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1、高等岩石力学读书报告 题目：岩石力学理论及其发展分析课程名称： 高等岩石力学 专业班级：土木工程研XX班 指导老师： XXX 学生姓名： XXX XXXX大学土木工程学院二0一四年目 录1岩石强度、变形及时间效应11.1 岩石强度和强度准则11.2 岩石的变形与流变特性11.2.1岩石的变形11.2.2岩石流(蠕)变模型21.2.3岩石的流(蠕)变试验32岩石断裂与损伤力学32.1 断裂与损伤机制32.2 裂纹扩展机制43岩石多场耦合与应用43.1 多场耦合关系类型53.2 多场耦合研究内容与方法53.3 多场耦合应用54岩石动力学与岩爆64.1 岩石动力特性64.2 岩石动力本构关系64.3
2、 岩石声、电磁传播特性64.4 岩爆分析75岩体非线性理论与加固稳定分析85.1 岩体非线性理论85.2 软岩的力学特性与加固理论85.3 岩质边坡稳定分析96岩石力学试验技术106.1 岩石力学基本试验方法106.2 试验仪器设备106.3 岩体结构模型试验技术107岩石力学数值分析方法117.1 有限元法117.2 离散元法117.3 三维快速拉格朗日分析127.4 数字图像分析方法138展望岩石力学发展与挑战13参考文献15 1岩石强度、变形及时间效应岩石作为自然界的一种天然材料，对其变形和破坏特性的研究是沿着材料力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学和损伤力学等逐步发展的。由于水库大坝、山
3、岭隧道、跨江(海)桥隧等重大工程项目的兴建，以及地下采矿工程、人防工程及地下空间利用的快速发展，促进科技工作者对岩石力学性质与时间效应的持续研究，天然岩石材料的复杂性也越来越为人们所认识。1.1 岩石强度和强度准则岩石强度理论或强度准则是岩体工程设计、结构安全性分析的基础知识，一直是工程力学界的一个热门课题。1900年莫尔(O. Mohr)教授建立了著名的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)强度理论。从那以后，岩石强度理论广泛吸引了工程师和物理学家(包括工程地质专家、力学家、地球物理学家、材料科学家和土木、机械工程师等)的注意。以最大剪应力为基础的Mohr强度理论没有考虑中间主应力对材料强度
4、的影响，俞茂宏在1961年提出了双剪概念，并在1991年发表统一强度理论公式，后又提出非线性统一强度理论，可以将经典理论作为该理论的特例或线性逼近。经过53a来的持续研究，该理论已经形成众多系列，融入塑性力学、断裂力学、损伤力学等学科，并广泛应用于机械零件、混凝土构件以及岩土工程的强度分析。统一强度理论扩展到三向拉伸区，更适用于岩土材料和岩土工程，也使统一强度理论在理论上更趋完善。郑颖人等发展了岩土塑性力学及其本构模型，并在应变空间塑性理论、多重屈服面理论及建立广义塑性力学理论方面取得了较大进展，特别是郑颖人与高红等以考虑岩石内摩擦特性的剪切应变能达到某个极限屈服值为假设前提，从理论上建立了岩
5、土材料的抗剪能量屈服准则，它是考虑中间主应力的摩擦材料屈服准则，当内摩擦角为0时立即退化为米赛斯准则；当罗德角为30时，或不考虑中间主应力时，退化为Mohr-Coulomb准则。殷有泉对岩土在三维应变空间屈服面问题进行研究，提出用应变空间表达岩土的本构关系，使岩土的应变软化硬化问题、弹塑性耦合问题得到较好的解决。哈秋舲提出卸载条件下的岩体本构模型。李建林进一步研究了节理岩体卸载非线性力学特性，并应用于实际工程。许东俊和耿乃光以软弱砂岩和致密坚硬的花岗岩以及中硬大理岩为研究对象，通过把中间主应力2从2=3的下限值增加到2=1的上限值，进一步研究了强度随中间主应2的增加而变化的规律。曹文贵等引进基
6、于Mohr-Coulomb以及Drucker-Prager岩石强度判据的岩石微元强度表示方法，从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发，基于岩石三轴应力-应变试验曲线建立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型；并对Mohr-Coulomb和Drucker-Prager 岩石强度判据进行了修正。周辉等通过试验研究了硬岩强度的演化规律，提出了高应力条件下硬脆性岩石的弹塑性耦合力学模型。白冰等新近提出无需先验假设硬化模式、直接通过拟合强度准则参数来实现塑性硬化的方法。1.2 岩石的变形与流变特性1.2.1岩石的变形岩石试件在外荷载作用下由变形发展到破坏全过程，是一个渐进性逐步
