搜索
高等岩石力学综述摘要：岩石力学是研究岩石的力学性态的理论和应用的科学，是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的学科，是一门应用型基础学科。通过对岩石力学性态的理论和实验研究，解决岩土工程领域的破坏和稳定问题。主要的研究方法围绕工程地质研究方法、数学和力学分析法以及综合评价法展开，衍生出各种应用手段和实验方法，为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法，较好的解决了岩土工程中所遇到的相关问题。关键词：岩石力学、发展状况、研究对象、研究方法、工程应用一、岩石力学的发展状况岩石力学是研究岩石力学性态的一门理论和应用科学，是探讨岩石对周围物理环境中力场反应的一门力学分支。岩石力学是解决岩石工程问题的理论基础。岩石作为整个自然界的物质系统的一部分，必然为人类所认识和利用。近五十年来，岩石力学学科有了巨大的发展。国际岩石力学学会和中国岩石力学与工程学会为发展本学科做了大量艰苦的开拓工作，在学术和实践等方面都取得了丰硕成果。人类生活的环境是地球上层的岩石圈，很多活动都离不开以岩石工程为对象的经济建设。水电站的大坝、厂房引水隧洞、矿山巷道等的高速发展都给岩石力学提出了新的要求和课题。特别是我国蓬勃发展的水利建设事业如上犹江、佛子岭、梅山、新安江、刘家峡、丹江口、葛洲坝、隔河岩、水布哑、二滩、三峡等的新建都对岩石力学发展起了重大的促进作用。通过大量实践的成功经验与失败教训，人们逐步认识到岩石力学与工程学科的重要性。利用岩石力学合理地去解决工程实践中的问题，近三十年来已取得了世人瞩目的丰硕成果。软弱围岩矿床开采的巷道支护技术、坚硬围岩矿床开采后的采空区处理技术、软弱岩体上水工建筑的设计技术、高温度压条件下岩石流变与工程稳定问题，地下群体工程优化技术等的应用，在许多工程实践中取得了理论上的重要进展，获得了良好的经济效益。与此同时，岩石力学的基本理论也逐步得到充实和提高，应用岩石流变力学特征、岩石蠕变与工程稳定分析、岩石组分与力学特性等理论研究成果指导工程实践已取得良好效果。二、岩石力学的研究对象①岩体应力，包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值方法。②岩体强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩体破坏、断裂的机理和强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（凝聚力和内摩擦角）。强度准则大多采用库伦－纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩体的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。③岩体变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩体流变主要包括蠕变和松弛。在应力不等时岩体的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩体中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩体扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩体的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩体变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩体应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。④岩体渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩体假定岩体中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。岩体渗透性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩体内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。⑤岩体动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩体的力学特性、应力波在岩体内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。三、岩石力学的研究方法岩石力学的研究对象是多相各向异性的裂隙岩体。这决定了它是由多学科相互交错、渗透、依赖、补充而派生出来的一门边缘学科。岩石力学在岩体工程上的表现形式，与地质条件有密切关系，与工程类别、施工工艺、支护方式及时间等因素也有相辅相成的关系。这些特点决定了岩石力学必须采用多种方法、多种技术来进行综合性研究。自50年代起，这种综合性研究方法已逐渐成为各国岩石力学专家的共识。以固体力学理论和经典数学为基础的岩体分析，虽已有100多年的研究历史，因理论分析结果可靠性低，而不能成为岩体工程分析和设计的主要手段。随后，随着计算机的快速发展，使得仍沿用以固体力学理论为基础、数值方法为手段的有限单元法来解决复杂的边值问题成为可能，从而大大扩展了有限单元法的应用范围。到了70年代，有限单元法的研究和应用在我国受到普遍关注，不久即成为岩石力学分析的主要手段。随着结合岩石力学新成果进行的相应研究，以及手段的更趋完善，该方法的内涵更加丰富。近年来，与非线性科学有关的混沌论、耗散结构沦、突变论、人工神经网络等新理论、新方法已不同程度地渗入到岩石力学领域。在研究地质构造、岩体稳定、岩石断裂、地下水渗流等方面取得许多重要进展。在连续介质、离散介质力学研究方面也有许多新的突破。在此基础上，出现了一系列数值分析方面的新方法、新程序，如不连续变形分析法(DDA法)，流形元法(MM法)，连续介质和三维连续介质快速拉格郎日分析法(FLAC，FLAC3D)，通用和三维离散元程序(UDEC，UDC3D)，二维和三维颗粒流程序(PFC2D，PFC3D)以及各种方法的耦合程序等。位移反分析为解决岩石力学分析中难以确定的计算参数问题提供了一独特而实用的方法，因此它日益受到重视，并取得了不少理论研究和实际应用的成果。但仍存在有待研究的问题。在理论研究方面，解的唯一性问题、设定问题和各种反演的具体方法等还需继续研究；位移反分析的立足点是实际应用。