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1、课程主讲人：第1章 绪论第 1 章 绪论岩石岩石力学力学岩石力学学科发展简史1提 纲岩石工程与学科发展4岩石力学主要研究方法3岩石力学研究内容与关键问题2绪 论1岩石力学学科发展简史岩石力学(Rock Mechanics)是一门研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科，又称岩体力学，是力学的一个分支。岩石力学学科的学习需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学等学科基础知识，并与这些学科相互交叉。岩石，狭义上是指小尺度的岩块，广义上则指包含结构面的岩体，如图所示。被结构面切割的岩体岩石力学学科是伴随工程实践需求发展起来的，土木和采矿工程师
2、在岩石上或岩石中修筑建(构)筑物的历史已久，在岩石力学学科形成之前，岩石工程原理就已为人所知，但岩石力学仅仅是其中部分原理的形式表达。1岩石力学学科发展简史公元前2700年左右，古埃及人修建了金字塔公元前2300年左右，英国先民修建了史前巨石柱群公元前6世纪，古巴比伦人修建了“空中花园”公元前256251年，李冰父子修建了都江堰水利工程古代中国修建了军事防御工程万里长城始建于隋代的赵州桥学科起源岩石力学学科发展简史1878年瑞士地质学家海姆(A. Heim)首先提出地应力概念(静水压力理论)。1874年，德国隧道专家F. Rziha首先关注到隧道围岩中存在水平应力。1920年，瑞士Amsteg
3、隧道现场测试首次记录了岩体的弹性变形，分析了隧道开挖过程中围岩的应力、应变的变化，并认为体积弹性模量约为应力与变形之比。1921年，英国工程师格里菲斯(A. A. Griffith)提出了脆性材料破坏理论。Albert Heim(1849-1937)Alan Arnold Griffith(1893-1963)1学科起源岩石力学学科发展简史1950年，国际大坝委员会ICOLD (International Commission on Large Dams)成立“地下工作委员会”，主要目的是研究大坝岩石基础的稳定性问题。1950年，美国工程地质学家协会成立。1929年，奥地利维也纳大学斯梯尼(J
4、. Stini)教授创办了学术期刊地质与土木工程(Geologie und Bauwesen，RMRE前身)。1958年，奥地利学者米勒(L. Mller)和费尔赫斯特(C. Fairhurst)参加了在科罗拉多举行的第三届美国岩石力学研讨会。1931年，美国学者P. B. Bucky 开始用离心机研究模拟重力载荷作用下的矿山开采模型的破坏。Josef Stini(1880-1958)Leopold Mller(1908-1988)Charles Fairhurst(1929- )Philip Barnett Bucky(18991957)1学科起源岩石力学学科发展简史在任时间主席 国籍196
5、2-1966L. Mller Austria1966-1970M. Rocha Portugal1970-1974L. Obert USA1974-1979P. Habib France1979-1983W. Wittke Germany1983-1987E. T. Brown UK1987-1991J. A. Franklin Canada1991-1995C. Fairhurst USA1995-1999S. Sakurai Japan1999-2003M. Panet France2003-2007N. Merwe South Africa2007-2011J.A. Hudson Uni
6、ted Kingdom2011-2015Xia-Ting Feng China2015-2019Eda Quadros Brazil2019-nowResat Ulusay TurkeyISRM历届主席历届主席1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开，岩石力学家罗哈(M. Rocha)担任主席。M. Rocha1962年5月24日，以18位奥地利学者、1位民主德国学者和1位美 国 学 者 为 会 员 ， 成 立 了 国 际 岩 石 力 学 学 会(InternationalSocietyforRockMechanics，ISRM)，米勒(L. Mller)担任第一任主席。The
