引言
1992年6月联合国在里约热内卢召开了环境与发展大会,明确了可持续发展战略,期望通过世界各国的共同努力,切实解决环境与发展问题。在短短的10多年时间内,这种战略就得到全世界各国的普遍接受,这是前所未有的。许多思想家、政治家、科学家、企业家、工程师、建筑师为此作出了不懈的努力,根据已出现的一些生态环境问题,提出了一系列的思路和办法,如生态工业、清洁生产、生态农业、绿色食品、生态城市、绿色建筑等。工程地质工作者,也应顺应时代潮流,作出及时的反应和努力。可持续发展战略的核心是解决“人与自然”的关系和“人与人”的关系,以求得平衡、求得和谐。前者属自然科学,后者属社会科学。工程地质的研究是解决“工程与地质”之间的关系,以求得平衡、求得和谐。工程是人为事物,地质是自然事物,因此,工程地质学的研究也就成为解决“人与自然”的关系和“人与人”的关系的组成部分。在人类解决这种关系时,要认识自然、利用自然,按自然规律办事,保护人类赖以生存的环境。这是人类的永恒主题,不管将来的社会将发生什么样的“革命”或什么样的“经济”,这是不会改变的。但在不同时代有不同的发展问题,到工业时代,随着生产力的发展,科学技术的进步,城乡建设得到了快速的发展,但对自然环境也造成了很大的破坏,人类在享受科技成果所带来物质文明的同时,也付出了沉重的代价,如资源短缺、能源紧张、生态失衡、环境恶化,等等,遭到了自然界无情的惩罚和报复,受害的还是人类自己。可持续发展战略就是在这样的情况下提出来的,对此,我国非常重视,及时制定了《中国21世纪议程》,把可持续发展战略作为基本国策,要求在生产和生活的建设中,要充分利用自然条件,节约资源和能源,避免环境的破坏和污染,减少和利用建设中的垃圾,尽可能做到“零排放”,实现循环经济。以下就建筑工程地质研究中的一些问题提出个人某些看法。
一、区划
区划是地学中的基础研究,为某一部门和专业服务的区划是应用基础研究,为工程服务的工程地质区划,即区域工程地质或工程地质分区,属于应用基础研究,基础研究和应用基础研究都是原始创新,是孕育新技术的土壤。早在20世纪50年代,我国就进行了区域工程地质的研究,在地质部门,是综合的,如刘国昌、姜达权等的论著。在铁道部门,是部门的,如郑象铣的编著。在建筑部门,区域工程地质也有很好的发展,有两个方面:第一,在编制规范规程方面,那时为了建设大西北,我们在编制《湿陷性黄土地区建筑规范》(以下简称“黄土规范”)时,就进行了湿陷性黄土的区域工程地质的研究,通过不同地区的实地调查和室内外的试验,从气候、地貌、地层、水文地质、动力地质和土的物质成分、组织结构、物理力学性质等多学科进行了综合分析,建立起不同类型、不同等级的区域系统,即建筑工程地质分区,亦称建筑工程地质区划,为编制出符合我国实际情况的“黄土规范”提供了基础资料和科学认识,如兰州、西安两地的湿陷性黄土,湿陷系数虽有差别,但都不大,而两地出现的湿陷性灾害则显著不同,这种现象,只有从区域系统的地质成因及其物质成分、组织结构、物理力学性质等进行综合分析,才能明白。因此,区域系统的建立,开拓了人们的认识和思维,由此孕育出了不同的湿陷类型及其他若干有地方特色的防治技术。这项成果还概括成简图和简表列入“黄土规范”的附录中,向湿陷性黄土地区的建设者,提供了宏观的先导性的认识和资料。在以后“黄土规范”的历次修订中,都对这个简图和简表进行了研究、完善和扩展,至今继续随时代发挥积极的作用。