高等巖體力學論文-巖石力學發(fā)展現狀綜述

1、<p>　　巖石力學發(fā)展現狀綜述</p><p>　　學 生 姓 名 馬啟昂 </p><p>　　學 生 學 號 15102020223 </p><p>　　所 在 學 院 土木與建筑學院 </p><p>　　任 課 教 師 凌同華

2、 </p><p>　　巖石及巖體力學發(fā)展現狀綜述</p><p><b>　　馬啟昂1</b></p><p>　?。? 長沙理工大學 土木與建筑學院 湖南 長沙 410114）</p><p>　　摘 要： 基于國內外重要文獻數據庫，采用文獻計量技術，通過統(tǒng)計近 30 年來巖石力學與巖土工程有關期刊論文信息

3、和被引特征。結合巖石工程相關領域的國家獎獲獎內容、973 國家重點基礎研究計劃項目、國家自然科學基金重大項目的研究成果、對 10 余年中國巖石工程學科的進展與挑戰(zhàn)進行分析和論述?？偨Y我國巖石力學與巖土工程學科發(fā)展狀況與研究進展，總結分析近10年來巖石強度與變形理論、巖石斷裂與損傷力學、巖石動力學與本構關系、巖石非線性、巖石多場耦合、巖石加固與穩(wěn)定性分析等方面的若干進展。最后基于中國巖石工程的特點與不足，提出 10 個挑戰(zhàn)性問題，并指出了

4、巖石工程領域的發(fā)展方向。</p><p>　　關鍵詞：巖石力學；巖體工程；研究進展；發(fā)展方向；</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　21 世紀，我國各類基礎設施建設和資源開發(fā)處于快速發(fā)展階段，水利水電開發(fā)、礦山與能源開采、能源儲存與廢棄物地下處置、地面與地下交通建設、城市各項基礎設施開發(fā)及其他許多巖土工程的建設

5、促進了我國巖石力學的快速發(fā)展。但同時也面臨著許多新的挑戰(zhàn)性難題，例如特殊的區(qū)域性構造地質條件(如膨脹巖、地下暗河和巖溶、松散破碎復雜巖基、高地應力作用下的軟硬巖)、大跨洞室圍巖的大變形控制、水工隧洞洞群之間的相互作用、復雜壩基穩(wěn)定、深部巖爆、巖體內的裂隙網絡滲流、“三下”(重要道路下、水下和建筑物下)采礦、自然或人工開挖高陡巖質邊坡的長期穩(wěn)定、尾礦壩潰壩、地下空間利用、防護工程、海底隧道以及其他工程巖石力學問題。上述交通、能源、水利水電

6、與采礦工業(yè)等各個領域的需求，有力地促進了我國巖石力學與巖土工程學科的發(fā)展。</p><p>　　2 中國作者發(fā)表巖石力學論文概況及研究現狀</p><p>　　2.1 國內主要期刊發(fā)表的巖石力學與巖土工程論文情況</p><p>　　目前與巖石力學有關的全國性刊物主要有《巖石力學與工程學報》、《巖土工程學報》、《巖土力學》、《煤炭學報》、《土木工程學報》、《水利學

7、報》、《中國公路學報》、《工程地質學報》、《地下空間與工程學報》、《石油勘探與開發(fā)》等。發(fā)表巖石力學與巖土工程類論文較多的期刊主要集中在前 4 種。2012 年 12月 26 日清華大學發(fā)布了國際最具影響力學術期刊，其中《巖石力學與工程學報》的他引影響因子和他引頻次分別為 0.268 和 1 289，《巖土力學》為 0.067和 506，《巖土工程學報》為 0.066 和 408。因此，為了清楚地了解我國學者發(fā)表的巖石力學類文章，對上述

8、 4 種代表性期刊近 30 a(1982～2012 年)發(fā)表的論文分別進行統(tǒng)計和分類。由此可知，結合工程實踐，理論聯(lián)系實際、試驗與測試、重大巖土工程關鍵技術與計算分析并重所占比例較高，是當前的研究趨勢。</p><p>　　2.2 中國巖石力學理論研究</p><p>　　巖石強度理論或強度準則是巖體工程設計、結構安全性分析的基礎知識，一直是工程力學界的一個熱門課題。以最大剪應力為基礎的

9、Mohr 強度理論沒有考慮中間主應力對材料強度的影響，俞茂宏在 1961 年提出了雙剪概念，并在 1991 年發(fā)表統(tǒng)一強度理論公式，后又提出非線性統(tǒng)一強度理論，可以將經典理論作為該理論的特例或線性逼近。經過50 a 來的持續(xù)研究，該理論已經形成眾多系列，融入塑性力學、斷裂力學、損傷力學等學科，并廣泛應用于機械零件、混凝土構件以及巖土工程的強度分析 [1] 。統(tǒng)一強度理論擴展到三向拉伸區(qū)，更適用于巖土材料和巖土工程，也使統(tǒng)一強度理論在理論