7、Rocha MedalThe Mller Award国际岩石力学学会1学科起源1岩石力学学科发展简史1978年，由中国科学院、外交部联合报请国务院批准，成立国际岩石力学学会中国国家小组(NG China，ISRM)，1985年6月正式成立中国岩石力学与工程学会，陈宗基院士任国家小组组长、学会第一届理事长(19851989年)。陈宗基院士(19221991年)在学科创始人陈宗基院士、于学馥教授的带领下，我国岩石力学学科涌现出一批科学家与工程专家，以国家基础建设需求为导向，紧密结合大型岩石工程实践，取得了举世瞩目的成果，在保证国家重大基础设施安全高效建设的同时，促进了我国岩石力学学科整体水平的大幅
8、提升。中国学者陈宗基院士在国际上首创土流变学(1954年)，得到国际上的广泛认可，随后，该理论被推广至岩石流变学领域，为岩石力学学科的发展和完善作出了重要贡献。学科起源发展阶段. . (1876-1950)W. J. M. Rankine(1820-1872)(1) 经验理论阶段 (19世纪末20世纪30年代)这是岩石力学发展的初期阶段，根据工程实践中出现的问题及逐步积累的经验，建立了初步理论体系，以解决岩体工程开挖与支护的力学计算等基本问题。1926年苏联学者金尼克(A. H. )基于弹性理论的泊松效应认为侧压系数为：海姆(A. Heim)认为地下岩石工程中存在水平应力，且水平应力与垂直应力
9、相等。1) 地应力的初步认识英国科学家、土力学奠基人朗肯(W. J. M. Rankine)认为水平应力为垂直应力乘以一个侧压系数。12tan42岩石力学学科发展简史1发展阶段(1) 经验理论阶段 (19世纪末20世纪30年代)现代土力学的奠基人太沙基(K. Terzaghi)也提出塌落拱理论，只是他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。确定支护结构上荷载的大小和分布方式是地下岩石工程支护设计的前提条件，随着地下工程实践经验的积累，多位学者借鉴土力学理论，提出了经验型地压理论，进而可结合材料力学、结构力学方法进行地下工程的支护问题分析。2) 经验型地压理论普氏压力拱理论：1907年苏联学者普
10、罗托吉雅柯诺夫 (. . ) 提出的自然平衡拱学说。这一理论将岩体看为散体，目前仍是我国铁路、地铁、公路隧道设计的基本理论依据。Karl von Terzaghi(1883-1963)M. M. (1874-1930)岩石力学学科发展简史1发展阶段(2) 经典理论阶段(20世纪30年代20世纪60年代末)20世纪30年代，萨文(. )用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解计算岩石工程的围岩应力分布问题。1) 连续介质理论连续介质理论以固体力学为基础，将弹性力学和塑性力学引入岩石力学，推演了经典理论计算公式，形成了围岩支护共同作用理论。20世纪50年代，鲁滨湟特(. . )运用连续介质理论写出了
11、求解岩石力学领域问题的系统著作。1957年法国塔罗勃(J. Talobre)出版著作岩石力学。(第一本岩石力学书籍)我国学者于学馥教授首次提出了“轴变论”，即地下巷道最稳定的轴比是使应力均匀分布的巷道轴比，该理论推动了采矿和地下工程技术原理从静态迈向动态研究的第一步。基于对岩体结构与力学行为的认识与深化，经典理论阶段形成了连续介质理论和地质力学理论两大学派，是岩石力学学科形成与发展的重要阶段，该阶段中的两大学派交叉同步发展。岩石力学学科发展简史1发展阶段(2) 经典理论阶段(20世纪30年代20世纪60年代末)2) 地质力学理论20世纪20年代由德国地质学家克罗斯(H. Cloos)最早提出地
12、质力学理论，该理论强调：他通过开展断层活化机理等方面的研究，认为岩体的力学特性及其稳定性不能采用简单的连续介质理论进行分析，并强调应重视节理、裂隙等结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。奥地利工程地质学家斯梯尼(J. Stini)教授及其团队在地质力学理论发展进程中发挥了重要作用，20世纪50年代初，他创建了奥地利地球物理和工程地质学学会(Austrian Society for Geophysics and Engineering Geology)，形成了“奥地利学派”。在地下工程施工方法方面，“奥地利学派”成员拉布西维兹(L. V. Rabcewicz)在19341953年提出采用喷浆、
