【转帖】岩土工程系统论

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岩土工程系统论
贾立宏
  
摘要：本文将岩土工程问题视为一个工程系统，从系统论出发，对岩土工程系统进行定义、研究和阐述这一工程系统的概念和性质，将传统的地下工程研究方法提高到系统论指导下来认识和定义。
  
1. 引言
    地下工程科学是一个多学科的综合学科, 由于主要研究对象, 岩土材料复杂的物理性质和其地质结构的复杂性, 又受到现代勘测手段的局限, 使我们无法完全明白的了解地下岩土结构与性质的变化, 所以在这一学科中人们通常所讲的不确定性处处可见, 如果说其它工程材料在力学性质上和结构存在的形式上是白箱的话, 那么岩土作为自然界中的客观存在体--土体和岩土在力学性质上和结构存在的形式上就是“灰箱” , 甚至是“ 黑箱”。岩土工程师们却要在这不确定的主体中进行工程施工，可想而知会遇到多大困难。
    地下工程和建筑工程可以讲从垣古时代是同时出现的，原始人的建筑工程就是地下工程，但建筑力学的发展却远远把岩土力学抛在千里之外。两者如今在各自领域内所享受的地位也有天壤之别，建筑力学对建筑工程的指导可说是起决定作用的，但岩土力学一直在地下工程中仅仅起到定性的辅助的脚色。两者之间如此大的差距原因有两方面，一是建筑力学所研究的建筑材料和建筑结构是人为的、清晰明了的, 即是可视的，而岩土材料和结构是自然赋存的、具有很强的不确定性；二是地下工程在历史上远离都市文明，当各种风格宏伟的建筑显示统治者的威严与权利时，地下工程的主要行业—采矿业无法表现这一切，而且镐头也能适应生产的需要。
    随着生产的发展，地下工程的行业不仅局限于采矿，人们对其的要求不断的增加，岩土力学才日益发展起来。首先人们将主要的精力放在对岩土试块的力学性质的研究上，这种研究习惯当然符合传统的材料力学的研究方式。随着室内岩土试块试验资料的积累，人们也象对待其它材料那样为岩土材料构造一个基本的理论框架—本构关系，这标志着岩土力学被纳入连续介质力学的研究邻域，这一潮流方兴未艾。尤其在五十年代末期，电子计算机的出现，使人们得以将那些为自然的岩土材料构造的人为的本构关系投入应用，从而摇撼了地下工程中人为经验至上的宝座。
    但正如其它学科的发展一样，作为基础学科的岩土力学与地下工程的需求还有相当大的差距，今天的岩土力学理论并不能解决地下工程的大部分力学问题，在实际的工程中，它只能给工程师的设计提供定性的认识，并不能直接参与到工程设计的具体数据中。正是如此，人们对岩土力学的作用表示极大的怀疑。将一切责任推给岩土力学是不公平的，因为从过去到现在，岩土力学从没有保证它能垄断地下工程领域，而实际上它只能从一个方面为地下工程提供服务，虽然这个方面正日益扩大，但也仅此而已。实际上地下工程最重要的不是岩土力学，而是施工过程本身。随着人们对地下工程工艺的连续性和这种连续性所造成效果的积累性的认识，再加之借助岩土力学理论分析，才是推进地下工程发展的有效方法。
    本文的工作是将岩土工程问题视为一个工程系统，从系统论出发，对岩土工程系统进行定义、研究和阐述这一工程系统的概念和性质，将传统的地下工程研究方法提高到系统论指导下来认识和定义。
  
2.岩土工程系统
  
2.1 岩土工程系统定义
    通常的系统定义[1]为：“系统是具有特定功能的、相互间具有联系的许多要素所构成的一个整体”，岩土工程作为一个系统，同样也有类似的定义。