7、发展的过程，具有明显的阶段性，总体可分为峰值前和峰值后两个阶段。米勒(Miller，1965)对28种岩石试验，并根据其试验成果将峰值前应力-轴向应变曲线划分为6类，分别为：弹性型、弹塑性型、塑弹性型、塑-弹-塑-型、塑-弹-塑-型及弹性-蠕变型。法默(Farmer，1968)根据岩块峰值前应力-应变曲线，把岩石划分为准弹性、半弹性、非弹性三类。Wawerisk和Fairhust(1970)根据峰值后阶段曲线特征将岩块全过程曲线特征分为稳定破裂传播型()和非稳定破裂传播型()，葛修润等人(1994)根据自己研制的电液伺服自适应控制式岩石试验机上进行的试验资料认为型曲线是人为造成的，实际上并不存
8、在。变形特征一般用杨氏模量和泊松比2个指标来表示，尤明庆和苏承东基于试样压缩过程中应力、应变数据的计算机连续采样，提出以应力差为强度50%的两点的最大割线模量作为岩石的杨氏模量，多个试样的试验值采用调和平均而不是算术平均；提出利用固定轴向变形时围压与轴向应力的变化关系确定泊松比，以体现该参数在应力平衡方程中的作用。岩石在应力-应变全过程曲线中，不同应力状态对应的弹性模量和泊松比是不同的，卢应发等对任意地质材料进行围压加卸载确定弹性模量和泊松比，讨论不同应力状态下的损伤模量，指出岩石的流变与黏性变形时效与其力学状态相关，并论证圆柱形试样较适宜于各向同性材料试验。对于软岩和节理裂隙发育或高地应力条
9、件下的岩体，黏性变形时间效应更为明显，是工程设计与计算中必须考虑的主要因素。何满潮等根据理论分析和工程实践，初步将深部软岩的变形力学机制归纳为物化膨胀型(I)、应力扩容型(II)和结构变形型(III) 3大类和13种亚类。同时指出，软岩工程大变形难以控制的根本原因是其具有复合型变形力学机制；软岩大变形控制的三大关键因素为：正确地确定软岩的复合型变形机制、有效地转化复合型为单一型以及合理地应用转化技术。不同地区的岩石其基本力学特性差异巨大。1.2.2岩石流(蠕)变模型20世纪2030年代，流变力学形成了独立的学科。流变是岩石材料的重要力学特征，许多工程问题(采矿、大坝、桥墩、石油开采、能源和放射
10、性核废料储存、边坡及地下构筑物的稳定性等)都与岩石的流变特性密切相关。1939年Griggs发表了他的研究成果，提出在砂岩、泥板岩和粉砂岩等类岩石中，当荷载达破坏荷载的12.5%80% 时，就发生流(蠕)变的观点。在此以后的几十年里，很多研究者相继从各个不同方面进行了岩石蠕变研究。随着岩石力学理论与实践的不断发展，岩石蠕变研究越来越引起广泛重视。岩石流变模型的研究是岩石流变力学理论研究热点和核心之一。随着一些新的理论和方法逐渐被采用，岩石流变模型理论也得到了一定程度的发展，包括用流变经验模型、元件模型、损伤断裂模型来研究并发展岩石流变模型。我国岩石流(蠕)变的研究始于1958年。当时陈宗基指导
11、了长江三峡平硐围岩的蠕变试验研究，提出了岩石蠕变的特性，他认为人们普遍采用的普氏理论存在不合理性。后来根据对长江葛州坝工程地基泥化夹层的研究，又提出了确定岩体长期稳定强度的本构方程。20世纪6070年代，陈宗基率先对宜昌砂岩进行了扭转蠕变试验，研究了岩石的封闭应力和蠕变扩容现象，并指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的2 个基本因素。陈宗基从宏观和微观2个方面先后提出黏土的流变本构方程、二次时间效应及片架结构理论。目前，岩石流变损伤断裂的研究主要集中在探讨岩石蠕变损伤、蠕变断裂及其耦合机制。如孙钧等对软岩的非线性流变力学特性进行了理论预测和试验研究，提出了统一的三维大变形非线性黏弹塑性流变本构模型及
12、其算法，并将其应用于地下工程中。同时，还分析了含I 型裂纹岩石的流变断裂特性，提出I 型裂纹流变断裂韧度的3个阈值，然后应用断裂力学和黏弹塑性理论，在考虑屈服、蠕变和II 型裂纹扩展等物理力学特性的基础上，得到了岩体隧洞衬砌与围岩应力解析式。之后采用直接拉伸试验，对红砂岩进行了拉伸断裂和拉伸流变断裂试验，得到了该类岩石流变断裂准则。河海大学徐卫亚教授(2006)提出了“岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)”，该模型被运用锦屏一级水电站，但是模型参数的选取过程存在瑕疵。武汉岩土所杨春和等在盐岩工程力学试验及理论研究方面，建立了能有效反映深层盐岩流变特性的数学力学模型和计算分析方法，主要研究成果
