岩石力学的研究方法

岩石力学的研究内容

水利水电建设

1、坝基及坝肩稳定性，防渗加固理论和技术；

2、有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术；

3、大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术；

4、高速水流冲刷的岩石力学问题；

5、水库诱发地震的预报问题；

6、库岸稳定及加固方法

采矿工程

1、露天采矿边坡设计及稳定加固技术；

2、井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题；

3、矿柱稳定性及采场结构优化设计问题；

4、软岩巷道和深部开采技术问题；

5、矿井突水预测、预报及预处理理论和技术；

6、煤与瓦斯突出预测及处理理论和技术；

7、岩爆、岩爆预报及预处理理论和技术；

8、采空区处理及地面沉降问题；

9、岩石破碎问题

铁道建设工程

1、线路边坡稳定性分析；

2、隧道设计和施工技术；

3、隧道施工中的地质超前预报及处理；

4、高地应力的岩爆理论及处理；

5、隧道人口施工技术及洞脸边坡角确定和加固措施

其他研究领域

1、核电站建设中核废料处理技术

2、石油开采中井损防治及采空区地面变形问题

3、山城及高层建筑的地基问题

4、地层热能资源开发技术问题

5、地震预报中的岩石力学问题

岩石力学发展展望

从事物的必然性出发，根据试验建立模型，处理本构关系，在特定的有限的条件下求解----正向思维

将岩体也视为一个不确定系统，用系统思维、反馈思维、全方位思维(包括逆向思维、非逻辑思维、发散思维甚至直觉思维)对工程岩体的行为进行研究----逆向思维

理论分析、数值模拟、参数测定---确定性方法

将工程岩体看成为“人地系统”。用“系统”概念来表征“岩体”可使岩体的“复杂性”得到全面科学的表达。岩石或岩石工程系统不仅是因为多因子、多层次组合而具有“复杂性”，而且还在于他们大多具有很强的“不确定性”，即模糊性和随机性---非确定性系统分析方法

土、岩石与岩体的力学性质

弹塑性本构模型理论

地应力及其测量

岩石与土的流变性质

岩土工程数值分析方法

岩土工程反分析方法

岩土工程随机分析及可靠度设计

岩石力学的研究方法

1、地质研究方法

着重研究与岩石的力学性质和力学行为有关的岩体

岩石岩相岩层特征的研究

如软弱成份，可溶盐类，化成份以及原生结构

岩体结构研究

软弱面的起伏度，结构面的充填物等等

环境因素研究

如地应力成因和展布，地下水性态，水平地质条件等等

2、物理测试方法

利用物探技术探查岩体的力学性质

结构探测

采用地球物理方法和技术来探查各种结构面的力学行为

环境物理量测

如地应力机制，渗透水系量测等等

岩石物理力学性质测试

如室内岩块的物理性质，力学性质，原位岩体的力

学性质，钻孔测试，变形监测以及位移反分析确定岩体和岩性参数等等

3、力学分析方法

力学模型、数值分析、模拟分析

力学模型研究

包括弹塑性模型，流变模型、断裂模型、损伤力学模型、渗透网络模型、拓扑模型等等

数值分析方法

如有限元法，边界元法，离散元法，系统分析法和设计施工风险决策的人工智能专家系统等等

模拟分析

如光弹应力分析，相似材料模型试验，离心模型试验

4、整体综合分析方法

综合多种分析手段进行系统分析

岩石力学的诞生是以解决岩石工程稳定性问题和研究岩石的破碎条件为目的而诞生的。其研究介质不仅非常复杂，而且存在许多力学性质不稳定性或不确定性因素，这就使得本学科独立的、完善的、系统的基础理论难以建立、岩石力学的发展始终引用和发展固体力学、土力学、工程地质学等学科的基本理论和研究成果，或者引用这些相关学科的研究成果来解决岩石工程中的问题，因此，偏重不同行业应用的岩石力学往往有不同的定义，迄今岩石力学也没有统一的定义。

美国地质协会岩石力学委员会与1964年提出的岩石力学定义为：岩石力学是研究岩石力学性状的一门理论和应用科学，是力学的一个分支，是研究岩石在不同物理环境的力场中产生各种力学效应的学科。该定义概况了岩石破碎和稳定两方面的主题，也概括了岩石在不同物理环境中各种应力状态下的变形、破坏规律。这是一个较广泛、较严密并得到广泛认可的定义。

岩石力学又称为岩体力学。但随着科学技术的发展，岩石与岩体已有严格的区分，因此有人认为应将岩石力学改为岩体力学更切合本学科的研究主题。但是，岩石力学这一名词沿用已

久且使用普遍，所以岩石力学和岩体力学是同一学科。

岩石力学的研究内容

（1）岩石的物质组成和结构特征；

（2）岩石和岩体的本构关系（应力—应变关系）；

（3）工程岩体的应力、应变和强度理论；

（4）岩石（岩块）室内实验；

（5）岩体测试和工程稳定监测。

基础理论

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（粘聚力c和内摩擦角φ）。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、弹性和塑性变形、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，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、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。

工程应用：

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；