巖石力學(xué)研究新進展

1、 1、引言 2、數(shù)值分析在巖石力學(xué)中的應(yīng)用 3、巖石細觀力學(xué)研究 4、巖石斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)概論 5、巖石力學(xué)中的耦合分析 6、深部巖體力學(xué)問題 7、新的數(shù)學(xué)方法和軟科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng) 用 8、其他第十章第十章 巖石力學(xué)研究新進展巖石力學(xué)研究新進展 第一節(jié) 引 言 巖石力學(xué)是一門既具有理論內(nèi)涵，工程實踐性又很強的發(fā)展中的科學(xué)。 自然界中的巖體被各種構(gòu)造形跡（如：斷層、節(jié)理、層理、破碎帶等）切割成既連續(xù)又不連續(xù)的地質(zhì)體。 許多巖石力學(xué)過程的數(shù)學(xué)描述要么是不存在的，要么是不完全的，可以廣泛接受的概化模型并不多。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)值分析在巖體力學(xué)中的應(yīng)數(shù)值分析在巖體力學(xué)中的應(yīng)用用 和發(fā)展和發(fā)展（一）

2、數(shù)值分析方法的分類在巖石力學(xué)有關(guān)領(lǐng)域的數(shù)值分析方法應(yīng)用中，主要使用的方法為有限元法，邊界單元，離散單元法，拉格朗日單元法及塊體理論等（二）有限元法原理及其應(yīng)用要點原理：通過變分原理（或加權(quán)余量法）和分區(qū)插值的離散化處理把基本支配方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程，把待解域內(nèi)的連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解有限個離散點（節(jié)點）處的場函數(shù)值。 應(yīng)用要點： .正確劃分計算范圍與邊界條件 2.正確輸入巖體參數(shù)及初始地應(yīng)力場 3.采用特殊單元來考慮巖體的非連續(xù)性和邊界效應(yīng)（三）巖石力學(xué)問題的其他數(shù)值分析方法1.1.邊界單元法邊界單元法 有限元法是對問題的微分近似表達式給出了精確解，它實質(zhì)上屬于微分法。 與微分法相對應(yīng)的是積分法

3、，積分法所涉及的邊界可包圍整個問題域，而數(shù)值分析的離散化僅在邊界上近似。下圖表示了在外部問題模擬時微分法與積分法之間的區(qū)別。2.2.離散單元法離散單元法 離散單元法完全強調(diào)巖體的非連續(xù)性。它認為，巖體中的各離散單元，在初始應(yīng)力作用下各塊體保持平衡。巖體被表面或內(nèi)部開挖以后，一部分巖體就存在不平衡力，離散單元法對計算域內(nèi)的每個塊體所受的四周作用力及自重進行不平衡計算，并采用牛頓運動定律確定該巖塊內(nèi)不平衡力引起的速度和位移。反復(fù)逐個巖塊進行類似計算，最終確定巖體在已知荷載作用下是否將破壞或計算出最終穩(wěn)定體系的累計位移。 離散單元法算例：研究地下煤層開挖引起冒落和巖層移動，研究冒落帶深度與節(jié)理間距的

4、關(guān)系。 3. 3.塊體理論塊體理論 塊體理論就是針對個性各異的巖體中具有結(jié)構(gòu)面這一共性，根據(jù)集合論柘樸學(xué)原理，運用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法，構(gòu)造出可能有的一切塊體類型，進而將這些塊體和開挖面的關(guān)系分成可移動塊體和不可移動塊體，對幾何可移動塊體在按力學(xué)條件分為穩(wěn)定塊體、潛在關(guān)鍵塊體、關(guān)鍵塊體。 此外，在計算方法上，還有半解析法、加權(quán)殘余法以及松弛法中的經(jīng)松弛法以及上述方法的耦合應(yīng)用。 例子第三節(jié) 巖石細觀力學(xué)研究 1 尺寸劃分 1）自然界普遍發(fā)育、直接影響巖體力學(xué)特性、大于毫米級的裂隙、節(jié)理、斷層等為宏觀尺寸。 2）發(fā)育在巖石結(jié)構(gòu)中，直接影響巖石力學(xué)性質(zhì)、毫米微米級的裂紋為細觀尺寸。 3

5、、發(fā)育在巖石礦物晶體內(nèi)部，一般對巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì)沒有直接影響的微裂紋、位錯等為微觀尺寸。 巖石細觀力學(xué)是研究細觀尺寸上巖石破裂演化過程及破壞規(guī)律的科學(xué)。 2 巖石力學(xué)細觀力學(xué)研究方法 1）理論上：統(tǒng)計細觀損傷力學(xué)方法。包括細觀描述、統(tǒng)計描述和宏觀描述。 2）實驗上： 光學(xué)顯微鏡觀測方法； 電子顯微鏡觀測方法； 聲發(fā)射方法； 計算機斷層成像，即CT技術(shù)。一、巖體力學(xué)的發(fā)展與工程地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)科發(fā)一、巖體力學(xué)的發(fā)展與工程地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)科發(fā)展緊密相關(guān)展緊密相關(guān) 今天隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，世界上在礦產(chǎn)資源勘探，能源開發(fā)，工程建設(shè)的環(huán)境與安全等方面的需要，對巖體力學(xué)提出了更多更高的要求。大型，特大型

