巖體力學概述

課程介紹1.巖體力學的研究對象2.巖體力學的研究內(nèi)容3.巖體力學的研究方法4.巖體力學的發(fā)展歷程5.巖石力學的發(fā)展歷程巖體力學的研究對象地質(zhì)體——由一定的巖石組成的和具有一定構(gòu)造特征的，并占據(jù)地球上一定空間的實體。土體巖體地質(zhì)體＝板塊或地體

大地構(gòu)造學礦體(含礦)

礦山地質(zhì)學

工程地質(zhì)學、巖體力學、巖土工程、土木工程

(1)巖體和地質(zhì)體是同一物體在不同場合的兩個名詞。

(2)就具體問題研究而言，巖體即為地質(zhì)體的一部分。

(3)巖體是工程地質(zhì)學和巖體力學的專有名詞。有時將土體作為一種特殊巖體對待。巖體的組成要素巖體——在地質(zhì)歷史過程中所形成的，已經(jīng)遭受過變形和破壞，具有一定物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)并賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。巖體是工程地質(zhì)學和巖體力學的專有術(shù)語。巖石、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境是組成巖體不可缺少的三大要素物質(zhì)成分－巖石結(jié)構(gòu)－巖體結(jié)構(gòu)賦存環(huán)境結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)面應力場溫度場滲流場其它物理場（電、磁等）巖體的工程特征共同作用巖體三場耦合巖體的演化過程建造（成分、巖體結(jié)構(gòu)、賦存環(huán)境）改造（成分、巖體結(jié)構(gòu)、賦存環(huán)境）巖石＝＞巖體力學中非常重視對巖石的物理力學性質(zhì)及其影響因素的研究，這是整個巖體力學基礎(chǔ)之一。必須對工程區(qū)地層有系統(tǒng)全面的了解◎弄清地層的形成時代、環(huán)境、過程，巖性巖相的變化以及彼此的接觸關(guān)系，建立典型的巖石地層柱狀圖，進行詳細的劃分和對比?！驈墓こ痰刭|(zhì)的觀點出發(fā)，如巖石地層的工程地質(zhì)分類，標出易于識別的標志層及軟弱有害的巖層或巖組，填制工程地質(zhì)圖◎弄清巖石的基本物理力學性質(zhì)，為整個工程勘查和設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。地質(zhì)特征物質(zhì)成分巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造成因類型巖性巖相變化成層條件、厚度變化物理(水理)性質(zhì)力學性質(zhì)

結(jié)構(gòu)體特性結(jié)構(gòu)面特征巖石的特性巖石＝結(jié)構(gòu)體巖體的特性巖體是由一種或多種巖石組合，巖石是組成巖體的固相基質(zhì)。(1)結(jié)構(gòu)面巖體內(nèi)的開裂的或易于開裂的界面（包括物質(zhì)分異面和不連續(xù)面）統(tǒng)稱結(jié)構(gòu)面

。結(jié)構(gòu)面物質(zhì)分異面－在建造過程中形成，如層面、(不)整合面、巖性接觸面等不連續(xù)面－－在改造過程中形成，內(nèi)、外動力作用，如斷層、節(jié)理、裂隙、片理(2)結(jié)構(gòu)體巖體內(nèi)由結(jié)構(gòu)面縱橫切割而分離的塊體，稱為結(jié)構(gòu)體p1p2p3p4p5p6p7p8巖體結(jié)構(gòu)(3)巖體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體在巖體內(nèi)的排列組合形式，稱為巖體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、規(guī)模結(jié)構(gòu)體的性質(zhì)、規(guī)模、形狀結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的排列和組合巖體結(jié)構(gòu)

巖體性質(zhì)巖體結(jié)構(gòu)控制論◎巖體結(jié)構(gòu)是巖體的重要組成要素；◎巖體結(jié)構(gòu)是巖體區(qū)別于巖石及其它固體材料的基本特征之一；◎巖體結(jié)構(gòu)決定了巖體的不連續(xù)性(巖體基本特征之一）；◎巖體結(jié)構(gòu)控制著巖體的變形和破壞等力學特征。對巖體結(jié)構(gòu)的研究是整個巖體力學工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵賦存環(huán)境巖體的賦存環(huán)境地應力場溫度場滲流場其它物理場★巖體形成于一定的地質(zhì)環(huán)境巖體賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境賦存環(huán)境在一定程度上影響著巖體的性質(zhì)，如◎地應力的高低可使巖體的力學介質(zhì)類型發(fā)生轉(zhuǎn)化而且決定巖體結(jié)構(gòu)力學效應的顯著程度，巖體因此表現(xiàn)出有條件轉(zhuǎn)化性的特征?！蚋飨虍愋?1)賦存環(huán)境是一項活動的、易變的因素(2)賦存環(huán)境不同，巖體的地質(zhì)特征和力學性質(zhì)不同;(3)賦存環(huán)境發(fā)生變化，巖體也隨之改變(4)脫離賦存環(huán)境，不能稱其為巖體?！鷰r石材料、巖石塊體形成于并賦存于一定地質(zhì)環(huán)境，是巖體區(qū)別于巖石和其它固體材料的基本特征之一。巖體始終依存于賦存環(huán)境，并與賦存環(huán)境相適應巖體的形成過程（巖體的演化）建造過程