13、已应用于我国盐岩能源地下储库的选址、设计和运营参数评估中。1.2.3岩石的流(蠕)变试验岩石流变试验主要分为室内岩石流变试验和现场岩体流变试验。室内试验具有能够长期观测、较严格控制试验条件、重复次数多等优点。现场试验耗资费时、难度较大，因而对现场岩体流变力学特性的试验研究成果相对较少。因此，岩石流变力学特性的试验研究成果也主要集中在室内试验方面。孙钧等对三峡花岗岩进行了劈裂拉伸蠕变试验，指出岩石的蠕变拉伸强度与加载速率有关，并研究了水对岩石拉伸蠕变特性的影响；同时，利用三点弯曲试验方法对层状岩石进行了试验研究与理论分析，利用重正化群变换理论对岩石的流变断裂机制进行了定量分析，建立了岩石流变断裂
14、准则，同时验证了直接拉伸试验所得到的试验结果。夏才初等开展了深部节理岩体在高应力下的卸载流变力学特性的研究。袁龙蔚等求出了3 种煤系岩石的蠕变参数值，并初步证明了这3种岩石的蠕变过程服从线性变形定律。雷承弟对二滩正长岩蚀变玄武岩进行了现场承压板压缩蠕变试验，拟合得到了蠕变经验公式。周火明在三峡工程坝址试验洞内开展了岩体单轴、三轴压缩蠕变试验和岩体剪切蠕变试验，研究表明岩体应变与时间曲线与室内试验具有相同特征，而且在低应力水平下的蠕变特性仍可用广义Kelvin 模型来描述；同时，对岩体结构面进行了现场剪切蠕变试验，给出了岩体结构面的蠕变模型及相应的蠕变参数。2岩石断裂与损伤力学由于岩石中存在节理
15、、裂隙等缺陷，极大地影响岩石的力学特性，因此断裂力学的概念被引入到岩石强度理论研究中，围绕岩石中岩石断裂机理以及裂纹扩展规律，在理论及实验方面都进行了大量研究，取得了显著进展。2.1 断裂与损伤机制迄今为止,许多学者围绕岩石的损伤进行了大量研究,建立了各种能够适用于岩石的宏观损伤模型,例如Krajcinovic连续损伤模型，Marigo脆性和疲劳损伤模型，Bui和Ehrlacher的损伤模型，Supartono和Sidoroff的理想损伤模型，Frantziskonis和Desai的损伤模型，Kawamoto、Ichikawa和Kyoya的节理岩体损伤模型Cheng和Dusseault的损伤-
16、空隙压力耦合连续统模型，Aubertin等的SUVIC-D模型Chen和Bodner等的MDCF模型，朱维申的裂隙岩体弹塑性损伤断裂模型，周维垣的节理岩体弹脆性损伤模型，谢和平的岩石损伤模型等等。这些连续损伤模型的共同特点是：根据热力学理论和弹塑性理论对其损伤过程进行唯象分析，通过定义特定的损伤变量，建立损伤演化方程,再基于等效原理(应变等效、应力等效或能量等效)建立损伤本构方程。籍此建立的本构方程包含了损伤变量，可以反映损伤对岩石变形特性的影响，至于损伤的变化特性则可通过损伤演化方程加以描述。因此，损伤变量的定义是宏观损伤模型的关键问题。细观损伤力学作为宏观损伤力学的必要补充，是当前损伤理论
17、研究的热点。不同于唯象的宏观损伤力学模型，细观损伤模型从材料的具体细观结构出发，考察具体的损伤形式(如微裂纹、微孔洞、相界面等)，定义具有真实物理背景的损伤变量，并最终借助某种平均化的方法将细观RVE模型的演化规律推广到整体宏观演化规律。对岩石而言，RVE的建立还存在较大困难，进一步的损伤变量定义十分困难。尽管如此，不少学者对此进行了各种探讨，取得一些初步的成果。Krajcinovic和Sumarac，Ju和Lee等考虑了简单载荷条件下的细观损伤机制；Horii和Nemat-Nasser针对微裂纹可以发生闭合、摩擦滑移、沿晶界扩展、弯折扩展等进行了试验和理论研究；Bazant系统论述了岩石中分
18、布微裂纹造成的有限元网格敏感性、应变局部化等问题，强调了微裂纹群的演化特征对宏观性质的影响；余寿文和冯西桥等针对微裂纹的相互作用提出了微裂纹扩展区模型，根据微裂纹取向分成不同集合，进而通过集合运算来处理损伤过程中不同种类裂纹的增减；柯孚久、白以龙和夏蒙棼以微裂纹密度函数描述理想微裂纹系统并对其演化规律进行了考察，得出了很多有益的结论。2.2 裂纹扩展机制20 世纪80 年代，在含裂纹岩石的开裂破坏研究上更注重理论与试验相结合。王仁等用含预置倾斜裂纹的模拟材料或大理岩材料来研究裂纹的萌生、演化和破坏过程，以及裂缝的逆向共轭剪破坏问题等；用线弹性断裂力学理论研究单个、多个和多组雁行排列预置张开裂纹
