岩石力学与工程应用介绍

岩石力学探讨岩石在其周围物理和工程环境中变形、强度和破坏的力学性质和力学效应。岩石力学的理论基础涉及弹塑性理论、流变学、流体力学、结构力学、工程地质、地球物理学、矿物学和水化学等学科。岩石力学的工程应用涉及采矿、交通、水电、石油、工民建、地震、国防工程和核废料处理等岩土工程领域。近年来，断裂力学、损伤力学、分形几何、分岔、混沌、突变理论、协同论等学科分支和研究方法相继渗入，推动岩石力学的不断发展。

岩石是自然界的产物，是由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的混杂体。经过亿万年的地质演变和多期复杂的构造运动，使岩石中形成各种断裂，如裂隙、夹层和断层等。所以岩石结构是极其复杂的非连续和非均质体，它的力学属性具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特性。岩石的变形和破坏性质不但和岩石的复杂结构密切相关，而且还受温度、围压、孔隙水等环境因素的影响。

岩石力学研究是伴随对岩石物理力学性质认识的逐渐深入而不断发展的，对岩石变形破坏特性的描述，是在广义虎克定律基础上，不断深入到岩石的非弹性变形、体积膨胀、各向异性、硬化及软化、流变大变形。传统的岩石屈服函数通常采用库仑和德鲁克-普拉格准则，以及近年来发展的帽盖型临界状态模型等。考虑到岩石屈服面与破坏面相异，在力学本构模型中采用非关联塑性流动法则以及多重屈服面模型和边界面模型等。各种流变模型的建立旨在反映岩石粘、弹、塑流变变形性质。

岩石材料具有多种内部缺陷是造成岩石非弹性变形的主要原因。为描述岩石的状态，岩石损伤力学引入内变量来刻划岩石介质微观结构的变化，有各种定义下的损伤变量和损伤演化规律。目前，很多学者试图由岩石的细观结构的裂隙变形扩展，得出岩石宏观破坏的力学准则。其中，分形、混沌、分岔等现代数学理论的应用为描述岩石细观结构及演化过程开辟了新的途径。同时，也为分形岩石力学、岩石分岔理论等新学科分支的建立提供了可能。

在距地表十几公里内的地层，特别是涉及工程范围内的岩体，受地质构造运动的影响，存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。这些地质结构面的存在，破坏了岩层的整体性，它们的性质和空间分布极大影响着岩体的变形、强度和气、液通导特性。不连续性、非均匀性和各向异性是岩石材料最主要特性。节理岩体的性质在很大程度上取决于岩块系统的构成，而不是岩石材料本身。运用连续介质力学方法一般将结构面及其邻域作为分析单元，建立了节理本构模型并与岩石本构模型耦合计算非连续岩体的运动、变形和失稳。此外，提出了非连续介质力学解析方法和力学模型，如可变形块体平衡理论及离散单元法。但事实上，目前对岩体结构面的几何形态和力学性质的描述依然十分粗糙，特别是环境因素对它们的影响尚缺乏可靠的实验依据。这是重大岩土工程的力学分析中亟待解决的问题。

岩体中的孔隙和裂缝网络是液体、气体的自然通道。从不同工程背景出发，岩石力学一方面须研究渗流对裂隙岩体力学性质的影响(如由水库裂隙水诱发的地震)，提出岩体稳定性力学准则和加固方案，如对三峡坝基与边坡、铁路交通桥梁基础与隧道等长期稳定性问题的研究的预测; 另一方面要研究液体、气体在不同外力场作用和裂隙分布的岩体中的流动规律，在一定条件下，流体的流动与岩体的变形和破坏产生耦合的作用。在工程应用方面，可以采用人工方法制造岩体裂缝以改变原始应力场及提高渗透率，如应用于油气田开采，煤矿瓦斯抽放，地热开发、煤的地下气化等。在地学中，矿液的运移与成矿关系也是一个重要课题。目前，国内外对岩石固液耦合力学研究已引起普遍关注，有着广阔的应用前景。

岩石力学基础研究的成就已大大促进了岩土工程的发展。60年代初，岩石弹塑性理论在岩土地下工程稳定性分析中的应用，使人们认清了岩土工程结构的本质与特性，认识到地下工程围岩即是一种载荷，也是一种结构，提出了以新奥法为代表的新的岩石支护与施工方法，革新了传统支护的观念与思想，充分发挥围岩的自承能力，产生了巨大的经济效益。70年代，岩石粘弹、粘弹塑性理论研究使岩石流变学取得了巨大的进展，为预测岩土工程的长期稳定性、核废料的长期埋藏提供了理论基础。岩石刚性压力伺服实验机使得岩石应力、应变全过程得到准确测定，为研究岩石超过最大载荷后的力学行为，为采场矿压分析、矿柱设计、岩石失稳研究、岩爆与地震机理研究提供了实验基础。岩石破裂与破碎的研究，大大改进了爆破技术和矿石粉碎工艺，以及石油钻井技术与压裂增产石油工艺。多孔介质力学理论为研究油藏工艺、煤矿瓦斯抽放技术、地下水渗流问题奠定了基础。岩石中的应力波动理论促进了岩石声发射技术、超声波测试技术的发展，为岩石破坏与失稳的无损监测提供了强有力的手段。现代计算机技术的迅速发展，正对岩石力学产生深远的影响。

在最近几年中，岩石力学与岩土工程的重心已有相当大的转移，也就是由传统简单的理论分析、经验类比转向更复杂、更符合实际的理论分析和岩土工程数值模拟。岩石人工智能、专家系统与神经元网络系统使复杂岩土工程设计与施工的决策更趋于合理与可靠。

特殊及恶劣环境下的岩石力学问题的研究已经得到极大的关注，包括: 岩爆力学的研究，矿井深部开采和高地应力引起的冲击地压、瓦斯突出和矿井灾害的预测与预报，膨胀岩(软岩)中巷道变形与维护，建筑物、铁路、河流下采矿引起的地表移动、破坏和地面保护，承压水体上采矿引起的突水及岩层控制，以及海洋下石油和矿物开采与煤炭地下气化、液化的岩石力学问题。