（1）巖石成分在建造過程中，首先形成的是巖體的物質(zhì)成分——巖石。沉積巖：沉積巖建造（包括碳酸巖建造、碎屑巖建造、復理式建造、含煤建造、含鹽建造等）火成巖：巖漿巖建造、火山巖建造、混合巖建造混合巖：變質(zhì)巖建造、構(gòu)造巖建造及風化巖建造等。它們在建造過程就形成了各自的巖石成分和巖石結(jié)構(gòu)。★巖體形成于一定的地質(zhì)環(huán)境巖體賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境巖體始終依存于賦存環(huán)境并與賦存環(huán)境相適應（2）巖體結(jié)構(gòu)在建造過程中形成的巖體結(jié)構(gòu)＜＝巖體的原生結(jié)構(gòu)（巖石學中，稱巖體的原生結(jié)構(gòu)為巖相）不同建造甚至同類型建造的巖石，由于巖相不同，其特征也不同。在巖體力學中，巖相的最大特點就是各向異性。按各向異性程度，原生巖體結(jié)構(gòu)可分為塊狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)。一般呈各向同性，均勻性高具成層性:即橫向同性，縱向和橫向的性質(zhì)變化較大。巖體的成層性是十分重要的，它標志著地質(zhì)作用的轉(zhuǎn)化或間斷，反映出巖體中弱面的存在，如巖性界面、地質(zhì)間斷面（古風化面、巖漿噴發(fā)間歇面等）和片狀條狀礦物富集面（片理、層理等），它們直接控制著巖體介質(zhì)的各向異性和不連續(xù)性，并影響巖體的成層條件和厚度。（3）賦存環(huán)境巖體建造過程中伴隨著形成了自已的賦存環(huán)境，地應力以及自重應力為主，地下水以孔隙水為主。改造過程在建造過程中形成的巖體，其巖石成分、原生巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境是與當時的物理化學環(huán)境相適應的，而且只適應當時的環(huán)境。當條件變化時，它們也隨之改變，以適應新的環(huán)境條件。巖體一經(jīng)在建造過程中形成，就要遭受后期多次反復的內(nèi)外動力地質(zhì)作用的巨大改變，這一過程稱為巖體的改造過程。經(jīng)過內(nèi)外動力地質(zhì)作用，巖體得到了全面的改造，包括巖石成分、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境的改造。巖石成分：內(nèi)動力地質(zhì)作用可使三大巖類相互轉(zhuǎn)化，

風化作用使巖石礦物風化，多數(shù)形成粘土礦物。巖體結(jié)構(gòu)：改造作用擴大了巖體的不連續(xù)性，如

構(gòu)造作用在巖體中產(chǎn)生了大至斷裂小到劈理等結(jié)構(gòu)面，

剝蝕作用使巖體卸荷而導致巖體內(nèi)已有裂隙的擴大和新的裂隙產(chǎn)生，

風化作用則沿上述不連續(xù)風化對巖體結(jié)構(gòu)加以改造。賦存環(huán)境：由于構(gòu)造作用和剝蝕（卸荷）及沉積（加荷）作用，使巖體的應力場、地下水活動及地熱發(fā)生明顯的改變。其中地應力場=>變得更為復雜，增加了構(gòu)造應力和剝蝕殘余應力；地下水=>主要賦存于巖體裂隙中；溫度場=>在構(gòu)造活動強烈的地帶，熱流密度增大，地溫梯度發(fā)生異常。巖體演變至今，而且其巖石成分、巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境還將在地質(zhì)作用和人類工程經(jīng)濟活動作用下繼續(xù)演化下去。工程開挖巖體環(huán)境場工程巖體(硐室圍巖)工程巖體環(huán)境場宏觀表現(xiàn)|圍巖變形穩(wěn)定不穩(wěn)定破壞工程措施新動態(tài)平衡環(huán)境場變化(應力場,滲流場,溫度場)圍巖變化(巖體結(jié)構(gòu)變化)圍巖力學屬性變化圍巖力學性質(zhì)變化圍巖力學響應變化變形破壞機制變化動態(tài)演化規(guī)律變化動態(tài)平衡巖體的基本特征在巖體形成和存在的整個歷史中，已經(jīng)遭受過復雜的、多期次反復的和不均衡的地質(zhì)作用，今天所見到巖體，實際上已經(jīng)遭受過多次復雜的變形和破壞。受巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境的控制，巖體的性質(zhì)非常復雜和特殊，概括起來有：不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性、有條件轉(zhuǎn)化性最基本的是不連續(xù)性和有條件轉(zhuǎn)化性。巖石巖體結(jié)構(gòu)賦存環(huán)境地質(zhì)特征力學性質(zhì)巖體的特征不連續(xù)性非均質(zhì)性各向異性有條件轉(zhuǎn)化性不連續(xù)性

巖體的地質(zhì)不連續(xù)性包括巖性不連續(xù)性和結(jié)構(gòu)不連續(xù)性。巖性不連續(xù)性：指巖體內(nèi)巖石性質(zhì)沿一些界面發(fā)生突變

不連續(xù)面：指不整合面、層面、侵入巖接觸帶等；結(jié)構(gòu)不連續(xù)性：指巖體中一系列宏觀分離面，如斷層、節(jié)理、劈理等。

從總體來看，巖體是不連續(xù)介質(zhì)，其中的不連續(xù)面（即結(jié)構(gòu)面）的性質(zhì)及其排列組合控制著巖體的工程特性，也使其有別于一般連續(xù)介質(zhì)的力學性質(zhì)。非均質(zhì)性巖體的非均質(zhì)性——巖體的物理－力學性質(zhì)隨所測點的空間位置不同而有差異的性質(zhì)?！邘r體是長期地質(zhì)作用的產(chǎn)物∴其非均質(zhì)性是絕對的，而均質(zhì)性是相對的和有條件的?！邘r體具有非均質(zhì)性∴同一巖體不同部位的工程性質(zhì)可有較顯著的不同，表現(xiàn)為試驗結(jié)果具有較大的離散性。