10、上更趨完善，該成果于 2012 年獲得國家自然科學二等獎。</p><p>　　鄭穎人和殷有泉等發(fā)展了巖土塑性力學及其本構模型，并在應變空間塑性理論、多重屈服面理論及建立廣義塑性力學理論方面取得了較大進展，特別是鄭穎人與高 紅等 [2] 以考慮巖石內摩擦特性的剪切應變能達到某個極限屈服值為假設前提，從理論上建立了巖土材料的抗剪能量屈服準則。殷有泉 [3] 對巖土在三維應變空間屈服面問題進行研究，提出用應變空間表達

11、巖土的本構關系，使巖土的應變軟化硬化問題、彈塑性耦合問題得到較好的解決。哈秋舲 [4] 提出卸載條件下的巖體本構模型。李建林 [5] 進一步研究了節(jié)理巖體卸載非線性力學特性，并應用于實際工程。許東俊和耿乃光 [6] 以軟弱砂巖和致密堅硬的花崗巖以及中硬大理巖為研究對象，進一步研究了強度隨中間主應力增加而變化的規(guī)律。曹文貴等 [7-8] 引進基于Mohr-Coulomb以及Drucker-Prager巖石強度判據的巖石微元強度表示方法，從

12、巖石微元強度服從Weibull 隨機分布的角度出發(fā)，基于巖石三軸應力–應變試驗曲線建立了特定圍壓下反映巖石破裂全過程的損傷軟化統(tǒng)計本構模型；并對 Mohr-Coulomb和 Drucker-Prager 巖石強度判據進行了修</p><p>　　2.3 巖石斷裂與損傷力學</p><p>　　巖石斷裂與損傷力學是巖石力學的一個重要分支。巖石和金屬斷裂與損傷力學的根本區(qū)別在于研究材料的特性

13、、斷裂機制及工作條件。于學馥 [12] 詳細論述了巖石力學與斷裂力學的關系。寇紹全 [13] 也談到了巖石斷裂力學的基本特征問題。周維垣等 [14-15] 提出了一種描述巖石、混凝土類材料斷裂損傷過程區(qū)的細觀力學模型，用于分析材料的非線性斷裂，模型考慮了巖石、混凝土材料內部隨機分布的骨料、膠結質、微裂隙和孔洞等不均質因素。謝和平和高 峰 [16] 開展了非線性有限元的節(jié)理巖體損傷模型的研究。開展巖石斷裂與損傷力學的研究大多從試驗開始，如

14、徐衛(wèi)亞和韋立德 [17] 基于概率論和損傷力學對巖石在荷載作用下的破壞、損傷和彈塑性變形等特征進行了探討，建立了彈塑性損傷統(tǒng)計本構模型。周家文等 [18] 結合向家壩砂巖單軸循環(huán)加卸載室內試驗，對脆性巖石單軸循環(huán)加卸載的應力–應變曲線特征、峰值強度及斷裂損傷力學特性等進行研究，指出巖石宏觀力學特性取決于巖石內部微裂紋的細觀力學響應。楊更社等 [19] 采用試驗研究了巖石單軸受力 CT 識別損傷本構關系。朱珍德等 [20] 通過不同層次的

15、試驗研究與理論分析，給出</p><p>　　2.4 巖石動力響應</p><p>　　巖石動力特性的研究主要包括沖擊動力學和爆炸動力學兩大方面。沖擊動力學必須考慮率效應帶來的影響，針對不同加載率或應變率段的動力學試驗，借助不同的加載試驗機進行。李海波等 [25-26] 利用動載試驗機系統(tǒng)研究了應變率小于0.1/s時巖石的動力學特性；針對應變率為 0.1 ～0.001/s的巖石力學特性試驗

16、研究，主要利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗機及輕氣炮等進行。在 SHPB 試驗中，利用常規(guī)的矩形波加載會帶來很大的試驗誤差。為此，李夕兵等 [27] 提出了獲得巖石動態(tài)應力–應變全圖測試合理加載波形的試驗方法，在此基礎上，提出利用半正弦波加載是 SHPB 巖石沖擊試驗的理想波形，目前該方法已經被國際巖石力學學會動力學委員會推薦為建議方法，并被應用到深部巖石力學的研究熱點——巖石動靜組合加載和誘導致裂試驗研究中 [28-29] 。在

17、巖石爆炸動力學特性研究中，研究應力波在巖土介質中傳播與衰減規(guī)律具有很重要的理論意義和工程實踐價值。在地下工程中，可以借助應力波在巖石介質中傳播與衰減的規(guī)律，達到減少爆炸波對地下工程及建筑物破壞效應的目的；在礦山破巖等實際工程中，充分利用其爆炸能量以獲得最佳</p><p>　　錢七虎等 [32-33] 結合工程地質特點，根據斷層與節(jié)理裂隙帶的幾何關系，研究爆炸應力波通過節(jié)理裂隙帶的衰減規(guī)律。李夕兵等 [27] 研

