001 绪论 - 2012

用。
（10）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。 模型模拟试验包括数值模型模拟、物理模型模拟等， 这是解决岩石力学理论和实际问题的一种重要手段。而原 位监测既可以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否， 同时也可以及时地发现问题并采取相应的合理措施加以解 决。
2) 研究方法
由于岩石力学是一门边缘交叉科学，研究的内容广泛，对 象复杂，这就决定了岩石力学研究方法的多样性。
岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程 的建设和数学、力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新
兴学科，按其发展进程可划分四个阶段：
（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。
2 岩石力学ห้องสมุดไป่ตู้发展历史
（2）经验理论阶段（20世纪初～30年代）
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。试验结果可为岩体变形 和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。同时，还可以 用某些试验结果（如模拟试验及原位应力、位移、声发射监 测结果等）直接评价岩体的变形和稳定性，及探讨某些岩石 力学理论问题。
（3）数学力学分析方法
一般认为，在钻进过程中，钻头破碎岩石反应出的特征是完整岩石 的强度特征。 在节理岩石中开挖巷道可以反应节理系统的性质。此时巷道的最终 断面取决于节理的空间方位。 1959年马尔巴赛拱坝基岩内部的破坏，就是由于被断层和节理切割 成的一块岩体移动的结果。
对于较大尺寸的岩柱，节理岩体可显示出准连续介质的特性。
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为以下四种： （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。
（1）工程地质研究方法 着重于研究与岩石和岩体的力学性质有关的岩石和岩
体地质特征。如用岩矿鉴定方法，了解岩体的岩石类型、
岩石力学发展到该阶段已经成为一门独立的学科。 在经典理论发展阶段，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论” 两大学派。
（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、现代信息技术等方面的最新成果引入了岩石力学。 而电子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、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石力学与工程中的应用也提
供了可能。
我国岩石力学的发展
建国以后，我国陆续建立了一些研究岩石力学的研究机构，
如中科院岩土力学研究所等。
1966年以前只有少数产业部门比较重视岩石力学的研究工 作，例如水电、煤炭、冶金等。随着工程实践所取得的经验和 教训，使得更多部门（如建筑、铁道、石油、国防、人防等） 的有关技术人员认识到：必须充分了解岩石的力学性质，才能
应力和应力状态的描述 1） 正应力与剪应力 应力
F A
•作用力与平面的关系
可以呈任意方向，如果 力是沿着面的法向作用， 它就称为法向力 （normal force）。如
果它与法向垂直，即与
面平行，它就称为剪切 力或剪力
2）应力方向的规定
压应力 +
拉应力 -
剪应力 +
剪应力 -
z zx zy
3）一点的应力状态
3
y yz yx
2
1
x xz xy
1 > 2 > 3
•在岩石力学中，我们总是规定:1 2