    岩土工程系统（system）首先具有其特定的功能，即在一系列对岩土的开挖工序后，达到某一特定的作用，要么为了得到挖出的矿岩、要么为了利用开挖出的地下空间、要么为了筑坝、要么为了给地面建筑一个坚固的基础。
    
    其次岩土工程系统是由许多要素（element）构成的，这些要素大致包括地质因素、工程工艺因素、地下结构的构成和变化因素、岩土力学性态因素等。这些要素的有机结合形成系统的运动、变化和系统内诸因素及系统外诸因素的信息交流。
    因此可将系统定义为抽象集上的关系：
    其中S为系统（集合）；Vi 为关系的各分量，×为笛卡尔积。或把系统定义为可识别的、独立的各个部分的集合：
    S={Si∈S|i=1,2,3,......,n} (1.2)
    Si为系统的各子系统。
    从地下工程系统的特征，我们可将其划归到半天然系统中，按数学模型来分类，它是一个开放、动态、非线性、离散、不确定性、灰色的复杂系统。
    上面我们给出之所以可将岩土工程视为系统的原因，因为它满足一般系统的定义，除此之外，作为岩土工程系统同样具有一般系统的性质，这一点将在下一节具体讨论。
  
2.2岩土工程系统的性质
    一般系统具有集合性、相关性、阶层性、整体性、目的性、环境适应性等六个性质，那么岩土工程系统的这些性质具有什么特点呢？
    2.2.1集合性
    地下工程的集合性表现在不同学科在系统中的作用。首先，地下工程系统具有工程地质属性，各个地下工程所处的地质条件不同、涉及的地层深度不同、岩土和土体性质不同和地应力大小、方向不同、周围环境不同，工程地质要素是地下工程系统中最基本和最重要的因素。
    岩土的力学性质是这一系统的另一重要因素，它具体决定了工程开挖过程中所能承受扰动的能力如何，这些扰动包括地下空间的出现造成次生应力场及变动；由于开挖引起岩土体软弱面上的突变；地下水影响的扩散。
    工程工艺因素也是系统的重要因素之一，它包括地下工程的设计，地下开挖、充填或加固的方式以及地下结构的形式。
    当然地下工程系统中还有许多要素，例如工程经济因素、环境保护因素等等，作为着重从岩土力学角度来研究问题，上述三个因素是最重要的。
    2.2.2相关性
    地下工程系统要素的相关性是指构成系统要素之间既独立又联系的关系。
    如果讲上述三个要素中前两个是自然因素，是人所无法决定的，那么后一种就是人为因素，是可由人控制的。当前两个自然因素对地下工程系统不利时，就要靠人为因素去调节和控制，达到系统的目的；如果认为前两个因素是静态因素，那么第三个因素就是动态因素。实际上绝大部分岩土工程系统如果没有人工干扰的因素，不论前两个因素如何不利，岩土体一般都保持稳定，正是由于人为的工程干扰打破了自然的平衡才暴露出前两个因素的利与不利，也正是最后一个因素才产生了岩土工程系统，上述三个要素相互依存，又相互独立，形成一个完整的集合。
    2.2.3 阶层性
