1、 岩石力学发展现状综述学 生 姓 名 马启昂 学 生 学 号 15102020223 所 在 学 院 土木与建筑学院 任 课 教 师 凌同华 岩石及岩体力学发展现状综述马启昂 1（1 长沙理工大学 土木与建筑学院 湖南 长沙 410114）摘 要： 基于国内外重要文献数据库，采用文献计量技术，通过统计近 30 年来岩石力学与岩土工程有关期刊论文信息和被引特征。结合岩石工程相关领域的国家奖获奖内容、973 国家重点基础研究计划项目、国家自然科学基金重大项目的研究成果、对 10 余年中国岩石工程学科的进展与挑战进行分析和论述。总结我国岩石力学与岩土工程学科发展状况与研究进展，总结分析近 10 年来
2、岩石强度与变形理论、岩石断裂与损伤力学、岩石动力学与本构关系、岩石非线性、岩石多场耦合、岩石加固与稳定性分析等方面的若干进展。最后基于中国岩石工程的特点与不足，提出 10 个挑战性问题，并指出了岩石工程领域的发展方向。关键词：岩石力学；岩体工程；研究进展；发展方向；1 引言21 世纪，我国各类基础设施建设和资源开发处于快速发展阶段，水利水电开发、矿山与能源开采、能源储存与废弃物地下处置、地面与地下交通建设、城市各项基础设施开发及其他许多岩土工程的建设促进了我国岩石力学的快速发展。但同时也面临着许多新的挑战性难题，例如特殊的区域性构造地质条件(如膨胀岩、地下暗河和岩溶、松散破碎复杂岩基、高地应力
3、作用下的软硬岩)、大跨洞室围岩的大变形控制、水工隧洞洞群之间的相互作用、复杂坝基稳定、深部岩爆、岩体内的裂隙网络渗流、 “三下”(重要道路下、水下和建筑物下)采矿、自然或人工开挖高陡岩质边坡的长期稳定、尾矿坝溃坝、地下空间利用、防护工程、海底隧道以及其他工程岩石力学问题。上述交通、能源、水利水电与采矿工业等各个领域的需求，有力地促进了我国岩石力学与岩土工程学科的发展。2 中国作者发表岩石力学论文概况及研究现状2.1 国内主要期刊发表的岩石力学与岩土工程论文情况目前与岩石力学有关的全国性刊物主要有岩石力学与工程学报 、 岩土工程学报 、 岩土力学、 煤炭学报 、 土木工程学报 、 水利学报 、中
4、国公路学报 、 工程地质学报 、 地下空间与工程学报 、 石油勘探与开发等。发表岩石力学与岩土工程类论文较多的期刊主要集中在前 4 种。2012 年 12 月 26 日清华大学发布了国际最具影响力学术期刊，其中岩石力学与工程学报的他引影响因子和他引频次分别为 0.268 和 1 289， 岩土力学为 0.067 和 506， 岩土工程学报为 0.066 和 408。因此，为了清楚地了解我国学者发表的岩石力学类文章，对上述 4 种代表性期刊近 30 a(19822012 年)发表的论文分别进行统计和分类。由此可知，结合工程实践，理论联系实际、试验与测试、重大岩土工程关键技术与计算分析并重所占比例
5、较高，是当前的研究趋势。2.2 中国岩石力学理论研究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。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 50 a 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 1 。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
6、论在理论上更趋完善，该成果于 2012 年获得国家自然科学二等奖。郑颖人和殷有泉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 2 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，从理论上建立了岩土材料的抗剪能量屈服准则。殷有泉 3 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 4 提出卸载条件下的岩体本构模型。李建林 5 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 6 以
7、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，进一步研究了强度随中间主应力增加而变化的规律。曹文贵等 7-8 引进基于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 9-10 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 11 新近提出无需先验假设硬化模式、
8、直接通过拟合强度准则参数来实现塑性硬化的方法。2.3 岩石断裂与损伤力学岩石断裂与损伤力学是岩石力学的一个重要分支。岩石和金属断裂与损伤力学的根本区别在于研究材料的特性、断裂机制及工作条件。于学馥 12 详细论述了岩石力学与断裂力学的关系。寇绍全 13 也谈到了岩石断裂力学的基本特征问题。周维垣等 14-15 提出了一种描述岩石、混凝土类材料断裂损伤过程区的细观力学模型，用于分析材料的非线性断裂，模型考虑了岩石、混凝土材料内部随机分布的骨料、胶结质、微裂隙和孔洞等不均质因素。谢和平和高 峰 16 开展了非线性有限元的节理岩体损伤模型的研究。开展岩石断裂与损伤力学的研究大多从试验开始，如徐卫亚和