19、的萌生、扩展和贯通机制，并提出相应的裂纹扩展模型。此阶段对含裂纹岩石破坏研究应用比较多的理论是节理损伤力学，它是损伤力学理论与岩石力学、工程地质学之间的交叉学科，把岩石中的节理裂隙看成是岩石内部的初始损伤，通过引入一种所谓“损伤变量”的内部状态变量来描述受损材料的力学行为，从而研究其裂隙的产生、演化、体积元破坏、直至断裂的全过程，并建立相应的裂纹扩展损伤模型，如非弹性滑动模型等。20 世纪90年代至今，随着计算机的发展和人们对现实世界的认识加深，结合传统的理论分析，运用新的试验和数值分析方法对含裂纹岩石的开裂破坏开展了更深入的研究。王庚荪和林鹏等研究了单轴、多轴条件下含单双裂纹与多裂纹、开闭裂
20、纹、相交不重叠裂纹、不相交重叠裂纹缺陷岩体的开裂、扩展、贯通相互作用机制以及破坏行为。李世愚等使得节理岩体的蠕变损伤断裂机制、损伤演化方程和本构关系、岩石损伤局部化研究得到了进一步的发展，克服了传统模型中缺少反映材料细微观特性的内禀长度因子；在局部化分岔现象进行数值模拟时，避免局部化分析结果对网格疏密或走向的敏感性等，在实际应用中取得了较好的效果。李术才和朱维申也从弹性断裂入手对弹性体中的三维裂纹扩展理论问题进行探索，并采用数值方法对三维开裂机制进行模拟，这些研究为真实反映三维裂纹的开裂机制、对三维开裂的控制和加固研究提供了有益的参考。葛修润等借助CT技术对三维裂纹开裂问题、破坏机制进行了有益
21、探索。近年来，诸多学者从宏观角度对节理岩体的渐进破坏和锚杆加固止裂进行研究。周宏伟和谢和平探讨了岩石破裂面的各向异性特征。张强勇等应用断裂损伤力学研究断续节理岩体开挖卸载过程中渐近破坏的力学机制，从压剪和拉剪2种应力状态出发，建立了复杂应力状态下加锚断续节理岩体的损伤演化方程，并根据预应力锚索与裂隙岩体的联合作用机制，研究了裂隙岩体的损伤断裂变形特性以及锚索的空间锚固效应，并将其应用于水利、采矿等地下工程的破坏稳定分析中。杨强等基于经典弹塑性理论，开展了水利工程中岩石破坏的损伤变形破坏研究，并已取得一定实际应用成果。3岩石多场耦合与应用岩石介质多场耦合主要研究在温度场(T)、渗流场(H)、应力
22、场(M)和化学场(C)的耦合作用下(以下称THMC)，气体、液体、气液二相流体或化学流体在岩石的孔隙中传输，固体骨架和流体中的温度分布及其骨架变形与破坏规律。DECOVALEX 项目是研究高放核废料深埋性能与安全评价的一项国际合作项目，始于1992 年，目前已经滚动开展了5期，它致力于对岩体THMC 耦合过程进行理论和试验分析。3.1 多场耦合关系类型描述一个场的基本方式是给出其数学模型数学模型一般由控制方程(组) 和边界条件和/或初始条件构成，控制方程(组) 一般为偏微分方程组，如渗流控制方程，传热控制方程等，场的表达式及其耦合关系主要有：边界耦合和域耦合、双向耦合与单向耦合、直接耦合与间接
23、耦合、同质耦合与异质耦合、微分耦合与代数耦合、源耦合-流耦合-属性耦合与几何耦合等。3.2 多场耦合研究内容与方法岩体多场耦合的研究内容主要有：(1) 岩体地质特征与赋存环境研究；(2) 岩体变形与渗流特性研究；(3) 岩体表征单元体与力学参数研究；(4) 岩体多场耦合机制研究；(5) 岩体工程作用效应研究；(6) 岩体应力场及渗流场数值模拟研究；(7) 岩体多场广义耦合数值模拟研究。岩体多场耦合研究采用的是系统方法，强调系统的内在联系、系统各部分之间的相互作用和相互影响，注重在定性的层面上描述岩体多场耦合的地质背景，在定量的层面上揭示岩体多场耦合机制，在应用的层面上进行多场耦合效应分析和模拟
24、，以期在整体上把握岩体变形特征、稳定性状态和演化趋势。3.3 多场耦合应用按照岩体多场广义耦合的观点，岩体的赋存环境及工程作用组成了一个有机系统，系统各部分之间总是相互作用和相互影响的，其耦合作用是一种客观存在；岩体所表现出的各种物理力学特性既受岩体地质特征的控制，也受赋存环境及工程作用的影响，更是系统耦合特性的反映；岩体多场耦合是一个非线性的动态过程，贯穿于地质体的形成、演化以及包括工程作用在内的整个过程。因此，岩体多场广义耦合的工程应用与岩石力学的应用范围基本是一致的。它可应用于水利水电工程高坝岩基稳定性评价、高陡边坡开挖锚固优化设计、地下洞室围岩稳定性分析及支护方案优化；可应用于低渗油藏