    岩土工程系统作为一个相互作用的诸要素的总体，它可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构，这就是本系统空间结构的特定形式。通常我们将一个矿山企业整体的工程视为一个系统，在这个矿山企业中矿体赋存方式可将矿山分为几个矿田[2]，这就是第二级系统；由于采矿工艺所决定，又将矿田分为几个井田分别开采，井田在整个系统中属第三级系统；在一个井田的开采中又由运输巷道分为不同的阶段，在每个阶段上按矿块回采、充填，而且在每一阶段中又有通风、运输、拉底等巷道的开挖，它们又时常随工艺的进度变化，如充填、支护、空场的崩落、放矿等；在深基坑开挖过程中也同样，可将整个基坑工程视为一个系统，而基坑降水和基坑的开挖可视为两个同一阶层的两个二级系统，如果还需要进行地基处理，那么地基处理则是该系统二级系统中的第三个子系统，在基坑开挖过程中，如果使用土钉墙支护，那么基坑开挖过程可分为若干个阶段的三级子系统，在各个子系统中，又分为两个阶段：挖土和形成土钉墙，随着系统的运动，这些地下空间的出现、变化和消失又各自成为一个独立的子系统。这些同一层次上的子系统和不同层次的系统在开挖的干扰下相互影响和制约，影响和制约的程度决定于各子系统内部施工方式和各子系统在空间的位置。
    上述系统的层次中存在着动态的信息流和物质流，构成了系统运动特征，为深入研究系统层次间的控制与调节提供了条件。
    2.2.4 整体性
    岩土工程系统的层次性是将系统进行分解的结果，但系统的功能是整个系统作用的表现，所以系统的整体性就是对系统综合考察的结果。各个系统构成总的系统，就如基坑的每一步开挖和形成土钉墙构成一个阶段，各个阶段构成基坑，基坑降水、基坑开挖和地基处理构成建筑基础地下工程系统，而建筑基础地下工程、基础结构和上部结构构成整个建筑工程系统一样，系统越是层次低，就越具体，越是层次高，就越抽象；总系统的功能是由各低层次的子系统的功能综合而来的，系统层次的划分也就决定了功能的划分，在整体功能的基础上展开各要素及其相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。
    另外，系统的整体性与系统各要素有关，对不同层次的系统，具有各自起主要作用的要素，对总的岩土工程系统有我们前面所述的三个要素，但对具体的某一巷道或某一地下空间的开挖，它又有这个子系统本身的要素，如开挖方式、运输方式、每次穿爆的尺寸或开挖的深度、加固方式或支护方式等等。当然低层次系统的要素受高层次系统要素的制约，但它们之间也可相互调节，例如，如果工程所在的地质条件和岩土性质不佳，那么为了达到系统的功能，就要在每个地下空间的开挖过程中选择对岩土扰动最小的开挖方式，减小每次开挖量，加强支护或充填方式，达到整个系统的稳定性。所以我们并不能奢求岩土工程系统中每一个要素都是有利的，实际上也不可能，因为其中许多要素是自然赋存的，如果它们对系统的运动不利，就只有通过那些人为要素去调节不利的自然要素，使系统达到最为满足的程度。
   2.2.5目的性
    通常的系统都具有某种目的，要达到既定的目的，系统就要有一定的功能，而这正是区别这一系统和那一系统的标志。岩土工程系统的目的就是通过对地下岩土体开挖的手段，达到利用地下矿岩或地下空间的目的，但正如前面所述，系统是多层次的，是由更低层次的子系统构成，整体的目的被分解为各子系统的目的，而各子系统的目的为整体的目的服务。例如在采矿工程中运输巷道的开拓和支护的目的是为了矿岩、器材、人员的运输，回风巷道的开拓是为了通风；在深基坑工程中，降水工程是为了保证基槽顺利开挖、支护系统安全和基础垫层质量等等，但每个巷道和基坑的开挖的目的性是为整个系统得到矿岩和为上部结构建筑一个坚固的基础这个目的服务的。所以，对整体系统内各子系统的划分也是由总目的分解为标准的。