13、锚固等技术发挥围岩强度，1957年开始着手研究基于地质力学理论的施工工法，1963年正式命名为“New Austrian Tunnelling Method(NATM，新奥法)”，该方法符合现代岩石力学理论，至今仍在地下岩石工程中广泛应用。Hans Cloos(1885-1951)Franz Pacher(1919-2018)Leopold Mller(1908-1988)L. V. Rabcewicz(1893-1975)岩石力学学科发展简史1发展阶段(2) 经典理论阶段(20世纪30年代20世纪60年代末)2) 地质力学理论地质力学理论的不足是过分强调地质弱面的作用、过分依赖经验，而忽视理
14、论的指导作用。因为岩体中虽然存在节理、裂隙等结构面，但对于节理随机分布的大尺度岩体仍可视为各向同性的连续介质。结构面的作用、岩体连续与非连续性的界定，均应根据具体工程对象和工程需求来确定，而没有统一的模式和标准。该发展阶段中，我国学者王思敬院士致力于地质与力学、地质与工程相结合的研究；孙广忠教授提出“岩体结构控制论”学说，创立了基于“岩体结构控制论”的岩体结构力学理论体系。孙广忠王思敬岩石力学学科发展简史1发展阶段(2) 经典理论阶段(20世纪30年代20世纪60年代末)刚性试验机的发明在经典理论阶段，刚性试验机的发明为揭示岩石峰后强度提供了可能，这是岩石力学学科发展史上的重要成果。早期试验机
15、刚度对材料性质的影响一直被忽视，导致岩石破坏后的残余强度难以描述。1965年，通过对岩石试件和一个与试件平行的钢管同时加载，南非的库克(N. G. W. Cook)第一次测得了大理岩的荷载-位移全过程曲线。这是由于在试件破坏而失去承载力之后，试验机载荷被钢管承担，从而有效避免了试件在峰后发生突然破坏。1966年他同霍吉姆(J. P. M. Hojem)合作，使用加载框架对试件进行预加载，随后利用加载框架热膨胀收缩对试件进一步加载，研制出了一台50吨刚性试验机。之后的5年内，波尔丁(B.W. Paulding，1966年)、宾尼亚夫斯基(Z. T. Bieniawski，1966年)、瓦韦尔斯基
16、(W. R. Wawersik，1968年)、布雷迪(B. T. Brady，1971年)、哈德森(J. A. Hudson，1971年)等先后研制了各种类型的刚性试验机。A. M. StarfieldP. HackettR. E. Goodman C. Fairhurst N. J. Price J. C. JaegerN. G. W. CookE. Hoek岩石力学学科发展简史1发展阶段(2) 经典理论阶段(20世纪30年代20世纪60年代末)刚性试验机的发明虽然试验机刚度的提高有效解决了大部分岩石的峰后变形破坏特征难以测量的问题，但对于部分岩石，需要通过在峰后主动减小轴向位移来维持其渐进
17、破坏，导致了即使使用无限刚度的试验机也无法获取这类岩石的峰后变形破坏特征，由此催生了岩石力学试验机的伺服控制技术。该技术是根据试件变形特征来实时调整加载位移或荷载。瓦韦尔斯基(W. R. Wawersik)和费尔赫斯特(C. Fairhurst)在1970年首次通过手动伺服控制获得了该类岩石的荷载-位移全过程曲线。直到20世纪70年代初，发明了电液伺服控制刚性试验机，该类试验机通常以试件环向变形作为反馈信号来调节轴向位移，从而实现对岩石荷载-位移全过程曲线的测量，这一发明对进一步认识岩石的破坏机制、推动岩石力学的发展发挥了重要作用。近年来，岩石真三轴试验机及试验技术得到了快速发展，为岩石力学性
18、质的深化研究提供了重要技术手段。Kiyoo Mogi 日本东京大学茂木青夫教授研制了世界上第一台“两刚一柔” 型岩石真三轴试验机岩石力学学科发展简史1发展阶段(3) 近代发展阶段(20世纪60年代末至今)除复杂性和多变性之外，岩体结构及其赋存状态的模糊性和随机性，导致岩石力学研究的目标与对象存在显著的不确定性，不确定性理论与分析方法、岩土工程随机分析及可靠度设计等逐步融入岩石力学问题研究，模糊数学、人工智能、灰色理论、耗散结构论、协同论、分叉和混沌理论等为岩体工程不确定性理论研究体系的建立提供了必要支撑。岩石力学系统研究理论的建立要求必须把数学、力学、物理学、系统工程、现代信息技术等领域的最新
19、成果引入岩石力学，用更为复杂的力学模型开展岩石力学问题研究，包括岩体结构力学、复合岩石的内蕴本构关系、岩石类材料的损伤演化与断裂、应变能释放与岩体蠕变、脆塑性岩体分析原理、分形岩体力学、智能岩体力学、动态施工力学、多场耦合力学等。20世纪80年代以来数值计算方法快速发展，包括有限元、离散元、边界元等，已成为岩石力学与工程的重要研究工具；20世纪90年代以来，一系列新的计算原理和方法，包括非连续变形分析法和流形元法、基于图形处理器(GPU)的数值计算方法、连续-离散耦合技术等在岩石力学学科发展进程中得到了深化应用。随机械制造、电气、控制、软件等行业的技术进步，岩石力学试验及岩体工程监测装备得到了
