**岩石力学的研究现状是怎样的

**的岩石力学与工程有着长时期的发展历 史。在古代, 著名的都江堰水利工程和闻名全球被誉 为世界八大奇观之一的万里长城以及由北京直达杭 州的古老运河等都是代表性的佳作。在当时, 先辈们 凭借丰富的实践经验设计施工, 还没有建立岩土力 学的概念。新**成立以后, 各项经济建设事业取得 了极大的发展, 同时, 也遇到了许多与工程地质及岩 土力学密切相关的技术难题。如特殊的区域性构造 地质、松散破碎复杂岩基、高地应力作用下的软岩、 大跨洞室围岩的大变形、水工隧洞群之间的相互受 力作用、高陡岩坡的持续稳定、岩体内的不稳态渗 流, 以及“三下”(铁路下、水下和建筑物下) 采煤等等 工程建设中遇到的十分突出的问题。交通、能源、水 利水电与采矿工业各个经济领域的需要对岩石力学 与工程学科在**的发展起到了有力的促进作 用 [1, 2 ] 。从20 世纪50 年代末开始, **有历史意义 的大型水利水电工程设计勘测的大规模展开, 为岩 石力学的试验和理论研究以及实际的工程应用注入 了巨大的活力 [3, 4 ] 。20 世纪80 年代末, **决 定正式兴建长江三峡工程, 更大量的岩石力学与工 程问题摆在**专家、学者们的面前, 如长达6 km , 坡高最大达170 m 的永久船闸高边坡岩体开挖, 其 整体稳定性与变形机制、岩体流变与地下水渗流等 极为复杂多变的岩石力学课题 [5 ] 。所以, **的岩石 力学专家们当前具有重大的机遇, 也面临着严重的 挑战。如何正确地解决好这些问题, 将极大地推动着 本学科与工程技术的进步和持续发展。 1　岩石基本性质的试验研究 岩石试验是岩石力学的基础, 是研究岩石力学 与工程的重要手段之一。在**, 随着试验设备和手 段的提高, 岩石力学的试验水平有了较大的发展。1994-2010 china academic journal electronic publ**hing house. all rights reserved. 别是常规的岩石力学试验发展很快, 如单轴拉伸、压 缩试验、三轴压缩试验、岩石流变试验等。近年来, 随 着大批重大岩石工程建设的需要, 对岩石力学特性 试验提出更高的要求。进行了若干非常规的岩石力 学特性试验研究。例如: 利用高倍扫描电镜对岩石的 细观时效损伤特性和损伤力学行为进行细观试验分 析; 岩石损伤力学特性的ct 试验, 复杂应力条件下 岩石在开挖卸荷条件下的多轴卸荷破坏试验和岩石 抗拉全过程的单轴破坏试验等。 2　岩石力学本构理论研究 岩石本构理论是建立岩石力学物理模拟、数值 模拟与计算分析的基础, 是进行岩石力学理论研究 的核心。目前, 在宏观唯象学基础上建立起来的岩石 弹塑性理论, 流变学理论以及损伤力学理论等等, 在 **已得到不断发展与完善。较有代表性的是郑颖 人(1989)、殷有泉(1990) 等对岩石在三维应变空间 的屈服面问题的研究, 提出了用应变空间表达的岩 石的本构关系, 使岩石的应变软化硬化问题、弹塑性 耦合问题都能得到较好的解决 [6 ] 。郑颖人、沈珠江 (1990) 提出了多种屈服面理论, 对岩石的屈服面用 多个屈服面进行表达, 给出了弹性与塑性模型耦合 关系的数学表达式, 并编制了相应的有限元程序。俞 茂宏(1985、1990、1997) 提出了双剪强度理论和统一 强度理论, 在主应力空间屈服面可表达为封闭的多 边形, 对于金属材料、混凝土材料和岩土材料能够普 遍适用 [7 ] 。他多年来的潜心研究使得统一强度理论 不断完善, 已在水电站地下工程设计、岩土地基计算 等工程中得到较好的应用。 3　岩石力学计算方法研究 近30 年来, 岩石力学数值计算方法得到了迅速 发展, 出现了有限差分、有限元、边界元、离散元、块 体元、无限元、流形元及其混合应用等各种数值模拟 技术, 使复杂岩石力学工程问题的设计发生了很大 的变化。岩石力学计算不仅已基本上取代了传统线 弹性力学实验, 而且也在岩石工程非线性实验中显 示出极大的优势。值得指出的是, 在**, 有限元数 值计算方法已不仅由线性发展到高度非线性和大变 形问题, 由二维发展到三维; 同时, 还可以考虑粘性 流变、渗流与应力场耦合、损伤、断裂以及动力效应。 国内出现了一些享有声誉的有限元程序, 如北京大 学nolm 283, 清华大学的t fin e, 西安科技学院 n ca p22d 程序等, 这些程序均在许多大型岩石工 程中得到了良好应用。