岩体力学发展的一些回顾与若干未解之百年问题

岩石力学试验机与试验方法

围压三轴试验机（伺服控制：使物体的位置、方位、状态等输出能够跟随输入量的任意变化而变化的自动控制系统）。岩石、岩体在三轴与单轴应力条件下的强度及变形特性有很大的差异。

刚性试验机。刚度不同，岩石力学特性存在很大差异。

真三轴试验机。岩石与岩体的许多特性与应力状态密切相关，莫尔·库仑强度理论认为强度与中间主应力无关。

流变试验机。岩石变形依赖于时间的效应；岩石时间效应主要由剪应力所致

动力试验机

高温高压试验机。主要研究高温高压下岩石的蠕变特性，其主要目的是研究地球动力机制。

多场耦合试验机（应力-渗流-热-化学耦合作用岩体三轴试验机）

CT-岩石试验机（医学CT、工业CT、微CT）。宏细（岩石内部裂隙、孔隙、破裂发展）观结合

现场原位岩体试验及试验标准。岩体强度、弹性模量等存在显著的尺寸效应（随着试件尺寸增大，试验所获得的岩石强度值降低），在工程设计参数取值时，在工程现场原位进行一些大尺度的试验。

岩石与岩体力学特性

岩石全程应力-应变曲线。在大量的岩石应力-应变单轴试验的基础上，发现了岩石单轴抗压强度与抗拉强度的关系，其比值为10~12。

围压三轴与真三轴力学特性。经过大量试验发现：随围压增加岩石的强度显著提高，其延性增加，脆性减弱，峰值强度延续很长一段，其特征类似于金属材料的塑性强化；然后才进入屈服软化变形段，整体上也呈现出全过程曲线的性态。岩石在达到其强度的一半时，体积变形开始偏离弹性材料的直线，出现了体积的增加，通常称为扩容。

通过大量试验研究发现，岩体中间主应力确实较大地影响了岩体的屈服准则，甚至破坏的方式，即中间主应力由最小主应力值逐渐增大到最大主应力值时，其破坏方式发生了变化，强度有了一定程度的提高，从而导致对莫尔-库仑强度准则的修正与推广。

应力路径也对岩体变形与强度特征有影响。

时效与尺寸效应特性。岩体强度存在尺寸效应的本质是岩体裂隙的存在

动力特性。

渗流特性。达西定律：比流量与压力梯度成线性关系，其线性系数即为渗透系数，对于不同多孔介质，它是不同的常数。

多场耦合特性（热、渗流和固体作用力的耦合作用下的固体力学特性、渗流特性和热力学特性）。

结构面力学特性。结构面粗糙度

岩体变形破坏的声光电磁效应。岩体破裂的光、电磁等现象的发生与岩体失稳破裂同步，甚至滞后一些。

岩体力学理论

岩体力学介质分类。科学本质属于固体力学范畴，与一般意义上的固体力学的不同之处在于：在研究对象内存在相近尺度层次的缺陷，而无法找到表征体积单元，更无法找到表征体积单元之上的抽象平均理论。

科学准则：岩体表征体积单元的线性尺度与工程尺度的比值

块裂介质岩体力学。按照实际岩体地质结构将岩体划分为基质岩块和裂缝组成的块裂介质岩体，基质岩块简化为连续介质，则可直接采用固体力学的理论与分析方法，尾巴裂隙简化作节理模型（单元），其变形与应力、应变关系按照不连续面的特性与理论处理。

破裂介质岩体力学、连续介质岩体力学

强度准则。莫尔-库仑准则、格里菲斯准则、德鲁克-普拉格准则、莫雷尔推广的格里菲斯准则

本构规律。弹性力学的虎克定律、三维状态的广义虎克定律以及塑性力学与流变力学的相关本构规律

块裂介质岩体力学。基质岩块为连续介质，符合弹性力学的虎克定律；不连续面一般均采用法向应力与法向应变、切向应力与切向应变之间的线性关系的本构规律（应力-应变关系，函数关系，物理方程）。

破裂介质岩体力学。提出了若干考虑岩体结构与裂缝分布的弹性模量、泊松比、强度之间的关系。

断裂与损伤力学。岩体断裂力学应用于重力坝于基质胶界面抗裂稳定性分析。

岩体损伤力学的本质是把材料的原始缺陷和作用过程缺陷演化用几何的数学语言表征为损伤变量，对连续介质力学的各个弹性常数加以动态调整，从而使经典连续介质力学的适用范围大大拓广。

多场耦合模型与裂缝分布模型。由单纯应力场作用发展到多物理、化学耦合作用的岩体力学与工程的发展走向，必然导致岩体力学耦合模型的发展。岩体裂缝的规律认识是岩体力学理论最重要的内容和创新。