各向異性巖體的各向異性——巖體的物理力學性質(zhì)隨取向不同而具有明顯方向性差異的性質(zhì)。

有條件的轉(zhuǎn)化性巖體賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境（地應力、地下水和地溫場）中，這是巖體與巖石的根本區(qū)別之一。賦存環(huán)境對巖體的物理力學性質(zhì)以及工程特性有較大的影響，常使巖體的力學介質(zhì)類型、力學特征發(fā)生有條件的轉(zhuǎn)化。各向異性的主要原因是存在于巖體中的結(jié)構(gòu)面具有優(yōu)勢方位及巖體賦存環(huán)境具各向異性。這就要求在研究巖體的工程特性和進行巖體工程設(shè)計時，必須注意巖本中結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢方位與工程作用力之間的相對關(guān)系。巖體力學的內(nèi)容巖體力學與工程巖體力學(1)巖體力學：研究巖石和巖體力學性態(tài)的理論和應用的科學,是力學的一個分支。巖體力學主要研究巖石和巖體對其存在環(huán)境中的力場的響應。(2)巖體工程（巖石工程）與工程巖體巖體工程(巖石工程)：在巖體內(nèi)部或表面修建或構(gòu)造的任何工程。工程巖體：巖體工程所涉及的巖體。(3)工程巖體力學工程巖體力學：研究已經(jīng)經(jīng)受過變形和破壞的巖體，在人類工程—經(jīng)濟活動作用使其環(huán)境變化時，產(chǎn)生的再變形和再破壞的規(guī)律和理論，進一步運用這些理論和規(guī)律預測巖體工程的穩(wěn)定性，解決巖體工程建設(shè)中的實際問題的一門應用性科學。工程巖體力學主要研究巖石和巖體對工程活動的響應。工程巖體力學的研究任務任何工程（包括巖體工程）活動均應符合安全、經(jīng)濟和合理的原則。為此

◎正確的工程設(shè)計

&

良好的施工質(zhì)量◎準確預測巖體中產(chǎn)生的次生應力和變形以及巖體工程的穩(wěn)定性，進而從巖體力學觀點出發(fā)，選擇相對優(yōu)良的工程場址，防止重大事故，保證施工順利，并為合理的工程設(shè)計提供巖體力學依據(jù)，這就是工程力學的根本目的和任務。

在從事工程－經(jīng)濟活動時，人類或多或少地改變了地質(zhì)環(huán)境。就巖體工程而言，自然巖體的賦存環(huán)境和性質(zhì)發(fā)生改變，其工程特性也隨之改變，同時，這種變化還將反過來影響巖體工程的安全性等。因此，不僅要研究巖石和巖體本身的力學性態(tài)，更應著重研究與各類巖體工程有關(guān)的工程巖體在工程力作用下的變形、破壞規(guī)律和趨勢及其實際應用巖體力學的研究內(nèi)容研究內(nèi)容巖體力學的服務對象（巖體工程）對巖體力學有不盡相同的要求巖體力學的研究對象（巖石、巖體、巖體工程）相當復雜◎巖體（巖石）的地質(zhì)特征◎巖體（巖石）的力學性質(zhì)◎巖體結(jié)構(gòu)基本規(guī)律及巖體結(jié)構(gòu)力學效應◎巖體賦存環(huán)境及其力學效應◎巖體的時間效應及流變問題◎巖體動力學特征◎巖體測試技術(shù)和方法◎工程巖體及巖體工程穩(wěn)定性分析原理和方法◎信息處理及計算機應用技術(shù)◎巖體力學模擬和模型試驗◎巖體改良與施工技術(shù)方法研究課題工程巖體力學是伴隨著工程建設(shè)的發(fā)展而發(fā)展的，其研究課題、研究任務和研究內(nèi)容隨工程建設(shè)的發(fā)展而增多，研究任務和內(nèi)容既來源于生產(chǎn)實踐，又必須直接服務于生產(chǎn)實踐。因此，工程巖體力學研究既有理論上的，又有應用實踐上的。理論課題巖體(巖石)的工程地質(zhì)特性工程巖體的評價與預測工程巖體改良技術(shù)方法應用課題邊坡變形與破壞問題地基變形與破壞問題地下硐室變形與破壞問題水利水電工程采礦工程道路工程土木建筑工程海洋勘探與開發(fā)工程石油工程核電建設(shè)及核廢料處理工程地層熱能資源開發(fā)工程地震預報地下水資源開發(fā)工程研究課題巖體力學(工程巖體力學)的學科地位工程建設(shè)環(huán)境:

土體＋巖體(土體是一種特殊的巖體)工程建設(shè)材料:

土＋巖石工程地質(zhì)學:

土力學＋巖體力學巖體力學與土(體)力學共同構(gòu)成工程地質(zhì)（地質(zhì)工程或巖土工程）的基礎(chǔ)左手

&

右手巖體力學的研究方法研究方法巖體力學是一門邊緣交叉科學根據(jù)所采用的研究手段或基礎(chǔ)理論所屬學科領(lǐng)域的不同，巖體力學的研究方法可大致有：◆工程巖體力學的研究任務和內(nèi)容◆工程巖體力學研究方法的多樣性。服務對象的多樣性研究對象的復雜性研究內(nèi)容的廣泛性工程地質(zhì)法、測試試驗法、理論研究法、綜合研究法工程地質(zhì)研究法工程地質(zhì)研究方法是了解巖體和巖石地質(zhì)特征的主要方法，是整個巖體力學的基礎(chǔ)工作。工程地質(zhì)研究方法的重點是巖石和巖體的地質(zhì)特征，尤其與巖體力學性質(zhì)和巖體力學作用有關(guān)的內(nèi)容：巖石、巖性、巖相、巖層的工程地質(zhì)特征研究、巖體結(jié)構(gòu)特征研究和巖體賦存環(huán)境研究。◎巖礦鑒定方法：了解巖石的類型、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征；◎地層學方法、構(gòu)造地質(zhì)學方法和工程勘察方法：了解巖相及巖層特征、巖體的成因、空間分布規(guī)律、各種結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征等；◎地質(zhì)力學方法及工程地質(zhì)勘察方法：了解研究區(qū)巖體的應力場狀態(tài)；用水文地質(zhì)學方法，了解巖體滲流場特征。工程地質(zhì)研究法工程地質(zhì)學:礦物學、巖石學、構(gòu)造地質(zhì)、地質(zhì)力學、地層學等工程地質(zhì)勘察測試與試驗研究法

