岩石力学发展

岩石力学发展岩石力学发展历史与现状岩石力学的研究方法岩石力学的研究内容岩石力学发展展望1岩石力学发展历史与现状初始阶段19世纪末~20世纪初经验理论阶段20世纪初~20世纪30年代经典理论阶段20世纪30年代~20世纪60年代现代发展阶段20世纪60年代~现在初始阶段19世纪末~20世纪初1912年海姆(A.Heim)提出静水压力理论，认为地下岩石处于静水压力状态，垂直压力与水平压力均为朗肯和金尼克提出了相似的理论，认为垂直压力为，而水平压力为普罗托吉雅柯诺夫提出自然平衡拱学说，即普氏理论经验理论阶段20世纪初~20世纪30年代引入材料力学和结构力学方法太沙基也提出了相似的理论，但认为塌拱为矩形的忽略了围岩的自承作用经典理论阶段20世纪30年代~20世纪60年代连续介质力学流派以固体力学为基础，注重材料的力学性质地质力学理论流派强调要重视对岩体节理、裂隙的研究，重视岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用连续介质力学流派引入弹性力学与塑性力学，确立了一些经典解析解计算公式20世纪30年代，萨文用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计算分析岩石工程的围岩应力分布问题20世纪50年代，用弹塑性理论导出了芬纳-塔罗勃公式和卡斯特纳公式只能解决特定问题连续介质力学流派引入有限差分、有限元等数值模拟方法(1960s)开挖过程、岩体结构面、结构与围岩相互作用得到考虑，使连续介质力学理论在岩石工程中的应用大大前进了一步依赖于准确的本构关系，而实际状态下岩体的本构关系是很难确定的地质力学理论流派20世纪20年代德国科学家克罗斯反对将岩体当作连续介质，创立地质力学理论流派1951年6月在奥地利成立了以斯梯尼(J.Stini)和米勒(L.Mailer)为首的“地质力学研究组”，在萨尔茨堡1)在奥地利的沙茨堡发起并组织了第一个国际岩石力学协会，并形成了独具一格的奥地利学派，这个学派的基本观点是岩体的力学作用主要决定于岩体内不连续面及其对岩体的切割特点；国际大坝会议设立了岩石力学分会地质力学理论流派1962年，在沙茨堡召开了第十三届国际岩石力学协会，成立了国际岩石力学学会。“地质与土木工程”杂志也改名和“岩石力学”1966年在葡萄牙的里斯本召开了第一届国际岩石力学会议，组织了八个专题讨论：1、岩体的勘察，2、岩石和岩体的物理力学性质研究，3、岩石和岩体的性能，4、岩体中的残余应力，5、岩石破碎，6、天然和人工边坡，7、地下开挖和深钻，8、建筑物地基岩体性质各国岩石力学研究状况奥地利：新奥法联邦德国：米勒领导联邦德国Karlsruhe大学的土力学岩石力学研究所，继续坚持他们的研究方向，其他几所大学和有关研究所，都是岩石力学研究基地英国：主要为结合地下采矿对围岩的维护和露天开采对边坡稳定的研究，代表：帝国理学院的著名学者E.Hoek和J.W.Bray等。另外，以Wales大学O.C.Zienkiewicz教授为首的小组，对岩石力学数值方法的发展，作出了重要贡献各国岩石力学研究状况葡萄牙：研究岩石力学较早的国家之一。代表这个国家研究水平的即其国家土木程研究所。M．Rocha即是这个机构的创始人。他们在拱基，地下工程，特别是试验技术方面的成就，在国际上具有很高声誉意大利：研究岩石力学较多的国家。