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地質(zhì)工程是地質(zhì)學中直接面向工程應用的一個力學分支，是將地質(zhì)學理論應用于工程實踐的一門學科。它研究的主要目的是人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的相互作用，以便正確評價、合理利用、有效改造和完善保護地質(zhì)環(huán)境，即探討地質(zhì)體面向工程活動時其力學性能和力學行為，并在此基礎(chǔ)上為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供科學依據(jù)。我國的地質(zhì)工程研究是隨著20世紀50年代初大規(guī)模建設(shè)發(fā)展起來的，已經(jīng)走過了半個多世紀的歷程，在理論和實踐上都得到了很大的發(fā)展，同時加深了對地質(zhì)工程的學科特點的認識。本文通過對地質(zhì)工程的學科特點的討論和思考，分析了關(guān)于地質(zhì)工程的教學問題。

一、地質(zhì)工程研究對象的特點

地質(zhì)工程的研究對象主要是賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境中的巖體和土體，就屬性來說，其屬于自然造物，是一種具有工程意義的地質(zhì)體，是地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，其形成是受地質(zhì)作用支配。同時，作為工程所依存的地質(zhì)體而言其又賦存于地質(zhì)系統(tǒng)中，保持著與周圍環(huán)境間的相互依存和相互作用關(guān)系。因此，對地質(zhì)體的組成、結(jié)構(gòu)、特性和分布，以及發(fā)育規(guī)律的認識，要求有深刻的地質(zhì)研究。地質(zhì)工程是從根本上以地質(zhì)為基礎(chǔ)，以工程應用為目的的動態(tài)研究過程，對它的分析需要用發(fā)展的眼光，包括地質(zhì)的規(guī)模、動力模式、演化規(guī)律等。工程地質(zhì)體是復雜的，其演化過程也是復雜多變的，這種復雜性主要體現(xiàn)在以下幾點：

(1)研究對象的復雜。系統(tǒng)的復雜性源于地質(zhì)體是特殊的開放復雜巨系統(tǒng)。

(2)實踐手段的復雜。為解決復雜的現(xiàn)實的工程問題采取的工程手段復雜多變，并且多具有不完善、與地質(zhì)體相互作用的復雜關(guān)系等。

(3)地質(zhì)體內(nèi)在的復雜性。地質(zhì)體內(nèi)部是復雜的，其演化過程包含大量的相互關(guān)聯(lián)、相關(guān)影響、相互作用，甚至有時是牽一發(fā)而動全身，對地質(zhì)體內(nèi)部來說，它的演化本身是統(tǒng)籌兼顧的，全面協(xié)調(diào)發(fā)展的。

(4)地質(zhì)工程系統(tǒng)是開放性的，其演化過程具有能量積累與能量耗散，與其賦存環(huán)境不斷地發(fā)生著交換關(guān)系，這又影響著系統(tǒng)的演化行為，同時地質(zhì)工程系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)能力，當環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)對其接受到的信息進行反饋，進而相應的調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對賦存環(huán)境的適應性。

(5)系統(tǒng)具有時間屬性，包括工程時間尺度，地質(zhì)時間尺度，工程時間尺度只關(guān)心其工程運營期間的穩(wěn)定性，屬于短時間的尺度問題。對于地質(zhì)時間尺度來說，工程失效是肯定的，這是地質(zhì)歷史演化的必然性。

(6)存在著控制性條件。控制的涵義是系統(tǒng)關(guān)鍵性制約因素，控制的過程就是借助不同形式、不同載體的信息運動進而實現(xiàn)物質(zhì)運動和能量的交換。在地質(zhì)工程的系統(tǒng)觀中可把地質(zhì)體演化分為兩種類型，一種是前進型演化，演化過程即為有序性增加的過程，其演化的最終結(jié)果是地質(zhì)體的工程失效；一種是后退型演化，演化過程即為降低有序性的過程，其結(jié)果是地質(zhì)體能保持其穩(wěn)定性，這也是我們進行工程處理的目的，阻止正向演化甚至是讓地質(zhì)體反向演化。

由于上述特點，使得目前的地質(zhì)工程研究正處于一個瓶頸階段，這主要體現(xiàn)在：

(1)地質(zhì)工程學界所用的分析模型多是線性的，這些線性模型雖然能在一定程度上描述地質(zhì)體變形的發(fā)展，但無法表現(xiàn)地質(zhì)體的本質(zhì)特征，不能進行定量的描述；