20、长足发展，包括全息动光弹技术、自适应岩石力学试验系统、大型离心机、新型地应力测量方法与装备、岩石损伤CT扫描、三维激光扫描、光纤传感技术、遥感/无人机技术、结构面产状摄影测量、岩石破裂声发射/微震监测等新型装备，为岩石力学基础理论研究和工程应用提供了重要的装备与技术手段。p 用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题，多学科交叉。p 岩石工程是一个“人地”系统，用系统论的方法进行岩石力学与工程研究，以全面、科学地描述岩体的复杂性和多变性。岩石力学学科发展简史1发展阶段(3) 近代发展阶段(20世纪60年代末至今)这一发展阶段中我国学者：潘家铮院士作为中国著名水利水电工程专家，主持了几十座
21、大坝的设计与建设，是三峡工程论证和建设的先驱之一；孙钧院士在隧道与地下结构学科领域开拓并建立了新的学科分支地下结构工程力学；钱七虎院士创建了中国防护工程学科，在国内倡导并率先开展了深部非线性岩石力学基础理论、深部防护工程的研究，填补了深地环境下工程抗核武器钻地爆炸效应防护计算理论的空白；谢和平院士建立了岩石蠕变非线性大变形损伤理论、引入分形方法开展裂隙岩体的非连续行为研究；冯夏庭院士开创了岩石力学智能分析方法，并于2009年当选为国际岩石力学学会主席。何满潮院士建立了以软岩变形力学机制为核心的软岩工程岩体力学理论与支护技术方法，现任中国岩石力学与工程学会第八届理事会理事长，兼任国际岩石力学学会
22、中国国家小组主席。潘家铮孙钧谢和平钱七虎冯夏庭岩石力学学科发展简史1何满潮实验室重点开展岩石高地应力条件下地下工程开挖、岩石多场耦合以及核废料储存等方面的研究。URL-AECL 花岗岩应力破碎及开挖影响瑞 典Aspo 岩石高应力破碎、回填及热能试验芬 兰Olkiluoto 岩石地下储存设施美 国Yucca 混合强度火山岩热能试验日 本Kamaishi 岩石热-水-力耦合试验英 国Nirex 火山岩现场试验瑞 士Grimsel 膨胀岩热效应试验加拿大国内外深地原位实验室在理论、技术和装备快速发展的同时，室内试验研究往往局限于小尺度，难以准确反映工程岩体原位力学行为，依托科技攻关项目及学科发展需求
23、，中国、加拿大、瑞士、瑞典等多个国家建立了深地科学研究实验室。中 国锦屏地下实验室 暗物质探测为主2500m锦屏地下实验室世界主要地下实验室岩石力学学科发展简史12岩石力学研究内容与关键问题岩石力学研究的内容十分广泛，且具有相当大的难度。在传统理论体系的基础上，不断从生产实践中总结岩石工程经验，提高理论水平，再回到实践中去，解决工程实践提出的有关岩体工程问题，这是岩石力学研究的最基本原则和方法。岩石力学研究内容包括基本研究和专门研究，基本研究是指一般岩石工程都必须开展的研究；专门研究是指针对特殊岩石或特殊需求，基于先行基本研究而有针对性地开展的专题岩石力学研究。岩石力学的研究内容既有理论的、也
24、有实践的，前者主要包括天然岩石和工程岩体的各种特征、性质和规律，后者包括各种技术、方法和手段。以下分别从岩石的复杂性、岩石力学的研究内容、岩石力学的核心问题、工程中的岩石力学问题四个方面进行论述。岩石的复杂性岩石力学的研究内容岩石力学的核心问题工程中的岩石力学问题2岩石力学研究内容与关键问题岩石的复杂性岩石力学是一门应用性很强的学科，因此岩石力学的研究尤为注重岩石本身的固有属性。地球表面的岩石，依据其成因可分为三大类，即岩浆岩(火成岩)、沉积岩、变质岩。岩石形成时期最早可追溯到几十亿年之前，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显著不同。在成岩过程中，组成岩石的矿物颗粒
25、在大小、物理力学性质和热导率等方面各不相同，由于晶体相互间有摩擦阻力，变形受阻，引起应力积累形成封闭应力。在此后的地质运动和地质构造长期作用下，岩石又形成了各种不连续面，如节理、裂隙、层面、弱面、夹层和断层等，且在外力作用下具有随时间而变化的力学性能，如流变性。此外，地壳本身在动力作用下也按一定的速率不断变化，在各类构造运动过程中，如板块构造、板块碰撞、火山运动、造山运动等影响下，岩石内部赋存的地应力也在不断变化。因此，岩石是一种非均质、各向异性、非连续、内部赋存应力的复合地质结构。在结构内部又包含许多力学性质不同的岩石单元，且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
