岩石力学发展简史

岩石力学是研究岩石或岩体在外界因素（荷载、温度和渗流等)作用下的应力、应变、稳定性和破坏等力学特性的学科，又称岩体力学，是力学的一个分支。它是解决岩石工程（即与岩石有关的工程）技术问题的理论基础。岩石力学按其发展进程可划分为四个阶段：

1.初始阶段（19世纪末一20世纪初）

2.经验理论阶段（20世纪初—20世纪30年代）

在经验理论阶段，出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。最有代表性的理论是苏联采矿专家普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论。该理论认为围岩开挖后，其顶部自然塌落形成抛物线形状的冒落拱，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分。于是，确定支护结构上的荷载大小和分布方式成了地下岩石工程支护设计的前提条件。同时，普罗托吉雅柯诺夫提出了以岩石坚固性系数f(普氏系数）作为定量指标的岩体分类方法，至今仍被广泛使用。美籍奥地利土力学专家太沙基也提出相似的理论，只是他认为冒落拱的形状是矩形，不是抛物线形。普氏理论是在当时的支护形式和施工水平上发展起来的。由于当时的掘进和支护所需时间较长，支护不能及时发挥作用，往往致使部分围岩破坏、塌落。但事实上，围岩的塌落并不是形成围岩压力的唯一来源，也不是所有的地下空间都存在塌落拱，围岩和支护之间并不完全是荷载和结构的关系，多数情况下围岩和支护会形成共同承载系统，平衡原岩应力，维持岩石工程的稳定性。因此，靠假定的松散地层压力来进行支护设计是不合实际的。

3.经典理论阶段（20世纪30年代一20世纪60年代）

这是岩石力学学科形成的重要阶段，弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，确立了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性质的影响受到重视，岩石力学文献和专著的出版，试验方法的完善，岩体工程技术问题的解决，这些都说明岩石力学发展到该阶段已经成为一门独立的学科。在经典理论发展阶段，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。

（1）连续介质理论

连续介质理论以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质出发，探究岩体工程的稳定性问题。这是认识方法上的重要进展，抓住了岩体工程计算的本质性问题。早在20世纪30年代，萨文就采用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计算分析岩体工程围岩应力分布问题。20世纪50年代，鲁滨涅特运用连续介质理论出版了求解岩石力学领域问题的系统著作。同期，有学者开始运用弹塑性理论研究围岩的稳定问题，建立了著名的芬纳-塔罗勃公式和卡斯特纳公式；塞拉塔采用流变模型进行了隧道围岩的黏弹性分析。但是，上述连续介质理论的计算方法只适用于圆形巷道等个别情况，不适用于一般形状的巷道，因为没有现成的弹性或弹塑性理论解析解可供应用。

早期连续介质理论忽视了原岩应力和开挖因素对岩体稳定性的影响。1966年，美国科学院岩石力学委员会对岩石力学给予以下定义：“岩石力学是研究岩石力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。”这一定义是从“材料”的概念出发的，带有材料力学或固体力学的烙印。随着岩石力学理论研究和工程实践的不断深入和发展，人们对“岩石”的认识有了突破。首先，不能把“岩石”看作固体力学中的一种材料，所有岩体工程中的“岩石”是一种天然地质体，或者称为岩体，它具有复杂的地质结构和赋存条件，是一种典型的“不连续介质”。其次，岩体中存在的地应力，是由于地质构造和重力作用等形成的内应力。由于岩体工程的开挖引起地应力以变形能的形式释放，正是这种“释放荷载”引起了岩体工程的变形和破坏。而传统连续介质理论采用固体力学或结构力学的外边界加载方式，往往得出与实际不符的结果。多数岩体工程是分多次开挖完成的，由于岩石材料的非线性，其受力后的应力状态与加载途径具有很大的相关性，不同的开挖顺序、步骤，会引起不同的最终力学效应，岩体工程稳定性状态也有差异。因此，忽视施工过程的计算结果，将很难用于指导工程实践。

20世纪60年代，运用早期的有限差分和有限元等数值分析方法，得出了考虑实际开挖空间、岩体结构面以及围岩和支护共同作用的弹性或弹塑性计算解，使运用围岩和支护共同作用原理进行实际岩石工程计算分析和设计变得普遍起来。同时人们还认识到，运用共同作用理论解决实际问题，必须以原岩应力（即地应力)作为前提条件进行理论分析，才能将围岩和支护的共同变形同支护作用力、支护设置时间、支护刚度等关系正确地联系起来。否则，使用假设的外荷载条件计算，就失去了岩体工程的真实性和计算的实际应用价值。这一认识促进了早期地应力测量工作的开展。

此外，传统连续介质理论过于注重对岩石“材料”的研究，追求准确的“本构关系”。由于岩体组成和结构的复杂性和多变性，要想把岩体的材料性质和本构关系完全厘清非常困难。事实上，在岩体工程的计算中存在大量不确定性因素，如岩石的结构、性质、节理、裂隙分布、工程地质条件等，所以传统连续介质理论作为一种固定研究方法不适合于解决岩体工程问题。

