岩石力学研究最新进展报告

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岩石力学研究新进展报告

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学号：XXXXXXXX

专业：岩土工程

岩石力学研究新进展报告

1 引言

时光如白驹过隙，一学期的《XXXXX》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[1]。

本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细

观力学四部分的研究新进展做简要报告。由于时间和精力有限（最近导师安排的任务非常多，而且要准备英语和政治期末考试），每部分容除第一大段的研究新进展综述外，只对近几年的三篇比较好的文献做分析说明，包括两篇中文学术论文和一篇外文学术论文，这12篇学术论文我都比较仔细的看了。以后若有机会和时间，我会在导师和各位老师同学的不吝赐教下，努力做岩石力学的创新性研究，届时会在文献综述部分查阅和介绍更多最新以及更优秀的文献。

2 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散也表现出分形特征。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岩试样碎块分形性质具有较强的局部性，仅在小于某一特征尺

度(分形特征尺寸阈值)围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，性破裂程度和性质越强。

许金余，石于2012年在《岩土力学》期刊发表了《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岩破碎块度分布进行统计分析。得出如下结论：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，可以合理地反映岩冲击破碎的程度；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，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。

2013年，Abhra Giri、Sujata Tarafdar、Philippe Gouze 和Tapati Dutta 在《沉积岩的分形几何：使用无限制双分散弹道沉积模型的三维仿真》[4]中较好的利用分形理论解决沉积岩的有关问题。他们的试验和结论如下（英文水平有限，

翻译的不好，但力求按自己的理解翻得通顺，请见谅，下面三部分的英文文献做相同的处理）：无论是理论还是试验的一些研究，都表明沉积岩具有分形特征的孔隙–颗粒界面。在本文中，计算机模拟的三维沉积岩的结构以无限制双分散弹道沉积模型（RBBDM）形式产生，用以研究其孔隙的微观结构的特征。孔隙体积与岩石孔隙界面显示相同的分维数，这就表明了孔隙体积可以用分形理论来研究。两点密度的相关性为了孔隙空间和从实验报告中获得比较有利围而被计算。一种真正沉积岩的一批二维X射线断层扫描显微切片，鲕状灰岩（纯方解石）来自于中侏罗纪时期（巴黎盆地，法国）的曼德维尔形式，用于生成三维图。以这种方式产生真正的三维岩石样品，做为模拟结构来进行类比研究。该结果可与仿真比较。仿真结果与真实的岩石样品在性质上是一致的。通过连接孔扩散模拟的空间结构，使用一个随机算法，研究结果通过相似模拟研究鲕粒灰岩试样进行三维模拟。在这两种情况下的扩散被认为是不恰当的反映了沉积岩具有分形几何特征。模拟和真实的岩石的试验结果具有良好的可比性，这就支持可适用模型的沉积岩产生可应用的转化现象。

3 块体岩石力学

1982年Richard.E.Goodman与石根华正式提出了块体理论(Block Theory)。根据集合论、拓扑学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图方法，构造出可能的所有块体类型，将这些块体和开挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体，对几何可移动块体再按力学条件分为稳定块体、潜在关键块体和关键块体。关键块体是最危险的块体，确定了关键块体后可进行相应的锚固计算。随着国外学者认识和研究的深入，块体理论日益被广泛接受，业已成为岩石工程稳定性分析的重要方法。稳定性分析是岩体工程研究的核心问题,块体理论是常用的岩体工程

稳定性分析方法之一。经典块体理论具有严格的数学证明基础,但它也是在对现实世界高度抽象和假定的前提下,与实际要求存在一定的距离。对经典块体理论的基本原理及其建立以来一些学者对它的研究和典型发展进行了总结和概括,从有限性、可动性、主动稳定性和被动稳定性四个角度对块体进行整体分析,岩体结构面是控制块体稳定性的关键,结构面的模拟和块体系统模型的构建是块体稳定性分析的核心,块体稳定既受在因素如结构面特征的控制,又受外界条件如各种荷载的影响,并且随时间而动态变化。现阶段已有很多有关块体理论在岩石力学方面的研究。但是，块体理论应用的关键是要对岩体中的结构面性状把握准确，而实际岩体差异性大，结构面也并不是平面，这就使得块体理论在实际应用中让有一定的困难。随着科技的进步，这一矛盾会被逐渐解决的。

郝杰、侍克斌、功民等在2014年发表了《有限长迹线块体理论及其在围岩块体滑落概率分析中的应用》[5]。他们较好地把块体理论运用到了工程实践中。他们认为关键块体理论假设结构面完全贯通所研究岩体，与实际结构面迹线有限长相矛盾，计算得到的关键块体数量偏多且安全系数偏小。基于此，他们根据块体理论赤平解析法求得关键块体棱长以及实际迹线长度，运用结构面迹长概率分布理论将关键块体概率重新定义为绝对关键块体概率、相对关键块体概率及非关键块体概率。以等长三棱锥为例，他们的研究结果如下：当迹棱比大于 100 时，绝对关键块体概率接近 1.0，可认为此时结构面迹线贯通岩体；当迹棱比等于1.5 时，相对关键块体概率达到 0.75；当迹棱比大于 7.5 时，非关键块体概率接近 0。通过对布伦口—公格尔水电站地下洞室某关键块体进行稳定性分析，计算得到该块体安全系数为 3.145，基于绝对关键块体概率的修正安全系数为

4.591～

5.233，增幅可达 4

6.0%～66.4%。该论文依据结构面迹长分布规律，将