26、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，这是岩石力学研究的基本前提。非均质、各向异性、非连续、内部赋存应力2岩石力学研究内容与关键问题岩石力学的研究内容（1）岩石(块)的物理力学性质与力学模型岩石的成分与物理性质岩石在各类荷载作用下的变形和强度特征岩石的变形破坏机理、本构关系与强度准则岩石的动力学特征及力学模型岩石的断裂、损伤机制与力学模型2岩石力学研究内容与关键问题结构面的分类、空间分布规律及其地质概率模型( 2 ) 结 构 面 特征 及 其 力 学性 质结构面在荷载作用下的变形与强度特征结构面的动力学特征及力学模型( 3 ) 岩 体 的力 学 性 质
27、与 模 型岩体的构造、地质特征和分类影响岩体力学性质的主要因素岩体分级与力学参数经验估计岩体变形和强度特征及其原位测试技术与方法岩体力学性质的非线性、时间效应等岩体的强度准则与本构关系岩体的动力学特征及力学模型水、气、温度、化学等因素的耦合作用对岩体力学行为的影响岩体的断裂、损伤机制与模型岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征岩石力学的研究内容2岩石力学研究内容与关键问题岩石力学的研究内容(4) 岩石力学的工程应用研究：岩石力学学科发展的根本目的是服务实践，大型工程建设均需依靠岩石力学理论作为技术支撑，涉及水电水利、矿业、交通、土木建筑、石油、海洋、核电站、核废料地质处置、地热资源开发
28、和地震预报等行业的应用，主要研究内容包括以下方面：工程岩体稳定性分析与致灾机制研究岩石工程稳定性维护技术岩石工程稳定性监测原岩应力(地应力)分布规律及其测量理论与方法；各类工程岩体在原岩应力及开挖扰动下的应力、变形规律和破坏特征；岩体工程的稳定性分析与评价方法等。岩体性质的改善与加固技术等。由于行业特征、工程规模的差异，不同岩石工程的重要程度及安全要求差别较大，据此采用的工程加固手段及其强度也不尽相同。根据不同的岩石工程类别和特点，一般主要监测岩体应力、变形、地下水等，而震动、工程环境等为可选监测项目。通过监测数据及其与时间的变化关系，进行岩体参数反分析是岩体工程稳定性评价的一项重要内容。2岩
29、石力学研究内容与关键问题岩石力学的研究内容(5) 试验(实验)技术岩石力学的工程应用方面，必须始终贯穿以下三个原则：在岩石力学室内试验与工程应用中，各项分析数据都离不开试验技术与装备，具体研究内容主要包括：室内岩石和原位岩体的力学试验原理、内容和方法；动静荷载作用下的物理模拟试验；岩石和岩体物理力学指标的统计和分析方法；试验技术的改进等。1 ) 岩 石是一种复杂的地质介质，研究工作均须在地质分析尤其是在岩体结构分析的基础上进行。2) 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现象，因此强调在现场对岩石的性状进行原位观测，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
30、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，其力学特性，尤其是流变性对建(构)筑物的影响，必须高度重视。(6) 新技术、新方法和新理论在岩石力学中的应用：开展岩石工程勘测、试验、监测新技术与新方法，以及计算、模拟、评价新理论等方面的研究，应用于岩石工程超前预报、岩体质量分级、动态反馈分析、设计优化、稳定性评价、长期工程安全与风险分析、变形稳定技术标准等方面，是岩石工程应用研究的重点。3) 研究岩石力学的首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，因此相关学科的研究、勘测、设计、施工人员的密切合作至关重要。
31、2岩石力学研究内容与关键问题岩石力学的核心问题岩体强度也被认为是本学科研究的核心问题是岩石力学界永恒的话题岩体强度岩体强度是岩体工程设计的重要参数，岩体强度往往远小于岩块强度，主要受岩石材料性质的影响及结构面特征(数量、方向、间距、性质等)和赋存条件(地应力、水、温度等)的控制。由于受现场试验规模、仪器、试样扰动等因素影响，岩体真实强度难以完全通过现场原位试验获取。从基础理论的科学问题属性层面进行划分，岩石力学主要研究内容包含下述五个方面：研究岩体应力的来源，包括初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等；研究抗压、抗拉、抗剪(断)强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则等；研究单向和
