岩体力学发展史与新技术展望的综述

岩体力学发展史与新技术展望的综述摘要：本文阐述岩土力学发展历史和概貌，岩体力学的基本研究内容和研究方法，以及当今岩土力学发展存在的问题，对岩石力学研究提出的更高一个层次的要求，使岩石力学面临许多前所未有的问题和挑战，急需解决和提高岩石力学理论和方法的研究水平，以适应工程实践的需要。关键词：岩土力学，发展，新技术，展望引言岩体力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地下工程等众多的与岩石工程相关的工程领域，一方面它是上述工程领域的理论基础，另一方面正是上述领域实践促使了岩体力学的诞生与发展，作为地球科学的一个重要组成部分面临一系列新的机遇和挑战。一、岩体力学的发展历史和概貌（1）初始阶段（19世纪末～20世纪初）这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。海姆提出了静水压力的理论认为地下岩石处于一种静水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等；朗金和金尼克也提出了相似的理论。（2）经验理论阶段（20世纪初～20世纪30年代）该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题，最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论，该理论认为，围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分。太沙基提出相同的理论，只是他认为塌落拱形状是矩形，而不是抛物线型。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的，进一步说围岩和支护之间并不安全是荷载和结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统，维持岩石工程的稳定最根本的还是发挥围岩的作用，尽管如此，上述理论在一定的历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的。（3）经典理论阶段（20世纪30年代～20世纪60年代）岩石力学学科形成的重要阶段，弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，确立了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用的理论，岩体工程技术问题的解决，这些都说明岩石力学发展到该阶段已完成为一门独立的学科。在经典理论发展过程阶段，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。早在20世纪30年代，萨文就用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析来计算分析岩石工程的围岩应力分布问题，20世纪50年代，鲁滨湟特运用连续介质理论写出了求解岩石力学领域问题的系统著作，同时，开始有人用弹塑性理论研究围岩的稳定问题，导出著名的芬纳-塔罗勃公式和卡斯特纳公式，塞拉塔用流变模型进行了隧峒围岩的粘弹性分析。20世纪60年代，运用早期的有限差分和有限元等数值分析方法，出现了考虑实际开挖空间和岩体节理、裂隙的围岩和支护共同作用的弹性或弹塑性计算解，使运用围岩和支护共同作用原理进行实际岩石工程的计算分析和设计变得普通，促进了中国早期的地应力测量工作的开展。地质力学理论注重研究地层结构和力学性质与岩石工程稳定性的关系，由德国人克罗斯创立起来的，理论反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学的原理进行岩石力学特性的分析，强调重视对岩体节理、裂隙的研究和结岩石工程稳定性的影响和控制作用，1951年在第一届地质力学讨论会，形成“地质力学研究组”并广泛应用于岩石工程。（4）现代发展阶段（20世纪60年代～现在）此阶段是岩石力学理论和实践的新进展阶段，其主要特点是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岩石力学，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露出来，岩体的地质结构和赋存状况到重视。20世纪70年代开始出现用于岩石工程隐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、边界元及混合模型得到广泛应用，成为岩石力学材料分析计算的主要手段，20世纪90年代数值分析终于在岩石力学和工程学科中扎根，岩石力学专家和数学家合作创造成一系列计算原理和方法。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。智能岩石力学涉及人工智能、神经网络、遗传算法、模糊数学、非线性科学、系统科学、固体力学和岩石工程等许多领域。二、岩体力学的基本研究内容和研究方法岩石力学服务对象的广泛性和研究对象的复杂性，对任何岩石工程领域来讲，下列基本内容是首要进行研究的。（1）工程岩体的稳定性包括：1）各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力、位移分布特征；2）各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形破坏特征；3）各类工程岩体的稳定性分析与评价等。（2）岩石的基本力学性质包括：1)岩块在各种力学作用下的变形和强度特征以及力学指标参数；2）影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度等；3）岩石的变形破坏机理及其破坏判据。（3）岩石的物理、水理与热力学性质。（4）结构面力学性质内容包括：1）结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形参数及其确定；2）结构面剪切强度特征及其测试技术和方法。（5）岩体力学性质包括：1）岩体变形与强度特征及其原位测试技术与方法，2）岩体力学参数的弱化处理与经验估计；3）影响岩体力学性质的主要因素；4）岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。（6）地应力分布规律及岩体规律及其测量理论与方法（7）岩石、岩体的地质特征，内容包括：1）岩石的物质组成和结构特征；2）结构面特征及其对岩体力学性质的影响；3）岩体结构及其力学特征；4）岩体工程分类。（8）岩石工程稳定性维护技术包括岩体性质的改善与加固技术等。（9）各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用。（10）工程岩体的模型、模拟试验以及原位监测技术，模型试验包括数值模型模拟、物理模拟等。根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属学科领域的不同，岩石力学的研究方法可大概归纳以下四种：（1）工程地质研究方法；（2）科学实验方法；（3）数学力学分析方法；（4）整体综合分析方法。三、岩体力学研究的主要问题主要研究的问题有以下几种：（1）水利水电工程；（2）采矿工程；（3）铁道和公路建设工程；（4）土木建筑工程；（5）海洋勘探与开发工程。以上只是一些主要方面，随着岩石工程建设的发展，还会有新问题的不断提出。四、岩体力学与工程发展趋势和前景展望国际上岩石力学与岩石工程研究的最新趋势：(l)岩石工程对环境的影响越来越受到重视，这是同全球的环境保护意识增强离不开的。(2)对岩石或岩体的力学和水力学特性与温度场、应力场等相关场的耦合问题的研究越来越多，不再是对简单环境下单一岩石力学性质的研究。(3)对岩石力学特性及岩石工程的数值方法和数据模拟的研究一直是长盛不衰的。(4)岩石或岩体特有的节理裂隙对其力学性质的影响的研究越来越深入和细致。(5)原位测试及勘探。水压致裂及三维裂纹勘探受到重视，声发射致裂研究裂缝扩展及强度的破坏。(6)越来越重视岩石力学的研究成果在实际工程中的应用。(7)高科技在岩石力学与岩石工程中的应用开始崭露头角。以下五个方面的问题应成为我们的主攻方向。（1）岩体力学研究由局限的岩体走向解决山体和地体等大范围、大尺度的工程和资源开发问题。（2）岩体力学由研究单一的固体不连续材料向多场耦合和多相运动研究发展。（3）岩体力学从单纯的地球内动力驱动或外动力驱动模型向内外动力耦合作用模型的转变。（4）岩体力学从工程岩体稳定性研究向极端灾害的非线性动力过程的预测及防治进军。（5）从常规的岩石开挖的失稳防治到新型大规模暴力攻击的防护，以及人地关系的协调。这些问题都是对岩石力学提出的更高的要求，使岩石力学面临许多前所未有的问题和挑战，急需发展和提高岩石力学理论和方法的研究水平，以适应工程实践的需要。