岩石力學發展歷史

① 工程地質學的發展簡史

工程地質學孕育、萌芽於地質學的發展和人類工程活動經驗的積累中。17世紀以前，許多國家成功地建成了至今仍享有盛名的偉大建築物，但人們在建築實踐中對地質環境的考慮，完全依賴於建築者個人的感性認識。17世紀以後，由於產業革命和建設事業的發展，出現並逐漸積累了關於地質環境對建築物影響的文獻資料。第一次世界大戰結束後，整個世界開始了大規模建設時期。1929年，奧地利的K·太沙基出版了世界上第一部《工程地質學》。
1937年蘇聯的Ф·П·薩瓦連斯基的《工程地質學》一書問世。50年代以來，在世界工程建設發展中，工程地質學逐漸吸收了土力學、岩石力學和計算數學中的某些理論和方法，更加完善和發展了本身的內容和體系。在中國，工程地質學的發展基本上始自50年代。谷德振在岩體穩定性問題中提出的結構控制論以及劉國昌在區域工程地質方面，都對工程地質學的發展作出了重要的貢獻。

② 中國岩石力學的研究現狀是怎樣的

中國的岩石力學與工程有著長時期的發展歷 史。在古代, 著名的都江堰水利工程和聞名全球被譽 為世界八大奇觀之一的萬里長城以及由北京直達杭 州的古老運河等都是代表性的佳作。在當時, 先輩們 憑借豐富的實踐經驗設計施工, 還沒有建立岩土力 學的概念。新中國成立以後, 各項經濟建設事業取得 了極大的發展, 同時, 也遇到了許多與工程地質及岩 土力學密切相關的技術難題。如特殊的區域性構造 地質、鬆散破碎復雜岩基、高地應力作用下的軟岩、 大跨洞室圍岩的大變形、水工隧洞群之間的相互受 力作用、高陡岩坡的持續穩定、岩體內的不穩態滲 流, 以及「三下」(鐵路下、水下和建築物下) 採煤等等 工程建設中遇到的十分突出的問題。交通、能源、水 利水電與采礦工業各個經濟領域的需要對岩石力學 與工程學科在中國的發展起到了有力的促進作 用 [1, 2 ] 。從20 世紀50 年代末開始, 中國有歷史意義 的大型水利水電工程設計勘測的大規模展開, 為岩 石力學的試驗和理論研究以及實際的工程應用注入 了巨大的活力 [3, 4 ] 。20 世紀80 年代末, 中國政府決 定正式興建長江三峽工程, 更大量的岩石力學與工 程問題擺在中國專家、學者們的面前, 如長達6 km , 坡高最大達170 m 的永久船閘高邊坡岩體開挖, 其 整體穩定性與變形機制、岩體流變與地下水滲流等 極為復雜多變的岩石力學課題 [5 ] 。所以, 中國的岩石 力學專家們當前具有重大的機遇, 也面臨著嚴重的 挑戰。如何正確地解決好這些問題, 將極大地推動著 本學科與工程技術的進步和持續發展。 1岩石基本性質的試驗研究 岩石試驗是岩石力學的基礎, 是研究岩石力學 與工程的重要手段之一。在中國, 隨著試驗設備和手 段的提高, 岩石力學的試驗水平有了較大的發展。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 別是常規的岩石力學試驗發展很快, 如單軸拉伸、壓 縮試驗、三軸壓縮試驗、岩石流變試驗等。近年來, 隨 著大批重大岩石工程建設的需要, 對岩石力學特性 試驗提出更高的要求。進行了若干非常規的岩石力 學特性試驗研究。例如: 利用高倍掃描電鏡對岩石的 細觀時效損傷特性和損傷力學行為進行細觀試驗分 析; 岩石損傷力學特性的CT 試驗, 復雜應力條件下 岩石在開挖卸荷條件下的多軸卸荷破壞試驗和岩石 抗拉全過程的單軸破壞試驗等。 2岩石力學本構理論研究 岩石本構理論是建立岩石力學物理模擬、數值 模擬與計算分析的基礎, 是進行岩石力學理論研究 的核心。目前, 在宏觀唯象學基礎上建立起來的岩石 彈塑性理論, 流變學理論以及損傷力學理論等等, 在 中國已得到不斷發展與完善。較有代表性的是鄭穎 人(1989)、殷有泉(1990) 等對岩石在三維應變空間 的屈服面問題的研究, 提出了用應變空間表達的岩 石的本構關系, 使岩石的應變軟化硬化問題、彈塑性 耦合問題都能得到較好的解決 [6 ] 。鄭穎人、沈珠江 (1990) 提出了多種屈服面理論, 對岩石的屈服面用 多個屈服面進行表達, 給出了彈性與塑性模型耦合 關系的數學表達式, 並編制了相應的有限元程序。俞 茂宏(1985、1990、1997) 提出了雙剪強度理論和統一 強度理論, 在主應力空間屈服面可表達為封閉的多 邊形, 對於金屬材料、混凝土材料和岩土材料能夠普 遍適用 [7 ] 。他多年來的潛心研究使得統一強度理論 不斷完善, 已在水電站地下工程設計、岩土地基計算 等工程中得到較好的應用。 3岩石力學計算方法研究 近30 年來, 岩石力學數值計算方法得到了迅速 發展, 出現了有限差分、有限元、邊界元、離散元、塊 體元、無限元、流形元及其混合應用等各種數值模擬 技術, 使復雜岩石力學工程問題的設計發生了很大 的變化。岩石力學計算不僅已基本上取代了傳統線 彈性力學實驗, 而且也在岩石工程非線性實驗中顯 示出極大的優勢。值得指出的是, 在中國, 有限元數 值計算方法已不僅由線性發展到高度非線性和大變 形問題, 由二維發展到三維; 同時, 還可以考慮粘性 流變、滲流與應力場耦合、損傷、斷裂以及動力效應。 國內出現了一些享有聲譽的有限元程序, 如北京大 學NOLM 283, 清華大學的T FIN E, 西安科技學院 N CA P22D 程序等, 這些程序均在許多大型岩石工 程中得到了良好應用。國內專家李寧教授引進的大 岩土工程FIN IA L 程序近年來結合中國的實際 [8 ] , 在許多工程中得到了良好的應用。 不同數值計算方法的結合, 更能發揮各種數值 方法優勢互補的作用。如有限元—邊界元的混合、有 限元—離散元的混合、有限元—無限元和有限元— 塊體元的混合採用等。無限域單元的應用不僅使有 限元計算規模得以減小, 並且可以避免人為的邊界 約束效應, 特別在求解岩石動力問題的邊界效應方 面更加顯示出它的優越性。此外, 合理確定岩石力學 性態的諸有關參數是數值計算結果可靠性與否的關 鍵。然而, 由於岩體性態十分復雜以及地質條件的影 響, 使得計算參數的取值問題變得十分困難。