什么是岩石力学?

[拼音]：yanshi lixue

[外文]：rock mechanics

研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。

人类在生产实践中早就利用了岩石。古代开采矿石要求开挖采石坑和巷道。开发岩盐要求开凿竖井。金字塔和万里长城等都以岩石为建筑材料。近代，兴建水坝、开挖边坡、建造地下建筑，都促进了对岩石知识的深化和岩石力学的萌芽。20世纪50年代中期，国际上采矿和土木工程界公开提出将岩石力学作为一门系统的现代学科，在美国出版了《岩石力学论文集》。1957年世界上第一本《岩石力学》专著在巴黎问世。1959年法国马尔帕塞拱坝因坝基破坏而溃坝，以及1963年意大利瓦依昂水库大滑坡事件的惨痛教训，引起了全世界岩石力学研究者的关注，促进了岩石力学的发展。1962年在奥地利萨尔茨堡成立了国际岩石力学学会(ISRM)。1966年在葡萄牙里斯本召开了第一届国际岩石力学会议，到1987年已开了六次国际会议。中国自1949年以来，水利建设（例如上犹江、佛子岭、 梅山、 新安江、刘家峡、丹江口、陈村等大坝的兴建）以及矿山、交通和国防等建设对开创岩石力学的研究起了重大作用。从1958年三峡岩基组成立起，有关部门相继建立了岩石力学研究机构，开展室内外试验研究和理论研究，研制了一批仪器设备，如静力和动力三轴仪。70年代成功地解决了长江葛洲坝水利枢纽等大型工程的岩石力学问题。有关高等院校开设了岩石力学课程。80年代初出版了不同专业的岩石力学教科书和《水利水电工程岩石试验规程》。1979年，中国以团体会员国名义参加了国际岩石力学学会，并成立了国际岩石力学学会中国小组。1985年成立中国岩石力学与工程学会，并召开了复杂岩石中的建筑物学术讨论会。1986年在北京召开了复杂岩石中的建筑物国际学术讨论会。随着生产的需要，岩石力学还产生了分支学科，主要有岩石流变学和岩石动力学。岩石流变学是研究岩石变形和强度与时间关系的学科；岩石动力学是研究岩石在地震、振动和爆破作用下的性状和力学效应的学科。

岩石力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。

主要研究：

（1）岩石应力，包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值方法。

（2）岩石强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（凝聚力和内摩擦角）。强度准则大多采用库伦－纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩石的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。

（3）岩石变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、d性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不等时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如d性模量、变形模量、泊松比、d性抗力系数、流变常数等。

（4）岩石渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩石假定岩石中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系，遵循达西定律。岩石渗透性用渗透系数表示，该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩石内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。

（5）岩石动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性、应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。

主要研究五个方面。

（1）地上工程建筑物的岩石地基，例如研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题；

（2）地表挖掘的岩石工程问题，如水库边坡、高坝岸坡、渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题；

（3）地下洞室，如研究地下电站、水工隧洞、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩的稳定和变形问题，地下开挖施工以及围岩的加固（如固结灌浆、锚喷、预应力锚固等）问题；

（4）岩石破碎，如将岩石破碎成各种所要求的规格，以作为有关建筑材料（建筑物面石、土坝护石、堆石坝和防波堤石料、混凝土骨料等）；

（5）岩石爆破，如用定向爆破筑坝，巷道掘进和采矿等。此外，岩石力学还应用于某些地质问题的研究，如分析因开采地下矿体和液体而地表下陷、解释地球构造理论、预估地震和控制地震等。

岩石力学的研究方法分试验研究和理论分析。岩石是一种非均质、非线性、各向异性、非连续（含裂隙、节理、软弱夹层、断层等）的而且内部有各种初始地应力的复合地质结构，其性质远较其他材料复杂。试验研究和理论分析都应考虑这些特点，试验研究包括室内试验、现场试验和原型观测。室内试验分岩块试验和模型试验(地质力学模型试验、光d试验)。现场试验和原型观测是研究含不连续面岩石的重要方法。解决工程问题偏重于现场试验和原型观测资料。理论分析长期沿用固体力学和流体力学的理论。由于岩石性质复杂，这些理论的适用范围都是有限的。20世纪60年代以来大型电子计算机问世以及数值计算方法特别是有限元法的发展，为理论分析和数值计算提供了重要手段。借此可考虑岩石的非均质、非线性、各向异性、非连续性、流变性等性质，但计算参数和边界条件不易精确决定，计算结果受到一定影响。理论分析在一定程度上仍是近似的。

随着高坝、高边坡、大跨度高边墙地下建筑物建在复杂岩石上和各种岩石（例如软弱岩石、膨胀性岩石、断层节理交错分布的岩体等）中，有下列值得注意的动向：

（1）研究考虑地质结构效应和环境效应的岩石本构关系，探求能够反映工程岩体特性的数值方法和技术，发展大尺寸、高压力的试验设备，特别是现场测试设备，研究现场快速有效的施工技术和岩石加固方法；

（2）由于岩体介质复杂多变，非确定性的因素多，因此利用岩石工程中岩体动态反应的资料（例如位移观测资料）进行动态分析和反分析，获得宏观动态效应，以判断岩石性状和岩体力学效应，用以修改设计、指导施工、预报险情。

参考书目

徐志英主编：《岩石力学》，水利电力出版社，北京，1986。R.E.Goodman，Introduction to Rock Mechanics，John Wiley & Sons，New York， 1980.C.Jaeger，Rock Mechanics and Engineering，Cambridge Univ. Press， Cambridge，1972.