如其结构模型试验研究所的岩土力学模型试验具有很高技术水平各国岩石力学研究状况美国：早期的岩石力学的研究工作都是结合采矿工作进行的；1965年由美国地球物理联合会，矿冶研究所，土木学会，材料学会，地质学会，矿业学会等单位联合组成岩石力学学会委员会，后改称联邦岩石力学委员会；美国研究岩石力学的学术观点是各式各样的，即有类似于奥地利学派，重视节理、裂隙作用从整个岩体出发的依利诺斯大学教授D.Deere和加州大学(伯克莱)教授R.E.Goodman，又有从所谓异质体力学(MechanicsOfhetero-gentousmedia)角度进行岩石力学性质研究的观点，形成百花齐放的局面，大大促进了岩石力学的发展各国岩石力学研究状况加拿大：成立有国家岩石力学委员会，自1962年开始举行自己的岩石力学讨论会澳大利亚：在科学院院士M.S.Paterson领导下，对于岩石脆性破坏和高温高压下的岩石力学性能等方面做出很大贡献南非：由于矿业发达，对岩石力学的研究也很重视，他们的科学与工业研究会组织了大量的岩石力学研究工作日本：1964年由土木学会、矿业学会、土质工学会和材料学会等四个学会中的岩石力学工作者们共同组成一个岩石力学研究会，同年召集了第一次学术会议。1979年改组为岩石力学联合会。日本学者在研究岩石的流变性能方面做出很多成绩我国岩石力学研究状况建立了一些研究岩石力学的研究机构。如中国科学院岩土力学研究所，地质研究所工程地质室等。一些产业和高校部门的研究院也设立了相应的研究机构，如长江水电科学院的岩基室，冶金部矿冶研究所压力室，煤炭科学院岩石力学研究室和不少大学的岩石力学实验室等等开展了包括坝基、地下结构、岩质边坡、岩石动力学特性和灌浆处理等方面的试验研究工作，使我国岩石力学的发展进入了新阶段，并获得一系列重大成果陈宗基教授把流变学引入岩石力学并推广到各向异性岩体，提出了围岩应力场随时间而变化和由于岩体流变与回弹，隧洞衬砌所受压力将随时间增加等概念。后来他又提出岩石扩容和长期强度的本构方程，进一步发展了岩石流变扩容理论我国岩石力学研究状况谷德振教授提出了“工程地质力学”观点，认为岩体与一般岩石的差别在于它是受结构面纵横切割的多裂隙体，岩体内结构面控制着岩体变形，破坏机制及力学法则，因此必须重视结构面力学效应的研究；在研究结构面力学特性时，必须以地质成因为基础对结构面自然特性做细致的研究，掌握结构面的地质特点来指导岩石力学的研究工作是岩体基本力学特性研究的基础。在此基础上提出岩体分为块裂结构，完整结构，碎裂结构和散体结构，按照岩体结构不同类型分别研究其力学特性1981年成立了中国岩石力学与工程学会筹备组，随后成立了国际岩石力学中国小组，1985年正式成立中国岩石力学与工程学会现代发展阶段20世纪60年代~现在特点：用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最新成果引入了岩石力学；电子计算机的广泛应用为流变学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能现代岩石力学理论认为：由于岩石和岩体结构及其赋存状态、赋存条件的复杂性和多变性，岩石力学既不能完全套用传统的连续介质理论，也不能完全依靠以节理、裂隙和结构面分析为特征的传统地质力学理论，而必须把岩石工程看成是一个“人一地”系统，用系统论的方法来进行岩石力学与工程的研究现代发展阶段20世纪60年代~现在20世纪60年代和70年代，原位岩体与岩块的巨大工程差异被揭示出来，岩体的地质结构和赋存状况受到重视，“不连续性”成为岩石力学研究的重点。从“材料”概念到“不连续介质”概念是岩石力学理论上的飞跃20世纪60年代和70年代开始出现用于岩石工程稳定性计算的数值计算方法，主要是有限元法20世纪80年代数值计算方法发展很快，有限元、边界元及其混合模型得到广泛的应用，成为岩石力学分析计算的主要手段现代发展阶段20世纪60年代~现在现代计算机科学技术的进步也带动了现代信息技术的发展。20世纪80年代和90年代，岩石工程三维信息系统、人工智能、神经网络、专家系统、工程决策支持系统等迅速发展起来，并得到普遍的重视和应用20世纪90年代现代数理科学的渗透是非线性科学在岩石力学中的重要应用。耗散结构论、协同论、分叉和混沌理论正在被试图用于认识和解释岩体力学的各种复杂过程。