    2.2.6环境适应性
    任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，岩土工程系统也同样，它所处的环境首先是地质环境，其次是由于其它岩土工程系统产生变化而影响到本系统的外部环境。由于岩土工程的基本对象岩土材料是物理和几何非线性的，所以岩土工程也就是一个开放的热力学不可逆系统，即它与外界环境的物质交流是不可逆和耗散的。所谓系统的环境实际是相对的，子系统的环境就是包含它的高层次系统的内部区域，因而在整体系统内，一个子系统发生变化就会通过环境影响另一个与它同处一个层次的子系统。当一个基坑开挖后必然对四周环境造成影响，例如，在该基坑周围的建筑物、管线系统和交通系统，造成这种影响的原因是由于深基坑工程系统的各个子系统的结果造成的，降水工程导致周围地下水位的降低，从而使周围结构下的附加应力增加，造成建筑物沉降；基坑的开挖会造成一定范围内次生应力场，这种次生应力场造成基坑周围土体的变形，从而导致周围建筑物的倾斜、管线系统的变形；地基处理的成桩也会对周围环境造成影响，冲击打桩会造成噪音污染和振动冲击波造成周围建筑物开裂，粉喷桩在一些地区可能造成地下水系统的污染等。
  
3.岩土工程系统的运动特性
   前面我们论述了岩土工程系统的一般性质，也就是作为一般系统所必有的性质。但作为岩土工程系统与其它工程系统又有不同。矿业工程系统、建筑工程系统、水利工程系统等都有其各自的目的性和特点，虽然它们都涉及到岩土工程，但与岩土工程系统是交的关系，并非包容关系，所以岩土工程系统作为独立的一个系统有其自身的运动特点。下面着重讨论岩土工程系统的两大特点：系统运动性特点和系统记忆性特点。
  
3.1 运动状态的定义
    岩土工程系统的运动性特征来源于它是一个开放的、不可逆的耗散系统，即系统的变化是一个不可逆热力学过程。原因是岩土材料的变形是耗散型和不可逆性的。如果我们将每一次加/卸载或每一步开挖/充填/支护看成是岩土工程系统在某个空间的一次运动，那么就可将某一时间内系统在这个空间所占据的位置称为这一时刻系统的“构形”。下面我们对岩土工程系统运动的三种基本状态给出定义。
    定义1。
    未被人为工程扰动过的岩土，或新的工程阶段开始前的岩土，称为岩土工程系统的初始构形，其变形场为零。
    岩土工程初始构形的特征之一是它的相对性，即它是相对岩土工程系统的每一次运动而言的，在同一系统中对不同的工程阶段有各自的初始构形。初始构形下的应力场一般称为初始应力场，但它也许是上一个工程阶段的最终次生应力场，或者是从未受人为扰动的原始应力场，所以初始构形的应力场具有绝对性。但初始构形的变形场在任何情况下都设定为零，因为初始变形场是无法测定的。任何岩土工程系统中的变形场都是相对于初始构形而言的，在此系统内不存在绝对的变形场。
    例如在深基坑工程中，未开挖的场地为该基坑工程的初始构形，其地下的应力场为初始应力场，但这个初始应力场可能是这个基坑周围某一个建筑物的基坑开挖后且建筑物沉降完成一定阶段后的次生应力场，对将要开挖的基坑，或将要研究的系统而言它为初始应力场，对已有的建筑物即另外一个系统而言为次生应力场，所以一般岩土工程系统的初始应力场不会为零元素，但分析中，其变形场都设为零。
    定义2。
    岩土工程系统在运动过程中（开挖后）某一状态称为系统的现时构形.