国内专家李宁教授引进的大 岩土工程fin ia l 程序近年来结合**的实际 [8 ] , 在许多工程中得到了良好的应用。 不同数值计算方法的结合, 更能发挥各种数值 方法优势互补的作用。如有限元—边界元的混合、有 限元—离散元的混合、有限元—无限元和有限元— 块体元的混合采用等。无限域单元的应用不仅使有 限元计算规模得以减小, 并且可以避免人为的边界 约束效应, 特别在求解岩石动力问题的边界效应方 面更加显示出它的优越性。此外, 合理确定岩石力学 性态的诸有关参数是数值计算结果可靠性与否的关 键。然而, 由于岩体性态十分复杂以及地质条件的影 响, 使得计算参数的取值问题变得十分困难。这是至 今数值分析手段仍不能为工程设计和工程决策提供 可靠依据的重要原因。反演分析正是为克服求解岩 石和岩体原始参数而出现的一种新方法。**近年 来在反分析方面进行了大量研究工作, 已由简单的 线弹性反演问题发展到非线性、粘—弹—塑性反分 析, 从单一的毛洞围岩到考虑支护结构体系的反演, 从有限元位移反演到边界元位移反演, 从确定性反 演到非确定性随机反演等等 [9, 10 ] 。反分析的目的已 不仅仅是为了得到模型参数, 更重要的是要应用这 些参数, 进行相应的时间序列值分析以及从参数估 计发展到模型识别进而建立新的模型, 以便对工程 效果做出更合理的评价与有依据的预测。从这一重 要的目的来说, 考虑时间效应的粘—弹—塑性位移 反演分析具有更好的实用价值。现场监测—反演分 析—工程实践检验—正演分析及预测, 这样一个完 整的循环系统, 对岩石力学与工程设计和施工被认 为是一种行之有效的手段。这方面, 杨志法(1986)、 王芝银、刘怀恒(1988)、孙钧、**德(1990) 等人的 研究在国内具有代表性。已在水电站地下厂房、铁路 隧道、矿山井巷、岩坡和坝基等岩土工程中得到了不 少应用。 4　岩石流变力学研究 **地域辽阔, 不同地区的岩石其基本力学特 性有很大的不同。岩石的流变与粘性变形时效是与 其力学效应相辅相成的。对软岩和极软岩、节理裂隙 发育或高地应力条件下, 这种粘性变形时效就更为 明显, 成为工程设计计算中须考虑的主要因素。** 学者在岩石材料流变学的研究方面虽然起步比较 晚, 但发展较快, 这主要是客观上大规模岩石工程建 设需要的促进。早在20 世纪80 年代初, 同济大学研 6 　　　　　　　　　　　　　西　安　公　路　交　通　大　学　学　报　　　　　　　　　　2001 年　 1994-2010 china academic journal electronic publ**hing house. all rights reserved. 制了rv 284 岩体弱面剪切流变仪(1982) , 结合若干 软岩地区水上隧洞地下厂房和矿山井巷工程进行流 变试验研究, 不仅对完整岩块, 而且对岩石节理的剪 切流变效应作了分析探讨。武汉水利电力大学研制 了r y s27 型岩石三轴流变仪(1982) , **科学院地 球物理研究所研制了多功能高温高压条件下的岩石 三轴流变仪(1985) 等等都是其代表。这些试验设备 的研制和应用大大促进了岩石流变力学在**的发 展。在不太长的时间内, 连续研制出一批高性能的岩 石三轴和直剪流变仪, 这在国际上也属少见。但是, 如何将这些实验成果在工程中推广应用, 是进一步 努力的方向。 在岩石流变学理论与应用方面也进行了不少研 究工作。已故的陈宗基教授在**率先建立了岩石 流变的扩容方程(1981) , 其特点是不仅考虑一般的 蠕变, 而且考虑其扩容变形也随时间增长而发展; 并 将这一理论应用于矿山井巷围岩稳定性评价以及岩 爆和地理方面的研究。孙钧(1984) 结合一些水电站 地下厂房围岩流变研究, 对岩块、节理和软弱夹层以 及断裂破碎带的非线性流变特性分别进行了深入细 致的研究; 最近, 又结合有限元数值方法, 研制了真 三维粘—弹—塑有限元非线性数值分析程序软件, 用于三峡工程永久船闸高边坡开挖施工全过程三维 数值模拟, 取得了良好的社会效益和经济效益。 5　岩石损伤、断裂力学研究 岩石材料是一种自然地质体, 其内部各种节理、 裂隙和微缺陷的存在是不可避免的。损伤力学的发 展为合理考虑岩石材料各种分布缺陷的研究提供了 有力的手段。