岩体力学优秀论文

岩体力学是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。国际上往往把岩体力学称为岩石力学。它是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，属于应用型基础学科。主要研究经过变形和破坏的岩体在地应力条件改变时产生再变形和再破坏的力学规律的学科。是力学、地质学与工程学之间的一门边缘学科。岩体力学研究的核心内容，是定量预测和评价岩体的稳定性，岩体的改造和加固措施。它除了要研究岩体结构、岩体的基本特性、岩体所处的地质环境等因素以外,还要充分考虑工程因素,如工程规模、爆破、开挖程序和加固措施等的影响。岩体力学研究可大致归纳为9个方面：岩体的结构型式岩体的地质特征,包括岩体的物质组成、岩体结构、岩体中的天然应力、岩体中水的状态以及岩体温度的研究；岩体的物理与水理性质，包括空隙性、渗透性、膨胀性、崩解性以及溶蚀性的研究；岩体的力学性质，包括岩体的变形和强度特性与测试方法，特别是不连续面力学效应和岩体结构力学效应的研究；岩体的动力特性与测试方法的研究；岩体的变形、破坏机制、本构关系与破坏判据的研究；岩体的稳定性，包括地基、边坡与地下工程围岩变形、失稳的预测、评价的理论和技术途径的研究；岩体性质改造和加固的研究；模型模拟试验，包括室内模型模拟试验和原位岩体工程模拟试验技术、理论与应用的研究；原型观测、施工监测、反分析，以及工程事故的分析与应用研究。岩体力学的研究内容决定了在岩体力学研究中必须采用如下几种研究方法。(1)工程地质研究法。目的是研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。如用岩矿鉴定方法，了解岩体的岩石类型、矿物组成及结构构造特征；用地层学方法、构造地质学方法及工程勘察方法等，了解岩体的成因、空间分布及岩体中各种结构面的发育情况等；用水文地质学方法了解赋存于岩体中地下水的形成与运移规律，等等。(2)试验法。科学试验是岩体力学研究中一种非常重要的方法，是岩体力学发展的基础。包括岩块力学性质的室内实验、岩体力学性质的原位试验、天然应力量测、模型模拟试验及原位岩体监测等方面。其目的主要是为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。同时，还可以用某些试验成果(如模拟试验及原位监测成果等)直接评价岩体的变形和稳定性，以及探讨某些岩体力学理论问题。因此应当高度重视并大力开展岩体力学试验研究。(3)数学力学分析法。数学力学分析是岩体力学研究中的一个重要环节。它是通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据。其中建立符合实际的力学模型和选择适当的分析方法是数学力学分析中的关键。目前常用的力学模型有：刚体力学模型、弹性及弹塑性力学模型、断裂力学模型和损伤力学模型及流变模型等等。常用的分析方法有：块体极限平衡法，有限元、边界元和离散元法，模糊聚类和概率分析法等等。近年来，随着科学技术的发展，还出现了用系统论、信息论、人工智能专家系统、灰色系统等新方法来解决岩体力学问题。(4)综合分析法。这是岩体力学研究中极其重要的一套工作方法。由于岩体力学工作中每一环节都是多因素的，且信息量大。因此，必须采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，才能得出符合实际情况的正确结论，而综合分析判断是该阶段常用的方法。以上几种方法紧密结合并且相互促进，相辅相成，缺一不可。岩体力学的发展可分为两个阶段：连续介质力学阶段。把岩体视为一种完整的连续介质材料，将连续介质力学的理论和方法，特别是把土力学理论移植过来，用于解决在工程建设中遇到的岩体力学问题。这是岩体力学发展的早期阶段；在20世纪50年代末和60年代初，国际上发生了几次大型水坝工程事故。在对这些重大事故研究过程中，逐渐注意到岩体并不是完整一块，而是由节理、断裂等切割成的碎裂岩体。