巖石力學研究新進展

1、 1、引言 2、數值分析在巖石力學中的應用 3、巖石細觀力學研究 4、巖石斷裂力學與損傷力學概論 5、巖石力學中的耦合分析 6、深部巖體力學問題 7、新的數學方法和軟科學在巖石力學中的應 用 8、其他第十章第十章 巖石力學研究新進展巖石力學研究新進展 第一節(jié) 引 言 巖石力學是一門既具有理論內涵，工程實踐性又很強的發(fā)展中的科學。 自然界中的巖體被各種構造形跡（如：斷層、節(jié)理、層理、破碎帶等）切割成既連續(xù)又不連續(xù)的地質體。 許多巖石力學過程的數學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) 數值分析在巖體力學中的應數值分析在巖體力學中的應用用 和發(fā)展和發(fā)展（一）

2、數值分析方法的分類在巖石力學有關領域的數值分析方法應用中，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用要點原理：通過變分原理（或加權余量法）和分區(qū)插值的離散化處理把基本支配方程轉化為線性代數方程，把待解域內的連續(xù)函數轉化為求解有限個離散點（節(jié)點）處的場函數值。 應用要點： .正確劃分計算范圍與邊界條件 2.正確輸入巖體參數及初始地應力場 3.采用特殊單元來考慮巖體的非連續(xù)性和邊界效應（三）巖石力學問題的其他數值分析方法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，它實質上屬于微分法。 與微分法相對應的是積分法

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巖體的非連續(xù)性。它認為，巖體中的各離散單元，在初始應力作用下各塊體保持平衡。巖體被表面或內部開挖以后，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不平衡力引起的速度和位移。反復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構面這一共性，根據集合論柘樸學原理，運用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法，構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條件分為穩(wěn)定塊體、潛在關鍵塊體、關鍵塊體。 此外，在計算方法上，還有半解析法、加權殘余法以及松弛法中的經松弛法以及上述方法的耦合應用。 例子第三節(jié) 巖石細觀力學研究 1 尺寸劃分 1）自然界普遍發(fā)育、直接影響巖體力學特性、大于毫米級的裂隙、節(jié)理、斷層等為宏觀尺寸。 2）發(fā)育在巖石結構中，直接影響巖石力學性質、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部，一般對巖石的宏觀力學性質沒有直接影響的微裂紋、位錯等為微觀尺寸。 巖石細觀力學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。 2 巖石力學細觀力學研究方法 1）理論上：統(tǒng)計細觀損傷力學方法。包括細觀描述、統(tǒng)計描述和宏觀描述。 2）實驗上： 光學顯微鏡觀測方法； 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。一、巖體力學的發(fā)展與工程地質學等地質學科發(fā)一、巖體力學的發(fā)展與工程地質學等地質學科發(fā)展緊密相關展緊密相關 今天隨著科學技術的迅速發(fā)展，世界上在礦產資源勘探，能源開發(fā)，工程建設的環(huán)境與安全等方面的需要，對巖體力學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的理論與方法的進一步完善，另一方面，也要求地質學科，尤第四節(jié) 巖石斷裂力學與損傷力學概論 其是工程地質方面的學科的理論與方法進一步完善。特別是勘探手段與技術方法的發(fā)展緊密相關。因此要發(fā)展巖體力學著門學科，應密切注視工程地質學科方面的發(fā)展，它們是相輔相成密不可分的。二、固體力學成就在巖體力學中的應用二、固體力學成就在巖體力學中的應用（一）斷裂力學在巖體力學中的應用 目前，巖石斷裂力學的應用前景主要如下： 1.巖石的斷裂預測與控制斷裂; 2.巖石裂紋的形成與擴展. 巖石斷裂力學： 運用斷裂力學方法研究巖石中宏觀裂

7、紋尖端的應力、位移，提出裂紋起裂的判據幾裂紋開裂方向。包括線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學。 巖石損傷力學： 在環(huán)境或外載作用下，由于細觀結構的缺陷（微裂紋、微空洞等）引起材料或結構的劣化過程稱為損傷。巖石損傷力學是研究含損傷巖石的變形過程、損傷演化及破壞力學過程的科學。（二）損傷力學在巖體力學中的應用 將損傷力學的基本方法和過程應用于巖石力學即巖石損傷力學。巖石損傷力學認為：巖體內存在有連續(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、巖石力學試驗與測試方法的進展三、巖石力學試驗與測試方法的進展（一）在室內模擬

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）聲波層析技術在巖體力學方面的應用受到注視。聲波層析技術在巖體測試中的應用五、位移反分析法在巖體力學中的應用五、位移反分析法在巖體力學中的應用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、應變或應力，來確定巖體的初始地應力或巖體力學參數。2.應用 反問題法不僅是參數估計，它的進一步推廣應用是工程預測和險情預報、反饋動態(tài)設計、調整施工方案以及可靠度評價等第五節(jié) 巖石力學中的耦合分析 是研究系統(tǒng)中多場相互制約、相互影響的規(guī)律的科學。包括兩場耦合和三場耦合，如應力場與滲流場耦合，應力場、溫度場和滲流場耦合。第六節(jié)

9、 深部巖體力學問題 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)介質力學理論無法圓滿解決，成為當前研究的熱點。 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、非連續(xù)特點； 3、深部巖體具有非常高的應力狀態(tài)； 4、深部巖體具有儲能特點； 5、深部巖體具有塊系結構特點。 二、深部巖體工程力學特性 1、分區(qū)破裂化現象； 2、巖爆與沖擊動力現象；三、深部巖體工程施工設計特點 深部巖石力學關于巖爆、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，此設計計算理論尚未

10、形成。1.1.分形幾何及其在巖石力學中的應用分形幾何及其在巖石力學中的應用 分形幾何是近十年來發(fā)展起來的研究非線性現象和圖形不規(guī)律性的理論和方法，它在處理巖石斷裂形貌、巖石破碎、巖體結構、巖石顆粒特征等過去認為難以解決的復雜問題，得到了一系列準確的解釋和定量結果。下面圖表是分形幾何在巖體結構的分維中的應用。第七節(jié)第七節(jié) 新的數學計算方法和軟科學在巖石力學中的應用新的數學計算方法和軟科學在巖石力學中的應用 建立在分形度量空間上的巖石力學理論，具體而言，就是研究考慮自然分形效應的巖石介質變形破壞規(guī)律。 上世紀七、八十年代，分形巖石力學研究的第一個層次：對現象的描述，如地形地貌、裂紋擴展路徑、裂隙網絡的分形計算等。 目前，分形巖石力學研究的第二個層次：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有機地結合，應用分數維數反映巖石的損傷演化程度，建立巖石分形效應與動態(tài)態(tài)破壞之間的聯(lián)系；通過實測分數預測沖擊地壓、巖爆等災害。2.統(tǒng)計巖石力學3