32、三向荷载条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变(应力-应变-时间关系)和扩容等；研究渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等；研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性，以及应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害控制等。岩石应力岩石强度岩石变形岩石渗流岩石动力特性2岩石力学研究内容与关键问题岩石力学的核心问题DFN模型颗粒体模型等效岩体模型 通过现场地质调查，对节理等各类地质结构面的几何特征参数进行统计分析，采用随机模拟方法建立离散裂隙网络(Discrete Fracture Network，DFN)模型； 根据岩石与结构面的室内试验结果，确定数值模型的细观力学参数； 将DF
33、N嵌入到表征岩石的离散元颗粒体模型中，构建包括结构面几何与力学效应的等效岩体模型，进而对等效岩体模型进行各种荷载组合下的数值试验，实现工程岩体尺寸效应、各向异性、破裂过程、峰后状态等力学行为的研究。常用的岩体强度估算方法主要包括理论分析法、经验关系法和数值试验法等，其中前两种方法应用较为广泛，但仍难以满足工程实践需求；自1971年P. A. Cundall将非连续分析方法引入岩石力学后，数值模拟分析方法得以迅速发展。随着计算机性能的提升和建模方法的改进，确定工程尺度岩体的强度以及研究岩体崩塌过程都已成为可能。等效岩体技术是数值试验法的典型代表，也是近年来岩石力学基础研究最具特色的成果，2008
34、年Hoek教授访问Itasca公司时，曾作出评价：“在我40多年的职业生涯中，第一次看到了岩石力学/岩石工程学科基础问题的有效解决方法”。2岩石力学研究内容与关键问题工程中的岩石力学问题1989年，国际岩石力学学会主席富兰克林(J. A. Franklin)指出：当今国际岩石力学已向着岩石工程方向发展，岩石力学与岩石工程是两个不同的概念，不同之处在于后者旨在解决各种工程建设的实际问题，不仅需要使用岩石力学的理论知识、更重要的是需要实际工程经验。岩石力学服务的岩石工程对象广泛，涉及国民经济的众多领域及地学基础理论研究领域(如地球动力学、构造地质学等)，与工程相关的岩石力学问题主要包括五个方面：地
35、上工程建(构)筑物的岩石地基问题如高坝、高层建筑、核电站以及输电塔等地基的稳定、变形及处理问题地表开挖的岩石工程问题地下开挖的岩石工程问题岩石爆破问题地质力学问题如水库、边坡、岸坡、渠道、运河、路堑、露天矿坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题如地下电站、水工隧洞、采矿巷道、战备地道等地下结构的围岩稳定性和变形问题，地下工程开挖以及围岩加固问题，地下采矿或采油产生的地表沉降问题等如采用定向爆破筑坝、巷道掘进和采矿等如解释地球构造与板块运动理论、预测地震等2岩石力学研究内容与关键问题( 1 ) 水 利 水 电 工 程库岸岩体边坡失稳机制与稳定性分析方法岩体开挖工程爆破与安全控制技术岩体开挖工程
36、加固综合方法与锚固安全控制标准坝基及坝肩稳定性及防渗加固理论和技术超大硐室群稳定性分析方法与加固技术有压和无压引水隧洞设计、施工及加固理论技术高陡边坡、超大硐室群安全监测技术与预警方法高速水流冲刷的岩石力学问题水库诱发地震的预报问题工程中的岩石力学问题在不同的工程行业，岩石力学所研究的具体问题具有明显的行业特点2岩石力学研究内容与关键问题( 2 ) 采 矿 工 程露天采矿岩体边坡设计及加固技术井下开采巷道和采场围岩稳定性问题特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题矿柱稳定性及采场结构优化与设计(采场结构、开采顺序等)问题矿井突水预测、预报及预处理理论和技术岩爆、矿震、煤与瓦斯突出等开采动力灾害的预
37、测及防控理论和技术采空区处理及地面沉降问题露天与地下采矿爆破技术工程中的岩石力学问题高层建筑地基处理与加固技术( 3 ) 土 木 建 筑 工 程大型地下硐室、地下建筑空间设计、施工与加固理论技术地面建筑物沉降、倾斜控制和纠偏技术建筑边坡稳定性及滑坡监测预报与防治技术2岩石力学研究内容与关键问题( 4 ) 铁 道 和 公 路建 设 工 程线路边坡稳定性分析与加固技术隧道设计和施工技术隧道施工地质超前预报与超前支护技术高地应力区的岩爆及大变形预测理论及处治技术隧道洞口施工及边仰坡稳定性处治措施工程中的岩石力学问题( 5 ) 石 油 工 程岩石应力与岩石渗透性岩石力学与地球物理勘探技术钻探技术与钻井
