岩石力学的发展现状

如题所述

岩石作为自然界的一种天然材料,对其变形、强度和破坏特性的研究也是沿着材料力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学和损伤力学逐步展开的。由于水库大坝、铁路隧道、跨江桥梁等重大工程项目的兴建,以及地下采矿业和人防工程的巨大发展,刺激了对岩石力学性质的研究,岩石材料的天然复杂性也越来越为人们所认识。1956年4月,在美国Corolado矿业学院举办的岩石力学讨论会上,提出了“岩石力学(rock mechanics)”这个名称[28],从而成为一个独立于一般固体力学的新学科。公认的岩石力学定义是美国岩石力学学会(The US National Committee on Rock Mechanics)在1964年首先提出的,随后于1974年修改为[29]:岩石力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的学科,是探讨岩石和岩体对其周围物理环境力场的反应的力学分支。

40年来,人类活动领域的扩大、实验手段的提高、数学方法的发展,使得岩石力学自身又迅速分化为许多学科:岩土塑性力学、岩石断裂力学、岩石损伤力学、分形岩石力学、节理岩石力学、岩石流体力学、岩石流变学、岩石破碎学、矿山岩石力学、软岩力学……[30~39]。如果以研究的手段和目标来看,则可以将岩石力学研究的内容分成如下两类:

一是利用实验室的岩样参数,结合原位试验和工程实际,给出各种经验公式,以利用有限元等数值计算方法;数值分析结果通常还要经过适当的模型或现场试验来证实。这一方法具有很高的实用价值,但其结果具有局限性,只是在一定的范围内是准确的。与之相应的数值计算、反分析方法、智能预测方法等也得到了充分发展[40~43]

另一是从细观上研究岩石材料内部的破坏过程,以期确切地理解岩石变形破坏的物理特征,并寻求实验室岩样结果的验证。但这些理论工作赖以建立的基础与岩石材料的真实情况并不完全相符。最为重要的是,岩石在细观上或者说在微分角度上是不均匀的。

上述两个方面都牵涉到一个基本问题,即实验室有关试验结果只是具体岩样的宏观力学性质,它随岩样而变化,并不完全等同于岩石材料的力学性质。岩石的变形性质不具备尺度的相似性。这固然是众所周知的事实,但在讨论强度准则、失稳破坏等问题时,经常不能予以明确区分。仅举一例予以说明。

基于单个裂纹的扩展或多个裂纹的贯通得到的各种Griffith强度准则,可以用来讨论岩石的抗拉强度和抗压强度的比值,进而利用实际岩样的试验数据来评价、判断这些强度准则的合理性[44~47]。这就隐含了一个假设:岩样受拉和受压达到极限应力时,标志着裂纹的扩展。

然而这样的假设无论如何是难以成立的。因而,不可能希望岩样的试验结果来证实基于分析局部材料变形特性得到的理论强度准则。就此而论,关于强度准则形式的若干讨论[48~50],如果不能明确其建立的基础和应用的范围或方式,是很难得到统一意见的。

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