20 世纪80 年代末, 损伤力学在岩石力 学中的应用在国内受到极大关注。周维垣(1985) 首 先将损伤力学应用于二滩拱坝坝肩稳定分析, 进行 了岩体损伤裂隙的统计, 得出了损伤裂隙分布模型, 并由此定义出损伤张量, 进而引入有限元计算; 近些 年, 又在大型有限元数值分析软件t e in e 中引入 损伤力学, 包括线弹性和弹塑性损伤模型, 并进行了 一些大坝体的稳定计算, 如二滩、李家峡、东风和拉 西瓦拱坝等等。谢和平(1987) 将岩石粘弹塑性非线 性大变形有限元计算与损伤力学相结合, 在矿山地 下开采、地表沉陷、路基稳定性分析方面得到一定的 应用。岩石损伤力学研究的重点是建立损伤变量(张 量) 和损伤扩展本构关系。这就涉及岩石材料的损伤 检测与识别问题。自从sprun t bra ce (1974) 将 扫描电镜技术引入岩石断裂研究以来, **学者在 这方面进行了大量的研究工作。许江等(1986) 采用 带有加载装置的光学显微镜进行了砂岩在不同加载 阶段的损伤裂纹分析; 谢和平(1989) 对岩石在各种 加载条件下破坏断口进行分析; 孙钧(1992)、赵永红 (1993) 分别采用带有微型加载装置的扫描电镜对岩 石的微损伤扩展进行研究。并用于三峡船闸高边坡 闪云斜长花岗岩的损伤扩展分析(1997)。这些研究 有力地推动了岩体损伤力学的发展, 特别是对岩石 损伤机理的解释方面起到了积极作用。近年来, 本文 作者(1996, 1997, 1998) 在岩石损伤的ct 识别方面 进行了较深入的研究 [11 ] 。ct 识别岩石损伤不但可 以无扰动岩样损伤检测, 更重要的是通过ct 图像、 ct 数大小和ct 数定量地与岩石损伤变量和损伤 扩展联系起来, 为建立岩石损伤扩展本构关系奠定 了基础。本文作者(1998) 还将这一技术应用于三峡 船闸高边坡闪云斜长花岗岩的损伤检测。 6　分形岩石力学研究 分形几何自20 世纪80 年代初形成以来, 在岩 石力学领域得到不同程度的应用, 过去认为难以解 释或解决的问题, 一些已有了分形研究的新成果。中 国学者在这一领域里的研究是令人瞩目的, 其中谢 和平教授的工作(1987, 1990, 1994, 1996) 最具代表 性。他在国内最早开设“分形岩石力学”( fractals2 rock m echanics) 课程 [12 ] 。并先后赴美国犹他 ( u tah ) 大学、英国南安普顿( southamp ton ) 大学、波 兰科学院和德国汉诺威大学专门讲授分形岩石力学 课程并在国外从事这方面的研究, 取得了丰硕的研 究成果。以谢和平为代表的在分形岩石力学方面的 主要成果为: ①岩石节理面的分形研究, 包括岩石节 理面分形描述以及节理面力学行为和节理断层的分 形研究; ②岩石损伤演化过程的分形研究; ③岩石 (煤) 破坏度和破碎程度的分形研究; ④岩爆的分形 研究; ⑤岩石渗流过程的分形研究; ⑥地震预报过程 的分形研究等等。这些研究成果已部分直接或间接 地应用于岩石工程实践中, 但要完整而理想地应用 于工程实际看来还有一个相当长的过程。由于分形 几何的小规则性, 岩石力学现有的一些现象和力学 概念在分形空间中需要重新建立和认识。分形几何 是一个工具, 最终的目的是用它揭示岩石力学中的 复杂现象, 为解决工程问题服务。因此, 分形岩石力 学的研究似应包括三个层次: 第一层次是研究分形 岩石力学的数学基础, 以及重新认识和建立分形空 间中的力学量和力学定律; 第二层次是广泛、系统地 7 第3 期　　　　　　　　杨更社, 等: **岩石力学的研究现状及其展望分析　　　　　　　　　　　　　 �0�8 1994-2010 china academic journal electronic publ**hing house. all rights reserved. 探讨岩石力学中的分形行为和分形结构, 揭示岩石 力学问题中一些复杂现象的分形机理和形成过程, 应用分形定量或定性地解释和描述岩石力学中过去 只能近以描述仍难以描述的现象和问题; 第三层次 是将分形岩石力学的理论和研究成果应用到工程, 解决生产实际问题, 促进工程问题中的定量化、精确 化和可预测性。从目前这方面**的研究现状看, 第 二层次的研究成为热点所在, 并取得了一些阶段成 果。如何将分形的研究成果进一步应用于实际工程 是当前国内岩石力学工作者正在努力的方向。 