25、通过定向开裂提高油气采收率的分析；可应用于高放废物储库围岩及缓冲层渗透性评价及核素迁移规律研究；可应用于矿山露天开采边坡变形和稳定性分析、地下开采顶板变形与稳定分析及采空区处理；也可应用于因地下水过度开采所引起的地面沉降分析、水库蓄水诱发的水库地震分析以及暴雨引起的山区滑坡分析等。岩体多场广义耦合作用有强弱之分，对岩体变形和稳定性分析最重要的是强耦合过程。岩体多场广义耦合理论应用于不同的领域往往具有不同的研究重点，应当抓住主要矛盾和矛盾的主要方面。通常，针对具体工程特点的岩体多场耦合模型、模型参数、耦合动力过程、耦合数值模拟以及耦合效应的控制技术等是具有共性的研究重点。目前多场耦合理论主要应用
26、于三峡永久船闸高边坡稳定性分析、锦屏二级水电站深埋隧道HM耦合分析、水布垭面板堆石坝渗流与变形耦合分析。4岩石动力学与岩爆4.1 岩石动力特性钱七虎等结合工程地质特点，根据断层与节理裂隙带的几何关系，研究爆炸应力波通过节理裂隙带的衰减规律。李夕兵等研究了应力波与非固结或可滑移岩石结构面的相互作用。鞠 杨等应用SHPB试验和分形方法，研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。席道瑛等采用低频共振(0.110.0 Hz)的方法，研究了饱和流体大理岩和砂岩的衰减与模量色散，发现不同的饱和流体和岩石，其衰减峰的位置及其宽度等均不
27、相同。王占江等总结分析了在花岗岩中进行的系列化爆试验应力波测试数据，按岩性区分，给出了自由场应力波衰减规律。李欢秋等对应力波在有软回填层的地下复合圆形结构的介质中传播规律及与复合结构体系的相互作用进行了研究，给出了应力波在有软回填层的地下复合圆形结构介质中的传播规律。卢文波和W.Hustrulid基于柱面波理论、长柱状装药中的子波理论以及短柱状药包激发的应力波场Heelan解的分析，推导了岩石爆破中质点峰值振动速度衰减公式，可反映诸如炸药种类和特性、钻孔孔径、装药结构及岩性参数等因素对质点峰值振动速度的综合影响。4.2 岩石动力本构关系李夕兵等通过对试验结果的分析，获得加载频率和表面形态对节理
28、闭合变形性质的影响规律，从而建立考虑率效应的节理本构模型。王武林等通过室内大块度岩石球面波爆炸试验，用拉格朗日多点测量和分析方法对实测结果进行数值计算，获得了大理岩材料在弹塑性区的本构关系。唐春安采用长杆自由下落冲击圆球形岩石试样，通过测量杆端荷载，建立荷载-位移-落高的关系，得到3种岩石试样的荷载-位移全过程曲线。王礼立基于拉格朗日分析方法研究率型材料的动态力学性能，对传统拉格朗日分析方法，从理论分析和数值模拟2个方面相结合作了检验分析，建立拉氏分析与ZWT本构模型之间的定量关系。席道瑛等通过岩石长杆冲击试验，获得了大理岩、砂岩在干燥、饱水、饱油情况下的衰减系数及其动态本构关系。尚嘉兰等用预
29、埋于不同位置的压力探头监测冲击产生的平面应力波在岩样中的应力历史波形，获得花岗岩的动态本构关系。杨军等通过岩石冲击损伤试验获得岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系，并建立基于声波衰减规律及其与能量耗散率关系的岩石爆破损伤模型。王明洋等对爆炸与冲击作用下的岩体真实破坏过程作了微细观研究，建立了工程实用的介质在爆炸和冲击作用下统一分阶段连贯的、不同时空尺寸的动力本构模型。为模拟深部岩体的赋存环境，研究了单轴无侧限压缩、具有初始静水压力时的加载与卸载条件下的岩石应力状态。单仁亮等结合对花岗岩和大理岩实测冲击破坏本构曲线的分析，将统计损伤模型和黏弹性模型相结合，建立了考虑应变率效应的岩石冲击破坏时效损伤
30、模型。4.3 岩石声、电磁传播特性岩石声学特性理论是超声波测试技术及其工程应用的理论基础，主要包含岩石超声波和超声衰减理论研究2个部分。张晖辉等开展了循环荷载下大试样岩石的破坏前兆声发射试验。张茹等研究了单轴多级加载岩石的破坏声发射特性。赵明阶和吴德伦从岩石的变形特性出发，通过等效裂纹模型的建立，建立了岩石在单轴加载、卸载和重加载过程中声传播特性的理论模型，利用广泛采用的超声波纵波速度与孔隙率的关系式，最终导出单轴压缩荷载作用下岩石超声波纵波速度与应力的理论关系式。李月等对地基层状岩石纵波波速与密度相关性开展试验研究。岩石电磁学主要研究岩石电学性质的频率特性、岩石电阻率与岩性、孔隙率和饱和度之
