《岩土工程》

地下岩体工程的研究进展学号：6003114046姓名：王子龙班级：水电142时光如白驹过隙，一学期的《岩土力学》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习，使我在岩石力学方面有了很大的启发，特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。岩石力学可以作为固体力学的一个新分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门内涵深，工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题，输入给模型的基本参数很难确定，而且没有多少对过程（特别是非线性工程）的演化提供信息的测试手段。另一方面，对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场（应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相（固、液、气）影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，其大多数是高度非线性的。目前，岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的，可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此，近年来，多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起，为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法，更能激发研究者的创新精神，这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础。分形岩石力学从古至今，岩石已成为人们熟知的工程材料，它是由矿物晶粒、胶结物质和大量各种不同阶次、不规则分布的裂隙、薄弱夹层等缺陷构成，是一种成分和结构高度复杂的孔隙体。岩石力学经过近50年的发展，人们尝试用各种数学力学方法研究和描述岩石复杂的自然结构性状和物理力学性质，提出了多种岩石力学分析和计算方法，为解决实际工程中的岩石力学问题创造了条件。19世纪70年代Mandelbrot创立分形几何学，提出了一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，从此分形几何学广泛地应用于自然科学研究的各个领域，并且在经济学等社会科学也有很巧妙的应用。19世纪80年地下岩体工程的研究进展代，分形几何学开始应用于岩石力学研究，开始形成分形岩石力学这一门新兴交叉学科。人们逐渐发现岩石力学领域中的分形现象相当普遍，不仅岩石的自然结构性状、缺陷几何形态、分布以及地质结构产状、断层几何形态、分布都观察到分形特征或分形结构，而且岩石体强度、变形、破断力学行为以及能量耗也表现出分形特征。这些研究与发现为运用分形与岩石力学相结合的方法定量描述岩石复杂的自然性状和物理力学性质提供了广阔前景，还为工程实践提供了强有力的工具。分形与岩石力学相结合已广泛应用于岩石力学领域研究的诸多方面，取得了令人瞩目的研究成果。毕竟，分形岩石力学起步比较晚，岩石力学的分形研究和应用还不够成熟，仍在发展当中，适用于分形－岩石力学分析和应用的基础理论框架远未形成，基础理论和应用研究的诸多方面仍然相当复杂和艰难。目前大多数研究主要集中于发现和描述岩石结构自然形貌和岩石力学行为的分形现象、性质和机理，较少涉及岩石力学分形研究的数学力学基础和工程应用。未来岩石力学分形研究的主要方向之一是要下大力气研究分形－岩石力学及其应用的基础数学力学理论，即：需要研究和建立分形空间中适用于定量描述和分析分形岩石体的几何构形、应力、变形、物理平衡条件、本构关系、强度准则、初边值问题、数值计算等一整套的基础理论与方法。目前这方面研究已引起国际学术界的高度重视，成为下世纪非线性力学理论和应用研究的一个重要方面。至于岩石力学分形研究的工程应用，才刚刚起步，除需进一步加强应用基础研究之外，努力推广这种新思想和新方法在岩石工程中的实践和应用是岩石力学工作者面临的另一个重要课题，有待于人们去开发和应用。可以预言，尽管岩石力学的分形研究这一新兴交叉学科才刚刚起步，还相当不成熟，但基于分形岩石结构和力学思想的岩石力学描述、分析和计算方法将会得出更加切合实际的结果。2012年，黄达、谭清、黄润秋在《石力学与工程学报》上发表了《高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究》一文[2]。他们在文中得出如下结论：当岩体处于高应力条件下，岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验，结合分形理论和能量原理，研究了高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性，仅在小于地下岩体工程的研究进展某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质，其碎块分维数均大于2，分维数随卸荷速率增大而单调减小，但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样，高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多，但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多，特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高，峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短，峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大，峰前、峰后应变能转化速率越快，破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大，分维数越小，张性破裂程度和性质越强。