当前岩石力学研究中若干关键问题的思考与认识

摘要：本文作者对当前岩石力学发展中的若干关键问题提出了自己的看法和建议。其中首先涉及到高地应力对软 弱围岩稳定性和硬质围岩的稳定性问题。第二方面涉及节理裂隙岩体和某些非线性软弱围岩及支护的研究。这其 中涉及到复杂岩体的破裂机制和施工过程的影响。第三方面对模型试验方法的作用做了论述，并建议应着重在数 值分析效果不佳的问题上采用模型试验。第四方面对于数值分析方法存在的问题作了评述，指出它们分别适用的 条件、存在的问题和可能解决的途径。特别指出当前非连续介质分析法不能解算大工程问题的解决思路，还对复 杂岩体的本构关系、今后研究的思路提出了建议。最后对其它几个热点和难点问题谈了认识和建议，包括工程岩 体稳定性的判据、应发展非确定性方法作为围岩稳定性判据，及用非连续分析法分析节理岩体进行真正裂隙网络 固流耦合模型的渗流问题研究等。 关键词：学科发展；关键问题；地应力；本构关系；物理和数值模拟 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2015)04–0000–00
Abstract：In this paper，the author puts forward its own views and suggestions in view of the several current key problems in the development of rock mechanics. First ， this paper involves the stability problem of soft surrounding rock and hard rock mass related to high ground stress. Second，it studies jointed and fractured rock masses， some源自文库nonlinear weak surrounding rock and support， which deals with the fracture mechanism of complex rock mass and the influence of construction process. Third，the role of model test method is discussed，and the model test should be mainly applied in the problems，where the numerical analysis effect is not good. Fourth，the problems existing in the numerical analysis method are discussed，giving respectively applicable conditions，the existence question and the possible solutions，especially the solving thoughts that the current discontinuous analysis method cannot solve large engineering problems. Also for complex constitutive relation of rock mass，the research idea in the future are proposed. Finally，the author puts forward his own idea and suggestions on several other hot and difficult problems，including the idea nondeterministic analysis method as the criterial rock stability and discontinuous analysis method of seepage problems for the true stress-water couple model of jointed
图3
山体不同角度时 0 m 高程 N1/h 比值的变化
Fig.3 Value N1 VS. distance for elevation of 0 when slope having deferent angles
图5 Fig.5
二滩工程坝址区实测地应力分布图[2]
Distribution of in-situ stress measured in dam site of Er-Tan project[2]
图1 Fig.1
我国近年已建和拟建的某些水电等工程 constructed in recent years of China
而它是和山体坡度及整个山体的高度相关的。这时 工程区的初始最大地应力值在某些情况可能达到其 直接埋深几倍至十几倍之多。前些年及近期作者所 在团队研究了[1]高山峡谷地区修建地下工程所在的 地应力场，并分析了有不同坡体角度山体中初始地
以二滩水电工程坝区地应力实测结果为例 ( 见 图 5)。说明在山脚河谷附近会产生一个地应力高峰
(a) 方案 I 洞室开挖塑性区分布
区。
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岩石力学与工程学报
2015 年
性圈。各圈的能量和变形量如何计算？加锚后锚杆 又能吸收多少能量？等有一定难度的问题。最好是 能先让围岩有一定变形，释放一部分位能。然后。 再用强力锚杆或支架加以支护。用最少的支护代价 取得较好的效益。是一个效益优化问题。 2.4 硬岩工程中的危害 主要是岩爆问题、围岩劈裂破坏问题。 (1) 岩爆问题。 国内不少学者已做了大量工作。在实验室研究 中。如何满潮院士[4]、顾金才院士等……都有专门 的实验室模拟装置，得到很好的岩爆产生模拟效 果。在实际工程中，如冯夏庭[5]教授、唐春安[6]教 授等都做了大量研究。但在隧道开挖中，岩爆往往 不在开挖面附近发生，而在其后方一定的距离处发 生。说明存在滞后效应。作者的看法，今后还应在 围岩能量积聚过程和流变断裂方面进一步做研究， 可能需在其中列入时间效应的因子。 (2) 围岩劈裂破坏和空腔性变形 先以日本学者 Hibino[7]和 Yoshida[8]等的研究来 说。他们主要是通过几种现场测试手段，得到不少 实测资料。 得到的结果说明裂隙张开位移，对火成岩可占
2 作为工程荷载的高地应力问题
