试论我国岩石力学的研究现状与发展动向

２０１３ 年 第 ２ 期 西 部 探 矿 工 程 １ ６１

试论我国岩石力学的研究现状与发展动向
刘 世 安 ＊ ，宋 仕 兵
（青岛地质工程勘察院，山东 青岛 ２６６０７１）
分形几何由于可以很好地描述岩石力学中的不规则 性 和 不 确 定 性 ，在 岩 石 力 学 领 域 得 到 了 不 同 程 度 的 应 用 ， 过去认为难以 解 释 或 解 决 的 问 题 ，一 些 已 有 了 分 形 研 究 的新成果。我国学者在这一领域里的研究工作是令人瞩 目 的 ，如 分 形 几 何 在 研 究 岩 石 断 裂 分 布 、岩 石 断 裂 面 的 粗 糙度 、岩石微破 裂 过 程 和 地 震 以 及 岩 石 碎 屑 等 方 面 都 取 得了一定的 成 果 。 其 中，中 国 矿 业 大 学 谢 和 平 的 研 究 工 作最具代表 性 ，并 取 得 了 丰 硕 的 研 究 成 果 。 这 些 研 究 成 果已部分直接 或 间 接 地 应 用 于 岩 石 工 程 实 践 中 ，但 要 完 整而理想地应用于工程实际还有相当长的过程。 １．５ 岩 石 力 学 数 值 计 算 方 法 研 究
岩石力学试验是岩石力学发展的基础，它包 括实验 室岩石力学参数的测定、模型试验、现场岩体的原位试验 及监测技术 、地 应 力 的 测 定 和 岩 体 构 造 的 测 定 等 。 随 着 试验设备和技术手段的提高，岩石力学的试验 水平有 了 较大的发展，如常规的单轴拉伸、压缩试验、岩体 弱面直 剪试验、三轴压缩试验、岩石应力应变破坏全过程试 验、 岩石流变和断裂试验等；三峡与其它重大岩石 工程的 开 工建设，对岩石力学特性试验提出了更高的要求，进行了 若干非常规的岩石力学特性试验研究。另一方 面，近代 发展起来的 新 的 试 验 技 术 已 不 断 的 应 用 于 岩 石 力 学 领 域，如遥感技术、激光散斑和切层扫描（Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ）等。 １．２ 岩 石 力 学 本 构 理 论 研 究
＊ 收稿日期：２０１２－０７－０５ 第 一 作 者 简 介 ：刘 世 安 （１９７９－），男 （汉 族 ），山 东 菏 泽 人 ，工 程 师 、博 士 ，现 从 事 岩 土 工 程 的 勘 察 、设 计 、施 工 、监 测 工 作 。
１６ ２ 西 部 探 矿 工 程 ２０１３ 年 第 ２ 期
概括来讲，岩 石 力 学 的 发 展 进 程 可 划 分 为 ４ 个 阶 段：２０世纪以前的初始 阶 段、２０ 世 纪 初 至 ３０ 年 代 的 经 验理论阶段、２０世纪３０～６０年代的经典 理 论 阶 段 以 及 ２０世纪６０ 年 代 至 今 的 现 代 发 展 阶 段，在 现 代 发 展 阶 段，各种复 杂 力 学 模 型 应 用 于 岩 石 力 学 问 题 的 分 析 研 究 ，力 学 、物 理 学 、系 统 工 程 等 学 科 最 新 研 究 成 果 已 成 功 引 入 岩 石 力 学 ，计 算 机 的 广 泛 应 用 为 流 变 学 、断 裂 力 学 、 非 连 续 介 质 力 学 、数 值 方 法 、人 工 智 能 、分 形 理 论 等 在 岩 石力学的应用提供了可能。下面对我国岩石力学的研 究现状做简要的分析研究： １．１ 岩 石 力 学 性 质 的 试 验 研 究
现代计算技术、多 媒 体 技 术 的 飞 速 发 展，电 子 计 算 机 以 其 惊 人 的 计 算 速 度 和 处 理 复 杂 数 据 、图 像 的 能 力 越
来越受到广泛的青睐，目 前，许 多 学 者 已 把 人 工 智 能 技 术 、多 媒 体 技 术 等 计 算 机 技 术 应 用 到 岩 石 力 学 的 各 个 方 面 ，并 取 得 了 显 著 的 成 果 。