31、间的关系。李夕兵和古德生基于地壳中的众多岩石具有压电晶体结构物质的事实，利用长波近似，最早提出应力波和电磁波在岩体中相互耦合的理论，给出P波、S波和表面波与所耦合的电磁波间的定量关系；后来系统研究了应力波作用下节理面前后电磁辐射强度的变化规律，以及岩石破裂电磁辐射频率与岩石属性参数的关系。冯启宁和郑学新对岩石电学性质的试验进行了深入研究，建成从低频(100 Hz)到超高频(3 000 MHz)全频段内测量岩石电阻率、介电常数、阳离子交换量和激发极化电位的物理模拟装置。孙钧等通过电磁辐射试验，研究了长江三峡船闸工程边坡岩体在不同含水状态(饱水、自然、干燥)、不同受载和不同应力水平下，闪云斜长花岗
32、岩流变属性与其电磁辐射脉冲强度之间的依附关系，以及岩石破碎、断裂程度与其电磁辐射脉冲之间的关系，探究了各个不同加载环境下岩石蠕变变形孕育、发生和发展过程中的电磁辐射效应及其现象规律，以获求岩石蠕变断裂的电磁辐射信号特征。对于岩石脆性材料开裂时伴随的物理现象，除人们很早关注的声发射、热等现象以外，开裂破坏时的电磁信号特征也是最近研究的热点和难点。王恩元等对岩石脆性材料的研究表明，在应力梯度作用下，带电粒子向开裂界面聚集，同时由于裂纹尖端的电场强度高达10 V/m，可能有带电粒子被加速并发射出去，这也将导致裂纹尖端电荷量的增加，当应力达到一定水平时，首先在最薄弱的截面上开裂；同时，带电粒子随着裂纹
33、的开裂并加速扩展而一起作加速运动，产生电磁辐射。对岩石破裂出现的电磁现象研究，最早来源于对地震减灾的研究，除了大量的现场观测研究外，一些实验室的研究主要集中在以下几方面：(1)研究岩石磁性随应力变化的磁化率、剩磁强度；(2)研究岩石电性随应力变化的视电阻率；(3)研究岩石破裂时的电场变化的自电位；(4)研究岩石破裂时的电磁辐射的电磁波。对于脆性材料断裂过程中的力-电-磁耦合的理论研究，目前主要包括公理化方法和变分原理方法建立的模型等。4.4 岩爆分析 岩爆是一种世界性的地质灾害，极大地威胁着矿山和岩土工程施工人员和设备的安全。目前，冯夏庭等在岩爆方面做了大量的研究工作。但是，由于岩爆问题极为复
34、杂，还没有成熟的理论和方法。研究岩爆发生的原因、条件以及各种因素的相互作用，是预测、预报和控制岩爆发生的理论基础，得到国内外学术界和工程界的广泛重视。在实验室研究和现场监测与调查的基础上，各国学者从不同的角度先后提出强度理论、刚度理论、能量理论、岩爆倾向理论、三准则理论、失稳理论、三因素理论、孕育规律等一系列重要成果，其中强度理论、能量理论和冲击倾向理论占主导地位。岩爆倾向性研究中采用统计学方法、模糊数学、神经网络、支持向量机、随机森林等多种方法。岩爆的室内试验一直是岩爆机制研究的难点，何满潮等研发了应变岩爆机制试验系统和冲击型岩爆试验系统，在室内完成了近300次岩爆试验，并为意大利、伊朗、新
35、加坡、加拿大等国家做了同类试验，代表了目前岩爆试验的先进水平。宫凤强等利用多功能岩石动静组合试验系统，确认了“一维及三维静应力+冲击扰动”组合加载下岩爆的释能现象，为发展大尺寸岩石真三轴电液伺服诱变(扰动) 试验系统提供了重要参考。预测及评价岩爆危险性最为有效的手段是微震监测，广大学者在该领域开展了大量的研究，并在水电、矿山和隧道工程中得到了广泛应用。E.Hoek等认为，岩爆是高地应力区洞室围岩剪切破坏作用的产物。Zoback教授在解释钻孔崩落现象成因时，也认为类似“岩爆”的孔壁崩落破坏属剪切破坏。然而Mastin(1984)和Haimson(1972，1985)则通过打有圆孔的砂岩岩板进行的
36、单向压缩物理模拟试验,在实验室真实地再现了孔壁崩落现象；他们得出这一现象是由于孔壁应力集中部位的局部破坏所引起的，系张性破裂的产物。我国杨淑清教授等通过天生桥二级水电站引水隧洞相似材料岩爆机制物理模拟试验，总结出岩爆造成围岩劈裂破坏和剪切的二种机制，并且认为它们是二种应力水平的产物，即劈裂破坏属脆性断裂，而剪切破坏是岩石应力达到峰值强度状态时的破坏；前者形成的破裂面与洞口边界平行，而后者则与洞口边界斜交，呈对数螺旋形状。谭以安博士则认为，岩爆系一渐时破坏过程,其形成过程可分为“劈裂成板剪断成块块片弹射”三个阶段。以王兰生教授为首的“川藏公路二郎山隧道高地应力与围岩稳定性课题组”将岩爆作用与岩石