7　岩石渗流及环境岩石力学 天然岩体并非是单一固相介质, 而是赋存有固 相、液相和汽相并呈相互作用的三相介质体。**在 这方面的研究起步较晚, 但已取得了很大进步。把岩 石力学的应力—渗流耦合分析应用到水库诱发地震 的预测研究上(陶震宁, 1988) , 得到了一些有意义的 结果。赵阳升(1993) 针对矿山岩石力学特点, 建立了 煤体一**耦合的力学模型, 并对冲击地压与** 突出的统一失稳理论进行研究, 在矿山工程中取得 了初步成功 [13 ] 。 环境岩石力学是近年来新发展起来的一个分 支。研究自然高边坡持续稳定和与地质(如泥石流险 性预报)、地震灾害有关的岩石力学问题是环境岩石 力学的重要课题 [14 ] 。近年来, 长江三峡工程坝区的 库岸稳定以及三峡**新迁县城的新址, 岩基稳定 研究工作已有一定的成果(崔政权, 1991)。有关这方 面的研究已有起步, 虽然成熟成果不多, 但发展潜力 则很大, 还需岩石力学的专家和同行们继续努力。 8　智能科学方法在岩石力学问题中的 应用 岩体的力学性质是如此复杂, 在实际的岩石工 程中, 依靠人们实践经验进行技术决策的方法仍然 起到相当重要的作用。自20 世纪70 年代以来, 计算 机科学中的人工智能技术在**进入了实用阶段。 **自1949 年以来, 进行了大规模的工程建设, 积 累了大量的实践经验, 把这些经验利用人工智能方 法使其更好地发挥作用, 无疑对**的岩石工程是 一笔宝贵的财富。首先在**发展起来的是人工智 能专家系统。在岩石力学与工程方面, 国内最早的专 家系统是用于岩体分类(张清, 1988) [15 ] , 随后, 针对 解决不同技术问题研制了相应的专家系统, 例如, 隧 道及地下结构岩溶灾害预报专家系统(张清, 1993) , 采矿巷道围岩设计专家系统(林韵梅等, 1992) 等等。 这些专家系统是以产生式规则组成的知识库, 以及 对于处理不精确问题采用上述的模糊推理或概率统 计方法。有关岩石力学在这方面的专著也相应出版 (林韵梅, 1993: 李效甫, 1993) [16 ] 。采矿界的于学馥 先生更是强调了信息时代的岩石力学问题(1994, 1995) [17 ] 。 人工神经网络( a rt if icial n eural n etwo rk ) 是 模拟人脑学习功能的一种智能方法。人们发现这可 以用于预测。于是人工神经网络开始引入岩石力学 与岩石工程(张清, 1991) , 随后把这一方法用于岩石 力学行为预测和巷通分类指标聚类分析, 近年来又 把它应用于岩石工程系统和岩石工程参数重要性分 析。20 世纪90 年代中期, 一种称为“实例类比系统 (case2based r easoning sy stem ) 在**亦被引入岩 石工程(张清, 1995) , 它可以充分利用已建成的工程 实例( case ) 的经验, 指导今后的设计与施工。鉴于人 工智能在岩石力学中的发展, 有的学者还提出了建 立“智能岩石力学”( intelligent rock m echanics) 的 设想(冯夏庭, 1994)。 此外, 为了处理岩石力学中的不确定性, 一些例 如模糊数学、概率统计、灰色系统等理论直接引用到 岩石力学中来。早在1981 年, 模糊数学即用来解决 岩石分类问题。此外, 如岩体节理的模糊抗剪强度、 岩层质量控制的模糊表达和地下工程支护方案模糊 决策研究等都取得了阶段成果。概率统计除用于岩 石工程可靠度分析外, 用m arkov 过程进行了地质 预报和利用时间序列分析预报岩体力学行为的研究 都做出了可喜的成绩。 灰色系统( grey sy stem ) 是邓聚龙(1981) 创建 的一种软科学理论, 已广泛应用于规划、预测、控制 和决策等方面。20 世纪80 年代末, 在**开始引入 岩土工程, 用于岩体力学量时空延拓分析和岩坡位 移的预测。 9　计算机新技术在岩石力学中的应用 计算机多媒体技术的发展为岩石力学与工程的 可视化处理提供了新的手段。近年来, **的计算机 技术发展速度很快。将计算机可视化技术与三维动 画**图形显示有机结合, 能生动、直观而又逼真地 体现各施工过程的三维动态场景, 为工程技术决策 提供确切依据, 并用于指导基于计算机技术的工程 施工组织管理系统。这种方法的实质在于以多媒体 为代表, 集音响、图形、图像和文字三位一体的三维 8 20210311