岩石力學

岩石力學，是研究岩石在其所處的物理、化學環境中受周圍力場作用時的變形和破壞性態的力學分支學科。

簡介

岩石力學（RockMechanics）

研究岩石在其所處的物理、化學環境中受周圍力場作用時的變形和破壞性態的力學分支學科。人類建造的大量構築物都是位於地殼岩石之上或之中。隨著人類社會的發展，礦業開採的深度越來越深，建築物、水壩、地下硐室、露天開採等的規模越來越大，遇到的惡劣地質環境如不良岩體、斷層破碎帶、軟弱夾層等也越來越多。岩石力學就是在這種背景下於近幾十年內發展起來的一門學科。其研究目的，就是要了解岩石的物理-力學性能，查明工程岩體中的應力和變形狀態，以解決國民經濟建設中各工程部門所遇到的硐室、隧道、邊坡、壩基等的安全和穩定問題。另外，研究地質構造的成因、空間分布和演化，探討地震的孕育、發生和前兆，也都涉及一些岩石力學過程。因此，岩石力學在地學領域中也占有重要的地位。岩石中存在著大量不同尺度的不連續面，如裂隙、節理、斷層等。岩石的這些特點決定了岩石力學研究對象的複雜性。研究內容和方法岩石的力學性態包括岩石在所處物理、化學環境下的強度、變形及其動力學特性和滲透性等。

岩石強度

是岩石受外力作用達到破壞所能承受的最大應力。影響地殼岩石強度的因素至少有4個，即：應力σ（以受壓為正）、溫度T、時間t（表現為應變率＝dε／dt，ε為應變和孔隙流體壓力Pp。一般假設岩石因上覆岩層重力作用而受到的應力是各向相等的，稱為圍壓或靜岩壓力，記作Pc。溫度T與地溫梯度有關。Pc和T都隨深度而提高。地殼岩石的應變率變化範圍很大，通常地殼運動的約在10-15 ～10-14 秒的量級。孔隙流體壓力Pp來自地下的油、氣和溶有各種鹽類的地下水。岩石強度隨Pc和的提高而提高，隨Pp和t的提高而降低。孔隙流體還會因其化學作用而使岩石強度降低(應力腐蝕）。

岩石變形

是岩石受力等外界因素作用時發生的形狀和尺寸變化。影響岩石強度的4種因素也影響岩石變形。受一定限度(彈性極限或屈服點)以內的應力作用時，岩石呈彈性；應力超過該限度時，岩石將產生卸載後不恢復的永久變形。岩石的彈性模量E隨Pc和的提高而提高，隨Pp和T的提高而降低；岩石產生永久變形的能力隨Pc和T的提高而提高，隨Pp和的提高而降低。岩石受超過一定限度的應力長期作用時，還會產生隨時間而增大的粘彈性、粘塑性或粘彈塑性變形，又稱流變(見流變學)。岩石變形和脆性破裂的一個重要機理是微裂紋的增生、擴展和連通，它使岩石產生非彈性體積增長，通稱擴容。岩石擴容常被視為巨觀破裂的前兆。岩石動力學性能包括岩石在爆破、爆炸、衝擊、地震、振動等動載荷下的力學性態，例如岩石中的彈性波速、表征波傳導過程中能量耗損的Q值（品質因數）、動態斷裂韌度等。岩石滲透性是岩石容許地下的油、氣、水等流體經由孔隙、裂隙等從中滲過(滲流)的性能，它與岩石的原生孔隙和受力後產生的節理、裂隙等密切相關。滲流會改變岩石的應力狀態和力學性能，岩石受力變形而產生的裂隙及其擴展和連通又反過來影響岩石的滲透性。因此，岩石滲透性與岩石的應力和變形是相互耦合的。

岩石力學性態的研究方法

主要是現場和室內試驗。現場試驗有測量岩體原位變形性能和強度性能的承壓板試驗和剪下試驗、現場三軸壓縮試驗和岩體滲透性試驗等；室內試驗有單軸壓縮、三軸壓縮、單軸拉伸、直接剪下、滲透試驗等。現場試驗在工程現場對岩體進行，室內試驗在實驗室內用規定尺寸的岩塊試件在模擬的溫、壓條件下進行，在試件受力變形過程中測量其各種力學量之間的關係。通過試驗可以測出岩體和岩塊的彈性常數E、v和各種強度值以及滲透係數k等。對實驗數據進行處理和分析，可以得出岩石的破壞準則、屈服條件和表示應力、應變、溫度、時間等之間關係的本構方程（見本構關係）。目前對岩石較常用的破壞準則有庫侖準則、莫爾準則和格里菲斯準則，屈服條件有特雷斯卡屈服條件、德魯克-普拉格屈服條件、莫爾-庫侖屈服條件等。至於岩石的本構方程，除了熟知的胡克定律之外，還有反映岩石彈塑性、粘彈性、粘塑性和粘彈塑性性能的諸多本構方程。