之后,我们在20世纪60年代编制《工业与民用建筑地基基础设计规范》和《黄土地下建筑技术条例》,70年代编制《膨胀土地区建筑技术规范》,80年代编制《软土地区工程地质勘察规范》时,都进行了建筑工程地质区划的研究,都及时为这些规范的编制,提供了符合我国实际情况的基础资料和科学认识,实际效果是显而易见的;第二,在城建方面,在20世纪50~60年代就开始城市工程地质图及其区划的编制,在80年代又进行了新一轮的编制工作,有些城市还随时代试着建立城市工程地质数据库。这些基础性工作,对我国城市化进程起到了很大的促进作用。总结这个发展历程,使我们认识到,建筑工程地质区划的研究是很有前途的,它不仅有实际的需要,而且建立在区域科学的基础上,地学具有鲜明的区域性,是区域科学的组成部分,每个大大小小的区域都有自己的地质发展史和现状。建筑工程地质区划就是研究区域工程地质的地质发展史和现状,为未来的工程建设提供科学的认识和资料。把一般的土工指标,放到区域地质背景下考察和判断,会对土的工程地质特征有进一步的认识,能更好地因地制宜,达到好的效益,因此,建立更加完善的区域建筑工程地质体系,加强这类项目的应用基础研究,以满足可持续发展的需要,完全是必要的。同时,在研究方法上要注意,目前已进入信息时代,信息网络、电子显微镜、人工智能等的先进技术,已在许多行业使用,用这些先进技术来研究区域工程地质,建立工程地质信息系统,即工程地质数据库,也是发挥区域工程地质的更大作用所不可缺少的。
二、规划
规划通常称为基本建设的龙头,规划需要基础资料才能做,基础资料愈科学愈详细,规划也就会做得愈合理愈实用。建筑工程地质区划是做基础资料的综合分析工作,实际上是在做规划的基础工作,区划可称得上是龙头的龙头。建筑工程规划是在一定区域内,根据社会的需求,研究制定出建筑工程的发展目标,以及为实现此目标所需要的对策和技术经济的能力,也就是说规划是对自然、社会、经济三者之间协调,达到整体的效益。我国是多山的国家,大多数城市和乡村都分布在低阶地上,而低阶地是宝贵的可耕地,这就占据了大量的可再生的良田,显然这是人类历史遗留的产物,那时的耕地和居住地的矛盾还不突出,随着人口的增加,这种矛盾就显现了。现在,从可持续发展战略看,不管是区域规划、城市规划和村镇规划,都不应该去占良田,要让出肥沃的耕地,用荒漠的不宜耕种的土地去搞建设才对,较高的阶地和丘陵,甚至低缓的山地,都将成为新的建设用地。实际上,许多的城乡建设都这样做了,如西北的黄土地区和西南的红土地区,这就节约了大量的土地资源。但我们也应该明白,由于建设用地的变化,使我国在建设中的地质灾害就增多了,因为丘陵山地与低阶地相比,前者的工程地质条件远比后者复杂得多,有更多的自然的和人为的地质灾害,如滑坡、崩塌、地裂缝、泥石流等,给建设工作带来了许多新问题,这就需要工程动力地质学的知识和研究成果来支撑,以保证既节约土地又能顺利建设。地下空间的利用,在世界上发展很快,它既能节约土地,又能节约能源,还有军事用途等。我国利用地下空间有悠久的历史,传统的黄土民间窑洞在广阔的黄土地区到处可见。现在,全国的地下仓库、地下人防、地下管道、地下交通等工业与公共建筑也不少,今后还有更大的发展。由于它的发展也会带来一些地质灾害问题,如地面沉降、地面塌陷、坑道涌水、洞口稳定等,也需要工程动力地质学的知识和研究成果来支撑。因此,要使可持续发展的规划能够顺利实施,提高工程动力地质学的水平,加强对地质灾害的发生、发展规律的认识,使地质灾害的判别、评价、监测和防治等工作,能正确而有序地进行,是非常重要的。规划是建设的前期工作,选择的余地大,对地质灾害要尽量避开,规划得好,对后期工作影响很大,好的规划对后期工作可以事半功倍。
三、勘察
