岩石力学

力学的一个分支，是运用力学和物理学的原理研究岩石的力学和物理性质的一门学科，目的在于充分利用岩石的固有性质，解决和解释生产建设中的实际问题。岩石力学同水利水电建设、矿山建设、煤炭开采、土木建筑、铁道交通以及国防工程等有密切关系，它在地学领域中也占有重要地位。

特点  岩石力学是一门应用性很强的学科。岩石力学研究是与岩石本身的固有特性分不开的。在地球表面的岩石，基本上可分为三大类，即火成岩、沉积岩、变质岩。它们形成的时期，最早可在几十亿年之前，在漫长的地质年代中，先后经历了多次构造运动。因此，岩石与人工材料有很大不同。在成岩过程中，组成岩石的矿物颗粒在大小、物理力学性质和热导率等方面都各不相同，因此在岩浆冷却时，颗粒内部和边界会产生微裂纹；另一方面，由于晶体相互间有摩擦阻力，变形受阻，引起应力积累，而形成封闭应力。在此后地质构造的长期作用下，岩石中又形成了各种断裂，如裂隙和断层。裂纹、断裂等在外力作用下都具有随时间而变化的力学性能，即流变性。地壳本身在动力作用下也按一定的速率不断变化。此外，在构造运动，如板块构造、板块碰撞、火山运动、造山运动等的影响下，岩石内部还赋存有地应力，并包含着许多晶体间的滑动面、裂纹、节理、裂隙、层面、弱面、夹层和断层等。因此，岩石是一种非均质、各向异性、非连续、而且内部存在应力的复合地质结构。在结构内部又包括许多力学性质不同的岩石单元，而每个单元本身也往往是非均质、各向异性和非连续的。由此可见，岩石的力学性质远较其他材料复杂，任何岩石力学科学实验、理论分析和计算都必须考虑这些特点。这就是岩石力学研究的基本出发点。

研究内容  主要有以下5个方面：

①岩石强度 研究岩石在外力作用下达到破坏时的极限应力，包括用试验方法确定岩石的抗压、抗拉、抗剪等强度特性，以及对岩石的强度准则进行理论分析(见岩石强度)。

②岩石变形 研究岩石在外力或其他物理因素(如温度、湿度)的作用下发生形状或体积的变化，主要是对岩石进行单轴、三轴、剪切、流变等项试验，并在试验基础上对岩石的弹性、塑性、流变、扩容等特性进行理论探讨。其中岩石的流变是研究重点。一般在研究岩石强度时，同时也研究它的变形性质，确定它的应力-应变-时间关系(见岩石变形)。

③岩石应力 研究在地幔热对流和地壳构造运动、板块碰撞等因素影响下，赋存于岩石内部的应力。主要方法是在现场运用钻孔应力解除法和水压致裂法等进行岩石应力测量以及对岩石应力来源、初始应力、二次应力、封闭应力等机理进行分析。

④岩石动力学 研究岩石在各种动载荷如爆破、爆炸、冲击、地震、振动等作用下的基本力学性质，主要是用地球物理方法(如地震勘探)、动力三轴试验、爆炸冲击波试验等技术对岩石的动力特性进行研究和分析以及对岩石的高压流体状态方程、固体状态方程等动力性质进行分析。

⑤岩石渗透性 主要指研究岩石的渗水和渗油性能。重点是研究在室内外进行压水、抽水等渗透试验和地下水和油在岩石中的渗流规律、渗流控制、抽油等(见岩石渗透性)。

研究方法  岩石力学的研究方法主要是：科学实验和理论分析。科学实验包括室内试验、野外试验和原型观测(监控)。室内试验一般分为岩块(或称岩石材料，即不包括明显不连续面的岩石单元)试验和模型试验(主要是地质力学模型试验和大工程模拟试验)。野外试验和原型观测是在天然条件下，研究包括有不连续面的岩体的性状，是岩石力学研究的重要手段，也是理论研究的主要依据。理论分析是对岩石的变形、强度、破坏准则及其在工程上的应用等课题进行探讨。在这方面，长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散介质理论进行研究。由于岩石力学性质十分复杂，所以这些理论的适用范围总是有限的。近年来，虽然发展了一些新的理论(如非连续介质理论)，但都不够成熟。60年代以来，数值分析方法和大型电子计算机的应用给岩石力学的发展创造了有利条件。用这种方法和计算设备可以考虑岩石的非均质性，各向异性，应力-应变的非线性和流变性，粘、弹、塑性，等等。但是由于当前岩石力学的试验方法较落后，还无法为计算提供准确的参数及合适的边界条件，使计算技术的应用受到影响。