对地下工程，首要问题，要知道原岩应力的量 级和特征。因为这是基本的工程荷载因素。 2.1 水平向地应力问题 受到全球板块运动的影响，在中国，具体说主 要是太平洋板块和印度洋板块的挤压作用的影响， 根据我国在地学领域的统计资料，至少在 1 000 m 埋深以内。大部分地区水平向构造应力多大于垂力 向应力。也即地应力侧压系数，大多在 k = 1.5～3 之间。对大型地下工程要认识到这点很重要。在工 程设计阶段就要首先了解所在地的地应力量级和特 征。埋深只是其中一个因素。比如大同煤矿的坚硬 厚层顶板， 放顶时难以垮落问题。 当时(十余年之前) 煤炭系统还不大重视水平向地应力的作用问题。那 时本文第一作者在武汉岩土力学所在的团队在该矿 做了地应力测试，发现水平向地应力差不多是垂直 埋深算得的垂直向应力的 2 倍之多。因此才认识到 这乃是顶板难以放落的重要原因。 2.2 山坡坡脚处的工程 我国山区多，许多大型水电地下厂房建在山谷 旁，在山脚内不远处(大约为 100～400 m 水平向埋 深长度 )。很多隧道开挖也开挖于河谷邻近的山体 中。但其初始地应力不能只考虑工程的直接埋深。
SOME CONSIDERATION AND RECOGNITION ON SEVERAL KEY ISSUES OF PRESENT STUDY OF ROCK MECHANICS
ZHU Weishen，ZHAO Chenglong，ZHOU Hao，LI Bangxiang，
( Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China)
第 34 卷 第 4 期 2015 年 4 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.34 No.4 April，2015
当前岩石力学研究中若干关键问题的思考与认识
朱维申，赵成龙，周 浩，李邦翔
(山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)
本文的第一作者从上世纪五十年代开始进入岩 石力学界做研究，已超过半个世纪。现在作者想在 近年岩石力学研究中遇到的一些关键问题谈点看 法，希望引起国内岩石力学界同仁和青年学者的关 注。我们国家是个多山的国家，大约山区面积占到 总国土的 70%左右。我们又是一个发展中的大国。 大量的资源和能源开发(水电、 矿山、 石油、 天然气、 核电)、交通设施(铁路、公路)都要和岩石打交道。 也就是说面临大量的岩石开挖和支护工程。而欧美 等发达国家，则岩石工程几乎所剩无几，已是夕阳 工程。它们可能在石油、页岩气、天然气核电和数 量不多的隧道和地下空间利用等方面还有不多的领 域涉及岩石工程。 所以在全世界，当前岩石工程的大部分大型工 程(可能有 70%～80%)是在中国进行的。 在岩石工程中最主要的有地下工程、边坡工程 和油气钻井工程等。随着国民经济发展的需要和技 术进步，岩石工程不断地向更深和更复杂的地层中 进军。 图 1 为我国近年大型岩石工程分布(水电工程 为主)的状况。
1 引
言
经建成和在建或处于规划中的海底隧道和海下石油 储存库，也在不断增加。比如规划中的琼州海峡隧 道和渤海湾隧道等 ( 后者将是全世界最长的海底隧 道，也可能是最深的)。 因此，我国岩石力学和岩石工程面临不断出现 的、前所未有的新的研究热点、难点和挑战。由于 作者所从事领域的局限性，先仅对其中某些关键性 的难点问题谈些思考和认识。
收稿日期：2014–12–23；修回日期：2014–12–23 基金项目：教育部博士点专项基金(20130131110033)，国家自然科学基金面上项目(41072234) 作者简介：朱维申(1932–)，男，博士生导师，1962 年毕业于波兰克拉科夫矿冶系，获工学博士学位，现为山东大学二级岗教授，主要从事岩石力 学和地下工程围岩稳定性方面工作，E-mail： zhuw@sdu.edu.cn。通讯作者简介：赵成龙(1976–)，男，博士研究生，2006 年毕业于山东师范大学 数学与系统科学学院，讲师，主要从事岩土工程方面的教学科研工作，E-mail： jnchlzhao@126.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.04.000
3 个不同位置时洞周破损区分布图
Damage zone distribution around caverns with deferent locations
图 2 和图 4 则说明若一个洞室开挖于距坡角不 同距离时， 比较三个不同洞室位置的差别。 可发现， 愈距坡角最近洞室的围岩破损区愈大，越远处则愈 小。当然若洞室再往深处去，破损区也会逐渐增大 的。
Some large hydropower stations completed or to be
在我国的煤矿系统，800～1 000 m 以上埋深的 开采已经相当常见。 在水利工程中， 埋深超过 2 000
第 34 卷 第 4 期
朱维申等：当前岩石力学研究中若干关键问题的思考与认识
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应力的分布规律。结果表明，在山体坡角或坡面附 近 100 至 200 m 范围内。其初始应力比想象的大很 多。 图 2， 3 和 4 说明了若山体坡度愈大则该效应越 明显 ( 地应力侧压系数为 1.5 时 ) 。图 3 中定义
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2015 年
engineering rock mass should be developed. Key words：discipline development；key issues；initial stress；constitutive relation；physical and numerical simulation 余米的引水隧洞已经开建(锦屏二级引水隧洞)。已
N1 max / h ， max 为计算出的实际最大主应力，
而 h 则为用该处直接埋深算出的垂向地应力。
(b) 方案 II 洞室开挖塑性区分布
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图2 Fig.2 不同山体坡度和洞室不同位置的剖面图 图4 Fig.4
(c) 方案 III 洞室开挖塑性区分布
Geological section of different slope angles and 3 schemes of cavern location