38、稳定性开采中的井损防治技术岩石力学与油气开采技术(水压致裂、水平成孔)油层压缩以及地表沉陷石油、天然气运输、储存工程以及环境影响除上述领域外，国土灾害防治工程、海洋勘探与开发工程、生态岛礁建设工程、核废料与二氧化碳储存、非常规油气能源与地热资源开发、地震预报等领域，均存在与岩石力学相关的问题。3岩石力学主要研究方法(1) 地质研究方法：地质研究方法着重研究与岩石、岩体力学性质有关的地质特征。如用岩矿鉴定方法，了解岩体的岩石类型、矿物组成、软弱成分、化学成分及结构构造特征；用地层学方法、构造地质学方法及工程勘察方法等，了解地应力成因、岩体成因与空间分布、结构面空间分布与产状、起伏度、充填物、发育
39、情况及力学行为等；用水文地质学方法了解赋存于岩体中的地下水性态、形成与运移规律等。岩石力学学科已经从基本原理-试验方法-工程应用-现场监测四个方面形成了一个完整的闭环，这四个方面涉及的内容广泛、对象复杂，决定了岩石力学研究方法的多样性。根据基础理论的学科属性和研究手段的差异，研究方法可归纳为以下四类：地质研究方法科学试验方法数学力学分析方法整体综合分析方法基本原理试验方法工程应用现场监测3岩石力学主要研究方法(a)室内试验一般分为岩块试验和模型试验，岩块试验主要测定其物理力学性质、岩石成分等，模型试验包括地质力学模型试验和大工程模拟试验，具体方法有光弹试验、相似材料模型试验、离心模型试验等。通
40、过在缩尺模型或等比模型上进行相应试验，获取相关数据及检查设计缺陷。模型试验是岩石力学研究领域的重要手段，尤其是在基础理论尚不完备、非连续数值模拟技术尚未成熟的研究阶段。(b)野外试验包括岩体及各类构造的地球物理方法探查、现场岩体力学性质的原位测试(包括表面测试和钻孔测试)以及地应力机制、渗透水系等环境物理量测定。(2) 科学试验方法：科学试验方法是岩石力学发展的基础，试验结果可为岩体变形和稳定性分析提供必要的物理力学参数，主要包括室内试验、野外试验和原位观测(监测)3个方面：(c)原位观测(监测)是在现场对施工期及运行期的建(构)筑物和影响其安全的岩体性状进行的监测，是修正岩体工程分析方法和深
41、入认识岩体工程性状的重要手段。近年来，新的科学试验技术不断应用于岩石力学领域，如遥感、激光散斑、CT扫描、光纤传感、三维地震成像、声发射/微震监测等技术，为岩石力学理论及工程应用研究提供了有效手段。3岩石力学主要研究方法数学力学分析方法是通过建立工程岩体的力学模型，预测工程岩体在力场作用下的变形与稳定性。在应用过程中，建立符合实际的力学模型和选择适当的分析方法尤为关键。由于岩体力学性质复杂，广泛使用的弹性、塑性等模型的适用范围存在较大局限性，虽然近年来岩体模型有所发展，但岩体参数的准确性和边界条件的合理性这一瓶颈问题，仍局限着数学力学分析方法的有效运用。(3) 数学力学分析方法：(4) 整体综
42、合分析方法：整体综合分析方法是针对复杂岩石工程问题，综合运用地质研究方法、科学试验方法、数学力学分析方法，以系统工程理念为基础，以不确定性分析方法为指导，注重理论和经验相结合，考虑多种因素(包括工程、地质、施工等)进行综合分析与评价，才能得出符合实际情况的正确结论。4岩石工程与学科发展工程实践促进学科发展：实践需求牵引学科发展岩石力学研究任务和研究内容随工程建设的发展而增多，且其任务和内容既来源于生产实践，又必须直接服务于生产实践，因此，工程建设的需求牵引了岩石力学学科发展的前沿方向。近30年来，我国基础设施建设发展迅速，规模之大，举世罕见。国家战略开发相关的青藏铁路、南水北调、西电东送、西气
43、东输以及国家交通干线、资源开发(固体、液体、气体资源)、城市地下空间开发和利用等诸多工程，涉及的高陡边坡、深埋长大隧道等一系列复杂而困难的地质、岩石工程问题的成功攻克，有力推动了岩石力学学科的深化发展。三峡大坝全貌施工期的船闸高边坡三峡水电站，全称为长江三峡水利枢纽工程，又称三峡工程，位于湖北省宜昌市境内的长江西陵峡段，与下游的葛洲坝水电站构成梯级电站。三峡水电站是世界上规模最大的水电站，也是我国有史以来建设的最大的工程项目。三峡水电站于1992年获批建设，1994年正式动工兴建，2003年6月1日开始蓄水发电，2009年工程竣工，2020年完成整体竣工验收。典型水电工程4岩石工程与学科发展工
44、程实践促进学科发展：实践需求牵引学科发展工程岩体力学性质坝区岩体初始应力场和渗流场工程岩体质量评价及参数取值研究大坝建基岩面优化问题重力坝坝基抗滑稳定参数问题双线五级船闸高边坡稳定性问题左岸厂房坝段坝基稳定性问题右岸地下电站厂房硐室群稳定性问题三峡工程建设过程中解决的主要工程技术问题包括：三峡大坝为混凝土重力式大坝，大坝坝顶总长2309m，坝高185m，蓄水高程175m，总装机量2240万千瓦，完工的三峡水库长达600km，最宽处达2km，面积达1000km2。1958年国家科委组建以陈宗基院士为首的“三峡岩基专题研究组”以来，三峡工程岩石力学问题的研究已历时60多年。围绕三峡工程不同建设阶段