這是至 今數值分析手段仍不能為工程設計和工程決策提供 可靠依據的重要原因。反演分析正是為克服求解岩 石和岩體原始參數而出現的一種新方法。中國近年 來在反分析方面進行了大量研究工作, 已由簡單的 線彈性反演問題發展到非線性、粘—彈—塑性反分 析, 從單一的毛洞圍岩到考慮支護結構體系的反演, 從有限元位移反演到邊界元位移反演, 從確定性反 演到非確定性隨機反演等等 [9, 10 ] 。反分析的目的已 不僅僅是為了得到模型參數, 更重要的是要應用這 些參數, 進行相應的時間序列值分析以及從參數估 計發展到模型識別進而建立新的模型, 以便對工程 效果做出更合理的評價與有依據的預測。從這一重 要的目的來說, 考慮時間效應的粘—彈—塑性位移 反演分析具有更好的實用價值。現場監測—反演分 析—工程實踐檢驗—正演分析及預測, 這樣一個完 整的循環系統, 對岩石力學與工程設計和施工被認 為是一種行之有效的手段。這方面, 楊志法(1986)、 王芝銀、劉懷恆(1988)、孫鈞、楊林德(1990) 等人的 研究在國內具有代表性。已在水電站地下廠房、鐵路 隧道、礦山井巷、岩坡和壩基等岩土工程中得到了不 少應用。 4岩石流變力學研究 中國地域遼闊, 不同地區的岩石其基本力學特 性有很大的不同。岩石的流變與粘性變形時效是與 其力學效應相輔相成的。對軟岩和極軟岩、節理裂隙 發育或高地應力條件下, 這種粘性變形時效就更為 明顯, 成為工程設計計算中須考慮的主要因素。中國 學者在岩石材料流變學的研究方面雖然起步比較 晚, 但發展較快, 這主要是客觀上大規模岩石工程建 設需要的促進。早在20 世紀80 年代初, 同濟大學研 6 西安公路交通大學學報2001 年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 制了RV 284 岩體弱面剪切流變儀(1982) , 結合若干 軟岩地區水上隧洞地下廠房和礦山井巷工程進行流 變試驗研究, 不僅對完整岩塊, 而且對岩石節理的剪 切流變效應作了分析探討。武漢水利電力大學研製 了R Y S27 型岩石三軸流變儀(1982) , 中國科學院地 球物理研究所研製了多功能高溫高壓條件下的岩石 三軸流變儀(1985) 等等都是其代表。這些試驗設備 的研製和應用大大促進了岩石流變力學在中國的發 展。在不太長的時間內, 連續研製出一批高性能的岩 石三軸和直剪流變儀, 這在國際上也屬少見。但是, 如何將這些實驗成果在工程中推廣應用, 是進一步 努力的方向。 在岩石流變學理論與應用方面也進行了不少研 究工作。已故的陳宗基教授在中國率先建立了岩石 流變的擴容方程(1981) , 其特點是不僅考慮一般的 蠕變, 而且考慮其擴容變形也隨時間增長而發展; 並 將這一理論應用於礦山井巷圍岩穩定性評價以及岩 爆和地理方面的研究。孫鈞(1984) 結合一些水電站 地下廠房圍岩流變研究, 對岩塊、節理和軟弱夾層以 及斷裂破碎帶的非線性流變特性分別進行了深入細 致的研究; 最近, 又結合有限元數值方法, 研製了真 三維粘—彈—塑有限元非線性數值分析程序軟體, 用於三峽工程永久船閘高邊坡開挖施工全過程三維 數值模擬, 取得了良好的社會效益和經濟效益。 5岩石損傷、斷裂力學研究 岩石材料是一種自然地質體, 其內部各種節理、 裂隙和微缺陷的存在是不可避免的。損傷力學的發 展為合理考慮岩石材料各種分布缺陷的研究提供了 有力的手段。20 世紀80 年代末, 損傷力學在岩石力 學中的應用在國內受到極大關注。周維垣(1985) 首 先將損傷力學應用於二灘拱壩壩肩穩定分析, 進行 了岩體損傷裂隙的統計, 得出了損傷裂隙分布模型, 並由此定義出損傷張量, 進而引入有限元計算; 近些 年, 又在大型有限元數值分析軟體T E IN E 中引入 損傷力學, 包括線彈性和彈塑性損傷模型, 並進行了 一些大壩體的穩定計算, 如二灘、李家峽、東風和拉 西瓦拱壩等等。謝和平(1987) 將岩石粘彈塑性非線 性大變形有限元計算與損傷力學相結合, 在礦山地 下開采、地表沉陷、路基穩定性分析方面得到一定的 應用。岩石損傷力學研究的重點是建立損傷變數(張 量) 和損傷擴展本構關系。這就涉及岩石材料的損傷 檢測與識別問題。自從SPRUN T BRA CE (1974) 將 掃描電鏡技術引入岩石斷裂研究以來, 中國學者在 這方面進行了大量的研究工作。許江等(1986) 採用 帶有載入裝置的光學顯微鏡進行了砂岩在不同載入 階段的損傷裂紋分析; 謝和平(1989) 對岩石在各種 載入條件下破壞斷口進行分析; 孫鈞(1992)、趙永紅 (1993) 分別採用帶有微型載入裝置的掃描電鏡對岩 石的微損傷擴展進行研究。並用於三峽船閘高邊坡 閃雲斜長花崗岩的損傷擴展分析(1997)。這些研究 有力地推動了岩體損傷力學的發展, 特別是對岩石 損傷機理的解釋方面起到了積極作用。近年來, 本文 作者(1996, 1997, 1998) 在岩石損傷的CT 識別方面 進行了較深入的研究 [11 ] 。CT 識別岩石損傷不但可 以無擾動岩樣損傷檢測, 更重要的是通過CT 圖像、 CT 數大小和CT 數定量地與岩石損傷變數和損傷 擴展聯系起來, 為建立岩石損傷擴展本構關系奠定 了基礎。本文作者(1998) 還將這一技術應用於三峽 船閘高邊坡閃雲斜長花崗岩的損傷檢測。 6分形岩石力學研究 分形幾何自20 世紀80 年代初形成以來, 在岩 石力學領域得到不同程度的應用, 過去認為難以解 釋或解決的問題, 一些已有了分形研究的新成果。中 國學者在這一領域里的研究是令人矚目的, 其中謝 和平教授的工作(1987, 1990, 1994, 1996) 最具代表 性。他在國內最早開設「分形岩石力學」( Fractals2 Rock M echanics) 課程 [12 ] 。並先後赴美國猶他 ( U tah ) 大學、英國南安普頓( Southamp ton ) 大學、波 蘭科學院和德國漢諾威大學專門講授分形岩石力學 課程並在國外從事這方面的研究, 取得了豐碩的研 究成果。