许金余，刘石于2012年在《岩土力学》期刊发表了《大理岩冲击加载试验碎块的分形特征分析》[3]。他们应用分形几何的方法对冲击加载试验中大理岩破碎块度分布进行统计分析。得出如下结论：大理岩的冲击破碎块度分布具有分形特征，采用破碎分形维数对岩石破碎过程进行定量描述，可以合理地反映大理岩冲击破碎的程度；大理岩的平均破碎块度与冲击加载速率有着较强的相关性，随着加载速率的提高迅速减小；由于岩石的破坏是由于内部裂纹的发育、扩展、贯通所致，吸收的能量越多，裂纹扩展的越充分，碎块产生的越多，破碎程度就越高，导致分形维数的值也就越大，因此，大理石破碎的分形维数随着比能量吸收值的增加近似线性增加，这就从能量吸收的角度可以较好地解释破碎分维的变化规律。综上所述，破碎分维是评价岩石冲击破碎块度分布的理想指标，可较为全面地反映岩石冲击破碎的全过程。随着科学技术的迅猛发展，21世纪的岩土工程取得了突破性的进展。主要表现在下列这些方面，这些研究大部分都是目前岩土工程研究的热点和难点，并且已经取得了相当多的成果。1、地理信息系统（GIS）在岩土工程短短几十年的发展中，信息管理、信息利用的理念以及信息技术的应用已经深入到岩土工程的方方面面。地理信息系统的发展和新兴学科的交织渗透为岩土工程的信息化奠定了坚实的基础，同时岩土工程的信息化也成为数字地球体系的重要组成部分。地理信息系统是计算机科学、地理学、测量学、地质学、地图学等多门学科综合的技术，是一个采集、存储、分析和显示地学信息的计算机系统，是一种决策支持系统。二维GIS始于20世纪60年代的机助制图，地下岩体工程的研究进展现已发展较为成熟。三维GIS一直处于理论研究阶段。2、冻土力学冻土的力学特性除了与常温土特性一样和土颗粒构成、含水量等有关系外，更重要的还和温度、承载时间有密切关系，这些决定了冻土力学特性试验研究的复杂性。为此，国内外在这一领域已投入大量的人力物力，进行了大量的研究。3、特殊土土力学土的结构性数学模型是二十一世纪土力学的核心问题。现代土力学建立的本构关系，实际上针对的是饱和扰动土和砂土。软化模型实际上从体积收缩为硬化推广到体积膨胀为软化，并未和结构逐渐破坏联系起来。为此，应建立结构性数学模型和结构破损理论，这是深化土力学理论的第二次飞跃。特殊土结构性显著、复杂、并具有多样化。对土的结构性研究，应将土质学方法和土力学方法结合起来。传统土力学建立的本构模型，实际上都是针对饱和土而言，对非饱和土的研究，近期在土力学界相当活跃。特殊土中除软土外，基本上都是非饱和土，用非饱和土理论，结合特殊土的特异成分和特意结构进行研究，可能是特殊土研究的一个新方向。4、环境岩土工程环境岩土力学是一门新兴的综合性交叉学科，它涉及岩土力学与岩土工程、卫生工程、环境工程、土壤学、地质学、水文地质、水文地球物理、地球化学、工程地质、采矿工程以及农业工程学等学科。同时，环境岩土工程是一门适用性很强的学科，其应用面十分广泛，它是应用岩土力学的观点、技术和方法来研究人类工程活动，特别是工程建筑当中存在的一系列问题5、地下岩土工程为解决城市交通、停车、贸易、通讯、供水、供电等工程项目占地的重大难题，当地表上层空间高层建筑受到限制后，人们已经注意并大力开发和利用地下空间。任何地下工程的开挖或盾构施工，无论其埋深大小，均将对地下岩体构成扰动，使岩体应力发生释放，失去原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。在这个过程中地下岩土体及地表面势必发生或大或小的位移及变形。尽管此类变形有时十分微小，所造成的危害不大，然而企图制止变形是办不到的，也是一种十分被动的做法。因而只能根据地表保护的要求，采取有效措施来减小变形，以使地下岩体工程的研究进展地面建筑物不至造成损害，生态环境不至恶化。因此，深入开展岩土力学研究，提出较为可靠的地下开挖及降水引起的地面沉降及变形预计方法就显得十分必要。6、岩土锚固岩土锚固已在我国边坡、基坑、矿井、隧洞、地下工程，坝体、航道、水库、机场及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得深入研究和广泛应用。当前，我国正加大对交通、水利，能源及城市基础设施的建设力度，为了适应工程建设的需要和推动本科学的发展，岩土锚固技术得到了快速发展，锚固机理研究不断深入。围绕以下课题开展研究并进行技术革新，必将使岩土锚固理论和技术的发展跨上一个新的台阶。7、数值模拟方法随着计算机技术进入各个领域，近年来岩土力学数值分析方法有了迅速的发展，将计算机作为复杂岩土工程力学计算的一种有效接口，数值模拟在解决岩土工程问题中发挥了高效作用，它已被广泛地应用于岩土体稳定性、岩土工程设计和岩土工程基本问题分析中。数值模拟法是获得岩土工程设计参数或对岩体力学状态的评估更为有效的方法之一，但数值方法的有效性是以掌握真实的岩土力学参数为前提的。岩土工程作为综合性的学科，已有70年的历史。岩土力学学科中已有部分较为成熟的理论，但更多的是不完善、不成熟，如化学加固技术、电涌法加固土体、土工合成材料的广泛应用等。大部分领域都有值得深入研究的课题，有很大的研究发展空间。随着科学技术的飞速发展，研究手段和研究方法不断更新，预期在新的世纪岩土力学学科也必将出现多方面的重大突破。