(2)大量的理論研究與現(xiàn)場工程實踐脫鉤；

(3)缺乏對工程地質(zhì)體特殊性的思考，輕視了對地質(zhì)工程問題的整體性理解，而追求高精度的數(shù)值計算，將大量的精力、財力和時間用在復雜而繁瑣的數(shù)值計算上，使得研究成果與實際問題有很大偏差。

因此，盡管地質(zhì)工程研究取得了很大進展，但由于地質(zhì)體的復雜性、多樣性及工程本身的復雜性、差異性，出現(xiàn)了大量的新問題，對工程地質(zhì)學的研究提出了新的更高要求。

這也體現(xiàn)在社會對地質(zhì)工程的需求上，例如：

(1)隨著城市化、工業(yè)化發(fā)展進程加快，不得不在極其困難的工程環(huán)境中開發(fā)建設(shè)巨大的工程項目，而大大縮小了對環(huán)境的選擇空間，如我國在對大西北和大西南開發(fā)中所面臨的問題；

(2)人類自身活動對環(huán)境的影響，例如過量抽取地下水引起的區(qū)域性地面沉降等不恰當?shù)墓こ套饔靡鹆藶碾y性后果等。我國大規(guī)模建設(shè)的開展、城市化進程的加速，特別是科學發(fā)展觀的貫徹，無疑直接加重了地質(zhì)工作人員的社會責任，要求探討在可持續(xù)發(fā)展機制的形成中尋求地質(zhì)工程研究新的定位?；谀壳袄碚撀浜笥趯嶋H及社會需要不斷提高的現(xiàn)狀，我們必須從地質(zhì)工程對象實際出發(fā)，以系統(tǒng)概念和系統(tǒng)思想為指導，結(jié)合數(shù)學分析和力學分析，依靠原型的監(jiān)測資料的反饋，走理論分析和經(jīng)驗分析的道路。

二、地質(zhì)工程的定位

由地質(zhì)工程的定義可知，其是聯(lián)結(jié)地質(zhì)研究和工程應用之間的橋梁，是工程建設(shè)的基礎(chǔ)。工程活動內(nèi)容決定著對地質(zhì)體的要求級別，也確定了地質(zhì)工程認識程度；反過來，地質(zhì)體的賦存環(huán)境和工程適應性也決定了工程活動的程度。工程活動和地質(zhì)體研究之問是通過地質(zhì)工程研究實現(xiàn)的(圖1)。由于地質(zhì)工程的直接服務對象是工程活動，所以在地質(zhì)工程的研究也體現(xiàn)在各種工程實踐中(表1)。正是由于地質(zhì)工程研究分布于各個與之相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)中，不同行業(yè)的發(fā)展不同，技術(shù)標準和分類級別不同，在相關(guān)教學活動中的要求也不同。地質(zhì)工程研究需要回答工程活動所面臨的問題，并建立相應的數(shù)學框架。然而，由于工程地質(zhì)對象的復雜性，使得各種因素量化很難具有精確的意義，這也導致對地質(zhì)工程問題的判斷往往更具有現(xiàn)實意義。Terzaghi在土力學研究中指出，無論天然的土層結(jié)構(gòu)是怎樣復雜，也無論我們的知識與土的實際條件之間存在多么大的差距，我們必須利用處理問題的藝術(shù)在合理的造價前提下，為土工結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)問題尋求滿意的答案。有位教授亦曾指出，學好土力學，不僅要學到教授們懂得知識，更重要的是要知道他們不知道什么。將掌握的知識與未知領(lǐng)域的判斷結(jié)合起來，才能進行正確的工程判斷與處理。關(guān)于地質(zhì)工程的判斷在處理工程活動中的重要性，劉建航院士詮釋為：理論導向，實測定量，工程判斷，檢測驗證。理論推斷是工程判斷的依據(jù)。盡管在很多情況下，理論分析的結(jié)果只能定性理解，但它在工程決策中起著導向作用，是不可替代的；實測定量是盡量將這種理論的推斷賦予量化的特征，而檢測驗證除了對工程的信息化作業(yè)方面的意義之外，更是工程經(jīng)驗積累的資源。