以謝和平為代表的在分形岩石力學方面的 主要成果為: ①岩石節理面的分形研究, 包括岩石節 理面分形描述以及節理面力學行為和節理斷層的分 形研究; ②岩石損傷演化過程的分形研究; ③岩石 (煤) 破壞度和破碎程度的分形研究; ④岩爆的分形 研究; ⑤岩石滲流過程的分形研究; ⑥地震預報過程 的分形研究等等。這些研究成果已部分直接或間接 地應用於岩石工程實踐中, 但要完整而理想地應用 於工程實際看來還有一個相當長的過程。由於分形 幾何的小規則性, 岩石力學現有的一些現象和力學 概念在分形空間中需要重新建立和認識。分形幾何 是一個工具, 最終的目的是用它揭示岩石力學中的 復雜現象, 為解決工程問題服務。因此, 分形岩石力 學的研究似應包括三個層次: 第一層次是研究分形 岩石力學的數學基礎, 以及重新認識和建立分形空 間中的力學量和力學定律; 第二層次是廣泛、系統地 7 第3 期楊更社, 等: 中國岩石力學的研究現狀及其展望分析 �0�8 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 探討岩石力學中的分形行為和分形結構, 揭示岩石 力學問題中一些復雜現象的分形機理和形成過程, 應用分形定量或定性地解釋和描述岩石力學中過去 只能近以描述仍難以描述的現象和問題; 第三層次 是將分形岩石力學的理論和研究成果應用到工程, 解決生產實際問題, 促進工程問題中的定量化、精確 化和可預測性。從目前這方面中國的研究現狀看, 第 二層次的研究成為熱點所在, 並取得了一些階段成 果。如何將分形的研究成果進一步應用於實際工程 是當前國內岩石力學工作者正在努力的方向。 7岩石滲流及環境岩石力學 天然岩體並非是單一固相介質, 而是賦存有固 相、液相和汽相並呈相互作用的三相介質體。中國在 這方面的研究起步較晚, 但已取得了很大進步。把岩 石力學的應力—滲流耦合分析應用到水庫誘發地震 的預測研究上(陶震寧, 1988) , 得到了一些有意義的 結果。趙陽升(1993) 針對礦山岩石力學特點, 建立了 煤體一瓦斯耦合的力學模型, 並對沖擊地壓與瓦斯 突出的統一失穩理論進行研究, 在礦山工程中取得 了初步成功 [13 ] 。 環境岩石力學是近年來新發展起來的一個分 支。研究自然高邊坡持續穩定和與地質(如泥石流險 性預報)、地震災害有關的岩石力學問題是環境岩石 力學的重要課題 [14 ] 。近年來, 長江三峽工程壩區的 庫岸穩定以及三峽移民新遷縣城的新址, 岩基穩定 研究工作已有一定的成果(崔政權, 1991)。有關這方 面的研究已有起步, 雖然成熟成果不多, 但發展潛力 則很大, 還需岩石力學的專家和同行們繼續努力。 8智能科學方法在岩石力學問題中的 應用 岩體的力學性質是如此復雜, 在實際的岩石工 程中, 依靠人們實踐經驗進行技術決策的方法仍然 起到相當重要的作用。自20 世紀70 年代以來, 計算 機科學中的人工智慧技術在中國進入了實用階段。 中國自1949 年以來, 進行了大規模的工程建設, 積 累了大量的實踐經驗, 把這些經驗利用人工智慧方 法使其更好地發揮作用, 無疑對中國的岩石工程是 一筆寶貴的財富。首先在中國發展起來的是人工智 能專家系統。在岩石力學與工程方面, 國內最早的專 家系統是用於岩體分類(張清, 1988) [15 ] , 隨後, 針對 解決不同技術問題研製了相應的專家系統, 例如, 隧 道及地下結構岩溶災害預報專家系統(張清, 1993) , 采礦巷道圍岩設計專家系統(林韻梅等, 1992) 等等。 這些專家系統是以產生式規則組成的知識庫, 以及 對於處理不精確問題採用上述的模糊推理或概率統 計方法。有關岩石力學在這方面的專著也相應出版 (林韻梅, 1993: 李效甫, 1993) [16 ] 。采礦界的於學馥 先生更是強調了信息時代的岩石力學問題(1994, 1995) [17 ] 。 人工神經網路( A rt if icial N eural N etwo rk ) 是 模擬人腦學習功能的一種智能方法。人們發現這可 以用於預測。於是人工神經網路開始引入岩石力學 與岩石工程(張清, 1991) , 隨後把這一方法用於岩石 力學行為預測和巷通分類指標聚類分析, 近年來又 把它應用於岩石工程系統和岩石工程參數重要性分 析。20 世紀90 年代中期, 一種稱為「實例類比系統 (Case2based R easoning Sy stem ) 在中國亦被引入岩 石工程(張清, 1995) , 它可以充分利用已建成的工程 實例( case ) 的經驗, 指導今後的設計與施工。鑒於人 工智能在岩石力學中的發展, 有的學者還提出了建 立「智能岩石力學」( Intelligent Rock M echanics) 的 設想(馮夏庭, 1994)。 此外, 為了處理岩石力學中的不確定性, 一些例 如模糊數學、概率統計、灰色系統等理論直接引用到 岩石力學中來。早在1981 年, 模糊數學即用來解決 岩石分類問題。此外, 如岩體節理的模糊抗剪強度、 岩層質量控制的模糊表達和地下工程支護方案模糊 決策研究等都取得了階段成果。概率統計除用於岩 石工程可靠度分析外, 用M arkov 過程進行了地質 預報和利用時間序列分析預報岩體力學行為的研究 都做出了可喜的成績。 灰色系統( Grey Sy stem ) 是鄧聚龍(1981) 創建 的一種軟科學理論, 已廣泛應用於規劃、預測、控制 和決策等方面。20 世紀80 年代末, 在中國開始引入 岩土工程, 用於岩體力學量時空延拓分析和岩坡位 移的預測。 9計算機新技術在岩石力學中的應用 計算機多媒體技術的發展為岩石力學與工程的 可視化處理提供了新的手段。近年來, 中國的計算機 技術發展速度很快。將計算機可視化技術與三維動 畫模擬圖形顯示有機結合, 能生動、直觀而又逼真地 體現各施工過程的三維動態場景, 為工程技術決策 提供確切依據, 並用於指導基於計算機技術的工程 施工組織管理系統。這種方法的實質在於以多媒體 為代表, 集音響、圖形、圖像和文字三位一體的三維 8