45、中的岩石工程问题，学者们开展了广泛、深入和系统的研究，在岩石力学试验、测试技术和理论、工程岩体数值模拟与稳定分析技术、工程岩体加固与监测技术等方面取得了大量成果，为三峡工程重大技术问题的论证与解决提供了重要支撑，尤为重要的是促进了中国岩石力学学科的创立与发展。除三峡工程外，锦屏二级水电站工程规模巨大，开发河段内河谷深切、滩多流急、不通航，4条引水隧洞平均长约16.6km，开挖洞径13m，最大埋深约2525m，为目前世界上已建、在建工程中综合规模最大、技术难度最复杂的大型水工隧洞。4岩石工程与学科发展近20年来，我国完成了一批重要的地下岩石工程，涉及交通隧道、矿山地下开采、水电地下厂房、能源地下
46、储存洞库群等，并对其关键科学问题和工程问题开展了大量卓有成效的研究，其中以深部开采最具代表性。目前，全球开采深度超过千米的金属矿山近200座，最大采深达4350m。我国经过几十年的大规模开采，浅部资源已近枯竭，资源开采逐渐向深部转移，据不完全统计，我国千米深金属矿山超过20座，云南会泽铅锌矿、云南六苴铜矿、吉林夹皮沟金矿、河南灵宝釜鑫金矿等均超过1500m，未来10年内，将有1/3以上的地下矿山开采深度超过1000m。典型地下工程深部构造及地应力场分布特征与变异规律深部岩体力学特性与时效特征深部开采围岩变形破坏机制深部多相多场耦合作用机制深部采场瓦斯渗流及相关的非线性动力学机制深部与浅部开采工
47、程所处的工程环境迥异，岩体介质非线性行为凸显，岩体原位应力状态与地应力环境作用突出，不同工程活动方式诱发的高能量级灾害频发，传统的工程设计及稳定性控制理论已难以适应深部资源开发的需求。针对深部工程岩体所处的“三高一扰动”环境，钱七虎、蔡美峰、何满潮等一大批科技专家以深部资源开采矿山的需求为研究背景，对如下科学问题开展了系统、深入的研究，在深部岩体力学特性与工程响应、工程稳定性及灾害防治技术、灾害机制仿真原创性试验系统等方面促进了岩石力学学科的发展。工程实践促进学科发展：实践需求牵引学科发展4岩石工程与学科发展国际上有许多工程由于缺乏对岩石力学的研究而造成工程灾害，对这些灾害发生过程的认识反过来
48、推动和促进了岩石力学学科的发展，其中影响最大的是法国马尔帕塞(Malpasset)拱坝垮坝及意大利瓦依昂(Vajont)水库工程的大型滑坡。溃决前 溃决后工程实践促进学科发展：工程灾害研究推动学科进步马尔帕塞坝位于法国东南部瓦尔省莱朗(Rayran)河上，于1954年4月建成，结构为混凝土双曲拱坝，最大坝高66m。1959年12月2日大坝突然溃决，如右图所示，溃坝波以70km/h的速度向下游冲击，历时25min，溃坝洪水使下游的弗雷瑞斯城(Frejus)变为废墟，造成500余人死亡和失踪，财产损失达300亿法郎。拱坝失事的根本原因是左岸坝肩岩体是由上、下游断层破碎带包围的岩体。大坝蓄水受力以后
49、，上游断层受拉张开，断层破碎带抗剪强度急剧下降，而下游断层处于受压状态，坝基下渗透压力升高，致使左岸坝体上举，水流渗透压力将破碎岩体挤出，坝基遭到破坏。事故发生之后，法国成立了调查委员会调查大坝失事原因，许多著名专家参加了调查，为后期的水库大坝地质勘察、设计与施工提供了宝贵的经验资料。马尔帕塞拱坝垮坝灾害4岩石工程与学科发展意大利瓦依昂(Vajont)水库库岸滑坡后的下游城镇工程实践促进学科发展：工程灾害研究推动学科进步瓦依昂坝位于意大利阿尔卑斯山东部皮亚韦(Piave)河支流瓦依昂河下游河段，该坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高261.6m，水库总库容1.69亿立方米。坝基为结构面十分发育的灰岩。
50、1963年10月9日，大坝上游左岸山体发生大型滑坡，约2.4亿立方米的岩体突然下滑，水库中约5000万立方米的水被挤出，产生250m高的巨大水浪，高150m的洪波溢过坝顶，造成下游5个城镇约2000人死亡，如右图所示。意大利政府组织了事故原因调查，认为致灾原因主要包括两个方面：一方面是地质水文因素。另一方面是人为因素，地质勘察不充分；地质人员素质不高，判断失误。瓦依昂水库滑坡灾害近年来，虽然岩石力学得到突飞猛进的发展，但与岩体失稳有关的大坝溃决、边坡滑动、冲击地压/岩爆、突水突泥等灾害仍时有发生。诸如此类的工程实例，充分说明了能否安全经济地进行工程建设，在很大程度上取决于是否能够全面认识地质环