37、在三向应力条件下的压缩变形破坏全过程(Lane，Bieni-awski等，1970年)加以对照,认为岩爆力学机制可以归纳为压致拉裂、压致剪切拉裂、弯曲鼓折三种基本形式，也可以多种组合方式出现。岩爆的预测一直都是岩土工程界的一大难点，目前岩爆的预测主要有以下方法：(1) 施工地质超前预报法；(2) /Rb判据预测法；(3)岩爆储能测试分析预测法；(4)岩爆临界深度预测法；(5)声发射现场监测预测法；(6)煤(岩)体电磁辐射监测预报法。在地下工程具体施工过程中的岩爆防治措施主要有以下三大类：(1) 改善围岩物力性能；(2) 改善围岩应力条件；(3)加固围岩，对不同烈度的岩爆一般采取不同的加固处理措
38、施。5岩体非线性理论与加固稳定分析5.1 岩体非线性理论岩体稳定性评价的困难在于岩体系统高度非线性，这使得人们对岩体变形破坏机制缺乏足够认识，引进的数学、力学理论有时失效，定量化描述难以实现。非线性问题的解析求解一般较为困难，需要具体问题具体分析。岩体失稳的表现形式各异，但都是在外界影响下介质物理力学性质的突变引起的，相关研究更具有理论指导作用。近年来，在岩石工程中应用的非线性理论主要有耗散结构理论、协同论、分叉、分形、突变、浑沌、支持向量机、神经网络、遗传算法、随机森林、统计学方法等理论，其中文献较多的是遗传算法，神经网络，支持向量机。以上非线性分析方法主要应用于岩体分级、边坡稳定等级分类、
39、岩体参数确定、岩爆等级计算等领域，这些理论正成为解决非线性复杂大系统问题的有力工具，也是研究岩石非线性系统理论的数理基础。在稳定性分析方面，极限平衡法、块体理论、强度折减法、矢量和法得到了广泛的应用。岩体加固稳定性分析成果较多涉及工程开挖、隧道和采矿工程领域；国内学者与加拿大、美国、印度等国学者有着较为广泛的交流。5.2 软岩的力学特性与加固理论工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响范围之内的岩体。随着开采深度的增加，巷道工程围岩所处的地质力学环境越来越复杂，采用常规支护设计的深部软岩巷道工程稳定性越来越难以控制
40、，安全事故时有发生。其主要原因在于，在深部高地应力场和开采扰动作用下，巷道工程岩体开挖后处于塑性大变形阶段，采用常规支护方式易使支护体与围岩之间出现刚度、强度和结构不耦合，从而造成巷道变形加剧，难以控制。冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉等在不断总结重大工程实践的基础上，在运用新奥法基本原理的过程中，提出联合支护方法。董方庭、方祖烈研究了松动圈理论和主次承载区支护理论。何满潮等针对此类软岩问题提出了以锚索支护为核心的耦合支护理论和技术。随着岩体工程特别是地下岩体工程规模、数量的不断增大、增多，岩体工程加固理论得到了发展。为了研究荷载超出结构极限承载力后的结构行为，或者说结构失稳行为，杨强等依托三维弹
41、塑性有限元分析的迭代算法研究了变形加固理论，建立了基于最小塑性余能原理的结构稳定性理论，并采用一些算例和地质力学模型试验对破坏结果进行了验证。李新平等将复合材料力学的研究方法和观点引入到层状岩体-锚杆支护系统，将其看成是一种由层状岩体(基体材料)、锚杆(纤维材料)、砂浆(黏结材料)构成的单向复合增强材料，通过理论分析、数值模拟和对比模型试验，定量分析这种等效复合材料的力学性质与各组分材料之间的关系。李纪三在调查分析和试验的基础上，研究浆液、钢筋、围岩固结成整体的三位一体联合加固理论。锚杆支护理论涉及到的研究较多。张乐文和李术才对锚杆作用机制做了大量的研究与探讨，在一些经典锚杆支护理论的基础上，
42、进一步揭示了锚杆支护的实质，研究了下面几个具有代表性的理论：全长锚固中性点理论、松动圈理论、围岩强度强化理论、锚固力与围岩变形量关系理论和锚固平衡拱理论。5.3 岩质边坡稳定分析岩质边坡定量分析方法是边坡稳定分析中的核心内容，是判断边坡是否稳定的最重要依据。陈祖煜完善了边坡稳定分析的Morgenstern-Price法，对其数学力学表达和理论内涵做出了重要改进，给出了力和力矩平衡方程式的解析解，并根据剪应力成对原理提出了求解该方程所必需的边界条件。郑颖人等的研究表明，各种力学参数的模糊性、随机性对工程稳定性的评价有着至关重要的影响，并且受到越来越多的重视。并应用有限元强度折减法丰富了各类边(滑