③ 岩體力學的形成與發展

岩體力學的形成和發展，是與岩體工程建設的發展和岩體工程事故分不開的。岩塊物理力學性質的試驗，地下洞室受天然水平應力作用的研究，可以追溯到19世紀的下半葉。20世紀初，出現了岩塊三軸試驗，課題內容主要集中在地下工程的圍岩壓力和支護方面。1920年，瑞士聯合鐵路公司採用水壓洞室法，在阿爾卑斯山區的阿姆斯特格隧道中，進行原位岩體力學試驗，首次證明岩體具有彈性變形性質。不久，彈性力學被引入岩體力學的研究，並成為解決岩體工程問題的重要理論基礎。
1950～1960年，岩體力學擴大了應用范圍，得到了比較全面的發展。這一時期除了地下洞室圍岩穩定性研究以外，還有岩質邊坡和地基岩體穩定性研究等；開始利用深孔應力解除法，實測岩體中的天然應力；岩體的空隙性，特別是岩體的裂隙空隙性、岩體中的不連續面，以及岩體力學性質的各向異性和不連續性的研究，被提到重要地位；逐漸發展了原位岩體性質的各項測試技術和試驗研究；在預測和評價岩體穩定性方面，發展了圖解分析法，以及塊體極限平衡理論分析法；在加固和穩定岩體措施方面，提出了效果良好的錨噴法。這一時期形成了著名的奧地利學派，他們認為岩體力學屬不連續介質力學，岩體的強度和變形特性，主要受岩體結構內部單元岩塊之間的聯結力以及岩塊之間的相對位移所控制。他們的研究成果，促進了岩體力學的發展。
1957年，法國的J.塔洛布爾（曾譯J.塔羅勃）著《岩石力學》，從岩體概念出發，較全面系統地介紹了岩體力學的理論和試驗研究方法及其在水電工程上的應用。至50年代末期，岩體力學形成了一門獨立的學科。60年代以來，岩體力學的發展進入了一個新的歷史時期，研究內容和應用范圍不斷擴大，對不連續面力學效應和岩體性能進行了研究，取得了成果和發展；有限元法、邊界元法、離散元法先後被引入，岩體中天然應力量測的加強與其分布規律不斷被揭示。
在中國，系統地研究岩體力學始於50年代初期。1952年出版了《礦內地壓與頂板管理論文專集》。1956年開始開展了原位岩體力學性質的試驗研究。1965年明確提出了岩體結構概念，並逐漸形成了岩體力學性質和岩體穩定性主要受岩體結構控制的「岩體結構控制論」，為岩體力學的發展作出了貢獻。 形成歷史 發展前沿 1951年，在奧地利創建了地質力學研究組，並形成了獨具一格的奧地利學派。
¬同年，國際大壩會議設立了岩石力學分會。
¬1956年，美國召開了第一次岩石力學討論會。
¬1957年，第一本《岩石力學》專著出版。
¬1959年，法國馬爾帕塞壩潰決，引起岩體力學工作者的關注和研究。
¬1962年，成立國際岩石力學學會(ISRM)。
¬1966年，第一屆國際岩石力學大會在葡萄牙的里斯本召開。 岩體結構與結構面的模擬模擬、力學表述及其力學機理問題
裂隙化岩體的強度、破壞機理及破壞判據問題
岩體與工程結構的相互作用與穩定性評價問題
軟岩的力學特性及其岩體力學問題
水-岩-應力耦合作用及岩體工程穩定性問題
高地應力岩體力學問題
岩體結構整體綜合模擬反饋系統與優化技術
岩體動力學、水力學與熱力學問題
岩體流變與長期強度問題
岩體工程計算機輔助設計與圖像自動生成處理。