巖體力學的測試與試驗法主要包括以下三方面:(1)結(jié)構(gòu)探測運用地球物理方法和技術(shù)，探查各種結(jié)構(gòu)面的特征(2)賦存環(huán)境因素量測

包括：天然應力的量測地下水量測地熱測量等；(3)巖體物理力學性質(zhì)測試主要有：巖石物理力學性質(zhì)室內(nèi)試驗巖體力學性質(zhì)現(xiàn)場試驗（原位試驗、鉆孔試驗）巖體變形監(jiān)測（原型實測、長期觀測、位移反分析）模型模擬試驗等。◎測試與試驗研究法是巖體力學理論發(fā)展和工程應用的基礎(chǔ)。◎試驗結(jié)果的作用：※巖體變形破壞分析和穩(wěn)定性分析提供必需的計算參數(shù)；※某些試驗成果（如應力場測試、位移監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、模型模擬試驗）可直接用于巖石工程變形和穩(wěn)定性評價以及巖體力學中某些理論問題探討。必須：★重視并大力開展巖體力學試驗研究工作★積極應用新技術(shù)

隨著巖體力學的不斷發(fā)展，涉及的測試和試驗研究范圍越來越寬。在常規(guī)試驗和測試方法的基礎(chǔ)上，巖體力學試驗與測試方法正向宏觀和微觀兩個方向發(fā)展，既有大地層的力學測試和地質(zhì)構(gòu)造的勘測，也有室內(nèi)巖石的微觀測定。當代科技的迅猛發(fā)展，也促進了巖體力學試驗研究的發(fā)展，一些新的實驗技術(shù)，如遙感、激光散斑、切層掃描、三維地震勘測成像、三維地震CT成像、微震等技術(shù)，都已來斷地運用到巖體力學研究領(lǐng)域，為巖石工程服務。理論分析法

工程地質(zhì)研究和試驗與測試法的研究成果（巖體的工程地質(zhì)信息）抽象巖體地質(zhì)模型抽象力學模型本構(gòu)關(guān)系剛體力學模型彈性力學模型彈塑性力學模型流變模型斷裂力學模型損傷力學模型滲透網(wǎng)絡模型拓撲模型等求解分析結(jié)果工程巖體的應力和應變分布規(guī)律破壞條件分析預測工程巖體變形和穩(wěn)定性等(1)解析法基于各種力學理論，利用巖體力學模型，確定待研究問題的：●平衡條件●本構(gòu)關(guān)系●變形條件●破壞條件●邊界條件(2)數(shù)值法●有限單元法(FEM)●有限差分法(FDM)●邊界單元法(BEM)●離散單元法(DEM)●結(jié)構(gòu)單元法●無界元法●流形元法(NNM)●塊體不連續(xù)變形分析法(DDA)●塊體理論＆上述諸方法的耦合法(3)其它理論分析方法●模糊分析●概率分析●隨機分析●靈敏度分析●趨勢分析●可靠度分析●神經(jīng)網(wǎng)絡●灰色系統(tǒng)理論●時間序列分析等應力和應變分布的近似解應力、應變與破壞條件的精確解

◎巖體力學性質(zhì)研究

◎巖體質(zhì)量評價

◎巖體改良=>愈來愈受到巖體力學界的重視。綜合分析法

在工程巖體力學研究中，上述方法往往綜合應用，即綜合分析法。▓就整個工程進行多種方法并以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的綜合分析，是巖體力學與巖石工程中極其重要的一套工作方法。▓巖體力學研究和應用中，每一環(huán)節(jié)都是多因素的，且信息量大，故必須采用多種方法，并考慮地質(zhì)、工程和施工等多種因素，進行綜合分析和評價，特別注重理論和經(jīng)驗相結(jié)合，才能得出符合實際情況的正確結(jié)論。▓就巖石工程而言，綜合分析法又必須以不確定分析方法為指導，因為在巖石工程中，總是存在著地質(zhì)、工程和施工諸多不確定因素。只有采用不確定性研究方法，才能徹底擺脫傳統(tǒng)的固體力學、結(jié)構(gòu)力學的確定性分析法的影響，使研究和分析的結(jié)果更符合實際，更可靠、更實用。現(xiàn)代非線性科學理論、信息科學理論、系統(tǒng)科學理論、模糊數(shù)學、人工智能、灰色理論和計算機科學技術(shù)的發(fā)展等,為不確定性分析方法奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

工程巖體力學的一般工作程序我國工程建設(shè)的特征◎工程巖體力學是一項工程，而不是簡單的試驗和計算◎工程巖體力學是一項為各類巖體工程服務的綜合性極強的工作◎工程巖體力學包括一整套流程。

巖體力學工作工程地質(zhì)人員工程巖體穩(wěn)定性巖體工程的設(shè)計設(shè)計人員巖體工程施工施工人員這種機構(gòu)上的脫節(jié)◆造成一定的浪費◆容易造成工程失事◆限制了巖體力學發(fā)展巖體工程地質(zhì)信息采集巖體工程地質(zhì)力學模型巖體穩(wěn)定性評價巖體工程設(shè)計巖體工程施工巖體性態(tài)監(jiān)測通過現(xiàn)場巖體特性的描述和調(diào)查，詳細收集巖體的工程地質(zhì)信息，如巖性、巖體結(jié)構(gòu)、巖體賦存環(huán)境（地應力場狀態(tài)，地下水活動狀態(tài)，地熱場狀態(tài)）、巖體的力學性質(zhì)及其特征指標或參數(shù)，這是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。

將采集的巖體工程地質(zhì)信息抽象成合理的力學模型并進一步建立數(shù)學模型。(1)以巖體結(jié)構(gòu)為綱，將地質(zhì)信息抽象為地質(zhì)模型；其次，針對地質(zhì)模型，研究各種作用（如變形和破壞機制等），確定恰當?shù)牡膸r體力學介質(zhì)；(2)根據(jù)具體的巖體力學介質(zhì)和工程作用條件，抽象得到巖體的力學模型；(3)根據(jù)力學模型，確定相應的本構(gòu)關(guān)系，建立數(shù)學模型。