43、)坡及其支护的稳定分析方法。根据现有工程案例分析进行类比，从而对边坡稳定性的状况及其发展趋势进行定性或半定量的说明和解释。葛修润等提出了边坡稳定性分析矢量和法，并采用该方法计算地震荷载下边坡的稳定性。李宁和钱七虎提出岩质高边坡稳定性分析与评价中的4个准则。汪小刚对节理岩体倾覆型滑坡破坏进行稳定性分析。陶振宇等较系统地研究了边坡岩体参数模糊性特点及其对边坡稳定性影响。朱大勇和钱七虎推导出满足所有6个平衡条件的三维边坡严格极限平衡解答和满足5个平衡条件的三维边坡准严格极限平衡解答。郑宏等通过取整个滑体为受力体并基于滑面应力修正，实现满足所有6个平衡条件的严格三维极限平衡法，该方法将安全系数的求解归
44、结为一个代数特征值问题，从而解决了解的不收敛难题。房定旺研究了层面和节理变化对安全系数的影响，说明节理力学参数的不确定性对边坡稳定性评价有重大影响。尽管如此，关于节理岩体边坡计算参数模糊不确定性对边坡稳定性评价方面的影响研究还处于起步阶段。周维垣等根据节理岩体的力学特征提出了适用于节理岩体的弹塑性断裂模型，该模型可以反映断续节理在荷载作用下的断裂扩展、贯通以及屈服破坏过程，既考虑了三维非正交节理的作用，也考虑了节理面粗糙对节理强度和变形的影响。据此编制了三维有限元程序，并应用于一实际工程的拱坝坝肩岩体稳定性分析。6岩石力学试验技术6.1 岩石力学基本试验方法岩石力学的试验方法包括：岩石室内试验
45、、现场岩体变形试验、现场岩体强度试验、岩体应力测试、声波法、声发射法等。尽管20世纪60年代以后，大部分试验工作转向现场，有忽视室内试验的倾向，但实践表明室内试验对岩石力学理论的发展仍然非常重要。在进行室内试验时，要重视现场原状岩样的采取，这是目前岩石力学试验的关键所在，此外要求原位试验标准化，这是两项基本原则。水利水电科学研究院结合小浪底水库工程，用地质力学模型研究了泄洪洞合理间距问题，并给出了试验成果。清华大学彭守拙、谷兆祺等为小浪底水库地下厂房围岩稳定问题进行了平面模型试验，取得了与有限元法分析相符的结果。水电部东北勘测设计院正在研制大型地下结构三轴压力模型试验装置，可用于研究由于开挖洞
46、室或采取支护措施后，在三轴压力条件下围岩的应力、应变状态，为工程设计提供依据。6.2 试验仪器设备葛修润和周百海采用先进的设计方案、独特的结构布局、计算机直接控制和自适应控制技术，研制了一套功能多样化、体积小型化的RMT-64 型，以及后续的RMT-150，RMT-201 和RMT-301 型岩石和混凝土多功能数控电液伺服试验机系列产品，并进行了大量试验研究。蔡美峰采用新研制的仪器成功在2800 m 深部进行了水压致裂地应力测量。葛修润和侯明勋提出了一种新的三维地应力测量方法，即钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)，并给出基于BWSRM 的地应力测井机器人的研制过程和具体实施步骤，最后给出地应
47、力测井机器人在锦屏水电站埋深达2430 m处科研试验洞内的试验结果。李小春等在茂木式真三轴试验机和RT3型岩石高压真三轴仪的基础上，采用多级轨设计实现框架横置，提高了加载的稳定性且方便试样和传感器装卸，并首次加入了对中装置，提高试验的可重复性。6.3 岩体结构模型试验技术20 世纪50 年代中后期，我国就开展了地质力学模型试验研究。总参工程兵科研三所顾金才等进行了长期、大量的各种模型试验研究，取得丰硕成果。例如通过室内物理模型试验对地下洞室开挖和预应力大锚索加固机制进行了系统研究。自从李干荣于1956 年在我国首次对广东流溪河拱坝进行结构试验以来，除进行模型材料研究外，很多学者进行了大量的拱坝
48、坝基和坝肩稳定性模型试验研究，先后完成了龙羊峡重力拱坝模型试验和该重力拱坝枢纽整体三维小块体地质力学模型试验，之后研究了二滩、李家峡、紧水滩、东风、小湾、凤滩、铜头、溪洛渡、锦屏I级等拱坝的整体稳定性、大坝超载能力与破坏机制以及基础加固措施的实际效果，关于这些拱坝稳定、安全系数的研究成果被写入混凝土拱坝设计规范。长江科学院岩基所对构皮滩、江口双曲等拱坝进行了试验研究，他们也以三峡工程为背景做了大量的地质力学模型试验，取得了很多成果。中国科学院武汉岩土力学研究所对三峡工程左岸厂房坝段进行了深层抗滑稳定性物理模拟试验。近年来，针对当前一批高拱坝(如溪洛渡、锦屏、小湾等)开展跟踪三维试验研究，在试验规模、方法和技术方面已经取得了重要成果。自20世纪70年代以来，地质力学模型得到了广泛应用，扩大了结构模型试验研究的领域。近年来，张林等采用降低断层、夹层等结构面强度的方法对国内一些拱坝和高边坡进行了坝肩稳定分析。地下结构大型三维地质力学模型试验从21世纪初有了快速发展。李仲奎等在2000年首先研制了大比尺三维地下洞室群模型试验系统，该