④ 岩石力學的形成與發展

岩石力學是從工程建設中形成，與工程建設緊密聯系的一門新興邊緣性學科，其歷史短，發展迅速，但形成過程漫長。已知公元前 2 世紀，李冰利用岩體熱脹冷縮特性，採用火烤水淋法破裂岩體，開鑿都江堰寶瓶口、劈山修渠，這屬於岩石力學的萌芽。公元 1 世紀，我國勞動人民利用沖擊破碎法，開鑿深數百米的鹽井。歷代采礦，採用支護、回填、留柱等方法，以防岩體冒頂、偏幫、壓裂破碎等地壓現象，均屬岩石力學具體運用，不過是憑直觀經驗、尚無系統理念。西方經第三次產業革命後，資本主義生產迅速發展，在人類經濟建設活動中，岩石力學隨之誕生，1878 年海姆 (A. Heim) 提出深層岩體應力處於靜水應力狀態的假說。1926 年施米德 (H. Schmid) 運用海姆假說，結合岩體彈性概念，解決洞室圍岩應力分布。同期金尼克 (A. H. Диннику) 提出岩體中天然應力狀態的公式，普魯托吉雅克諾夫 (M. M. Прутоцняконов) 提出天然平衡拱理論，這些對岩石力學的探討、為這一新興學科提供了生長點。第二次世界大戰後，各國大量興建各項工程，面臨一系列科學技術問題，促進了岩石力學的蓬勃發展。在此時期，多以連續介質、均質彈塑性理論以及極限平衡理論為主要計算原理。在試驗方面，則以室內小試塊的物理力學試驗為主，但亦結合工程進行針對性的野外大型試驗。同一期間，繆勒 (L. Müller) 等歐洲學者，開展了緊密結合實際情況的研究工作，創建了著名岩石力學奧地利學派，於 1951 年在薩爾斯堡舉行以地質力學為主題的，第一次國際岩石力學討論會。

1957 年後，有關岩石力學著作不斷涌現，標志著一門完整體系的獨立新興學科的誕生與興起。在 1957 ～1965 年，拉布舍維奇 (V. Rabcewicz) 、繆勒、帕克 (F. Pacher) 等人在總結隧道工程的經驗基礎上，研究開發新奧地利隧道施工法，簡稱新奧法。該方法是基於岩石彈塑性理論，隧洞岩體動態觀測資料有關岩體自護能力的變形時效概念以及岩體工程地質態勢分類，以確定開挖工藝與支護方法。這是科學理念與經驗融合的高超工藝，在歐洲獲得成功運用並擴及世界各國，為岩石力學做出了很大的貢獻。

1962 年國際岩石力學學會成立。1966 年在里斯本召開了國際岩石力學學會第一次大會，基於馬爾帕塞拱壩潰決、瓦央水庫庫岸巨型大滑坡的災變教訓，提出須重視工程地質岩石力學的更新知識，創造岩石力學性能定型判據。岩石力學的更新理念，多是從隧洞施工實踐經驗中總結建立。壩與邊坡工程的岩石力學，亦藉助隧洞的成果同時發展。岩石力學的發展，從初期的單一因素，發展為多因素的權值分類法，後鎖定 1976 年權值分類標準的地質力學分類法，使設計所需岩石力學參數，由定性的經驗法向科學檢測的全面量化發展。早期的分類，有泰沙基 (K. Terzaghi) 於 1946 年提出的岩石載荷分類法，後為迪爾 (V. Deere) 等人修正，此法在美國地下工程中普遍運用近 50 年。考慮到岩體缺陷與損傷，對隧洞縱橫向跨度自穩時間長短的影響，拉弗爾 (H. Laffer) 於 1958 年提出支撐時間分類法，後由帕克等人修正，形成以地層態勢定性的新奧法分類，這是一種科學的經驗尺度方法，具科學理論基礎。1967 年迪爾以修正的岩心採取率，作岩石質量指標(RQD) 的分類，現已作為鑽孔岩心記錄標准參數，並成為後期岩體權值系統———RMR 系統與岩體質量指標定量分類的 Q-系統的基本元素。當無鑽孔岩心資料時，通過沿垂直與水平方向的節理線密度統計，按 1976 年普里斯特 (Priest) 公式求各個方向的 RQD 值。據此可評價大壩基礎及邊坡的岩體質量以及與其三維空間岩石質量的變化情況。1972 年威克漢姆 (G. Wickham) 等人，考慮了多參數權值系統的定量岩體分類，稱岩石結構權值分類法 (RSR) 是針對隧洞圍岩支護設計模式的岩體分類系統。這一分類法考慮了岩體強度類型與構造損傷程度的權值系統; 岩體結構面產狀要素與洞室施工結構相關性的權值系數; 地下水對前兩因素影響的權值系統; 所得三權值評價參數之和，即為 RSR 值。RSR 分類法是為隧洞選擇鋼柱支護的一種有效方法。根據洞探等所掌握隧洞岩體質量確定 RSR 的預計值，繪制該直徑隧洞在各典型地層段的支護需求草圖，在研究隧洞支護時，引入支柱率原則。此原則必須先求泰沙基的岩石載荷支柱間距，然後除以所使用支柱尺寸的理論支護間距，得載荷支柱間距與相應所需理論間距的百分比，使 RSR值與實際支護聯系起來，辛海 (Sinha) (1988) 指出 RSR 法是泰沙基法的一種改良，而非一種獨立系統。但 RSR 分類的主要貢獻是創建岩體權值系統概念。

上述岩體分類未能全面反映岩體的復雜構造與結構、結構面狀態及其所處場勢情況，隨建設發展不斷要求岩石力學探索更新的研究方法，所以 RMR 與 Q 系統對岩體分類定量評價方法相繼產生，使岩石力學研究，起了較能符合和滿足實際要求的質的轉變與飛躍。