    岩土工程系统开始运动后，即岩土被工程开挖后，系统就处于不断连续的运动中，每一步开挖/充填/支护都是系统的一次运动，就如制作一个动画动作一样，一个连续动作由许多个不连续的画面构成，如果我们突然定格在某一个动作上具体研究它，这个被定格的状态就是系统在这一时刻的现时构形。现实构形最大的特点是构形中所有力学场都是这一时刻前所有的构形力学场向量和的结果，即现时构形受这一时刻前所有构形的影响，同样它也对未来构形有一份影响。后面本文将对现时构形中的一个重要性质----记忆性进行专门讨论。
    定义3。
    岩土工程系统运动的最后稳定状态称为安息构形。
    岩土工程系统达到安息构形的标志是系统实现其功能、达到其目的，或系统运动由于某种人为的或自然的原因结束，而岩土处于稳定状态。也就是说地下工程开挖完毕后，系统经过各个开挖/充填/支护步骤，矿岩得以开采、空区得以处理、所要利用的地下空间交付使用，岩土工程系统随系统运动的结束而结束，或暂时“安息”于静止状态，等待下一次被激活，重新运动。所以安息构形并不一定表示系统的结束，当系统又要达到新的目的时，系统将重新开始启动，又开始另一次从初始构形到新的安息构形的运动过程。安息构形既是岩土工程系统运动的终点，也是系统运动的始点，所以系统的安息构形不是绝对的终止，而是相对的间歇。例如江西德兴铜矿60年代中期至70年代中期进行地下开采就是系统的第一次运动，地采完毕后闭坑，即达到系统预期的安息构形，从80年代中期开始转为上部的露天开采，则将原来的安息构形作为初始构形，再次激活系统，使其进入到另一个运动过程。
    此外，安息构形分为两类，一类是人为安息构形，即人们通过设计和施工使系统达到最后的安息构形；另一类是自然安息构形，即岩土受到工程扰动后由自身的自组织能力，通过破坏的形式，使自己达到稳定。后一种构形是人们不希望出现的。例如当岩土中洞室形状的轴比不合适时，围岩就产生破坏，这种破坏的目的是使洞室形状的轴比与地应力比值接近，使围岩进入自然安息构形中的稳定[2]。但在地下工程中并不希望出现这种情况，而是通过人为设计，在岩土不产生破坏的情况下达到稳定，这就是系统进入人为安息构形。
    安息构形也是系统运动终点时刻的现时构形，由上述对现时构形性质可知，这一构形受系统整个运动过程中每一个构形的影响，即受前面每一步开挖/充填/支护的影响，它的状态既是前面所有构形运动状态的总和，也是系统运动的终点，同时可能是系统下一次运动的起点。
  
3.2运动过程的描述
    上面给出的三个定义：初始构形、现时构形、安息构形反映了系统运动的三种典型状态，由此可方便的使用数学语言来描述岩土工程系统的运动过程。系统为达到目的，从初始构形开始运动，经过一系列现时构形，到达系统本次运动的目的地安息构形。用另一种表达方式就是，岩土工程系统为达到利用地下空间或开采地下矿岩的目的，在勘探完成的地层里、在一定的地质条件下（初始构形），开始一系列工程开挖，每一步开挖/充填/支护都相当于对岩土的一次扰动（现时构形），经过一系列工序后，将开挖的空间要么充填，要么支护完善，达到人为安息构形。
    从初始构形至安息构形是系统运动区间的两个端点，端点之间的系统运动的形式是多样化的，一组可能的现时构形形成系统运动的一条可能的轨迹，即每个可能的开挖/充填/支护方案都在系统空间形成一条运动轨迹，岩土工程系统的任务就是对运动进行系统分析，找寻一条最合理（最佳）运动轨迹（开挖方案），使得所研究的岩土工程系统从初始构形到安息构形过程最经济、最安全、最稳定，如果用数学语言表达，就是求解系统泛函的极值，从热力学角度来看，就是使系统的熵达到极小值。这种极限理想状态在实际工程中是无法达到的。首先地下工程系统的各组成因素是灰色因素，我们不可能完全了解；其次随着系统运动的发展（开挖的进行），可以从运动过程中得到许多补充信息，以完善对系统要素的了解，从而不断调整系统运动的轨迹，所以最后我们达到的往往不是预先设想的最佳的，而是最合理的。
