浅述岩体力学研究的前沿问题及热点

浅述岩体力学研究的前沿问题及热点

侯兰杰陈廷方

摘要:当前岩石力学基本理论研究的热点问题包括:宏微观、多层次、变尺度研究;多因素耦合分析;岩石力学参数的状态相关性研究;非线性动力学与综合智能分析;新的算法与程序。

关键词:岩石力学学科前沿热点问题

20 世纪末到现在,由于人类环境保护以及资源永续利用意识的不断提高,联合国和世界各国可持续发

展战略的制定,人们对地球只有一个,人类生活空间的有限性、大多数天然资源不可再生性的认识的不断深

化,推动人们对岩石力学与工程的认识进入了一个更高阶段。这个阶段的特征是:保护资源环境及可持续发展,岩石力学与岩石工程(包括地面、边坡、地下工程)以环境友好工程的姿态出现在人们面前。这一点可以说是人们对新世纪岩石力学与工程认识的一个飞跃。我国的三峡工程以及西南水电能源开发、青藏铁路、南水北调、西电东送、西气东输等西部大开发战略中的重大工程的实施,对岩石力学与工程提出了严峻的挑战,也为岩石力学和工程学科的发展提供了绝好的发展机遇。

岩石力学基本理论方面的研究热点体现在[1～12 ]

:宏微观、多层次和变尺度研究,多因素耦合分析,岩石

力学参数的状态相关性研究,非线性动力学与综合智能分析,以及新的算法和程序的开发等方面。

(1)岩石力学与工程岩体稳定性研究的新进展,则体现在计算机技术与现代数学(如模糊数学、拓扑学、

分形理论、优化理论等)和岩体力学相结合,形成了前所未有的强大的数值仿真方法和新的研究方法,例如东

北大学唐春安教授所开发的岩石破裂数值仿真和冯夏亭教授提出的智能岩石力学方法。此外还体现在采用

高新科技手段(卫星GPS技术、激光技术、穿地雷达和遥感遥控技术、机器人技术、电镜细观实验、声波测试

© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.技术、模拟仿真技术等等)进行的原型和地质力学模型实验。如清华大学李仲奎教授所完成的超大型地下厂

房洞室群三维地质力学模型试验,就是其中一例。它们的应用则体现在各种地质灾害的综合防治研究方面。

(2)在岩石工程施工方法和技术方面,除了各种各样新式锚杆、锚索、喷混凝土、造孔机具,以及新型炸

药、静态爆破、非电引爆和控制爆破技术,压缩空气排水技术,特种水泥、化学及冷冻法洞周围地层固结技术

等之外,近年来世界上有突出发展的就是全断面掘进机( Full Face Tunneling Boring Machine)和盾构掘进机

(Shield TBM) 。

TBM 和STBM 的开挖直径已达到14 m以上,在中等左右硬度的岩石中掘进速度和效率都大大高于钻

爆法。这种方法基本不扰动洞周围岩,洞室围岩稳定性高,基本上可以不做衬砌,洞型好,洞壁光滑,糟率减

少,增加了过水能力。尤其是盾构掘进机可以在软弱岩土层中迅速开挖成洞,同时进行管片设置连接、作止

水、铺设内层钢筋网和浇注内层混凝土等一系列衬砌支护,一次完成洞室开挖支护的全部工作。目前发展到

不但可以打单一圆形洞,而且可以打直径不同的多圆组合洞,打方形断面的洞室;可以在一倍洞径条件下打

出90 度直角转弯的洞子;也可以两倍洞径为转弯半径,打出转弯360 度的“掉头”洞子。这些进展在20 世纪

90年代初都是无法想象的。我国从开始搞TBM 至今已有35 年的历史,取得了一些成绩和经验,但是远远

不能满足要求。这与我国总体科技水平不高、决策不定、体制不顺、缺乏市场意识有关。正如潘家铮院士在

岩石隧道机械化掘进研讨会上指出的:在新世纪中,我国有大量隧洞工程要做,许多工程的长度、难度是空前

的,非用TBM 不可。推动这一进程是我们当前的重要工作。

(3)微型隧洞施工技术(Micro - Tunneling Technology)或称“非开挖技术” ( Trench - less Technology) ,是

除了地铁之外的城市地下工程技术的另外一项新发展。城市中的供水、污水系统、燃气、电力等动力系统、电

缆、光缆等通讯系统被称为城市的“Life Line”,目前的城市建设和环境要求将它们尽可能设在地下。以往的

施工方法多为先在地面开挖出沟槽,埋好设备以后再设置盖板并进行回填。这种方法既危害环境、破坏地面

建筑、影响交通,又造价昂贵,已不宜再使用。但是地下洞室直径过小,人员和设备均无法进入,因而无法采

用常规隧洞施工方法。微型隧洞施工技术开发了微型隧洞掘进机,采用了遥控、遥测和机器人等高科技方法

进行施工,解决了上述问题。目前在欧美、日本等发达国家发展迅速。我国也正在研究采用。

1 当前岩石力学基本理论研究的热点问题[13、16～20 ]

1. 1 宏微观、多层次、变尺度研究

岩石材料力学的复杂性不仅和加载途径与地质环境相关,还与研究对象的层次和尺度有关。在微观(含

细观)的层次和尺度内可以清晰地观察到岩石断面在不同激励下,裂纹起始～分叉～发展～断裂～破坏～卸

载的全过程。围绕这一课题的研究,不仅深化了岩体损伤、断裂的研究,还带动了相关的加载设备、实时测

试、数值模拟的发展。目前,越来越多的学者介入这项工作,在微观(microscopic) 、细观(mesoscopic) 、宏观

(macroscopic)和巨观(megascopic)等不同层次上进行大量富有创新性的探索工作。然而,不同层次间力学性

状的相关关系,比如如何应用微观、细观层次的研究成果定量地说明或预报宏观现象,尚未得到很好解决的

问题。有人采用均匀化(averaging)的方法讨论了多孔介质中流体流动的细—宏观模型。就岩石力学与工程

而言,尺寸效应或尺度律的重要性是众所周知的,由此自然衍生出表征单元体积( representative element vol2