RMR 系統 分 類 稱 岩 體 權 值 系 統 分 類， 亦 稱 地 質 力 學 分 類， 是 比 尼 沃 斯 基(T. Bieniawski) 1973 年提出，並在後期應用中獲得很大改進。該分類考慮了岩石的單軸抗壓強度; 岩體質量指標; 損傷破裂面間距; 破裂結構面條件; 水文地質條件五個參數的分級權值、加上結構空間展布與建築物實施的相關影響所作的調整權值、由權值總數定出岩體等級，由岩體等級確定地下洞室岩體黏聚力強度 (抗拉張破壞強度) 、岩體內摩擦角及岩體平均支承時間。第六項為調整參數權值，具較具體的針對性，可在地下工程、壩基與邊坡工程中運用。1980 年霍克-布朗 (Hock-Brown) 用 RMR 分類，確定岩體破壞時應力強度的理論公式。式中將岩體受力變化程度和其內摩擦角、建立與 RMR 在受擾動與未受擾動情況下的關系式。由於 RMR 中的參數權值已經多次修正，霍克提出，當 RMR ﹥18 則採用 1976 年的規定，將 RMR76稱為 GSI 地質力學指標分類。並據以求出岩體的抗壓抗拉強度與 φ、c 值; 岩體的變形模量、則依據 RMR≈57 為界，分別採用比尼沃斯基與塞拉芬提出的相應公式求解。於是則形成建築物基礎設計所需岩體力學參數選取的工程系統。在對岩石邊坡穩定性評估方面，1985 年羅曼娜 (Romana) 根據野外資料，認識到岩石邊坡穩定性，受不連續面力學特性控制、受結構面空間展布與邊坡關系的影響，提出RMR 系統中不連續面產狀與邊坡關系之參數改正的階乘方法，刪去原 RMR 系統中結構面方向改正因素，添加開挖方法改正權值，經修正成為 SMR 法，使 RMR 分類法適用於岩石邊坡，包括軟弱岩體、嚴重節理化岩體邊坡穩定性的初步評估。這是對邊坡地質災害研究的重要貢獻。綜上所述，RMR 分類法提出，經發展中創新修正，已日臻完善。但 RMR 分類法忽視了三個重要性質，即各種節理粗糙度、充填節理的抗剪強度、地下洞室中岩石本身的荷載。1974 年巴頓 (N. Barton) 根據幾百個工程實例，用 RMR 分類法優點，改進其缺陷與不足，提出隧洞圍岩岩體質量指標分類法、Q--系統法。其使用岩石質量; 節理組數; 節理粗糙度值; 節理蝕變度值; 節理含水折減系數; 應力折減系數六個參數值。形成岩石質量與節理組數的商，代表岩石塊體的狀態; 節理粗糙度與節理蝕變度的商，代表塊體間剪切強度指標; 節理含水折減系數與應力折減系數的商，是表述有效應力狀態。三個商值之積即為 Q 值。由 Q 指標與工程總結建立的關系式，求圍岩頂拱壓力及 Q 與等效尺度之間的關系，確定合適的支護措施，並建立 Q 與 RMR 之間的關系式。Q 系統是一種定量分類系統，是促進隧洞支護設計的工程系統，在 Q 系統中，巴頓等人認為: 節理組數、糙度、蝕變度三個參數，比起節理方向來說起更重要作用，節理糙度與蝕變度，是指最不合適的節理，暗示了方向。當包含節理方向時，Q 分類就會顯得通用程度不夠，為避免復雜化，防止局限，使研究者主要精力集中於幾個重要指標上。

在岩體分類法演進至對岩體宏觀力學參數達定量化確定時，室內外試驗技術，已滿足高精度要求，這些現有野外地應力的壓磁法、應力解除法測試、占孔水壓致裂法的應力研究、平洞全斷面徑向千斤頂壓法、水壓法的岩體宏觀變形模量測試、野外大三軸試驗、流變試驗、抗剪抗切試驗以及動力法電法的探測等。關於不同粗糙度結構面的抗剪強度，在佩頓 (F. Patton) 對剪脹角研究的基礎上，巴頓考慮了結構面糙度與其表面抗壓強度，提出在不同應力條件下的抗剪強度公式。為配合岩體分類與抗剪強度野外定量研究，進行了野外相關物理力學性要求的快速測定。如施米特錘法、結構面糙度測量等。室內有全息性三軸試驗、抗風化效應試驗、結構面影響強度、變形試驗、地質體模擬試驗等。隨電子計算機發展、數值分析法迅速發展與完善，從有限元、邊界元、離散元發展為自適應有限元、模擬模擬等。但其成果決定於參數的正確及物理模型與實際的一致。

⑤ 地質力學三個發展階段

1.地質力學早期研究階段(1921～1946年)

李四光從1921年研究中國北部石炭二疊紀沉積物開始,到1926年發表《地球表面形象變遷之主因》^[9],從物質結構及岩石、地層的形變著手,開始著重編制區域地質構造圖,分析區域構造活動特徵;把構造形跡作為地質力學形跡,從古地應力推斷地殼運動;從分析構造形跡之間的組合型式,確定它們之間的成生聯系,並配合模擬實驗驗證。這就是李四光早期研究地質力學,把大的區域地質構造與具體的構造型式相結合的研究特色,同時根據各種構造形跡判別壓、張、扭,推斷古地應力方向作用特徵,直至1945年內部刊印的《地質力學之基礎與方法》中,提出構成「應力絡網」的具體模式,即後來的岩石力學與構造應力場的雛形(圖2-5)。經歷20多年的研究,地質力學已經初具輪廓,可以定為早期研究階段^[7-13]。

圖2-5 李四光(1945)構造線的應力絡網設想框架圖

2.構造體系研究階段(1947～1997年)

從1947年公開出版《地質力學之基礎與方法》,到1962年內部刊印《地質力學概論》,到1973年公開出版《地質力學概論》,到1998年出版《岩石力學與構造應力場分析》,歷經大約50年左右,可以定為地質力學的構造體系研究階段。主要以構造體系為研究核心,將地質力學方法分為七個研究步驟,主要目的是研究地質構造和地殼運動規律,探索地球運動起源,討論各種地質現象發生、發展規律,包括礦產形成分布規律,火山、地震發生發展規律,工程地質和水文地質規律等,為覓找礦產資源、水資源,為工程建設、減災防災和地質環境的防治和改進服務^[7-13]。