在岩体力学研究中重视了节理、断裂面等力学作用，提出了不连续性、不均匀性、各向异性是岩体的重要特征；注意到尺寸效应等现象。在力学分析上出现了块体分析的理论和方法。连续介质力学理论仍具有支配作用。同时，正在注意研究碎裂介质岩体力学分析理论和方法；研究结构力学的理论和方法在岩体力学研究中的应用；研究运用岩体变形观测反分析与岩体改造措施相结合的实用岩体力学问题，不断地深入认识岩石，修改设计，补充岩体改造措施，使岩体工程设计逐步完善，并有了一套应用岩体力学的理论和方法。岩体结构型式岩体力学主要研究岩体上各种工程地基的变形、破坏；岩体边坡的变形、破坏；地下工程的围岩变形、破坏、开挖和支护；岩体改造方案及技术。必须研究的基本问题有：岩体结构，特别是结构面的地质规律；岩体中应力，包括地应力及工程建设引起的二次应力；岩体变形规律；岩体破坏机制及强度理论；岩体水力学理论。岩体力学是在岩石力学的基础上发展起来的一门新兴学科，因此，目前国际上仍沿用岩石力学(rockmechanics)这一名词。如岩体力学的国际组织叫国际岩石力学学会(TheInternationalSocietyforRockMechanics，简称ISRM)，我国的国家组织相应地也叫中国岩石力学与工程学会(ChineseSociteyforRockMechanicsandEngineering，简称CSRME)。但是从所研究的内容上讲，它实际上已属于岩体力学的范畴了，因此通常意义上的岩石力学就是岩体力学。岩体力学的形成与发展历史是从岩石力学的兴起开始的。尽管岩石力学的诞生之日难以考查，但一般认为，岩体力学形成于20世纪50年代末，其主要标志：是1957年法国的塔罗勃(J·Talobre)所著《岩石力学》的出版，以及1962年国际岩石力学学会(ISRM)的成立。岩体力学作为一门独立的学科至今才40余年的历史，这是很短暂的，但其形成的历史是漫长的，这与当时的生产力水平低，工程建设数量少、规模小有关。对于岩体力学的形成历史，在此不拟详细介绍，这里仅就其形成以后的发展过程与特点作一简要介绍。以使读者了解岩体力学的发展动态。为了考察岩体力学的发展，先列举一些对岩体力学形成与发展有重要影响的事件如下：1951年，在奥地利的萨茨堡(Salzburg)创建了第一个岩石力学学术组织，叫地质力学研究组(StudyGroupforGeomechanics)，并形成了独具一格的奥地利学派，其基本观点是岩体的力学作用主要取决于岩体内的结构面及其对岩体的切割特征。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。1957年，第一本《岩石力学》(J·Talobre著)专著出版。1959年，法国马尔帕塞坝因左坝肩岩体沿软弱结构面滑移而溃决，引起了许多岩体力学工作者的关注和研究。1962年，在国际地质力学研究组的基础上成立了国际岩石力学学会(ISRM)，由奥地利岩石力学家缪勒(L·Müller)担任主席。1963年，意大利瓦依昂水库左岸岩体大滑坡，吸引了许多岩石力学工作者的关注。1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开，由葡萄牙岩石力学家罗哈(M·Rocha)担任主席。以后每4年召开一次大会，至今已召开了八次。这八次国际岩石力学学术会议内容广泛，当代岩石力学的主要热点问题都得到了交流和讨论，无疑代表了当代国际岩石力学的水平。第九届国际岩石力学大会将于1999年8月在法国巴黎召开，会议总的主题为面向未来。届时将组织：①应用岩石力学，环境安全与控制；②力学现象与热学、流体力学及化学现象的耦合；③岩石动力学与构造物理学；④监测、原位测试四个专题的讨论。这期间，我国的岩体(石)力学研究也得到了长足的发展。陆续建立了中国科学院武汉岩土力学研究所、地质研究所工程地质研究室，长江科学院岩基室等科研机构。并在许多高等院校的相关专业建立了岩石力学实验室，开设了岩体(石)力学课程。围绕一些重点工程建设开展了一系列岩体力学科研、生产工作，获得了一系列重大成果。