岩體力學分析

包括工程岩體和地質構造的力學分析，目的在於了解工程岩體中的應力、應變和岩體穩定性，岩石中斷裂的擴展和波的傳播，地質構造的成因、空間分布和演化，地震的孕育、發生和前兆等。工程岩體的力學分析可分為地下工程和地面工程兩個方面；前者包括鐵道、公路和水工隧洞、地下發電廠房、採煤和採礦巷道、人防和國防地下工程等，後者包括礦山的露天采場、水庫庫岸、河流、道路等的邊坡和高大建築物（主要是水壩）的地基等。地下工程周圍岩體（簡稱圍岩）的受力主要來自3個方面：上覆岩層的重力、地殼運動引起的構造應力和硐室開挖引起的附加應力。地下工程岩體的力學分析就是要確定硐室在開挖期間、已開挖成型而尚未支護期間和施加支護投入運行之後的圍岩（和支護）應力和變形，從而選擇合理的硐型、開挖步驟、支護方案和支護時機，並對可能發生的塌方、岩爆等做出預測預報，以確保硐室施工和使用的安全。地面工程岩體的力學分析處理的主要是岩體的開裂與滑移問題。水壩（特別是大跨度高壩）所承受的上游巨大水壓，最終全部要傳遞給壩基岩體來承受。壩基岩體破裂，輕則引起滲漏，重則導致壩基岩體沿某個易滑面向下游滑去，造成嚴重後果。各種邊坡都是主要靠岩體自身的強度來保持其穩定性的??滑坡，危及人民生命財產的安全；坡角過緩，則會增加開挖工程量，浪費投資。不良岩體、斷層破碎帶、軟弱夾層等惡劣地質條件是地下和地面岩石工程都會遇到的難題。因此，無論是地下或地面岩石工程，都需要在工程地質勘探和岩石力學性質實驗研究的基礎上，針對具體工程岩體的特點，綜合運用現有的固體力學、流體力學等的理論和方法，對岩體的應力、應變、變形、位移、流體的運動以及它們在不同階段的變化做出儘可能符合實際的分析，以保證岩石工程的安全和穩定；或在發現問題之後，適時地根據岩體力學分析結果採取治理或加固措施。

具體的岩體力學分析方法

有解析法、數值法、模型試驗和現場實測等。解析法是用現已成熟的力學理論求出各種力學場的解析表達式，數值法則主要是以劃分格線的辦法把研究對象離散化，通過電算求出各種力學量在若干離散點上的數值解。模型試驗是用相似材料做成研究對象的相似模型並對其施加相似載荷，觀測其各種力學量的分布、破壞部位和破壞形態等。現場實測包括地應力測量及現場岩體變形和位移測量等；前者可用於工程選址和為理論計算提供邊界條件，後者可檢驗設計方案和理論計算結果，以及為反演岩體力學參數或選擇支護時機等提供實驗依據。由於岩體本身的複雜性，能直接用解析法求解的岩石力學問題並不很多。另一方面，隨著計算機技術的飛速發展，數值法卻有了長足的進步，除了熟知的有限元法之外，迄今已發展了多種數值解法和各種耦合算法，並已廣泛套用於岩石力學問題。

現狀和展望

岩石力學是在近幾十年才逐漸發展成為一門學科的。在其發展初期，岩石力學主要是沿用了彈性力學、塑性力學和土力學的一些理論和方法，因而在反映岩石材料的非連續和非均質性、各向異性、應力-應變關係的非線性、流變性等複雜性質方面往往遇到許多困難。為此，發展了一些新的、符合於岩石材料特點的理論和方法，但尚不完善。岩石力學是一個邊緣學科。它正與其他學科相互滲透，例如非線性科學、人工智慧等。可以預期，在不久的將來，岩石力學將會在有效地解決實際問題方面取得更大的進展。