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
ume)的概念,分别从理论解析、数值计算和试验研究 3 个方面介绍了岩石尺寸效应和表征单元体积的研究
成果。

有人从历史沿革的思路介绍了尺度律的研究进展,Hudson等所著的Engineering Rock Mechanics , An
Int roduction to Principles侧重从工程概念上讲述了表征单元体积的含意和影响。

Lewis 等所著The Finite
Element Method in the and Dynamic Deformation and Consolidation of Porous Media 一书介绍了处理宏微观、
多层次问题的均匀化原理、过程和有关公式。

1. 2 多因素耦合分析
岩石力学是一门综合性很强的科学。

它涉及的因素很多,既有内在的,也有外来的。

所以在研究岩石力
学问题时,我们必须把有关的各种因素放在一起加以考虑,研究它们彼此之间的相互作用和影响。

这就是所
55 第4 期侯兰杰,等: 浅述岩体力学研究的前沿问题及热点
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.谓的耦合作用(coupling) 。

为了直观地说明相关因素的耦合作用,Hudson 教授提出了岩石力学与工程的相互作用矩阵,把主要影响因素,如岩体结构、地应力、水流和工程施工,放在矩阵的对角线上,而矩阵中其他元
素则是相互作用的因素。

这个矩阵可作为岩石工程专家系统的基础,也可作为岩石力学教学大纲的骨架。

张晓辉等基于这种关系矩阵对兰州市斜坡稳定性进行了评价,其中考虑了 5 个主要因素和12 个次级因素,
并对各个因素的相对活动性指数加以定量确定,给出了斜坡的稳定性系数。

有关耦合分析的研究多半侧重
于流、固耦合分析。

近来,有些研究将温度、化学作用引入岩石力学的耦合分析中。

另外,相邻的工程扰动也
可纳人耦合分析中,如地下开挖对地表边坡稳定性的影响、打桩对邻近地下工程的影响等。

1. 3 岩石力学参数的状态相关性研究
岩石力学参数的取值是状态相关的。

这种相关的状态含应力状态、时间状态和空间状态,而空间状态又
隐含着应力状态的变化。

在含明显自由面的岩石工程中,远离自由面的岩体为未扰动岩体,其力学参数的取
值与临近自由面如掌子面、洞壁、坡面等受扰动体中力学参数的取值大不一样。

后者呈现明显的应力状态相
关的各向异性,垂直于自由面的受扰动体中的变形模量和强度参数明显降低。

而介于非扰动区和扰动区之
间的岩体则为过渡区岩体。

这就要求在进行岩石工程分析时,需要获取一个随着时空状态变化的岩石力学
参数场,而不仅仅是几个离散的确定值。

在实际工作中人们却经常为参数取值而困扰,因此也是一个研究热
点。

三峡船闸高边坡和中隔墩的变形分析,目前之所以会出现结果差异明显的计算成果,除了所谓“加荷力
学”与“卸荷力学”模型外,与参数的选取可能有关。

而要预测其将来的变形性状,还需要考虑
岩石力学参数
的时间相关性。

1. 4 非线性动力学与综合智能分析
岩石工程是一个与条件、参数相关,且在某些状态下极为敏感而又具有诸多不确定性的强非线性动力学
问题。

近年来不少研究者把相邻学科中有关混屯分叉、突变、耗散、协同学和人工智能方面的最新成果引入
岩石力学与工程的研究,并取得了一定的成果。

有关这方面研究与前述多因素耦合分析的研究强度相当,反
映目前岩石力学与工程界对这个问题的关注与兴趣。

从事这方面课题研究的,有很多是从事工程地质与采
矿工程的专家学者。

研究主要借助于微机与网络手段,以及相关的算法和技术。

1. 5 新的算法与程序
由于岩石工程的复杂性,一般难以用封闭形式的解析公式定量地求解问题,在这方面,20 世纪60 年代
以后陆续问世的有限元法、离散元法、边界元法及其各种耦合算法和程序充分展现了各自的长处,在很大程
度上有力地促进了岩石力学与工程的发展。