18、究了應力波與非固結或可滑移巖石結構面的相互作用。鞠 楊等 [34]應用 SHPB 試驗和分形方法，研究節(jié)理巖石的應力波動與能量耗散關系，分析節(jié)理面不規(guī)則結構對應力波穿越節(jié)理時的波動性質、非彈性變形和能量耗散的影響。</p><p>　　席道瑛等 [35] 采用低頻共振(0.1～10.0 Hz)的方法，研究了飽和流體大理巖和砂巖的衰減與模量色散，發(fā)現不同的飽和流體和巖石，其衰減峰的位置及其寬度等均不相同。王占江等

19、[36] 總結分析了在花崗巖中進行的系列化爆試驗應力波測試數據，按巖性區(qū)分，給出了自由場應力波衰減規(guī)律。李歡秋等 [37] 對應力波在有軟回填層的地下復合圓形結構的介質中傳播規(guī)律及與復合結構體系的相互作用進行了研究，給出了應力波在有軟回填層的地下復合圓形結構介質 中 的 傳 播 規(guī) 律 。 盧 文 波和 W.Hustrulid [38] 基于柱面波理論、長柱狀裝藥中的子波理論以及短柱狀藥包激發(fā)的應力波場 Heelan 解的分析，推導了巖

20、石爆破中質點峰值振動速度衰減公式，可反映諸如炸藥種類和特性、鉆孔孔徑、裝藥結構及巖性參數等因素對質點峰值振動速度的綜合影響。</p><p>　　2.5 巖石多場耦合模型與應用</p><p>　　巖石介質多場耦合主要研究在溫度場(T)、滲流場(H)、應力場(M)和化學場(C)的耦合作用下(以下稱 THMC)，氣體、液體、氣液二相流體或化學流體在巖石的孔隙中傳輸，固體骨架和流體中的溫度分

21、布及其骨架變形與破壞規(guī)律。周創(chuàng)兵等 [39-40] 提出了水利水電工程滲流多層次控制理論，對巖石滲流–應力場進行了較深入的研究，同時研究了廣義多場耦合概念，在 THMC 耦合系統(tǒng)中考慮了工程作用(E)，形成 THMC-E 廣義耦合系統(tǒng)。趙陽升 [41] 對多孔介質耦合作用進行了系統(tǒng)研究，在理論方面做了許多有益的工作。王 媛等 [42-43] 研究了單裂隙面滲流與應力的耦合特性、耦合機制與滲控關鍵技術。馮夏庭等 [44-45] 對巖石化學

22、–應力–滲流耦合開展了細觀力學試驗，同時利用自開發(fā)的 EPCA 程序進行數值模擬研究，二者進行了對比驗證，并提出巖石工程設計新方法和巖爆演化機制。張玉軍等 [46-47] 利用自開發(fā)的有限元程序對孔隙–裂隙介質中熱–水–應力進行了數值模擬，同時考慮了核素遷移、應力腐蝕和壓力溶解等效應。唐春安等 [48] 對巖石破裂過程中的滲流–應力–溫度耦合進行了大量的數值模擬。劉</p><p>　　2.6 巖體非線性理論與

23、加固穩(wěn)定分析</p><p>　　巖石工程中應用的非線性理論主要有耗散結構理論、協(xié)同論、分叉、分形、突變、渾沌、支持向量機、神經網絡、遺傳算法、隨機森林、統(tǒng)計學方法等理論。以上非線性分析方法主要應用于巖體分級、邊坡穩(wěn)定等級分類、巖體參數確定、巖爆等級計算等領域，這些理論正成為解決非線性復雜大系統(tǒng)問題的有力工具，也是研究巖石非線性系統(tǒng)理論的數理基礎。楊 強等依托三維彈塑性有限元分析的迭代算法研究了變形加固理論，建立

24、了基于最小塑性余能原理的結構穩(wěn)定性理論，并采用一些算例和地質力學模型試驗對破壞結果進行了驗證。李新平等 [56] 將復合材料力學的研究方法和觀點引入到層狀巖體–錨桿支護系統(tǒng)，將其看成是一種由層狀巖體(基體材料)、錨桿(纖維材料)、砂漿(黏結材料)構成的單向復合增強材料，通過理論分析、數值模擬和對比模型試驗，定量分析這種等效復合材料的力學性質與各組分材料之間的關系。李紀三 [57 在調查分析和試驗的基礎上，研究漿液、鋼筋、圍巖固結成整體的