穩(wěn)定性問題是工程安全與經(jīng)濟的核心。在前兩步的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程要求，通過計算分析（選用恰當?shù)哪Ｐ秃蛥?shù)），確定工程巖體在工程荷載和各種自然力作用下的安全程度，對工程巖體及巖體工程的穩(wěn)定性進行評判。當通過驗算，其穩(wěn)定性系數(shù)K＜1，則巖體是不穩(wěn)定的，需改變設(shè)計或進行支護或加固；若K＞1，一般來說，工程巖體是穩(wěn)定的，但考慮到實際巖體工程的重要性、勘測精度、工程運營期間條件的改變及其它因素，還需對其進行綜合分析，提出工程巖體穩(wěn)定性的綜合評價意見。需強調(diào)的是，工程巖體穩(wěn)定性分析計算是否合理，所選的方法固然重要，但選用的地質(zhì)力學模型和計算參數(shù)是否符合工程巖體的客觀實際，則是分析計算成敗的關(guān)鍵。根據(jù)工程及其布局要求以及具體工程地質(zhì)條件，選擇和運用數(shù)學、計算方案進行巖體工程試設(shè)計。這往往與第3步重復交替進行，比如通過反復修改設(shè)計方案，最終使其滿足穩(wěn)定性要求和安全、經(jīng)濟、合理的原則。

對于許多巖體工程，巖體的地質(zhì)力學條件完全自然滿足要求的并不多見，而且在施工（尤其是不合理的施工）過程中，巖體的賦存環(huán)境及巖體的工程特性均不同程度地改變，使原本穩(wěn)定的巖體失穩(wěn)。因此，作為巖體力學工作者，應該積極配合并指導施工，提出合理的施工程序和方法以盡量保持原巖的性態(tài)，并對不滿足要求的部分巖體進行恰當?shù)暮驼_的改良（支護或加固）措施。事實上，無論是巖體性質(zhì)的保護，還是巖體的改良，均需要以巖體力學理論為指導。工程巖體性態(tài)監(jiān)測是指在巖體工程竣工后的整個運營期間，通過各種測試手段，對工程巖體進行長期觀測，分析其力學性態(tài)在工程力學作用下的變化趨勢，并進行預測和預報。無論是為了保證工程的安全，還是為了巖體力學自身的發(fā)展，工程巖體監(jiān)測都是十分必要的。

反饋分析也是工程巖體力學工作中的重要組成部分，它貫穿于整個巖體力學工作中的每一步或某幾步之間。比如，巖體力學參數(shù)反分析、巖體工程地質(zhì)信息的量化與更新、主要巖體響應模式的識別、設(shè)計方案的反復修改和施工措施的現(xiàn)場調(diào)整等。巖體力學的發(fā)展歷程

巖體力學的歷史沿革巖體力學是一門邊緣交叉科學、也是一門年輕的發(fā)展中學科

巖石材料力學階段

本階段，以巖石作為獨立研究對象，簡單測定巖石物理力學性質(zhì)及干濕和凍融造成的強度減損，參照材料質(zhì)量優(yōu)劣標準來評價巖石。在評價實際工程建筑的地基、邊坡和硐室穩(wěn)定性時，把巖體看成巖石材料，直接引用材料力學及在材料力學基礎(chǔ)上發(fā)展的彈性力學等。雖然該階段已認識到地應力的存在，甚至小范圍使用“巖體”這一術(shù)語，但概念是模糊的，沒有真正認識到巖體特殊性和復雜性，實踐問題的解決主要靠經(jīng)驗，該階段巖體力學發(fā)展非常緩慢。

(1)地應力的發(fā)現(xiàn)及地應力學說的提出，是巖體力學發(fā)展史上第一次突破。（Rziha、Heim）(2)巖體力學研究和工程實踐中，彈性力學和彈塑性力學的應用，極大地推動了巖體力學的發(fā)展。(Yong＆Stock、Schimist、Fenner)裂隙巖體力學階段

(1)巖體力學系統(tǒng)研究的開端

1950年是全面開展巖體力學系統(tǒng)研究的開端其標志是：◎Stini創(chuàng)立的“奧地利地球物理與工程地質(zhì)學會”◎L.Müller等創(chuàng)立的“奧地利學派”（也稱“薩爾茨堡學派”）奧地利學派奧地利學派肯定巖體裂隙的存在，否認小巖塊試驗，主張只有通過現(xiàn)場試驗才能獲得巖體的真實特性。對巖體中斷層和裂隙的描述和確定遠比通常工程地質(zhì)中的方法精確（她也正以此聞名），逐漸認識了巖體的本質(zhì)，開創(chuàng)了裂隙巖體研究的先河，推動了巖體力學的發(fā)展。基本觀點：

★巖體是各向異性的不連續(xù)體，結(jié)構(gòu)面將巖體分割為巖塊；

★巖體強度等于其殘余強度，并取決于巖塊嚙合程度；

★巖體變形主要由于巖塊移動，而不是巖塊基質(zhì)本身的變形。強調(diào)運用地質(zhì)力學的觀點和方法研究巖石力學。(2)巖體力學成為獨立學科的標志

1957年，J.Talobre的《巖石力學》和1962年國際巖石力學學會（ISRM）的成立，標志著巖體力學已成為一門獨立的學科，巖體力學的研究已慢慢獲得動力。特別是1959年12月3日法國Malpasset大壩潰壩和1963年10月9日意大利Vajont水庫失事等慘痛事件，使人們逐漸認識到，必須把巖體力學的進一步發(fā)展當作所有大壩設(shè)計者的最迫切的任務，從而真正認識到裂隙巖體研究的重要性，推動了巖體力學的迅速發(fā)展，裂隙巖體研究取得了重大進展。