    由上面对系统运动特点的论述，可得到地下工程系统一个重要定理:系统运动过程非唯一定理，这是由于工程系统的要素在许多方面不确定的原故，而且系统受自然、人为的多重约束，因而表现的运动过程是非唯一性的。具体表现是，辨识参数（岩土力学参数、地质条件参数等）非唯一、（力学和数学）模型非唯一、决策方法非唯一、施工方案非唯一，这也反映了地下工程系统的运动是目标可接近、信息可补充、方案可完善、关系可协调、思维可多向、认识可深化、轨迹可优化的特点。所以运动的方式（开挖方案）要受许多自然约束和人为约束的限制，如果将系统运动所要达到的目的作为一个目标函数，加上地质条件、岩土性质（自然）约束和人力、机械、设备、经济、社会等（人为）约束，求出在上述约束条件下、且达到岩土工程系统目标的最佳运动轨迹（开挖方案），那么则是求约束下目标函数的极值问题，也是一个优化设计问题。
  
3.3岩土工程系统的记忆性
    上节中我们已提及岩土工程系统的运动过程具有记忆性，某一时刻的现时构形受这一时刻前所有构形的影响。本节我们将具体论述这种记忆性存在的原因、作用和性质。
    3.3.1岩土工程系统记忆性质
    岩土工程系统之所以具有记忆性，追根溯源是由于岩土材料具有记忆性。对岩土材料记忆性论述的专著和文献遍及所有与岩土工程有关的领域，这方面的研究被纳入流变力学的范畴。但在本文论述的记忆性具有更广泛的意义，这里已不局限于岩土材料的记忆性，而是讨论由岩土材料作为要素之一的岩土工程系统的记忆性。当然岩土工程系统具有记忆是以其要素之一岩土材料具有记忆性为基础的，但岩土工程系统的记忆性与岩土材料记忆性不同，它是一种运动记忆性，或是地下工程施工因素（工序）的记忆性。
    在岩土工程系统运动中，每一个现时构形（开挖/充填/支护）内的应力场、变形场都受以前所有构形的影响，即现时构形对这一时刻以前的所有运动构形具有记忆性。系统的这种记忆性来自两个方面：一方面是岩土体材料属耗散型材料，在变形上具有不可逆性，这种性质的标志是材料在受外力的作用下变形的不同阶段：弹性阶段、塑性阶段；二方面是岩土属流变型材料，它的变形具有蠕变和它的应力具有松弛两种随时间变化的性质，前一种记忆性是对加载路径的记忆，后一种记忆性是对时间的记忆，正是由于岩石材料上述两方面的记忆性，使得岩土工程系统也具有系统运动的记忆性。
    3.3.2岩土工程系统的记忆性公设
    既然我们已明确岩土工程系统具有记忆性，而且它又是开放的耗散系统，那么它的记忆性就应满足不可逆热力学对系统的基本公设—记忆衰减公设[3]：
    在一个系统运动过程中，距现时越远的对系统的扰动，对现时系统状态的影响越小。
    对岩土工程系统，这一公设可陈述如下：
    在岩土工程系统中，距某一时刻的现时构形越近的时刻的构形，对这一时刻现时构形的影响越大。
    或更具体地陈述为：
    在一个由一系列开挖/充填/支护步骤构成的岩土工程系统中，距现实越远的对岩土体的开挖/充填/支护步骤，对现时步骤的影响越小。
    材料的记忆衰减公设是由热动力学给出的，它旨在对材料的本构关系给出一个热力学的约束（限制），而岩土工程系统记忆衰减公设也同样是对岩土工程系统的一个类似热力学约束。
    3.3.3岩土工程系统的时标
    岩土工程系统具有记忆性，且这种记忆性又满足记忆衰减公设，那么就必须为岩土工程系统建立起一套时间坐标，如果没有对时间的度量，记忆衰减性必然就失去任何意义。所以，这里本文将根据岩土工程系统的运动特点，为系统建立一套时标。
    因为时标是运动变化的刻度，所以时标的建立必须满足两个条件，首先时标必须是不可逆的量；其次时标必须能反映系统运动的变化阶段。由于岩土工程系统具有层次性，所以时标也具有层次性。   
  
内蕴时标