其中，陈宗基教授把流变学引入岩体力学，提出了岩体流变、扩容与长期强度等概念，进一步发展了岩石流变扩容理论。谷德振教授等根据岩体由于受结构面切割而具有的多裂隙性，提出了岩体工程地质力学理论，将岩体划分为整体块状、块状、碎裂状、层状及散体状几种结构类型。另外，我国于1985年正式成立了全国岩石力学与工程学会，至今已召开了四次全国性学术大会，并派团参加了第四至第八届国际岩石力学大会，参与了国际学术交流。这一时期岩体力学的研究工作有如下特点。1.对岩体及其力学属性的认识不断深入在岩体力学形成的初期，人们把岩体视为一种地质材料。其研究方法是取小块试件，在室内进行物理力学性质测试，并用以评价其对工程建筑的适宜性。这种研究实质上还是材料力学方法，可称为岩块力学或岩石力学。大量的工程实践表明：用岩块性质来表征作为建筑地基的大范围岩体特征是不合适的。自20世纪60年代起，国内外岩体力学工作者都逐步认识到了被结构面切割的岩体性质与完整的小岩块性质有本质的区别。即如果相对而言可将岩块视为均质、连续和各向同性的弹性介质，而岩体则是非均质、非连续和各向异性的非弹性介质。只有在某些情况下，如裂隙不发育的完整块状岩体等，其力学属性才能近似地看成与岩块相同。在这种认识的前提下，人们开展对岩体的研究，并重视原位试验在确定岩体力学参数中的作用。这一时期内，奥地利学派起了很大的推动作用，缪勒(1974)主编的《岩石力学》代表了这一时期的研究方向和水平。但这一时期人们还是多把岩体视为岩块的砌体来研究，而对结构面在岩体变形、破坏机理中的影响及其重要性还认识不足，在岩体力学分析计算中未作全面考虑。到70年代中后期，岩体力学工作者越来越认识到岩体结构的实质及其在岩体力学作用中的重要性，开展了大量的研究(如奥地利、中国、美国等国家的学者)。如我国从70年代开始，以谷德振为首的科研群体就开展了对岩体结构与结构面力学效应等理论问题的研究，并应用于解决工程问题，提出了岩体工程地质力学的学说，出版了《岩体工程地质力学基础》(1979)等一系列专著。进而又提出了岩体结构控制论的观点(《岩体结构力学》，孙广忠，1988)，认为岩体的变形和稳定性主要受控于岩体结构及结构面的力学性质，因此必须重视对岩体结构和结构面力学性质及其力学效应的研究。从上述岩体力学的发展过程，我们不难看出，人们对岩体及其力学属性的认识是不断深化的。2.研究领域愈益扩大，并强调在工程中的应用在岩体力学形成初期，主要是针对矿山建设中的围岩压力问题进行工作。现在岩体力学已被广泛应用于采矿、能源开发、国防工程、水利水电工程、交通及海洋开发工程、环境保护及减灾防灾工程、古文物保护工程、地震、地球动力学等等许多领域。而且随着工程建设的增多和规模的不断加大，特别是一些复杂的重大工程(如三峡工程)的实施，将给岩体力学带来许多新的复杂课题，这对于岩体力学来说既是发展的机遇，也是一种挑战。3.重视岩体中天然应力的研究过去人们提到天然应力主要是指自重应力，现在人们已经认识到在很多情况下只考虑自重应力是不行的，必须考虑除自重应力以外如构造应力等的影响。从60年代开始，逐渐重视和加强了岩体中天然应力及其量测技术的研究，积累了丰富的实测资料，并获得了一些非常有意义的结论。同时天然应力的确定方法和量测手段也有了长足的进展。4.岩体的测试技术和监测技术大力发展在开始的室内常规岩块力学参数测试的基础上，逐渐发展了岩石三轴试验、高温高压试验、刚性试验、伺服技术、结构面力学试验、原位岩体力学试验及原位监测技术和模型模拟试验等。另外，岩石微观结构研究等也逐渐应用于岩体力学中。5.注意岩体动力学、水力学性质及流变性质的研究随着地下爆炸试验、地震研究、国防工程和水利水电工程的发展，岩体在振动、冲击等动载荷作用下的变形和强度特性、破坏规律、应力波传播与衰减规律及结构防护等以及岩体在长期荷载作用下的流变性能和长期强度；水岩耦合及水岩与应力耦合所表现出来的水力学性质等等，都日益受到广泛的重视，并取得了一些成果。6.新理论、新技术及新方法的应用首先，计算机技术的应