为了使其在岩石工程设计中发挥更大作用，有必要对某些较成熟的反演技术，例如利用掌子面开挖过程量测位移的弹性问题三维有限元图谱位移反分析法飞深人开展实用化研究，包括选点地质单一化、开挖及位移量测标准化和标难图谱的建立等。为提高反演精度和充分利用不断反馈回来的信息，笔者提出开展反演正算综合分析法的研究。另外，以支护为反演对象的山岩压力反分析”具有重要的实用价值，也应重视；岩石工程可看作为动态的、开放的复杂巨系统，而对这种系统可用由理论分析、专家经验和监控等组成的、定性定量相结合的综合集成方法解决问题。新奥法在隧道中的成功应用证明了系统科学在岩石力学领域中大有可为。所有的这些方法都应该在实践中不断的完善。但日前存在的问题不在于计算方法本身，而在于计算中所采用的岩石力学参数、边界条件、地质力学模型与计算模型是否符合实际情况，这也是国际岩石力学领域普通存在的问题。为了使计算结果更加符合实际，我们应该在实践中不断的完善，最好能够亲自参加勘测(尤其是工程地质勘测)，动手实验，并熟悉设计和施工全过程。通过实际工作，搞清楚岩体工程的实际情况与理论假定到底有什么区别。这样才能在理论研究与工程实际之间架起一座桥梁，才能提高岩石力学的总体水平，更好地为工程建设服务。四、关于岩体边坡稳定性的基本理论斜坡是地壳表面一切具有侧向临空面的地质体。分析边坡的稳定性，首先要研究边坡变形破坏的机理，为边坡预测预报及整治提供岩石力学依据。在岩体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖卸荷，在近边坡面一定范围内的岩体中，发生应力重分布作用，使边坡岩体处于重分布应力状态。边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生变形和破坏。因此，研究边坡岩体重分布应力特征是进行稳定性分析的基础。边坡面附近的主应力迹线发生偏转。最大主应力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力状态。坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常形成拉应力带。边坡愈陡，则此带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。影响岩体边坡变形破坏的因素：1、岩性：决定岩体边坡稳定性的物质基础。2、岩体结构：岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素。3、水的作用：使岩土的质量增大、滑动面的滑动力增大；岩土软化、抗剪强度降低；对岩体产生动水压力和静水压力。4、风化作用：使岩体内裂隙增多、扩大，透水性增强，抗剪强度降低。5、地形地貌：直接影响边坡内的应力分布特征，进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。6、地震：产生地震惯性力。7、天然应力。8、人为因素。边坡岩体变形的基本类型：1、卸荷回弹：在成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向(临空面)产生伸长变形，即卸荷回弹。天然应力越大，向临空方向的回弹变形量也越大。往往会伴随产生一系列的张性结构面。2、蠕变变形：边坡岩体中的应力对于人类工程活动的有限时间来说，可以认为是保持不变的。在这种近似不变的应力作用下，边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形。当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，则这种变形所引起的破坏是局部的。反之，这种变形将导致边坡岩体的整体失稳。这种破裂失稳是经过局部破裂逐渐产生的，几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形破坏过程。边坡岩体破坏的基本类型：1、崩塌：斜坡岩土体被结构面分割的块体，突然脱离母体以垂直运动为主、翻滚跌跃而下的现象与过程。2、滑坡：斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面（带），产生以水平运动为主的现象，称为滑坡。3、倾倒破坏：由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走向与坡面走向近平行时，在自重应力的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的现象称为倾倒破坏（弯曲倾倒）。五、岩石力学的工程应用岩石力学工程应用主要研究以下五个方面：①地上工程建筑物的岩体地基，例如研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题。②地表挖掘的岩体工程问题，如水库边坡、高坝岸坡、渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题。③地下洞室，如研究地下电站、水工隧洞、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩的稳定和变形问题，地下开挖施工以及围岩的加固（如固结灌浆、锚喷、预应力锚固等）问题。可见，岩体的研究较土的研究，更复杂得多。土的工程研究，更多的是在地质构造简单的平原地区，而岩体的工程研究，更多的在水利工程，隧道工程，采矿工程等大型复杂工程。六、岩石力学的主要前沿方向和研究前景⑴、边坡破坏在很多工程建设中，会遇到岩体边坡。如公路或铁路的路堑边坡，露天开采的矿山边坡，水利水电工程中的库岸边坡，渠道边坡，隧洞进出口边坡等等。为某些工程边坡，边坡稳定问题是工程建设中经常遇到的问题之一。众所周知，岩体常被各种方位的地质结构面切割成不同形状的块体。因此，工程实践中所遇到的岩坡，多为岩块所组成。在一般情况下，结构面的强度远低于完整岩体的强度，岩坡中结构面的规模、性质及其组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳时的破坏形式。结构面的形状或性质稍有改变，则岩坡的稳定性将会受到显著的影响。岩坡的失稳情况，按其破坏方式主要可分为崩塌与滑坡两种。①、崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下，其特点是：在崩塌过程中，岩体中无明显滑移面，同时下落岩块或未经阻挡而直接坠落于坡脚；或于斜坡上滚翻，滑移，碰撞，最后堆积于坡脚。②、滑坡是指岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生整体滑动，其滑动面往往深入坡体内部，有时甚至延伸到坡脚以下。边坡实际的破