目前,在实际上最为成熟和有效的有限元法与程序仍然在不断
更新和发展,我国自行开发的离散元法程序也陆续问世。

另一方面又出现了一些新的算法和程序,如刚性有
限元法、广义有限元法、运动单元法、界面元法、块体单元法、块体理论、DDA、流形元法、FLAC、无网格法,以
及由于优化及人工智能需要而推出的遗传算法、蚁群算法、细胞发生器算法和模拟退火算法等等。

有关这方
面课题的研究集中于高等院校和科研院所。

2 中近期建议着重研究的领域
2. 1 岩土类材料的破坏与地质灾害的防治[15 ]
岩土类材料多为具有群体不连续性的介质,其典型例子包括岩体介质、矿床介质散体和混凝土。

这些介
质中由于缺陷、裂纹和裂隙的演化和串接,特别是伴随有水的渗流以及有地应力作用的情况下产生多种严重
的地质灾害,如矿井崩塌、边坡失稳、地震发生、泥石流等等。

这些现象所造成的灾害占全球尤其是我国国民
经济损失的相当大的部分,如何认识其科学规律而进行安全防治对国计民生有重要影响。

这类灾害力学问
题在科学问题上均可提炼成为具有群体缺陷、裂纹和裂隙的不连续介质、非均匀体的力学演化过程。

研究的
重点应放在现场观测和实验室模拟方面。

研究的目的是为了识别灾害前的宏观可观测征兆,并为安全防范
提供量测手段、理论基础与应用基础。

65 西南科技大学学报2004
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.2. 2 深部岩体力
学基础研究与应用[14 ]
能源和矿产资源制约着国民经济的发展。

随着浅部资源的逐渐减少和枯竭,矿物资源地下开采的深度
越来越大。

同时,地下工程建设如复杂地质条件下的长大山岭隧道、核废物料堆放、能源储存、地下水电站、
地下厂房等的建设,迫切需要解决深度增加后,地质环境更加复杂情况下破碎岩体增多、地应力增大、涌水量
加大、地温升高导致提升难度加大、突发性灾害事故增加、作业环境恶化,通风降温和生产成本急剧增加等关
键问题。

尤其是对深部岩层组织结构、强度、变形、破坏特性的变异以及由此引起的重大事故如顶板来压、岩
爆、煤与瓦斯突出、底板突水等的机理、预测与防治以及深部资源开采新技术的相关理论问题还缺乏必要的
基础研究。

另外,深部资源开采突破了传统意义上的单纯的矿物资源开采,还涉及到深部丰富地热资源的开
发利用。

本领域涉及力学、地质、工程等科学。

2. 2. 1 科学目标
由于深部岩体所处的复杂的地质环境,导致地应力高、温度高、渗透压高,加之较强的时间效应,使深部
岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性变化。

另一方面,深部岩体处于多场、多相耦合作
用,地下水、瓦斯、温度均会对岩体的基本性质和工程响应带来很大影响。

因此,研究深部采动时岩体的应力
场、温度场、渗流场的分布特征与变异规律,揭示深部岩体力学特性与时效特征,阐明深部多相介质、多场耦
合作用机制,建立深部工程灾变动力学与岩层控制理论,为深部岩体工程灾害的预测和控制提供理论基础。

2. 2. 2 主要研究方向
(1)深部岩体高应力场和地质构造精细探测的理论基础与方法。

(2)深部岩体力学特性和工程响应、岩体时效特征、高应力下岩爆机理、预测及控制、高应力岩石破碎诱
导机理。

(3)深部采动矿压显现及上覆岩层移动规律与控制、深部开采对环境的影响与保护、3 高应力下巷道围
岩失稳机理及控制。

(4)深部多相介质、多场耦合作用及其灾害发生机理与防治,高温、高压下矿岩固—液—气相互耦合作用
与灾变动力学、高应力与高渗透压下矿山突水机理与防治、低渗透性、高孔隙压瓦斯运移规律及煤与瓦斯突
出机理和预测。