目前，计算 机 人 工 智 能 技 术 在 我 国 进 入 了 实 用 阶 段，其中首先在我国 发 展 起 来 的 是 人 工 智 能 专 家 系 统， 其最早在岩 石 力 学 中 的 应 用 是 岩 体 分 类 专 家 系 统，随 后 ，出 现 了 解 决 各 类 岩 石 力 学 问 题 的 专 家 系 统 。 这 些 专 家 系 统 多 是 以 产 生 规 则 组 成 的 知 识 库 ，以 及 对 于 处 理 不 精 确 问 题 采 用 上 述 的 模 糊 推 理 或 概 率 统 计 方 法 ，其 中 有 关岩石力学在这方面的专著也有出版。人工神经网络 是 模 拟 人 脑 学 习 功 能 的 一 种 智 能 方 法 ，起 初 人 们 把 它 引 入岩石力学工程进行岩石力学行为的预测和巷道分类 指 标 聚 类 分 析 ，近 年 来 又 把 它 应 用 于 岩 石 工 程 系 统 和 岩 石工程参数重要性分析。２０世纪 ９０ 年 代 中 期，一 种 称 为 “实 例 类 比 系 统 ”在 中 国 被 引 入 岩 石 工 程 ，它 可 以 充 分 利用已建成的工程实 例 经 验，指 导 今 后 的 设 计 与 施 工。 此 外 ，为 了 处 理 岩 石 力 学 中 的 不 确 定 性 ，模 糊 数 学 、概 率 统计、灰色系统等理论 被 引 用 到 岩 石 力 学 中 来，在 处 理 岩石工程的模糊决策、可 靠 度 分 析、地 质 预 测 预 报 等 诸 多方面取得了阶段性的可喜成绩。
岩 体 材 料 具 有 非 连 续 性 、非 均 匀 性 和 各 向 异 性 等 地 质特征，其在力学性质 上 表 现 出 为 非 线 性 和 非 弹 性，由 于 经 典 力 学 对 解 析 解 的 边 界 条 件 要 求 较 为 严 格 ，极 大 地 限制了其在岩体工程中的应用。随着计算机技术的发 展，作为解决岩土工程 问 题 较 为 有 效 地 手 段，岩 石 力 学 数值计算方法已被学术界和工程界广泛接受并得到了 迅 速 的 发 展 ，出 现 了 有 限 差 分 、有 限 元 、无 限 元 、边 界 元 、 离 散 元 、块 体 元 、流 形 元 及 其 混 合 应 用 的 随 机 有 限 元 、模 糊有限元、等各种方法 耦 合 的 数 值 模 拟 技 术，可 以 有 效 的模拟计算各种复杂的岩石力学与工程问题。目前有 限 元 数 值 计 算 方 法 现 不 仅 可 以 解 决 线 性 、非 线 性 和 大 变 形 问 题 ，还 可 以 模 拟 计 算 粘 性 流 变 、渗 流 、温 度 、损 伤 、断 裂以及波动和动力效应等各种复杂问题。 １．６ 计 算 机 技 术 在 岩 石 力 学 研 究 中 的 应 用
计 算 机 多 媒 体 技 术 生 动 、直 观 而 又 逼 真 地 展 现 各 施 工 过 程 的 三 维 动 态 场 景 ，为 岩 石 力 学 工 程 技 术 决 策 提 供 确 切 依 据 ，并 用 于 指 导 基 于 计 算 机 支 持 的 工 程 施 工 全 过 程 仿 真 模 拟 和 地 质 灾 害 的 仿 真 预 报 ，在 现 代 化 施 工 管 理 方面迈开了坚实的一步。使得在重大岩土工程实际施 工 之 前 ，就 能 迅 速 而 又 精 确 地 观 察 到 新 采 取 的 工 程 措 施 将 会 产 生 的 结 果 ，并 进 而 对 不 同 施 工 方 案 作 出 更 直 接 的 对 比 分 析 ，最 终 ，将 有 望 建 立 全 面 高 效 的 工 程 管 理 系 统 ， 并 对 工 程 进 行 总 体 模 拟 ，进 而 加 深 对 整 体 工 程 宏 观 上 的 综合评价与控制。 ２ 岩 石 力 学 的 发 展 动 向 ２．１ 环 境 岩 石 力 学 问 题 的 研 究 日 益 得 到 重 视