6、的巖體工程修建，都使巖體力學(xué)面臨著前所謂遇的難題。這些問題的解決，一方面要依靠巖體力學(xué)的理論與方法的進一步完善，另一方面，也要求地質(zhì)學(xué)科，尤第四節(jié) 巖石斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)概論 其是工程地質(zhì)方面的學(xué)科的理論與方法進一步完善。特別是勘探手段與技術(shù)方法的發(fā)展緊密相關(guān)。因此要發(fā)展巖體力學(xué)著門學(xué)科，應(yīng)密切注視工程地質(zhì)學(xué)科方面的發(fā)展，它們是相輔相成密不可分的。二、固體力學(xué)成就在巖體力學(xué)中的應(yīng)用二、固體力學(xué)成就在巖體力學(xué)中的應(yīng)用（一）斷裂力學(xué)在巖體力學(xué)中的應(yīng)用 目前，巖石斷裂力學(xué)的應(yīng)用前景主要如下： 1.巖石的斷裂預(yù)測與控制斷裂; 2.巖石裂紋的形成與擴展. 巖石斷裂力學(xué)： 運用斷裂力學(xué)方法研究巖石中宏觀裂

7、紋尖端的應(yīng)力、位移，提出裂紋起裂的判據(jù)幾裂紋開裂方向。包括線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)。 巖石損傷力學(xué)： 在環(huán)境或外載作用下，由于細觀結(jié)構(gòu)的缺陷（微裂紋、微空洞等）引起材料或結(jié)構(gòu)的劣化過程稱為損傷。巖石損傷力學(xué)是研究含損傷巖石的變形過程、損傷演化及破壞力學(xué)過程的科學(xué)。（二）損傷力學(xué)在巖體力學(xué)中的應(yīng)用 將損傷力學(xué)的基本方法和過程應(yīng)用于巖石力學(xué)即巖石損傷力學(xué)。巖石損傷力學(xué)認為：巖體內(nèi)存在有連續(xù)分布性的初始缺陷和密集的微觀裂紋，但在宏觀上仍可視為連續(xù)介質(zhì)看待。對于遍布節(jié)理，裂隙巖體或呈多組節(jié)理分布的裂隙巖體更切合實際。三、巖石力學(xué)試驗與測試方法的進展三、巖石力學(xué)試驗與測試方法的進展（一）在室內(nèi)模擬

8、試驗方面，離心模擬試驗由于具有其他模擬試驗方法所不具備的優(yōu)點而受到注視。（二）聲波層析技術(shù)在巖體力學(xué)方面的應(yīng)用受到注視。聲波層析技術(shù)在巖體測試中的應(yīng)用五、位移反分析法在巖體力學(xué)中的應(yīng)用五、位移反分析法在巖體力學(xué)中的應(yīng)用1.位移反分析法：在巖體工程施工開挖過程中，通過測量位移、應(yīng)變或應(yīng)力，來確定巖體的初始地應(yīng)力或巖體力學(xué)參數(shù)。2.應(yīng)用 反問題法不僅是參數(shù)估計，它的進一步推廣應(yīng)用是工程預(yù)測和險情預(yù)報、反饋動態(tài)設(shè)計、調(diào)整施工方案以及可靠度評價等第五節(jié) 巖石力學(xué)中的耦合分析 是研究系統(tǒng)中多場相互制約、相互影響的規(guī)律的科學(xué)。包括兩場耦合和三場耦合，如應(yīng)力場與滲流場耦合，應(yīng)力場、溫度場和滲流場耦合。第六節(jié)

9、 深部巖體力學(xué)問題 地下空間不斷走向深部:礦山、水電工程的引水隧道、核廢料的深埋處、深層地下防護工程等。與淺部巖體工程相比具有較大的差異，而用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論無法圓滿解決，成為當(dāng)前研究的熱點。 一、深部巖體的特點 1、具有非均勻、非連續(xù)特點； 2、深部巖體變形具有非協(xié)調(diào)、非連續(xù)特點； 3、深部巖體具有非常高的應(yīng)力狀態(tài)； 4、深部巖體具有儲能特點； 5、深部巖體具有塊系結(jié)構(gòu)特點。 二、深部巖體工程力學(xué)特性 1、分區(qū)破裂化現(xiàn)象； 2、巖爆與沖擊動力現(xiàn)象；三、深部巖體工程施工設(shè)計特點 深部巖石力學(xué)關(guān)于巖爆、大變形以及分區(qū)破裂化的機理和發(fā)生發(fā)展規(guī)律尚是一個正在研究的課題，因此，此設(shè)計計算理論尚未

10、形成。1.1.分形幾何及其在巖石力學(xué)中的應(yīng)用分形幾何及其在巖石力學(xué)中的應(yīng)用 分形幾何是近十年來發(fā)展起來的研究非線性現(xiàn)象和圖形不規(guī)律性的理論和方法，它在處理巖石斷裂形貌、巖石破碎、巖體結(jié)構(gòu)、巖石顆粒特征等過去認為難以解決的復(fù)雜問題，得到了一系列準確的解釋和定量結(jié)果。下面圖表是分形幾何在巖體結(jié)構(gòu)的分維中的應(yīng)用。第七節(jié)第七節(jié) 新的數(shù)學(xué)計算方法和軟科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用新的數(shù)學(xué)計算方法和軟科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用 建立在分形度量空間上的巖石力學(xué)理論，具體而言，就是研究考慮自然分形效應(yīng)的巖石介質(zhì)變形破壞規(guī)律。 上世紀七、八十年代，分形巖石力學(xué)研究的第一個層次：對現(xiàn)象的描述，如地形地貌、裂紋擴展路徑、裂隙網(wǎng)絡(luò)的分形計算等。 目前，分形巖石力學(xué)研究的第二個層次：對巖石分形的物理機制和演化規(guī)律的研究。將分形理論與巖石損傷和斷裂力學(xué)有機地結(jié)合，應(yīng)用分數(shù)維數(shù)反映巖石的損傷演化程度，建立巖石分形效應(yīng)與動態(tài)態(tài)破壞之間的聯(lián)系；通過實測分數(shù)預(yù)測沖擊地壓、巖爆等災(zāi)害。2.統(tǒng)計巖石力學(xué)3