25、三位一體聯(lián)合加固理論。鄭穎人等 [58-59] 的研究表明，各種力學參數的模糊性、隨機性對工程穩(wěn)定性的評價有著至關重要的影響，并且受到越來越多的重視。并應用有限元強度折減法豐富了</p><p>　　定性影響。朱大勇和錢七虎 [60] 推導出滿足所有 6 個平衡條件的三維邊坡嚴格極限平衡解答和滿足 5 個平衡條件的三維邊坡準嚴格極限平衡解答。鄭 宏等 通過取整個滑體為受力體并基于滑面應力修正，實現滿足所有 6 個

26、平衡條件的嚴格三維極限平衡法，該方法將安全系數的求解歸結為一個代數特征值問題，從而解決了解的不收斂難題。房定旺等研究了層面和節(jié)理變化對安全系數的影響，說明節(jié)理力學參數的不確定性對邊坡穩(wěn)定性評價有重大影響。盡管如此，關于節(jié)理巖體邊坡計算參數模糊不確定性對邊坡穩(wěn)定性評價方面的影響研究還處于起步階段。周維垣等根據節(jié)理巖體的力學特征提出了適用于節(jié)理巖體的彈塑性斷裂模型，該模型可以反映斷續(xù)節(jié)理在荷載作用下的斷裂擴展、貫通以及屈服破壞過程，既考慮了

27、三維非正交節(jié)理的作用，也考慮了節(jié)理面粗糙對節(jié)理強度和變形的影響。據此編制了三維有限元程序，并應用于一實際工程的拱壩壩肩巖體穩(wěn)定性分析。</p><p>　　3 巖石力學研究面臨的難題</p><p>　　3.1 巖石力學中滲流、力學、熱力學與化學損傷力學的耦合分析</p><p>　　巖石同賦存環(huán)境營力相互作用，不可避免地使其變形和破裂、破壞機制更為復雜，破壞過程體

28、現了強非線性特征。巖石中流體不僅影響到有效應力，而且可造成巖石部分物質軟化或溶解，改變應力、應變的條件，同時又會改變滲流場特征。巖石熱力學效應、滲流熱力學效應及化學損傷效應互相有著密切的聯(lián)系。對于水庫、堤壩、隧道建設、水下采礦，應重點研究場區(qū)地下水滲流場分布情況，加強研究大范圍高精度探水的裝備及技術意義重大。開展這些方面的研究有益于探索巖石力學的協(xié)同統(tǒng)一模型，發(fā)展多場、多過程和多尺度的耦合分析方法。</p><p&g

29、t;　　3.2 巖石初始應力場和工程擾動效應統(tǒng)一分析</p><p>　　巖石應力、應力釋放及地應力場演化是巖石力學過程中的內在力源，理應受到高度的重視。但是關于巖石的內應力狀態(tài)及可能的釋放條件同巖石的結構和力學性能尚研究得不夠深入。巖石初始應力是由自重應力、現今活動構造應力、殘余構造應力和成巖結晶和膠結應力等構成。它們對巖石變形和破壞的作用不同，在巖石強度和工程擾動效應的研究中，需要進一步研究與分析非協(xié)調變形

30、產生的自平衡封閉應力，以及多年凍土和可燃冰工程熱擾動問題。而在深部及破碎巖體中準確測定原巖應力的方向、大小，也是巖石工程中的難點問題。</p><p>　　3.3 巖體中非協(xié)調變形和破壞研究</p><p>　　巖體一般都具有初始的微觀和細觀裂紋，這些初始微、細裂紋對巖體的連續(xù)性和變形協(xié)調性的影響是一個值得研究的問題。地下工程(含巷道、隧道和洞室)開挖卸荷將會造成圍巖中產生更多的次生微、

31、細和宏觀裂紋，從而使得裂紋的密度和尺寸發(fā)生變化，相應地也會對巖體變形非協(xié)調性產生新的重要影響，這也許是產生深部圍巖分區(qū)破裂化、圍巖深部巖體破裂和巖爆的力學本質，因此值得下大功夫對深部巖石力學中非連續(xù)性、非協(xié)調變形和破壞進行深入研究。</p><p>　　3.4 巖石多時間尺度的時效變形研究</p><p>　　巖石的時效變形中流變特性的研究已經取得了較豐碩的成果，而在不同加載路徑及應力變

32、化條件下的巖石時效變形試驗和分析研究尚待深入。飽和巖石的蠕變特性已有所研究，而在滲流條件下，滲透壓和滲透梯度的影響、滲流流體對巖石化學蝕變影響、溫度及熱力效應以及巖石破裂過程的時效性等有待進一步研究，以期探索協(xié)同時效變形理論和試驗研究方法，發(fā)展多過程和多尺度耦合流變本構模型。而對各向異性巖石及損傷斷裂巖石的非線性流變本構模型也有待進一步完善。</p><p><b>　　參考文獻： </b>

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