    众所周知，岩土材料的变形过程大致分为弹性、塑性应变强化和塑性应变软化三个阶段，这三个阶段代表材料变形历史的进程。为了表示材料受力后处于变形历史进程的位置，我们选择塑性等效应变作为这一层次运动的时标，称其为内蕴时标[5]、[6](intrinsic time scale)，其原点为产生不可逆塑性变形瞬间，量纲与应变相同。  
2. 牛顿时标（外蕴时标）
    岩土材料具有流变特性，其变形除了上述在材料内部的三个变形阶段外，还与其外部加载的时间有关，即岩土材料除了对过去加载的路径有记忆性外，还对加载的时间长短有记忆，而内蕴时标无法反映这种记忆性，所以按流变力学的方法，选取一个流变时标，由于这一时标的量纲与天文时标相同，与我们日常生活的时标一样，所以称为牛顿时标（newton time scale），或相对内蕴时标，称之为外蕴时标（extrinsic time scale）,这一时标的原点是外载加于物体的那一瞬间。  
3.工程时标（系统时标）
    上述所设立的时标对岩土工程系统来讲都是相对时标，而对系统运动中某个构形来讲，则是绝对时标。系统的运动过程是由一系列构形组成，所以也需要一个绝对时标来描述整个岩土系统运动的记忆性。在一个岩土工程中，一系列开挖/充填/支护过程构成这一工程系统的运动（施工）过程，对每一步工艺步骤，边坡或围岩的变形都含有内蕴时标和牛顿时标，这些时标所确定的应力场和变形场被边坡或围岩“记住”，影响到以后的工艺步骤。所以为了在岩土工程系统框架内度量工艺步骤或运动构形的记忆性，建立一个描述系统运动的绝对时标，称之为工程时标(process time scale)。由于相对系统而言，这一时标是绝对的，所以又称之为系统时标(system time scale)。
    工程时标的概念比前两个时标意义更为广泛，它的时标架包含了前两者的时标架，它的原点为系统运动的初始构形，即工程开始的起点，它可用各工序的顺序为刻度，例如降水，第一步开挖，第一步支护，第二步开挖，第二步支护，...的顺序。  
    以岩土工程系统的运动为例说明上述三个时标的应用。在地下岩土工程中，每一步开挖/充填/支护步骤和两次工艺步骤的间隔用工程时标表示，其时标原点在第一步开挖开始瞬时；在每一步开挖/充填/支护后岩土体产生的流变变形由牛顿时标表示，时标原点是每一步工艺完成的瞬间；而岩土体材料进入何种变形阶段由内蕴时标表示，其原点是岩土体初次产生不可逆变形的瞬间。可用图1所示套在一起的三个园表示他们的关系。而且工程时标的引入，可将岩土力学与工程经济学、决策学、人工智能等在这一理论框架内联系起来，使岩土工程系统学更加名符其实。
  
3\岩土工程系统的自组织与信息交流
    岩土工程与大多数其它工程不同在于，岩土材料的生成和赋存都是天然的。人工材料的性质和环境皆可由人掌握，所以它们缺乏或不必进行自身的自组织调节。本文前面已论述过，岩土工程系统的构成因素有一大部分是自然的，仅有一部分是人为的，所以人们只能选择有限的方式通过岩土本身自组织功能使系统达到预期目的。
    那么岩土工程系统是由什么方式进行自组织调节呢？这种自组织功能是通过什么样的信息传递来进行的呢？
    岩土在自然条件下，除偶然的情况外（如地震等），是不需要自组织调节   的，当对其进行人工干扰，从而构成岩土工程系统后，方能显出这种自组织能力。这主要是工程开挖/充填/支护改变了岩土体内原有储存能量的平图1 时标之间的关系       衡态，由于能量的释放使系统内部产生“涨落”，而保持能量平衡是自然界一切物质的本能，因此系统就要通过破坏的形式来调节自身的能量，使之再次平衡，达到原有的稳定。所以岩土工程系统的目的就是力求使用系统中人为要素干预系统的天然要素的自组织调节，使系统通过非破坏形式达到自身的目的。这里，岩土体内的变形能是系统自组织的执行者，同样也是自然要素与人为要素相互调节的通迅者，它是一种信息流载体。