（2）地质力学理论

地质力学理论注重研究地层结构和力学性质与岩体工程稳定性的关系，它是20世纪20年代由德国地质学家克罗斯创立的。该理论反对把岩体视为连续介质，简单地利用固体力学原理分析岩石力学特性；强调要重视对岩体节理、裂隙的研究，重视岩体结构面对岩体工程稳定性的影响和控制作用。1951年6月，在奥地利成立了以斯梯尼和米勒为首的“地质力学研究组”，在萨尔茨堡举行了第一届地质力学讨论会，形成了重视节理、裂隙为主的“奥地利学派”。

“奥地利学派”的代表人物是米勒，其主要观点为：①对于大多数工程问题，岩体工程性质更多取决于岩体内部地质断裂系统的强度，而非岩石本身强度，所以岩石力学是一种不连续体力学，即裂隙介质力学；②岩体强度是一种残余强度，受岩体中所含弱面强度的制约；③岩体变形和各向异性主要由弱面产生。上述三个观点为岩石力学的发展起到了引导和促进作用，尤其在矿业、水电、交通等工程领域的岩石力学研究中受到格外重视。该理论同时重视岩体工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，这是现代信息岩石力学的雏形。

“奥地利学派”重视支护与围岩共同作用，特别重视利用围岩自身的强度维持岩体工程的稳定性。在地下工程施工方法方面，“奥地利学派”成员拉布西维兹在1934一1953年提出采用喷浆、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方法，该施工方法于1963年被正式命名为“New Austrain Tunnelling Method（NATM，新奥法）”。该方法较为符合现代岩石力学工程实际，至今仍被国内外广泛应用。

地质力学理论的缺陷是过于强调节理、裂隙的作用，且过于依赖经验，忽视理论的指导作用。该理论完全反对将岩体视为连续介质，也是不合理的，这种认识阻碍了现代数学力学理论在岩石工程中的应用。虽然岩体中存在各种的节理、裂隙，但从大范围、大尺度看可近似将其视为连续介质。对节理、裂隙的作用，对连续性和不连续性的划分，均需根据工程实际和处理方法而定，没有绝对统一的模式和标准。

4.近现代发展阶段（20世纪60年代至今）

随着计算机科学的进步，20世纪60年代和70年代开始出现用于岩体工程稳定性计算的数值计算方法，主要是有限元法。20世纪80年代，数值计算方法发展迅速，有限元、边界元及其混合模型得到广泛应用。20世纪90年代以来，岩石力学专家和数学家合作提出一系列新的计算原理和方法，如损伤力学、离散元法、DDA法、流形元法、三维有限差分法等，这些计算原理和方法均在岩石力学研究中发挥了重要作用。

由于岩体结构及赋存状态和条件的复杂性和多变性，岩石力学的研究对象和目标存在着大量不确定性，因此有人在20世纪80年代提出不确定性理论。随着现代计算机科学技术的进步以及现代信息技术的发展，目前，不确定性理论已经被越来越多的人所认识和接受。现代科学技术手段，如模糊数学、人工智能、灰色理论、神经网络、专家系统、工程决策支持系统等，为不确定性分析方法和理论体系的建立提供了必要的技术支持。

系统科学虽然早已受到岩石力学界的关注，但直到20世纪80一90年代才形成一致性概念，并在岩石力学理论和工程应用中引入。用系统概念来表征“岩体”，可使岩体的复杂性得到全面、科学的表述。从系统论来讲，岩体的组成、结构、性能、赋存状态及边界条件构成其力学行为和工程功能的基础，岩石力学研究的目的是认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能。系统论强调复杂事物的层次性、多因素性、相互关联性和相互作用性等特征，并认为人类认识是多源知识的综合集成，这为岩石力学理论和岩体工程实践的结合提供了依据。时至今日，岩体工程力学问题开始被当作一种系统工程来解决。

各类岩石力学试验机、测试技术的发明也极大地推动了岩石力学的发展。刚性压力机的出现使得到岩石应力-应变全过程曲线成为可能，而应力解除法可测得深部岩体应力。热-水-力三场耦合真三轴伺服岩石试验机、大型模拟试验台、先进的多点数据采集仪器的出现，为更深刻地揭示岩石的力学特性奠定了坚实基础。随着计算机技术和井下钻孔电视的应用，岩体工程三维信息系统也得到了重视和普遍应用。注浆加固不稳定围岩，回采工作面使用自移式液压支架，以及大断面、大缩量和高支撑力的可缩性金属支架、锚杆和锚索网等多种支护技术的应用，进一步丰富了支护手段。切槽放顶法、硐室与深孔爆破法、急倾斜采空区处理与卸压开采法等的发明，有效控制了采空区大面积冒落和采场地压显现。声发射、红外、电磁等预测技术也进入地压监测的实用阶段。

总之，涉及自然和工程行为的岩石力学是一门需要特殊研究方法的复杂学科，不能仅用传统思维或简单的力学方法来研究。随着资源开采深度不断增加、地下空间规模越来越大、越江过海隧道更多更长、大型岩石工程越来越多，这些工程建设，一方面要求更高效地破坏岩石，从而加快工程进度、提高资源与能源回收效率；另一方面又需要更科学地保持岩层稳定性，以确保岩石工程的正常运营。所以说，岩石工程问题是一个综合性的复杂问题，如何建立科学、系统的岩石力学理论体系，仍需进一步深入研究与探索。

[岩石力学与测试模拟方法，金爱兵，清华大学出版社]