9、韦立德 17 基于概率论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤和弹塑性变形等特征进行了探讨，建立了弹塑性损伤统计本构模型。周家文等 18 结合向家坝砂岩单轴循环加卸载室内试验，对脆性岩石单轴循环加卸载的应力应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究，指出岩石宏观力学特性取决于岩石内部微裂纹的细观力学响应。杨更社等 19 采用试验研究了岩石单轴受力 CT 识别损伤本构关系。朱珍德等 20 通过不同层次的试验研究与理论分析，给出了渗透水压作用下岩石破裂产生的微观破坏力学机制，为进一步分析暴雨入渗状态下水压急升与骤降对裂隙岩体高边坡失稳的影响机制提供了可靠的试验依据。王启智和贾学明 21
10、，张 盛等 22开展了岩石破坏的尺度律及其岩石力学试验研究。这方面的理论研究较多，如朱乃龙和饶云刚 23以椭圆盘裂纹模型模拟岩石内的缺陷，基于最弱链环节假设和统计断裂力学理论，推导出多轴应力状态下岩石类材料的损伤模型，并根据应变等价性假说研究了包含损伤的岩石类材料的基本本构关系。秦跃平等 24 分析了岩石全应力应变曲线的峰值点参数，用数学方法证明了损伤变量定义的随意性和不同损伤变量的等效性，说明了同一数学模型可用不同的方式表示；给出了损伤变化速率曲线，分析了其变化特点及其与全应力应变曲线的关系，解释了岩石试验中声发射规律。2.4 岩石动力响应岩石动力特性的研究主要包括冲击动力学和爆炸动力学两大
11、方面。冲击动力学必须考虑率效应带来的影响，针对不同加载率或应变率段的动力学试验，借助不同的加载试验机进行。李海波等 25-26 利用动载试验机系统研究了应变率小于 0.1/s时岩石的动力学特性；针对应变率为 0.1 0.001/s 的岩石力学特性试验研究，主要利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验机及轻气炮等进行。在 SHPB 试验中，利用常规的矩形波加载会带来很大的试验误差。为此，李夕兵等 27 提出了获得岩石动态应力应变全图测试合理加载波形的试验方法，在此基础上，提出利用半正弦波加载是 SHPB 岩石冲击试验的理想波形，目前该方法已经被国际岩石力学学会动力学委员会推荐为建议方法，并被应用到
12、深部岩石力学的研究热点岩石动静组合加载和诱导致裂试验研究中 28-29 。在岩石爆炸动力学特性研究中，研究应力波在岩土介质中传播与衰减规律具有很重要的理论意义和工程实践价值。在地下工程中，可以借助应力波在岩石介质中传播与衰减的规律，达到减少爆炸波对地下工程及建筑物破坏效应的目的；在矿山破岩等实际工程中，充分利用其爆炸能量以获得最佳破坏效果；在地震工程中，要了解地震波对地面建筑物、构筑物的破坏效应。为此，夏 祥等 30 对广东岭澳核电站爆破开挖岩体的损伤特征进行了系统研究。王 辉 31 通过力学分析和数值计算，讨论了球形装药在岩体内爆炸后冲击波的传播规律，以及介质内各点应变率的估算方法。钱七虎等
13、 32-33 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 27 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 34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 35 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相同。王占江等 36 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
14、规律。李欢秋等 37 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 38 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。2.5 岩石多场耦合模型与应用岩石介质多场耦合主要研究在温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)和化学场(C)的耦合作用下(以下称 THMC)
15、，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。周创兵等 39-40 提出了水利水电工程渗流多层次控制理论，对岩石渗流应力场进行了较深入的研究，同时研究了广义多场耦合概念，在 THMC 耦合系统中考虑了工程作用(E) ，形成 THMC-E 广义耦合系统。赵阳升 41 对多孔介质耦合作用进行了系统研究，在理论方面做了许多有益的工作。王 媛等 42-43 研究了单裂隙面渗流与应力的耦合特性、耦合机制与渗控关键技术。冯夏庭等 44-45 对岩石化学应力渗流耦合开展了细观力学试验，同时利用自开发的 EPCA 程序进行数值模拟研究，二者进行了对比
16、验证，并提出岩石工程设计新方法和岩爆演化机制。张玉军等 46-47 利用自开发的有限元程序对孔隙裂隙介质中热水应力进行了数值模拟，同时考虑了核素迁移、应力腐蚀和压力溶解等效应。唐春安等 48 对岩石破裂过程中的渗流应力温度耦合进行了大量的数值模拟。刘泉声等 49 开展了三峡花岗岩温度与时间相关的力学性质试验，并对岩石时温等效效应与煤矿深部岩巷围岩稳定控制进行了较系统的研究。陈卫忠等 50 以岩石孔隙比和含水量 2 个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，推导了非饱和岩石在温度渗流应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程。周