在研究中，一般应注意以下三个基本问题：①岩石是一种复杂的地质介质，研究工作都须在地质分析，尤其是在岩体结构分析的基础上进行；②研究岩石力学的主要目的是解决工程实际问题，由于在工程实践中岩石力学涉及地球物理学、构造地质学、实验技术、计算技术、施工技术等学科，因此有关学科的研究人员以及工程勘测设计、施工人员的密切合作至关重要；③岩石性质十分复杂，目前使用的理论和方法还不能完全描述自然条件，因此强调在现场对岩石的性状进行原型观测，并利用获得的资料验证或修改理论分析结果和设计方案。对工程实践而言，岩体中的非连续面和软弱夹层往往是控制岩体稳定的主导因素。它们的力学特性，特别是流变性及其对建筑物的影响，日益受到重视。

发展概况  岩石力学的发展是与人类的生产活动紧密联系的。在原始社会，人类就利用岩石制作工具和武器。后来逐渐学会在岩石中开采矿石，利用岩石作建筑材料。但是，作为一门学科，岩石力学是近三十年来才发展起来的。近年来，世界上建成的大坝，高度已达300米，地下工程的开挖深度已超过3000米，而且更巨大和复杂的岩石工程还在日益增加，从而有力地促进岩石力学的发展。1951年在奥地利萨尔茨堡成立了国际上第一个地区性的地质力学学会奥地利地质力学学会。1962年，由奥地利地质力学学会发起，建立了国际岩石力学学会(ISRM)。1966～1983年，这个学会召开了五次国际岩石力学大会和多次区域性专业学术会议。

中华人民共和国成立后不久就开始了岩石力学的研究工作。但系统、全面地发展，并把岩石力学作为一门学科进行研究是从1958年开始的，当年成立了三峡岩基组，开展大规模室内和室外科学实验和理论分析工作，研制出一批仪器设备(如岩石静力和动力三轴仪)，培养出一批骨干力量，为中国岩石力学的发展奠定了基础。以后，成功地解决了长江葛洲坝、大冶露天铁矿等许多巨大工程中的岩石力学问题。在理论方面，中国学者把流变理论应用于岩石力学，并在三峡进行岩体流变试验。后来又发展了岩石蠕变、应力松弛、扩容理论，提出了关于岩石应力的来源和释放的新观点。近年来为了开展对地壳和上地幔的研究(地球动力学的研究对象)，中国科学院地球物理研究所研制成高温高压岩石三轴流变仪。1979年起，中国以团体会员国名义参加了国际岩石力学学会并成立了国际岩石力学学会中国小组，1982年成立了中国岩石力学与工程学会(筹备组)，第二年出版了《岩石力学与工程学报》。

展望  岩石力学的发展，有如下值得注意的趋势：①从建设的需要看，今后有大量工程要修建在软弱岩石(包括膨胀岩石)之上或在这种岩石之中；对软弱岩石力学，包括对流变性、复杂的本构方程(即应力-应变-时间关系)及相应的计算方法，地应力、地下水对软岩力学性质的影响，软弱岩石加固技术和理论等的研究，将日益显示出重要性。②随着地下空间的利用，地下电站(水电站、火电站、核电站)以及矿源和能源的开发和交通运输等事业的发展，岩石力学的研究重点将日益转向地下。因此，今后对与地下工程有关的岩石力学问题，如快速施工技术、岩爆、瓦斯爆炸、围岩原型监控等将会给予更多的重视。③以往岩石力学的研究对象主要是地壳上部的一个薄层。为了摸清地震机制、成矿规律、大地构造稳定性等问题以及满足深部采矿和采油的需要，今后岩石力学将与地球动力学结合起来。地球动力学主要的研究对象是地壳和上地幔的运动规律，由于地壳构造运动经历时间长，应变率低(约10／秒)，而且随深度的增加，围压越来越大，温度越来越高，因此在研究中必须考虑时间因素和高温高压等特点。

参考书目 Tan Tjong-Kie，Future Development and DirectioninRock Mechanics， Special Report on 5th Congress ISRM，Melbourne，Australia，1983. Tan Tjong-Kie and Kang Wen-Fa，Locked in Stresses，Creep and Dilatancy of Rock and Constitutive Equations，Rock Mechanics，Vol.13，pp.5～22，1980. L.Mller-Salzburg， Der Felsbau，Ferdinand Enke Verlag，Stuttgart，1978.