1959年12月3日，Malpasset薄拱壩，因壩基失穩(wěn)而導致整個拱壩倒毀，頃刻間67×106m3洪水突然奔騰而下，流速70km/h，對下游造成重大損失，致使384人死亡，110人下落不明，財產(chǎn)損失不計其數(shù)。1963年10月9日，意大利Vajont水庫巖坡因灰?guī)r層理強度減弱而發(fā)生大規(guī)?；拢谝环昼妰?nèi)約2.5×108m3巖石滑入水庫內(nèi)，頓時造成150m~250m的水浪，洪水漫過270m高的拱壩，致使下游的郎加朗市鎮(zhèn)遭到了來性破壞，數(shù)百人死亡。該階段研究的特點：明確認識到巖體不是一般的材料，而是發(fā)育著各種各樣的不連續(xù)面的地質(zhì)體（即裂隙化或節(jié)理化巖體），以裂隙巖體的基本力學性質(zhì)作為研究的中心課題，巖體力學是一種地質(zhì)介質(zhì)力學。1974年，L.Müller主編的《巖石力學》代表了該階段的研究方向、方法或基本成果?！粽J識到巖體是裂隙體是巖體力學發(fā)展史上的第二次重大突破◎?qū)α严对趲r體特性中的作用和對巖體本構(gòu)規(guī)律的認識還不夠◎研究方法也還是連續(xù)介質(zhì)力學，只不過在巖體力學性質(zhì)研究上重視了尺寸效應巖體結(jié)構(gòu)力學階段

70年代初，以L.Müller和谷德振為代表的一批工程地質(zhì)學家開展的巖體力學研究，對巖體力學的發(fā)展起了巨大的推動作用。他們指出，巖體不是一塊巖石所能表達的，巖體是地質(zhì)體的一部分，它位于一定的地質(zhì)環(huán)境中，在斷層、節(jié)理等不連續(xù)面的切割下形成有一定的結(jié)構(gòu)。

“巖體結(jié)構(gòu)”的提出是巖體力學發(fā)展的第三次重大突破，巖體力學從此進入到巖體結(jié)構(gòu)力學發(fā)展階段。通過巖體結(jié)構(gòu)，對于看起來雜亂無章的巖體，顯示出其力學作用是有規(guī)律可循的。巖體力學地質(zhì)定理（L.Müller,1974）(1)巖體結(jié)構(gòu)對巖體力學性質(zhì)的影響大于巖石材料的影響，巖體力學本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)力學；(2)巖體強度是不同結(jié)合程度的多塊體殘余強度；(3)巖體變形取決于組成巖體單元的活動性；(4)巖體的機械強度、變形和應力分布取決于巖體的結(jié)構(gòu)特征；(5)巖體的技術(shù)性質(zhì)取決于其存在狀態(tài)，碎裂巖體力學性質(zhì)的各向異性可以通過結(jié)構(gòu)面空間特征統(tǒng)計及其力學效應分析推求，地應力和地下水是兩個控制性因素。巖體結(jié)構(gòu)力學基本觀點（孫廣忠,1988）(1)巖體是經(jīng)過變形和破壞，由一定巖石成分組成的，具有一定結(jié)構(gòu)并賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體；(2)在結(jié)構(gòu)面控制下，巖體形成有自己獨特的不連續(xù)結(jié)構(gòu)（割裂結(jié)構(gòu)），巖體結(jié)構(gòu)控制著巖體的變形、強度、破壞方式和機制等力學性質(zhì)，巖體結(jié)構(gòu)的控制作用遠大于巖石材料；(3)巖體結(jié)構(gòu)控制論是巖體力學的基礎(chǔ)理論，巖體結(jié)構(gòu)分析是巖體力學研究的基本方法；(4)巖體賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中，賦存環(huán)境條件可改變巖體結(jié)構(gòu)力學效應和巖體力學性能；(5)在巖體結(jié)構(gòu)、巖石和環(huán)境應力條件控制下，巖體具有多種力學介質(zhì)和力學模型，巖體力學是由多種力學介質(zhì)和力學模型構(gòu)成的力學體系。巖體力學發(fā)展現(xiàn)狀(1)成果縱觀其發(fā)展史，巖體力學是在實踐中發(fā)展起來的，并為實踐服務的，在土木工程、水利水電、鐵道交通、礦山油田等工程建設(shè)方面作了大量有價值的貢獻。在為工程服務的同時，自身理論也得到了長足的發(fā)展。(2)現(xiàn)狀——理論落后于實踐巖體力學還很年輕，許多理論尚不成熟，還不能如實地反映巖體力學作用規(guī)律，其自身發(fā)展速度遠沒跟上工程實踐的要求，而且?guī)r體力學研究與地質(zhì)研究互相脫節(jié)的問題還未很好解決，因此，現(xiàn)有的巖體力學理論和技術(shù)還不能令人滿意地解決當前工程建設(shè)中提出的問題，盡管已普遍認識到巖體力學是工程建設(shè)的基礎(chǔ)學科。現(xiàn)狀：聲譽高，信譽低(3)機遇與挑戰(zhàn)--并存

不僅一些實踐的老課題還沒能解決，而且諸如大跨度高邊墻地下硐室、500m-1000m的高邊坡、300m-500m高的大壩、1000m-3000m深的大型井下礦山開采等工程中的巖體力學新課題已不斷涌現(xiàn)，需要巖體力學去解決。巖體力學遇到了前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)，巖體力學工作者必須迎接這次挑戰(zhàn)，為實踐服務。在解決實踐問題的同時，巖體力學自身理論得到發(fā)展，而且隨著工程建設(shè)規(guī)模的加速發(fā)展，巖體力學的發(fā)展將會越來越快并日臻完善。