3 中国岩石力学与工程发展的新使命、新方向、新途径[1 ]
在新世纪中我们期待着中华振兴和现代化的实现。

目前西部开发已逐步开始实施,西部开发首先面临
着生存发展基础的建设,即基础设施和生态环境的建设。

西部地区环境恶劣而且脆弱。

沙漠
戈壁,冻土灾
害,黄土侵蚀,高山峡谷,地质作用活跃,环境灾害频繁,基础工程建设极为艰难,风险度高。

到21 世纪后半
世纪,进一步开展农业工程、水源工程、能源资源开发工程及城镇建设是西部繁荣的必然趋势。

东部地区虽
然先行一步,但是基础设施建设,环境恢复再造任务仍十分艰巨;东部地区还担负着向海洋进军的任务。

同
时,美化中华大地的“山川湖海家园”的国土建设将在全国如火如荼地开展起来。

我国岩石力学专家们义不容辞的新使命就是为人类社会可持续发展去创新,走向新的深化和开拓,走向
岩石力学与工程的新世纪。

为了实现岩石力学的新使命,岩石力学与工程的理论概念和技术方法应该相应
的转变。

转变的方向是由相对比较单一、范围比较小的裂隙岩体问题的解决转向复杂的、大范围的地体系统
问题的研究和解决。

研究对象的多种因素相互作用,极大地增强了问题的不确定性和非线性。

岩石力学中
的耦合问题和系统分析变成不可回避的研究任务。

以下 5 个方面的问题应成为我们的主攻方向。

(1)岩石力学研究由局限的岩体走向解决山体和地体等大范围、大尺度的工程和资源开发问题。

力学上
均一体的尺寸效应进化为大尺度和多尺度问题,因此不可避免地将面临多尺度模型及其耦合。

非线性分形
理论的应用为这方面研究提供了初步的科学方法。

(2)岩石力学由研究单一的固体不连续材料向多场耦合和多相运动研究发展。

岩石力学专家早就了解
到水在岩体的力学行为中的重要作用,但是随着岩石力学问题的拓展,热、流、固、化多场并存时其相互作用
75 第4 期侯兰杰,等: 浅述岩体力学研究的前沿问题及热点
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.与耦合机制有待深入研究和突破。

同时,在岩体由小变形到大变形,并发展为体内外物质运动时将包含固、气、水、微粒的多相复合运动,这种复杂状态的描述也成为新的未解出问题。

甚至在包含岩石和软土的许多
岩土系统中岩土耦合的力学行为也是不清楚的复杂介质耦合问题。

(3)岩石力学从单纯的地球内动力驱动或外动力驱动模型向内外动力耦合作用模型的转变。

内外动力
耦合作用可能是瞬间动态力(如地震力)和静态力(如自重力)的耦合,也可能是极慢的时效力(地形变力)和
静态力的耦合,或者是三者的耦合,表现为多种性质荷载作用的耦合。

它们造成对岩石工程系统的力学行为
影响将有待进一步的研究。

(4)岩石力学从工程岩体稳定性研究向极端灾害的非线性动力过程的预测及防治进军。

高烈度地震,巨
型山崩、滑坡、泥石流,大型矿山的塌陷等从孕育、形成、发展到成灾的非线系统动力学过程和时空预测将是
重大的研究难题,其不确定性更加严重,而统计例数则甚为稀罕。