3
2
•即用1 代表最大主应力，用3 代表最小主应力，而
则表示中等主应力。
4） 莫尔应力圆
•分析一点应力状态最常用的工具是莫尔应力圆，简称莫 尔圆。二维应力状态下莫尔圆的应用，也就是通常所指的 平面应力状态。
增加，如中石油集团公司的勘探开发研究院、胜利油田 钻井研究院等。
3 研究内容与研究方法
1) 研究内容
（1）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。
（2）岩石的物理、水理与热力学性质
岩石的物理性质是指岩石的孔隙度（porosity ）、
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（deformation ）破坏机理及其破坏 判据（failure criterion ）。
（4）结构面力学性质
内容包括：
①结构面在法向压应力（compressive stress ）及剪应 力（shear stress ）作用下的变形（deformation ）特征及 其参数确定； ②结构面剪切强度（shear strength ）特征及其测试技
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。 （3）经典理论阶段（20世纪30年代～60年代）
这是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。结构面对岩体力学性质的影响受到重 视，岩石力学文献和专著的出版，实验方法的完善，岩体工 程技术问题的解决。
两相体。
岩石力学是固体力学与地质工程的边缘科学。
岩石材料与岩石力学
材料 钢铁 材料特征 单项 均匀 各向同性 力学研究内容 变形及破坏 力学表征 弹塑性力学 断裂力学 损伤力学
岩石
多孔介质 非均匀 各向异性
变形及破坏
岩石力学（弹塑性力学、断裂 力学、损伤力学流变力学、孔 隙弹性力学）
岩石材料的特点：多相孔隙介质 非均匀、各向异性 环境相关性、尺度相关性、加载频率相关性
可见工程对象与岩体之间相对尺寸的不同，处理办法也不同 。
3) 抗拉强度(tensile strength
)
岩石由于其抗拉强度低而不同于其它常见的工程材料（混凝土除
外）。
进行单轴抗拉强度实验的岩石试件破坏时的应力比单轴压缩实验的值 低一个数量级。原因是岩石中的节理和其它裂隙只能抵抗极小的拉应力或 根本不能抵抗拉应力。所以在一些工程中假设岩体的抗拉强度为零，为此 把岩石称为“无拉伸”材料。 对于钻井工程中的井身结构设计来说，岩石的“无拉伸”材料性质意 味着井壁一旦出现拉应力，就将发生井漏事故。
解决好岩石工程的技术问题。
1976 年以后，国内许多学术团体恢复活动并新建了一些有关岩 石力学的学术组织。
1974年国际岩石力学第四次会议在瑞士召开，我国首次派出代表
团参加了会议。 1981年成立了中国岩石力学与工程学会筹备组，随后成立了国际
岩石力学中国小组。
1985年我国正式成立了中国岩石力学与工程学会，揭开了我国 岩石力学研究的新序幕。


1 2
2

1 2
2
cos 2
,

1



2 O 2 1 O
2
2
2
A
1

1 1 b 2 sin 2 2
图4.2
.
平面上的莫尔圆
岩石属于固体，岩石力学应属于固体力学的范畴。一
般从宏观的意义上，把固体看做连续介质。但是，岩体 不但有微观的裂隙，而且有层理、片理、节理以及断层 等不连续面。岩体不是连续介质，而且表现为各向异性 （anisotropy）或非均质。岩石中若含水，它又表现为
渗透率（permeability ）、可压缩性、导电性、传热
性的总称。 岩石的水理性是指岩石与水相互作用所表现的性 质，包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。
（3）岩石的基本力学性质
内容包括： ①岩块在各种力学作用下的变形（deformation ）
和强度（strength ）特征以及力学指标参数；
数学力学分析是岩石力学研究中的一个重要环节。它是通
过建立工程岩体的力学模型和利用适当的分析方法，预测工程 岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为岩石工程设计和施 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、流变模型、断裂力学模型、损伤力学模型、渗透网络 模型、拓扑模型等等。
（4）整体综合分析方法。 由于岩石力学与工程研究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并考虑多种因素（包括工程 的、地质的及施工的等）进行综合分析和综合评价，特别注重 理论和经验相结合，才能得出符合实际情况的正确结论。 就岩石工程而言，整体综合分析方法又必须以不确定性分
析方法为指导。因为在岩石工程问题中，存在着工程的、地质
的及施工的多方面的不确定性因素。只有采用不确定性研究方 法，才能彻底摆脱传统的固体力学、结构力学的确定性分析方
法的影响，使研究和分析的结果更符合实际，更可靠和实用。
4 岩石力学研究与应用
岩石力学体现了与一般应用力学领域有关的一系列原理、主要知识和 各种分析方法。那么为什么要把岩石力学做为一门独立的工程学科呢？有 如下六个方面的原因： 1) 岩石的破裂特性 （fracture characteristic ) 一般工程力学所建立的理论并不能直接应用于岩石的破裂情况。 2) 尺寸效应 (scale effect ) 岩体中普遍存在着节理和由于其它地质成因生成的裂隙，形成宏观不 连续面。岩体的强度和变形特征受岩石材料的性质和各种地质结构面的共 同影响。
（7）工程岩体的稳定性
内容包括： ①各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力 （ stress ）、位移分布特征； ②各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形 （deformation ）破坏特征； ③各类工程岩体的稳定性分析与评价等。 （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。