3.岩石力學與構造應力場研究階段(1998年以來)

李四光在1970年提出修訂出版《地質力學概論》意見中,特別強調加強「岩石力學性質及構造應力場」的重要性(見「李四光生前談《地質力學概論》的修訂出版問題摘要」),認為這個問題很重要,過去工作很不夠,現在也很不夠,今後應加強這方面的工作,從而提出地質力學新的發展方向,自1998年出版《岩石力學與構造應力場分析》,隨之開始進入岩石力學與構造應力場研究階段,使構造體系的研究進入量化階段。

李四光同志生前談《地質力學概論》的修訂出版問題摘要

——據1970年3月18日李四光在地質力學經驗總結小組談話中的記錄整理

《地質力學概論》是1961年在青島養病時寫得,很潦草,匆促搞出來,來不及詳細討論和廣泛徵求意見。

這本書稿時間很長了,有些東西過時了。我自己感到有些問題,外面也有些反映。60年代初期的東西,至今已有十年了。十年來,地質力學有很大發展,應該充實新的資料。

《地質力學概論》的修訂、出版,要廣泛徵求讀者的意見。不但要搜集地質力學研究所里意見,還要吸收外面工作單位的意見。包括正面的意見和反面的意見。主要是到外面去搜集實際資料,加以充實。修改的重點是具體材料,地質力學觀點無法改。

第一章……

第二章是說明地質力學究竟搞什麼東西的,要改正不正確的材料,多弄些新的材料充實進去。要地質工作者共同支持這項工作。第六、七兩個步驟應抽出來另立一章,叫做「岩石力學性質及構造應力場」。因為這兩個問題很重要,所以抽出來加強一下,將近十幾年的資料補充進去。應力場要做實際工作,又要做些計算工作。對應立場的認識,過去工作很不夠,現在也很不夠,今後應加強這方面的工作。

第三章……

第四章……

其實,早在20世紀60年代初期,李四光在地質力學研究所安排光彈模擬實驗,倡導對雁行褶皺構造型式採用數學-力學分析及模型試驗來說明它的成因,接著對旋卷褶皺構造、山字型構造、入字型構造等構造型式進行量化研究,並開始在光彈模型板上刻制斷裂分布模擬區域構造骨架,進行區域構造應力場的研究工作^{[1,7-13,30,31]}。

李四光1962年在對廣東新豐江水庫的地震地質研究工作中,已經明確地應力場的研究方法技術措施。1965年他在《地質力學的方法與實踐》(提綱)中,為第三篇《岩石力學與構造應力場分析》撰寫了內容提綱和目錄(圖2-6)。

1966年發生邢台地震後,他親臨現場進行宏觀調查,通過現場調查確定新華夏系活動發震(圖2-7A,B),提出「新華夏系一脈相承」,大震將向北東方向發展的科學預測。並於1967年預測唐灤地震(即1976年唐山大震)。1966～1976年邢台—唐山地震系列實踐證明他的預測是極其科學的。

1969年他任中央地震工作領導小組長,在保衛京津唐地區地震安全工作中進行了斷層位移場和地應力場的全面部署監測工作。當時我們並不理解其中的深刻含意,直到他辭世以後,經過多年的研究,在1973年整理眾多儀器觀測資料後,獲得斷層位移場是新華夏系邊界加力方式作用的結果,新華夏系地應力場的能量等值線集中部位附近,控制了MS≥6級歷史地震的規律以後,才恍然大悟,李四光已經超前十幾年按照「場」的思路方法,部署地震監測研究工作^[1-3,7-24]。

直到2000年孫殿卿組織編寫完成《地質力學的方法與實踐》一套學科系列專著(共分為五篇,包括7部著作和1幅全球構造體系綱要圖),其中第三篇《岩石力學與構造應力場分析》於1998年出版,可以稱為岩石力學與構造應力場研究階段的開始,也可以看作「後李四光時代」階段,或者按照遺願整理編寫系列著作與擴編《中國地質學》的階段^[1,24-29]。

⑥ 《岩石力學與工程》蔡美峰版

蘇州，古稱吳、吳都、吳中、東吳、吳門，現簡稱蘇。蘇州自有文字記載以來的歷史已有4000多年，公元前514年建城，是中國首批24個歷史文化名城之一，中國重點風景旅遊城市，也是4個中國重點環境保護城市之一、長江三角洲重要上空間的粉紅色的股份幾乎是個地方就是個好的福建省的房間給了空間上看到家分公司及控股服飾公司警方的中心城市之一。隋開皇九年（公元589年）始定名為蘇州，以城西南的姑蘇山得名，沿稱至今。蘇州是江蘇省的經濟、對外貿易、工商業和物流中心，也是重要的文化、藝術、教育和交通中心。

⑦ 影響岩石力學性質的因素

(一)圍壓

設地殼深部一岩塊與地表距離為z，上覆岩層密度為ρ，重力加速度為g，則該岩塊受上覆岩層的壓力為σ_z。在σ_z的作用下，岩塊有水平方向擴張的趨勢，但由於圍岩的制約，不允許橫向擴張，即e_x=e_y=0，因此，水平方向的壓應力σ_x=σ_y。則有：

構造地質學(第二版)

式中：μ為泊松比。在地殼深處，岩石處於高溫、高壓狀態，延性明顯增加，應力差減小。當μ=0.5時：σ_x=σ_y=σ_z=ρgz，τ_xy=τ_xx=τ_yz=0。此時岩石處於靜水壓力狀態。

帶有圍壓的岩石力學實驗是將圓柱形試件放在密封壓力室內，四周用油或氣體施加圍壓σ₂=σ₃，由活塞施加軸向載荷σ₁。以σ₁-σ₃為縱坐標，以應變ε為橫坐標，即可繪制出應力-應變曲線。