勘察是认识自然,与自然共处的前提,是客观反映建设的环境。按照国家规定,任何工程建设不做勘察工作就不准设计,这就明确了勘察工作的地位和重要性。为确保勘察工作的有序和质量,建设部门都组织编写了许多进行勘察工作的规范规程。但这些规范规程是研究和实践经验的总结,是技术文件,属于理论性的成果,当用这些技术文件去解决实际问题时,既有遵守的一面,又有根据鲜活的实际情况,创造发展的一面,两者是对立的统一。优秀的工作者,总是在已有成果和经验的基础上不断创新再创新。我国的国土辽阔,有960万km 2,受三大阶梯和海陆位置的共同影响,构成了三大自然区,即东部季风区、西北干旱区和西南高寒区,工程地质条件复杂多变,区域工程地质的研究成果,会提供许多新的线索和启示,供人们去发现新规律、发明新技术。勘察工作需要对建筑场地作地貌地质的调查,但更需要按设计的要求进行测试工作,提供岩土的物理力学参数。目前的测试技术是多种多样的,并且发展很快,可供人们选择和代替的机会增多,没有代替就没有经济学,用代替来提高效益,这是普遍存在的。岩土的承载力参数是建筑地基评价中最基础的参数,目前,可靠的测试技术是压板试验,也就是载荷试验,因为它与建筑地基的实际工作条件相似,试验结果比较符合实际,而其他测试技术的试验结果,距实际较远,如动力触探、静力触探、标准贯入、横压试验、取土试验等。但做载荷试验比较笨重,费时费力费钱,相反,其他试验技术就比较轻便,省时省力省钱。能不能既轻便又可靠呢?是可以的,这就要在同一个工程地质条件下做载荷试验,与其他各种试验的对比研究,建立它们之间试验数据的关系,从而获得代替,取得效益。我们在进行我国膨胀土地基承载力研究时,曾在我国膨胀土的区划和分类的基础上,做这样的试验,得到了代替,这项成果被列在1992年我国的《工程地质手册》中。随着现代科学技术的高速发展,新技术、新材料、新工艺的不断涌现。勘察工作要在需求的基础上,尽快地应用它们,做不断地代替工作,这方面的潜力是很大的,如电测技术、传感器技术、遥感技术、微电脑技术等。
四、设计
设计是综合技术,选择的空间大。首先要尊重自然,按自然规律办事,挖自然的潜力,按照国家的规定,没有设计就不准施工,设计的地位和重要性是很明确的。设计一般分为可行性研究、初步设计、技术设计和施工图设计等阶段,构思由概括到具体,对工程地质情况的了解也是分相应的阶段,由浅入深,这样的程序是完全符合认识规律的。可行性研究阶段要确定建筑场地位置,这是一个战略性的选择,工作的好坏,对后面的工作影响很大,在选择中,工程地质条件的优劣,特别是地质灾害的有无,是重要的考虑因素。初步设计是建筑的总图设计,主要在选定的建筑场地上思考,也可称为场地设计或景观设计,这个阶段要选定各种建筑物和构建物的位置,要做土方挖堆的移动和平衡,原始地貌会有变化,将呈现新的景观。技术设计是针对各种建筑物和构筑物的,地面建筑要考虑建筑物基础与地基的相互作用,地下建筑要考虑围岩与衬砌的相互作用,达到结构整体的协调,满足功能的使用要求。地基的评价和计算,围岩的评价和计算,都是很复杂的问题,至今尚未得到满意的解答,原因是自然地质体的性质太复杂,用纯数学力学很难完全表达。目前在建设的规范规程中所提供的评价和计算方法,虽然它们都是多年科学研究和实践经验的总结,可供当前使用,但它们都是经验的或半经验半理论的,经验要继续积累,理论要深入研究,从概念模型、物理模型到数学模型,走模型论的道路,会是一条前进的大道。施工图设计,如果采用的是天然地基,那就简单多了,只做工程地质的验槽就行了。