追求高精度的数值计算，将大量的精力、财力和时间用在复杂而繁琐的数值计算上，使得研究成果与实际问题有很大偏差。

因此，尽管地质工程研究取得了很大进展，但由于地质体的复杂性、多样性及工程本身的复杂性、差异性，出现了大量的新问题，对工程地质学的研究提出了新的更高要求。

这也体现在社会对地质工程的需求上，例如：

(1)随着城市化、工业化发展进程加快，不得不在极其困难的工程环境中开发建设巨大的工程项目，而大大缩小了对环境的选择空间，如我国在对大西北和大西南开发中所面临的问题；

(2)人类自身活动对环境的影响，例如过量抽取地下水引起的区域性地面沉降等不恰当的工程作用引起了灾难性后果等。我国大规模建设的开展、城市化进程的加速，特别是科学发展观的贯彻，无疑直接加重了地质工作人员的社会责任，要求探讨在可持续发展机制的形成中寻求地质工程研究新的定位。基于目前理论落后于实际及社会需要不断提高的现状，我们必须从地质工程对象实际出发，以系统概念和系统思想为指导，结合数学分析和力学分析，依靠原型的监测资料的反馈，走理论分析和经验分析的道路。

二、地质工程的定位

由地质工程的定义可知，其是联结地质研究和工程应用之间的桥梁，是工程建设的基础。工程活动内容决定着对地质体的要求级别，也确定了地质工程认识程度；反过来，地质体的赋存环境和工程适应性也决定了工程活动的程度。工程活动和地质体研究之问是通过地质工程研究实现的(图1)。由于地质工程的直接服务对象是工程活动，所以在地质工程的研究也体现在各种工程实践中(表1)。正是由于地质工程研究分布于各个与之相关领域的专业中，不同行业的发展不同，技术标准和分类级别不同，在相关教学活动中的要求也不同。地质工程研究需要回答工程活动所面临的问题，并建立相应的数学框架。然而，由于工程地质对象的复杂性，使得各种因素量化很难具有精确的意义，这也导致对地质工程问题的判断往往更具有现实意义。Terzaghi在土力学研究中指出，无论天然的土层结构是怎样复杂，也无论我们的知识与土的实际条件之间存在多么大的差距，我们必须利用处理问题的艺术在合理的造价前提下，为土工结构和地基基础问题寻求满意的答案。有位教授亦曾指出，学好土力学，不仅要学到教授们懂得知识，更重要的是要知道他们不知道什么。将掌握的知识与未知领域的判断结合起来，才能进行正确的工程判断与处理。关于地质工程的判断在处理工程活动中的重要性，刘建航院士诠释为：理论导向，实测定量，工程判断，检测验证。理论推断是工程判断的依据。尽管在很多情况下，理论分析的结果只能定性理解，但它在工程决策中起着导向作用，是不可替代的；实测定量是尽量将这种理论的推断赋予量化的特征，而检测验证除了对工程的信息化作业方面的意义之外，更是工程经验积累的资源。

三、地质工程的教学思考

1．地质工程的教学方式

在20世纪30年代，我国著名的地质学家李四光就提出了在地质研究中必须把地质与力学结合起来。作为地质学的分支学科，地质工程必须运用地质力学与地质历史相结合的方法，其中地质力学研究是地质历史分析的基础，地质历史分析是地质力学分析的综合。将对工程研究对象——地质体研究融合在力学分析之中使得地质和力学紧密结合起来。地质工程的教学步骤和方式应分为以下4个方面：

(1)野外地质认识。通过野外地质教学对地质工程对象进行感性认知，并在此基础上实现初步的抽象分析，探讨相应的地质模型。

(2)理论分析。在对地质特征进行数学力学分析时，采用简单的弹塑性力学、流变理论和强度分析等知识将地质工程对象抽象为理想化的物理模型，并进行一定程度的预测。

(3)实验教学。实现对理论分析结果的检验，同时借助简单方式分析用数学力学分析显得十分复杂甚至无能为力的地质对象，并且这种方式还能在实验中激发想象力。

(4)机制探讨。将野外地质认识和实验结果结合起来，解释地质现象，进而得到和积累相应的工程判断。

2．地质工程的教学思维

由于地质工程涵盖的内容广，信息量大，不同的地质问题有不同的思维方式和表述方式。针对具体的问题选用合适的思维和表述方法十分必要的，这需要对地质工程有深厚的理解和丰富的经验以及正确的思维方法。如何在教学中将正确的思维方法和经验准确、灵活地传播是非常重要的。这就需要在教学过程在学生大脑中形象地建立起地质工程的基本概念、理论模型、各种物理、力学场量及其之间的关系。关于地质工程教学的特点和培养人才的方式已经有了较多的探讨，并总结出了很多有意义与可行的教学方案。这里主要谈谈笔者对教学思维训练的几点看法：

(1)在教学课程中使用必要的动态图像，从而准确、生动地演示和表现地质工程问题，通过对动态图像的讲解，使学生能形象地了解地质体的结构、物理和力学性质随时问、空间、作用历史的变化而变化的规律和过程，同时可有效地传递地质工程知识和经验，进而将解析分析问题的能力和数理逻辑思维的能力准确地传递给学生，提高其思考与分析问题的能力和素质。

(2)在教学中使用形象化语言，例如在讲述地质工程认识过程时，可用白居易的诗词作为辅助阐述，“千呼万唤始出来，犹抱琵琶半遮面”，尽管对工程对象进行了多方位的思索和测试，但我们的认识仍仅是复杂问题的一部分，这是缘于我们身在其中。在讲述地质调查手段时，可用中医的医理“望、闻、问、切”进行说明，将地质体视为病人，地质工作人员则为医生，“望”和“闻”即对地质体的表象观测，对应的地质调查阶段，“问”是亦为调查的一种方式，“切”则是由现象向机理研究的必要手段，就如号脉一般。

(3)在教学过程中，加深认识，实行分组做报告的方式进行探讨，实现互动交流，从而使思维在碰撞中进发出新的火花，这也有利于培养学生自己和团队(小组)成员之间的合作意识及集体完成任务的能力。

本文在分析地质工程特点基础上思考了地质工程专业教学问题。目的是通过地质经验、理论和试验的结合实现素质教学。