(5)从常规的岩石开挖的失稳防治到新型大规模暴力攻击的防护,以及人地关系的协调。

人类工程活动
诱发岩体的失稳破坏及其控制,曾是岩石力学研究的重要命题,但是新的命题是人地关系协调。

此外,人类
暴力和战争仍乌云密布,人类还在不断发明大规模破坏性武器,21 世纪我们还必须注意到高强暴力攻击的
岩石防护。

但是,我们希望有一天大规模岩石破碎和加固技术终将不会导致人类之间的残杀。

我们相信我国年轻一代岩石力学专家和工程师们将会不断探索新的途径去完成新世纪的任务,实现新
的使命。

要解决上面提出的那些复杂的系统耦合问题,采取系统的综合集成,显然是明智的选择。

认识问题
的思想方法同被认识问题的实际理应具有一致性。

这里提出多重综合集成途径(Multiple Meta - synthetics)
作为这一思路的基础。

(1)多源知识的综合集成。

这是钱学森先生倡导的“经验、推理、测量”的复杂系统综合集成原理。

在复
杂的岩体工程和环境系统中,不确定性极强,以致任何一种来源的知识都难以支持可靠的决策。

多源知识的
综合集成显然是最佳的选择。

当多源知识结论一致时,决策的可靠度较高。

当多源知识互斥时,应分别自
检,并互馈信息,以期得到结论的一致。

(2)多种手段的综合集成。

多种手段的综合集成包括地质、物探、测量、力学试验、数理分析、化学分析等
多种技术方法组合,也可理解为以力学为主,与地学、物理、化学等学科交叉结合。

(3)多尺度的综合集成。

岩石力学问题的大尺度拓展,则其微观、细观、宏观及宇观的研究皆甚重要,而
综合集成则是决策的必要途径。

多尺度的研究和相互耦合将使研究得到应有的深化。

4 结束语
岩石力学的理论基础涉及弹塑性理论、流变学、流体力学、结构力学、工程地质、地球物理学、矿物学和水
化学等学科。

岩石力学的工程应用涉及采矿、交通、水电、石油、工民建、地震、国防工程和核废料处理等岩土
工程领域。

近年来,断裂力学、损伤力学、分形几何、分岔、混沌、突变理论、协同论等学科分支和研究方法相
继渗入,推动岩石力学的不断发展。

我们相信随着我国社会经济向新的战略目标迈进,振兴中华的理想越来
越显出光辉,年轻的岩石力学工作者将会看到一个光耀夺目的岩石力学与工程的新时代的来临,并为祖国的
可持续发展做出贡献。

参考文献
1 王思敬.岩石力学与工程的新世纪[A] .见中国岩石力学与工程学会主编.岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题.
中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C] .北京:中国科学技术出版社,2002
2 J un Sun and Sijing Wang. Rock Mechanics and Rock Engineering in China : Developments and Current State - of - the - art [J ] .
International Journal of Rock Mechanics and Mining Sci . , 2000 ,37 ,447～465
3 王可钧.岩石力学和工程的几个研究热点[A] .见:见中国岩石力学与工程学会主编.新世纪岩石力学与工程的开拓和发
展.中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集[C] .北京:中国科学技术出版社,2000. 6～10
(下转第65 页)
85 西南科技大学学报2004
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3. 4 建筑色彩从属于建筑形式和材料。

设计人员在考虑建筑色彩时,首先要从整体的三度空间方案设计, 确定空间总尺度和建筑形式。

其次是选择与建筑形式相应的材料,进而确定建筑细部。

最后确定适合形式
和材料的色彩。

一般说,确定建筑形式要优先于材料,确定材料又要优先于色彩,从而达到统一协调的目的。

在建筑中,玻璃占有很大的比重,玻璃的反光、透光性能,玻璃的颜色的选择都将对整个建筑的色调产生影
响,应加以考虑。

3. 5 对反映历史文化又体现城市特征的主要建筑进行更新时,要保持旧有建筑的色彩特征,特别是具有标
识性成为认知点的建筑改变了颜色,它的标识性就会丧失,同时建筑色彩必须和环境相协调,如果环境或邻
近建筑发生了大的变化,重建的建筑在色彩上应注意与其相协调。

以上初浅见解,仅作抛砖引玉,提出来探讨。

从根本上考虑,为了在宏观上有效控制整个绵阳城区的建
筑色彩,以便更好地创造科技城优美和谐的城市景观,建议由有关部门牵头,组织包括规划师、建筑师、艺术
家在内的有关专家进行实地调研的基础上,经过慎重的科学分析和反复研讨,作出城市建筑色彩的规划,对
整个城区范围和各个相对独立的功能区域,提出具有指导性的建筑色彩规划指南,以供城区新建、扩建及改
建工程的建筑色彩设计参考。

同时,进一步制订相应的法规和建立相应的机构加以保障和监督,以避免非理
性地乱用色彩而造成色彩污染与泛滥。

只有这样,城区建筑色彩才有望走上良性发展的轨道。

参考文献
1 高履泰.建筑的色彩[M] .南昌:江西科学出版社,1988
2 石铁矛,王常伟.建筑与色彩[M] .沈阳:辽宁科学技术出版社,1992
(上接第58 页)
4 王思敬.我国西部活动构造地区工程建设中的岩石力学问题[A] .见:见中国岩石力学与工程学会主编.新世纪岩石力学与
工程的开拓和发展.中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集[C] .北京:中国科学技术。