巖體力學發(fā)展現(xiàn)狀巖體力學發(fā)展展望巖體力學理論的發(fā)展和實踐問題的解決，不是僅靠單獨的巖體力學就能實現(xiàn)，而必須是多學科、多手段協(xié)作。這個問題，目前已明顯暴露出來，而且在將來會更加突出。只有如此，巖體力學才能更好地解決實際問題，自身才得到更完善的發(fā)展。以地質(zhì)為基礎(chǔ)，開展巖體力學研究，即巖體力學研究必須緊密地與地質(zhì)研究相結(jié)合，已是國內(nèi)外的共識。

巖體力學的發(fā)展還必須堅持理論研究與技術(shù)量測并舉互補。在發(fā)展和完善巖體力學理論時，必須吸收其它學科（如數(shù)學、力學、材料科學、計算機科學等）的先進技術(shù)和研究成果，運用高新技術(shù)，研究工程巖體，揭示巖體的本質(zhì)規(guī)律。

巖石力學的發(fā)展歷程巖石力學發(fā)展歷史與現(xiàn)狀巖石力學的研究方法巖石力學的研究內(nèi)容巖石力學發(fā)展展望1巖石力學發(fā)展歷史與現(xiàn)狀初始階段

19世紀末~20世紀初經(jīng)驗理論階段

20世紀初~20世紀30年代經(jīng)典理論階段

20世紀30年代~20世紀60年代現(xiàn)代發(fā)展階段

20世紀60年代~現(xiàn)在初始階段

19世紀末~20世紀初1912年海姆(A.Heim)提出靜水壓力理論，認為地下巖石處于靜水壓力狀態(tài)，垂直壓力與水平壓力均為

朗肯和金尼克提出了相似的理論，認為垂直壓力為，而水平壓力為

普羅托吉雅柯諾夫提出自然平衡拱學說，即普氏理論經(jīng)驗理論階段

20世紀初~20世紀30年代引入材料力學和結(jié)構(gòu)力學方法太沙基也提出了相似的理論，但認為塌拱為矩形的忽略了圍巖的自承作用經(jīng)典理論階段

20世紀30年代~20世紀60年代連續(xù)介質(zhì)力學流派

以固體力學為基礎(chǔ)，注重材料的力學性質(zhì)地質(zhì)力學理論流派

強調(diào)要重視對巖體節(jié)理、裂隙的研究，重視巖體結(jié)構(gòu)面對巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用連續(xù)介質(zhì)力學流派引入彈性力學與塑性力學，確立了一些經(jīng)典解析解計算公式20世紀30年代，薩文用無限大平板孔附近應力集中的彈性解析解來計算分析巖石工程的圍巖應力分布問題20世紀50年代，用彈塑性理論導出了芬納-塔羅勃公式和卡斯特納公式只能解決特定問題連續(xù)介質(zhì)力學流派引入有限差分、有限元等數(shù)值模擬方法(1960s)開挖過程、巖體結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用得到考慮，使連續(xù)介質(zhì)力學理論在巖石工程中的應用大大前進了一步依賴于準確的本構(gòu)關(guān)系，而實際狀態(tài)下巖體的本構(gòu)關(guān)系是很難確定的地質(zhì)力學理論流派20世紀20年代德國科學家克羅斯反對將巖體當作連續(xù)介質(zhì)，創(chuàng)立地質(zhì)力學理論流派1951年6月在奧地利成立了以斯梯尼(J.Stini)和米勒(L.Mailer)為首的“地質(zhì)力學研究組”，在薩爾茨堡1)在奧地利的沙茨堡發(fā)起并組織了第一個國際巖石力學協(xié)會，并形成了獨具一格的奧地利學派，這個學派的基本觀點是巖體的力學作用主要決定于巖體內(nèi)不連續(xù)面及其對巖體的切割特點；國際大壩會議設(shè)立了巖石力學分會地質(zhì)力學理論流派1962年，在沙茨堡召開了第十三屆國際巖石力學協(xié)會，成立了國際巖石力學學會?！暗刭|(zhì)與土木工程”雜志也改名和“巖石力學”1966年在葡萄牙的里斯本召開了第一屆國際巖石力學會議，組織了八個專題討論：1、巖體的勘察，2、巖石和巖體的物理力學性質(zhì)研究，3、巖石和巖體的性能，4、巖體中的殘余應力，5、巖石破碎，6、天然和人工邊坡，7、地下開挖和深鉆，8、建筑物地基巖體性質(zhì)各國巖石力學研究狀況奧地利：新奧法聯(lián)邦德國：米勒領(lǐng)導聯(lián)邦德國Karlsruhe大學的土力學巖石力學研究所，繼續(xù)堅持他們的研究方向，其他幾所大學和有關(guān)研究所，都是巖石力學研究基地英國：主要為結(jié)合地下采礦對圍巖的維護和露天開采對邊坡穩(wěn)定的研究，代表：帝國理學院的著名學者E.Hoek和J.W.Bray等。另外，以Wales大學O.C.Zienkiewicz教授為首的小組，對巖石力學數(shù)值方法的發(fā)展，作出了重要貢獻各國巖石力學研究狀況葡萄牙：研究巖石力學較早的國家之一。代表這個國家研究水平的即其國家土木程研究所。M．Rocha即是這個機構(gòu)的創(chuàng)始人。他們在拱基，地下工程，特別是試驗技術(shù)方面的成就，在國際上具有很高聲譽意大利：研究巖石力學較多的國家。如其結(jié)構(gòu)模型試驗研究所的巖土力學模型試驗具有很高技術(shù)水平各國巖石力學研究狀況美國：早期的巖石力學的研究工作都是結(jié)合采礦工作進行的；1965年由美國地球物理聯(lián)合會，礦冶研究所，土木學會，材料學會，地質(zhì)學會，礦業(yè)學會等單位聯(lián)合組成巖石力學學會委員會，后改稱聯(lián)邦巖石力學委員會；美國研究巖石力學的學術(shù)觀點是各式各樣的，即有類似于奧地利學派，重視節(jié)理、裂隙作用從整個巖體出發(fā)的依利諾斯大學教授D.Deere和加州大學(伯克萊)教授R.E.Goodman，又有從所謂異質(zhì)體力學(MechanicsOfhetero-gentousmedia)角度進行巖石力學性質(zhì)研究的觀點，形成百花齊放的局面，大大促進了巖石力學的發(fā)展各國巖石力學研究狀況加拿大：成立有國家?guī)r石力學委員會，自1962年開始舉行自己的巖石力學討論會澳大利亞：在科學院院士M.S.Paterson領(lǐng)導下，對于巖石脆性破壞和高溫高壓下的巖石力學性能等方面做出很大貢獻南非：由于礦業(yè)發(fā)達，對巖石力學的研究也很重視，他們的科學與工業(yè)研究會組織了大量的巖石力學研究工作日本：1964年由土木學會、礦業(yè)學會、土質(zhì)工學會和材料學會等四個學會中的巖石力學工作者們共同組成一個巖石力學研究會，同年召集了第一次學術(shù)會議。1979年改組為巖石力學聯(lián)合會。日本學者在研究巖石的流變性能方面做出很多成績我國巖石力學研究狀況建立了一些研究巖石力學的研究機構(gòu)。如中國科學院巖土力學研究所，地質(zhì)研究所工程地質(zhì)室等。一些產(chǎn)業(yè)和高校部門的研究院也設(shè)立了相應的研究機構(gòu)，如長江水電科學院的巖基室，冶金部礦冶研究所壓力室，煤炭科學院巖石力學研究室和不少大學的巖石力學實驗室等等開展了包括壩基、地下結(jié)構(gòu)、巖質(zhì)邊坡、巖石動力學特性和灌漿處理等方面的試驗研究工作，使我國巖石力學的發(fā)展進入了新階段，并獲得一系列重大成果陳宗基教授把流變學引入巖石力學并推廣到各向異性巖體，提出了圍巖應力場隨時間而變化和由于巖體流變與回彈，隧洞襯砌所受壓力將隨時間增加等概念。后來他又提出巖石擴容和長期強度的本構(gòu)方程，進一步發(fā)展了巖石流變擴容理論我國巖石力學研究狀況谷德振教授提出了“工程地質(zhì)力學”觀點，認為巖體與一般巖石的差別在于它是受結(jié)構(gòu)面縱橫切割的多裂隙體，巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面控制著巖體變形，破壞機制及力學法則，因此必須重視結(jié)構(gòu)面力學效應的研究；在研究結(jié)構(gòu)面力學特性時，必須以地質(zhì)成因為基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)面自然特性做細致的研究，掌握結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)特點來指導巖石力學的研究工作是巖體基本力學特性研究的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上提出巖體分為塊裂結(jié)構(gòu)，完整結(jié)構(gòu)，碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)，按照巖體結(jié)構(gòu)不同類型分別研究其力學特性1981年成立了中國巖石力學與工程學會籌備組，隨后成立了國際巖石力學中國小組，1985年正式成立中國巖石力學與工程學會現(xiàn)代發(fā)展階段