岩体力学与工程的数值方法与智能算法

数值方法与软件

有限元法、边界元法、离散元法、界面元方法、无界元法

TEINE软件、同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件、RFPA软件

位移反分析与智能分析算法

通过位移来反演岩体及工程特性参数

在本构模型及其参数识别、岩石力学参数反演、围岩分类、隧道支护设计、岩爆与边坡安全性估计等方面，提出了专家系统、神经网络、遗传算法、遗传规划、蚁群算法等

工程岩体力学

工程岩体力学指的是为人类服务的岩体工程勘察、设计、建造、运行维护所涉及的岩体力学科学与技术（水电大坝工程、露天与地下采矿工程、地下空间与隧道工程、边坡工程、油气藏开发工程等）。这类工程典型的特点是：工程范围所涉及的岩体始终处于线弹性变形阶段或远离峰值强度区域段，或仅有扰动的极小邻域内的岩体处于弹塑性或非线性变形阶段。从科学层面称为线性岩体力学。

支护结构的作用主要是改变围岩应力场的分布与性质，即支护使围岩由二向应力状态改变为三向应力状态，从而提高围岩岩体强度，达到提高围岩的承载能力的目的。

灾害岩体力学与重大灾害预防技术

灾害岩体力学是指围绕人类生存与生活的岩体（或地质体）的重大自然与工程灾害的发生机制、条件、预测预报、灾害预防与减灾所涉及的岩体力学科学与技术。灾害岩体力学所涉及的大范围的岩体始终处于弹塑性变形阶段，或峰值强度邻域阶段，或非线性变形阶段。从科学层面称为非线性岩体力学。

1.边坡工程与滑坡

边坡的稳定与否主要取决与边坡岩体的岩性与抗剪强度、结构面内摩擦角与结构面和坡面产状的关系，以及边坡的含水情况等。

边坡加固技术：①提高滑动面与滑体的强度，即抗滑桩、锚固法、滑面注浆与化学处理法等；②地下排水法。

2.瓦斯突出

煤炭地下采掘过程中，在很短时间内，从煤岩壁向采掘空间突然喷出煤岩和瓦斯的事件，称为瓦斯突出。

霍多特提出了综合假说的能量假说，他用试验与理论计算说明了瓦斯突出灾害发生的煤岩层变形潜能、瓦斯的膨胀功和瓦斯突出所需能量间的关系，对瓦斯突出预测防治起了很大的促进作用。

煤岩固体介质作为瓦斯赋存的客体，它的破坏与否及破坏形式是突出发生的必要条件，煤岩体应力与孔隙瓦斯压力是突出发生的充分条件。

防治措施：开采解放层、预抽煤层瓦斯、煤层注水法

3.岩爆与冲击地压

岩爆与冲击地压是地下采掘空间围岩积聚大量弹性能以突然迅猛的破坏方式，抛射至采掘空间的一种动力灾害，在水电、公路、铁路、金属矿山等工程中称作岩爆，在煤矿中称作冲击地压，其本质一样。

岩爆是局部区域的煤岩体应力超过了强度极限而发生的，称为岩爆的强度理论。

区域性防治措施：①开采解放层；②采区合理划分

局部性防治措施：①煤层注水；②卸压爆破；③钻孔卸压；④振动卸压

防控工程措施与规范：分步施工、应力释放、支护系统优化

4.地震

岩体力学的若干未解之百年问题

问题1：岩体力学特性的尺度效应规律

岩体力学的尺度效应指的是实验室尺度与工程的特征尺度之间的力学特性参数之关系

问题2：岩体力学特性的时间效应

①岩石材料是非均质的，其内部的应力也不均匀，不均匀的应力一定存在偏应力，偏应力的存在，岩石的时效特性就始终存在；

②岩体中一定存在裂纹、裂隙、裂缝，岩体内部应力不均匀，岩体的流变性一定永恒存在；

③岩体中裂纹、裂隙、裂缝的存在，必然导致岩体的各向异性，进而导致应力的不均匀性和时效特性的方向性；

④岩体受长时间发生的化学变化与作用，将导致岩体时效特性的存在、时效变形的发展甚至加剧。

问题3：岩体力学介质分类理论

块裂介质、连续介质、拟连续介质

问题4：缺陷层次对岩体变形破坏的控制作用

断层、裂缝、裂隙、空洞、空隙、孔隙等

问题5：岩体各向异性理论与分析方法

问题6：岩体系统失稳破坏的灾变-混沌-逾渗之统一理论

问题7：完善岩石试件失稳破坏的时间、区域和能量的预测理论与方法

问题8：岩体与地质条件系统失稳破坏的三要素短临预测