岩石力学和相邻的工程地质学都因受到研究对象的“复杂性”挑战，而对非线性理论倍加青睐现代发展阶段20世纪60年代~现在20世纪80年代末提出不确定性研究理论，目前已被越来越多的人所认识和接受。现代科学技术手段如模糊数学、人工智能、灰色理论和非线性理论等为不确定性分析研究方法和理论体系的建立提供了必要的技术支持系统科学虽然早已受到岩石力学界的注意，但直到20世纪80年代和90年代才成为共识，并进入岩石力学理论和工程应用。时至今日，岩石工程力学问题已被当作一种系统工程来解决。系统论强调复杂事物的层次性、多因素性及相互关联和相互作用特征，并认为人类认识是多源的，是多源知识的综合集成，这些为岩石力学理论和岩石工程实践的结合提供了依据2岩石力学的研究方法地质研究方法着重研究与岩石的力学性质和力学行为有关的岩体物理测试方法利用物探技术探查岩体的力学性质力学分析方法力学模型、数值分析、模拟分析整体综合分析方法综合多种分析手段进行系统分析地质研究方法岩石岩相岩层特征的研究如软弱成份，可溶盐类，化成份以及原生结构岩体结构研究软弱面的起伏度，结构面的充填物等等环境因素研究如地应力成因和展布，地下水性态，水平地质条件等等物理测试方法结构探测采用地球物理方法和技术来探查各种结构面的力学行为环境物理量测如地应力机制，渗透水系量测等等岩石物理力学性质测试如室内岩块的物理性质，力学性质，原位岩体的力学性质，钻孔测试，变形监测以及位移反分析确定岩体和岩性参数等等力学分析方法力学模型研究包括弹塑性模型，流变模型、断裂模型、损伤力学模型、渗透网络模型、拓扑模型等等数值分析方法如有限元法，边界元法，离散元法，系统分析法和设计施工风险决策的人工智能专家系统等等模糊聚类和概率分析如随机分析，灵敏度分析，灰箱问题等等模拟分析如光弹应力分析，相似材料模型试验，离心模型试验3岩石力学的研究内容水利水电建设1、坝基及坝肩稳定性，防渗加固理论和技术；2、有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术；3、大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术；4、高速水流冲刷的岩石力学问题；5、水库诱发地震的预报问题；6、库岸稳定及加固方法采矿工程1、露天采矿边坡设计及稳定加固技术；2、井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题；3、矿柱稳定性及采场结构优化设计问题；4、软岩巷道和深部开采技术问题；5、矿井突水预测、预报及预处理理论和技术；6、煤与瓦斯突出预测及处理理论和技术；7、岩爆、岩爆预报及预处理理论和技术；8、采空区处理及地面沉降问题；9、岩石破碎问题铁道建设工程1、线路边坡稳定性分析；2、隧道设计和施工技术；3、隧道施工中的地质超前预报及处理；4、高地应力的岩爆理论及处理；5、隧道人口施工技术及洞脸边坡角确定和加固措施其他研究领域1、核电站建设中核废料处理技术2、石油开采中井损防治及采空区地面变形问题3、山城及高层建筑的地基问题4、地层热能资源开发技术问题5、地震预报中的岩石力学问题4岩石力学发展展望正向思维系统思维、逆向思维从事物的必然性出发，根据试验建立模型，处理本构关系，在特定的有限的条件下求解将岩体也视为一个不确定系统，用系统思维、反馈思维、全方位思维(包括逆向思维、非逻辑思维、发散思维甚至直觉思维)对工程岩体的行为进行研究确定性方法非确定性系统分析方法理论分析、数值模拟、参数测定将工程岩体看成为“人地系统”。用“系统”概念来表征“岩体”可使岩体的“复杂性”得到全面科学的表达。岩石或岩石工程系统不仅是因为多因子、多层次组合而具有“复杂性”，而且还在于他们大多具有很强的“不确定性”，即模糊性和随机性土、岩石与岩体的力学性质弹塑性本构模型理论地应力及其测量岩石与土的流变性质岩土工程数值分析方法岩土工程反分析方法岩土工程随机分析及可靠度设计