在深基坑开挖过程中，形成边坡就是人为的对原有土体系统的干扰，这种干扰打破了土体原有的平衡状态，边坡为了达到自身的内力平衡，只有通过边坡滑移这种自然破坏形式来达到安息构形，以使边坡稳定。这种稳定当然与岩土工程系统的目的不一致，为了达到系统运动的目的，必须加入人为因素的干扰，如果采用土钉墙支护或桩锚支护，人为因素分为两种，一种是分步开挖，二是土钉支护。分步开挖的目的在工艺上似乎是为了方便土钉墙的施工，实质上是为了减少由于土体开挖而导致不利于边坡稳定的约束反力，这种约束反力造成使边坡趋向失稳的次生应力场；在分步开挖因素下，在土体内加入土钉，在土体表面建造面层，加入土钉似乎是为了提高土体强度，实质是通过土钉来改变开挖造成的拉应力次生应力场，当然土钉所造成的加固次生应力场所影响的范围有限，如果它不足以抵消开挖造成的失稳次生应力场，必然会造成滑移，所以要尽可能减少开挖量和增强土钉的影响；面层的作用一方面是将土钉群体连接成空间结构体，另方面在边坡表面形成一层约束，使表面土体的应力状态由拉应力状态变成压应力状态，这种应力状态使边坡稳定性增强。在上述人为因素对天然因素的调节下，将岩土工程系统从不稳定调节为稳定，由可能的自然安息构型变成人为安息构型，达到岩土系统的运动目的。
    在岩土工程中，开挖是对岩土平衡态的破坏，充填/支护是人为的帮助岩土恢复原有平衡态。岩土属记忆性材料，而充填和加固材料往往是人造材米，通常是无记忆性或记忆性较差，当人为的将它们构成一个子系统后（在开挖边坡内加入土钉或在围岩表面上安装衬砌），具有记忆性的岩土体会将记忆性“传染”给后者，后者被“传染”的记忆生比“原本记忆材料”要弱，且依赖于“原本记忆材料”，这种“记忆传染性”就是岩土体与充填体/支护之间的记忆信息的交流。在文献[4]中证明，围岩---衬砌系统的这种交流导致整个系统的自组织调整，调整之后的记忆函数是围岩和衬砌记忆函数的一种复杂综合，既不是简单的和也不是简单的差关系。这种信息交流所造成的自组织目的是为了在围岩与衬砌之间相互传递能量，以维护整个系统的能量平衡和结构稳定。
    对岩土工程系统也一样，岩土在外部扰动下出现空洞或塌方，这种变化使岩土的能量有所改变，为了调节系统自身的平衡状态，岩土必定将内部的一部分能量释放，这就会导致空洞周围的岩土体破坏。而加固或充填的目的就是将岩土释放的能量承接一部分或减缓能量释放的速度，使岩土不致一泻而失控。那么支护或充填体从岩土得到多少能量才恰好使系统平衡而不致破坏呢？这就要依赖岩土与支护/充填材料之间的信息交流，这种信息交流越多，系统的自组织能力就越强。而由于地下工程系统各要素的不确定性，所以信息的交流具有不完全性，正是为加强这信息交流，岩土工程系统的人为要素被加入进去，从而使信息的交流具有智能性、逐渐逼近性，这就反映在对岩土、支护、充填体材料的了解、对工程因素的控制、对修正后信息的反馈上。也就证明岩土工程系统是一个具有智能的系统，智能因素的加入加强了人与自然的对话，使系统的自组织能力增强。
  
参考资料
    汪应络，系统工程理论方法与应用，高等教育出版社，1992.，北京
   于学馥，轴变论，冶金工业出版社，1960.，北京
    B.D.Coleman，Thermodynamics of Materials with Memory，Archive for Ratimal Mechanics and Analysis，Vol.17，1～14，1964.
    Jia Lihong & Xiong Yixiang，Viscoelastic Constitutive Relation of the Integral Type Applied to the Compound Body of Wall Rock and Lining Analysis, Proceeding of International Conference on Constitutive Laws for Engineering Materials，pp867-869.