三、地質(zhì)工程的教學思考

1．地質(zhì)工程的教學方式

在20世紀30年代，我國著名的地質(zhì)學家李四光就提出了在地質(zhì)研究中必須把地質(zhì)與力學結(jié)合起來。作為地質(zhì)學的分支學科，地質(zhì)工程必須運用地質(zhì)力學與地質(zhì)歷史相結(jié)合的方法，其中地質(zhì)力學研究是地質(zhì)歷史分析的基礎(chǔ)，地質(zhì)歷史分析是地質(zhì)力學分析的綜合。將對工程研究對象——地質(zhì)體研究融合在力學分析之中使得地質(zhì)和力學緊密結(jié)合起來。地質(zhì)工程的教學步驟和方式應分為以下4個方面：

(1)野外地質(zhì)認識。通過野外地質(zhì)教學對地質(zhì)工程對象進行感性認知，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)初步的抽象分析，探討相應的地質(zhì)模型。

(2)理論分析。在對地質(zhì)特征進行數(shù)學力學分析時，采用簡單的彈塑性力學、流變理論和強度分析等知識將地質(zhì)工程對象抽象為理想化的物理模型，并進行一定程度的預測。

(3)實驗教學。實現(xiàn)對理論分析結(jié)果的檢驗，同時借助簡單方式分析用數(shù)學力學分析顯得十分復雜甚至無能為力的地質(zhì)對象，并且這種方式還能在實驗中激發(fā)想象力。

(4)機制探討。將野外地質(zhì)認識和實驗結(jié)果結(jié)合起來，解釋地質(zhì)現(xiàn)象，進而得到和積累相應的工程判斷。

2．地質(zhì)工程的教學思維

由于地質(zhì)工程涵蓋的內(nèi)容廣，信息量大，不同的地質(zhì)問題有不同的思維方式和表述方式。針對具體的問題選用合適的思維和表述方法十分必要的，這需要對地質(zhì)工程有深厚的理解和豐富的經(jīng)驗以及正確的思維方法。如何在教學中將正確的思維方法和經(jīng)驗準確、靈活地傳播是非常重要的。這就需要在教學過程在學生大腦中形象地建立起地質(zhì)工程的基本概念、理論模型、各種物理、力學場量及其之間的關(guān)系。關(guān)于地質(zhì)工程教學的特點和培養(yǎng)人才的方式已經(jīng)有了較多的探討，并總結(jié)出了很多有意義與可行的教學方案。這里主要談談筆者對教學思維訓練的幾點看法：

(1)在教學課程中使用必要的動態(tài)圖像，從而準確、生動地演示和表現(xiàn)地質(zhì)工程問題，通過對動態(tài)圖像的講解，使學生能形象地了解地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)、物理和力學性質(zhì)隨時問、空間、作用歷史的變化而變化的規(guī)律和過程，同時可有效地傳遞地質(zhì)工程知識和經(jīng)驗，進而將解析分析問題的能力和數(shù)理邏輯思維的能力準確地傳遞給學生，提高其思考與分析問題的能力和素質(zhì)。

(2)在教學中使用形象化語言，例如在講述地質(zhì)工程認識過程時，可用白居易的詩詞作為輔助闡述，“千呼萬喚始出來，猶抱琵琶半遮面”，盡管對工程對象進行了多方位的思索和測試，但我們的認識仍僅是復雜問題的一部分，這是緣于我們身在其中。在講述地質(zhì)調(diào)查手段時，可用中醫(yī)的醫(yī)理“望、聞、問、切”進行說明，將地質(zhì)體視為病人，地質(zhì)工作人員則為醫(yī)生，“望”和“聞”即對地質(zhì)體的表象觀測，對應的地質(zhì)調(diào)查階段，“問”是亦為調(diào)查的一種方式，“切”則是由現(xiàn)象向機理研究的必要手段，就如號脈一般。

(3)在教學過程中，加深認識，實行分組做報告的方式進行探討，實現(xiàn)互動交流，從而使思維在碰撞中進發(fā)出新的火花，這也有利于培養(yǎng)學生自己和團隊(小組)成員之間的合作意識及集體完成任務的能力。

本文在分析地質(zhì)工程特點基礎(chǔ)上思考了地質(zhì)工程專業(yè)教學問題。目的是通過地質(zhì)經(jīng)驗、理論和試驗的結(jié)合實現(xiàn)素質(zhì)教學。