20世紀60年代~現(xiàn)在特點：用更為復雜的多種多樣的力學模型來分析巖石力學問題，把力學、物理學、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學、現(xiàn)代信息技術(shù)等的最新成果引入了巖石力學；電子計算機的廣泛應用為流變學、斷裂力學、非連續(xù)介質(zhì)力學、數(shù)值方法、灰色理論、人工智能、非線性理論等在巖石力學與工程中的應用提供了可能現(xiàn)代巖石力學理論認為：由于巖石和巖體結(jié)構(gòu)及其賦存狀態(tài)、賦存條件的復雜性和多變性，巖石力學既不能完全套用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)理論，也不能完全依靠以節(jié)理、裂隙和結(jié)構(gòu)面分析為特征的傳統(tǒng)地質(zhì)力學理論，而必須把巖石工程看成是一個“人一地”系統(tǒng)，用系統(tǒng)論的方法來進行巖石力學與工程的研究現(xiàn)代發(fā)展階段

20世紀60年代~現(xiàn)在20世紀60年代和70年代，原位巖體與巖塊的巨大工程差異被揭示出來，巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和賦存狀況受到重視，“不連續(xù)性”成為巖石力學研究的重點。從“材料”概念到“不連續(xù)介質(zhì)”概念是巖石力學理論上的飛躍20世紀60年代和70年代開始出現(xiàn)用于巖石工程穩(wěn)定性計算的數(shù)值計算方法，主要是有限元法20世紀80年代數(shù)值計算方法發(fā)展很快，有限元、邊界元及其混合模型得到廣泛的應用，成為巖石力學分析計算的主要手段現(xiàn)代發(fā)展階段

20世紀60年代~現(xiàn)在現(xiàn)代計算機科學技術(shù)的進步也帶動了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。20世紀80年代和90年代，巖石工程三維信息系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、工程決策支持系統(tǒng)等迅速發(fā)展起來，并得到普遍的重視和應用20世紀90年代現(xiàn)代數(shù)理科學的滲透是非線性科學在巖石力學中的重要應用。耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、分叉和混沌理論正在被試圖用于認識和解釋巖體力學的各種復雜過程。巖石力學和相鄰的工程地質(zhì)學都因受到研究對象的“復雜性”挑戰(zhàn)，而對非線性理論倍加青睞現(xiàn)代發(fā)展階段

20世紀60年代~現(xiàn)在20世紀80年代末提出不確定性研究理論，目前已被越來越多的人所認識和接受?，F(xiàn)代科學技術(shù)手段如模糊數(shù)學、人工智能、灰色理論和非線性理論等為不確定性分析研究方法和理論體系的建立提供了必要的技術(shù)支持系統(tǒng)科學雖然早已受到巖石力學界的注意，但直到20世紀80年代和90年代才成為共識，并進入巖石力學理論和工程應用。時至今日，巖石工程力學問題已被當作一種系統(tǒng)工程來解決。系統(tǒng)論強調(diào)復雜事物的層次性、多因素性及相互關(guān)聯(lián)和相互作用特征，并認為人類認