但在用地紧张的城市,要建高层建筑,才能容纳众多的人口,天然地基已不能满足要求,要做人工地基。这就要做改良地基的设计,即地基处理的设计。地基处理的方法很多,比较可靠的方法是桩基法,但桩基一般比较昂贵,费时费力费钱,就是桩基法的本身也分好多种方法,至于其他的地基处理方法那就更多了,加上上部建筑物的形式和结构的多样性,下部地基条件的复杂多变性,再加上施工设备和技术水平的适应性或局限性,这许多可考虑的因素,使地基的处理方法,能选择和代替的余地都很大,做得好收益很大,做得不好浪费也很大。好的地基处理,不仅能节约人力物力,而且可以利用废弃的污染物,如用工业废料的粉煤灰等材料制成挤密桩,城建废料的碎砖瓦块等垃圾制成夯实桩等,能提高软弱地基的承载能力,变废为宝,节约土地,改善环境。地基设计和处理的方法或多或少是独一无二的,个性很强,科学讲共性,艺术讲个性,地基的设计和处理,既有科学又有艺术,要有以地学和力学为主的多学科的知识,并且有综合分析的判断能力,才能把工作做得更好。
五、施工
施工是要把设计的设想落实到实处。场地的工程地质的情况,经过勘察,做出了工程地质的预测资料,但预测也不是没有意外,有时甚至要做补充勘察,因此,在施工阶段,工程地质的监测工作仍是不可缺少的,特别是要做地基处理的工程。目前,在施工过程中,可用的测试方法有,岩体应力、土压力、孔隙水压力、建筑的沉降和水平位移,深层土的垂直和水平位移,等等,可选用它们的一种或数种,监控施工时的质量和安全,检验勘察和设计的合理性,如此做,不仅对工程直接有利,而且总结了经验,对今后的岩土工作大有好处。施工是实际的操作活动,要组织劳动大军和动用各种设备和机具,这些活动会影响甚至破坏自然和人类的环境,这是不可避免的,但要使其影响或破坏能够降低到最低程度,如不要破坏肥沃的土地,保证地表径流的通畅,施工用水不能乱流,建筑垃圾要收回利用或作妥善处理等,要有环保意识,做到清洁生产,文明施工。
六、运营
运营即物业管理,许多建筑物建好了,使用了,但远未到达寿命周期就遭到破坏,不能使用了,原因固然很多,但主要是使用不当。对建筑物及其周围的环境缺乏了解,不知道,与建筑物相互作用的自然地质条件,是一个开放的复杂体系,受外界的影响很大,如在我国有广泛分布的湿陷性黄土地基,最怕的是水的浸湿,水浸湿到哪儿,哪儿地基就下沉,使位于其上的建筑物产生裂缝、破坏,过去这样的湿陷灾害出现不少,所以对湿陷性黄土地基的管理,最主要的是水的管理问题。又如膨胀土地基,虽然也是由水引起的问题,但它更是敏感的土类,能够随干湿季节的变化而变化,产生反复的胀缩变形,有自己的管理特点。再如冻土地基,主要受温度的影响和控制,也有自己管理的特点。因此,对居民普及建筑工程地质的科学知识是很有必要的,提高居民的自我保护意识,使大家认识到,自己的家园,自己爱护。
参考文献
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建设部.1992.软土地区工程地质勘察规范.北京:中国建筑工业出版社
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刘国昌.1959.中国工程地质分区原则.水文地质工程地质,(7)
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翟礼生等.1990.中国膨胀土地基承载力的选用.全国首届膨胀土科学研讨会论文集.成都:西南交通大学出版
(本文原载:《 工程地质学报》,第12卷(增刊),北京:科学出版社,2004年10月,560~563页)