岩 石 力 学 本 构 理 论 是 建 立 岩 石 力 学 物 理 模 拟 、数 值 模 拟 与 计 算 分 析 的 基 础 ，是 进 行 岩 石 力 学 理 论 研 究 的 核 心问题。在宏观唯象学基础上建立起来的岩石弹塑性 理论、流变学理论以及 损 伤 力 学 理 论 等，在 我 国 得 到 不 断 发 展 与 完 善 。 较 有 代 表 性 的 是 郑 颖 人 、殷 有 泉 等 对 岩 石 在 三 维 应 变 空 间 的 屈 服 面 问 题 的 研 究 ，提 出 了 用 应 变 空间表述的 岩 石 本 构 关 系，使 岩 石 的 应 变 软 化 硬 化 问 题 、弹 塑 性 耦 合 问 题 等 都 能 得 到 较 好 的 解 决 。 俞 茂 宏 提 出 了 双 剪 强 度 理 论 和 统 一 强 度 理 论 ，认 为 在 主 应 力 空 间 屈服面可表达为封闭 的 多 边 形，对 于 金 属 材 料、混 凝 土 材料和岩土材料能够普遍适用。目前统一强度理论已 在 水 电 站 地 下 工 程 设 计 、岩 土 地 基 计 算 等 一 些 岩 土 工 程 中得到了较好的应用。
１．３ 岩 石 损 伤 力 学 研 究 岩石损伤力学研究的重点是建立损伤变量和损伤
扩 展 之 间 的 本 构 关 系 ，自 从 扫 描 电 镜 技 术 引 入 岩 石 损 伤 研究以来，我国学者 在 这 方 面 进 行 了 大 量 的 研 究 工 作。 许江等采用带有加载装置的光学显微镜进行了砂岩在 不 同 加 载 阶 段 的 损 伤 裂 纹 分 析 ；孙 钧 等 采 用 带 有 微 型 加 载 装 置 的 扫 描 电 镜 对 岩 石 的 微 损 伤 扩 展 进 行 研 究 ，并 用 于三峡船闸高边坡闪云斜长花岗岩的损伤扩展分析。 这 些 研 究 有 力 地 推 动 了 岩 体 损 伤 力 学 的 发 展 ，特 别 是 对 岩 石 损 伤 机 理 解 释 方 面 起 到 了 积 极 作 用 。 另 外 ，杨 更 社 等在岩石损伤 ＣＴ 识别方面进行了尝试性的研究，由于 ＣＴ 损伤 识 别 技 术 可 通 过 ＣＴ 图 像、ＣＴ 数 大 小 和 多 少 来 定 量 地 与 岩 石 损 伤 变 量 和 损 伤 扩 展 联 系 起 来 ，这 就 为 建立岩石损伤扩展本构关系奠定了理论和试验基础。 １．４ 分 形 岩 石 力 学 研 究
岩 石 力 学 是 近 代 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 学 科 ，也 是 力 学 和 地 学 相 结 合 的 一 个 基 础 学 科 。 过 去 ，工 程 中 遇 到 的 岩 石 工 程 问 题 ，往 往 多 凭 经 验 解 决 ，但 工 程 实 践 表 明 ，单 凭经验越来越难以适应日益发展的工程规模和工程的 复杂性，如高达数百 米 的 大 型 露 天 高 陡 矿 边 坡 或 水 坝、 大的喀斯特溶洞、深埋 洞 室 的 高 地 应 力 问 题、群 硐 围 岩 稳定性分析研究、核废 料 处 理 等；诸 如 此 类 工 程 的 设 计 和施工都要求深入、系 统 地 研 究 岩 石 的 变 形 性 状、破 坏 机 理 及 其 力 学 模 型 ，从 而 在 工 程 设 计 中 预 测 岩 石 工 程 的 可靠性和稳定性，并使 工 程 具 有 尽 可 能 的 经 济 性，这 些 巨 大 的 工 程 建 设 问 题 ，为 岩 石 力 学 提 出 了 日 益 繁 重 复 杂 的 任 务 ，从 而 也 大 大 促 进 了 岩 石 力 学 的 发 展 。 下 面 拟 对 我国岩石力学的研究现状与发展动向做简要的阐述。 １ 岩 石 力 学 的 研 究 现 状