17、 辉等 51-52 分析了岩石材料变形破坏过程中的有效应力系数和渗透性演化规律，研究了高渗透压、非 Darcy 流条件下的理论模型。陈益峰等 53 针对核废料地质处置问题，建立了岩土介质多相流 THM 全耦合模型。这些成果对我国水利水电、采矿、油气开发、核废料处置、CO 2 储存以及地下洞室的工程设计与施工具有重要的指导意义 54-55 。2.6 岩体非线性理论与加固稳定分析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。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、岩体参数确定、岩爆等级计算等
18、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。杨 强等依托三维弹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 56 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 57 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
19、一体联合加固理论。郑颖人等 58-59 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)坡及其支护的稳定分析方法。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 59 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 60 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
20、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。房定旺等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
21、程序，并应用于一实际工程的拱坝坝肩岩体稳定性分析。3 岩石力学研究面临的难题3.1 岩石力学中渗流、力学、热力学与化学损伤力学的耦合分析岩石同赋存环境营力相互作用，不可避免地使其变形和破裂、破坏机制更为复杂，破坏过程体现了强非线性特征。岩石中流体不仅影响到有效应力，而且可造成岩石部分物质软化或溶解，改变应力、应变的条件，同时又会改变渗流场特征。岩石热力学效应、渗流热力学效应及化学损伤效应互相有着密切的联系。对于水库、堤坝、隧道建设、水下采矿，应重点研究场区地下水渗流场分布情况，加强研究大范围高精度探水的装备及技术意义重大。开展这些方面的研究有益于探索岩石力学的协同统一模型，发展多场、多过程和多
22、尺度的耦合分析方法。3.2 岩石初始应力场和工程扰动效应统一分析岩石应力、应力释放及地应力场演化是岩石力学过程中的内在力源，理应受到高度的重视。但是关于岩石的内应力状态及可能的释放条件同岩石的结构和力学性能尚研究得不够深入。岩石初始应力是由自重应力、现今活动构造应力、残余构造应力和成岩结晶和胶结应力等构成。它们对岩石变形和破坏的作用不同，在岩石强度和工程扰动效应的研究中，需要进一步研究与分析非协调变形产生的自平衡封闭应力，以及多年冻土和可燃冰工程热扰动问题。而在深部及破碎岩体中准确测定原岩应力的方向、大小，也是岩石工程中的难点问题。3.3 岩体中非协调变形和破坏研究岩体一般都具有初始的微观和细
23、观裂纹，这些初始微、细裂纹对岩体的连续性和变形协调性的影响是一个值得研究的问题。地下工程(含巷道、隧道和洞室)开挖卸荷将会造成围岩中产生更多的次生微、细和宏观裂纹，从而使得裂纹的密度和尺寸发生变化，相应地也会对岩体变形非协调性产生新的重要影响，这也许是产生深部围岩分区破裂化、围岩深部岩体破裂和岩爆的力学本质，因此值得下大功夫对深部岩石力学中非连续性、非协调变形和破坏进行深入研究。3.4 岩石多时间尺度的时效变形研究岩石的时效变形中流变特性的研究已经取得了较丰硕的成果，而在不同加载路径及应力变化条件下的岩石时效变形试验和分析研究尚待深入。饱和岩石的蠕变特性已有所研究，而在渗流条件下，渗透压和渗透
24、梯度的影响、渗流流体对岩石化学蚀变影响、温度及热力效应以及岩石破裂过程的时效性等有待进一步研究，以期探索协同时效变形理论和试验研究方法，发展多过程和多尺度耦合流变本构模型。而对各向异性岩石及损伤断裂岩石的非线性流变本构模型也有待进一步完善。参考文献： 1 YU Maohong ， LIU Jiming ， ODA Yoshiya， et al. On basic characteristics and innovation of yield criteria for geomaterialsJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，
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