在不同圍壓下進行的大理岩三軸實驗表明(圖3-31)，隨著圍壓增加，岩石彈性極限增大，延性增強，強度及破壞前的應變增大。但岩石類型不同，所受影響的程度不同。

圖3-31 大理岩在不同圍壓下應力-應變曲線

(據Karman，1912)

對碳酸鹽類岩石及砂岩來說，圍壓對彈性極限的影響較小，對延性影響較大。例如，Carrara大理岩(圖3-31)在圍壓為零時呈現脆性，在應變小於1%時即發生脆性破裂；當圍壓增加到50MPa時出現脆-延性過渡狀態；當圍壓達68.5MPa時則出現明顯的延性流動。

對大部分硅酸鹽類岩石來說，圍壓的加大將使彈性極限有顯著提高，但破裂前的永久變形量提高不大。玄武岩和花崗岩在室溫下脆-延性轉化的圍壓為1000MPa，而石英岩在2000MPa時仍為脆性。

圍壓對岩石力學性質影響的原因在於圍壓增加使固體物質質點彼此靠近從而增加了岩石內聚力。

(二)溫度

在地殼常溫層以下，溫度隨深度的增加而增加。估計地殼底部溫度可高達1100～1300℃。因此，在研究地殼岩石變形時必須考慮溫度因素。

在固定圍壓、不同溫度條件下進行的岩石力學實驗表明，溫度升高可降低岩石的彈性極限和強度，促進岩石的延-脆性轉化。

圖3-32是花崗岩在500MPa圍壓、各種溫度下的應力-應變曲線。在室溫情況下花崗岩是脆性的；在300℃時已產生顯著的永久變形；在800℃時幾乎是完全延性的。

圖3-32 花崗岩在500MPa圍壓各種溫度下應力-應變曲線

(據Griggs et al.)

溫度還可以促進蠕變和鬆弛現象的發生和發展。

溫度升高產生延性的原因是由於在高溫條件下岩石內部分子的熱運動增強，因此削弱了岩石的內聚力，使晶粒容易產生滑移。

(三)孔隙液壓

地殼的岩石中含有各種原生或次生的孔隙或裂隙。對結晶岩石來說，原生孔隙或裂隙往往存在於礦物顆粒接觸面間或礦物內部(如氣、液包裹體)，沉積碎屑岩的孔隙存在於碎屑顆粒之間。人們用孔隙率表示岩石中孔隙的多少：

構造地質學(第二版)

式中：n為孔隙率；V_v為岩石中孔隙的體積；V_s為不含孔隙岩石的體積。一般情況下，砂的孔隙率為40%，Handin et al.(1963)給出Berea砂岩的孔隙率為18.2%，Repetto粉砂岩的孔隙率為5.6%，Hasmark白雲岩的孔隙率為3.5%。

如果岩石的孔隙中含有水，在成岩過程中孔隙縮小將造成孔隙內的液體對礦物顆粒產生一種壓力，這種壓力與礦物表面垂直，稱為孔隙液壓。根據石油、天然氣開發的實際資料，孔隙液壓隨著岩石埋藏深度的增加而增加，但並非呈簡單的線性關系，在一定深度上兩者趨近相等。設λ=孔隙液壓/圍壓，則隨著深度增加，λ→1。

由於孔隙液壓與礦物顆粒表面垂直，所以將直接減緩圍壓的作用。設圍壓為P，孔隙液壓為P_s，則有效圍壓P_e=P-P_s。因此孔隙液壓對岩石力學性質的影響與圍壓相反：它使岩石的延性、強度和彈性極限降低，脆性增加。

圖3-33是印第安納石灰岩在68.950MPa圍壓條件下不同孔隙壓力時的應力-應變曲線。當孔隙壓力為0時(曲線⑦)，在實驗的高圍壓當孔隙壓力為0時(曲線⑦)，在實驗的高圍壓情況下灰岩的彈性極限及強度很高，並出現應變硬化；當孔隙液壓與圍壓相等時(曲線①)，由於孔隙液壓與圍壓抵消，應力-應變曲線與單軸實驗相同；當孔隙液壓小於圍壓時，應力-應變曲線介於曲線①和⑦之間。從圖3-33中可以清楚看出，隨著孔隙液壓增高，石灰岩彈性極限、強度及延性變形迅速減小。

圖3-33 印第安納石灰岩的應力-應變曲線

(據Spencer，1981)

圍壓68.950MPa；孔隙壓力：①68.950MPa，②65.055MPa，③55.160MPa，④41.370MPa，⑤34.475MPa，⑥27.580MPa，⑦0MPa

孔隙中的流體對變形的另一種作用稱為水弱化作用。如不含水石英在500MPa圍壓下500℃時可承受3500MPa應力，當含水量為0.1%時，同等條件下的強度僅為100～200MPa。

(四)時間

時間對岩石力學性質的影響是多方面的。如快速加力岩石可表現脆性變形，緩慢加力脆性物質也能出現塑性變形。又如，當多次、重復加力時，在沒有達到岩石強度極限的情況下可使岩石發生脆性破壞。或者說，多次重復加力可以降低岩石的破壞強度(圖3-34)。當在重復加力情況下破壞應力降低到某一極限值時，如繼續降低應力，無論重復加力多少次也不能引起岩石破裂。該極限值稱為疲勞極限。

圖3-34 某金屬耐力曲線

(據M.P.Billings，1972)

在地質構造的應力-應變解析中，時間對岩石變形的影響主要體現在應變速率、蠕變和鬆弛三個方面。

1.應變速率

應變速率是指單位時間內應變的變化量：

構造地質學(第二版)

式中：

為應變速率；ε為應變；t為時間，常用秒(s)作單位。

圖3-35 500℃，500MPa條件下Yule大理岩在不同應變速率下的應力-應變曲線

(據Heard，1963)

隨著應變速率降低，岩石強度降低，彈性極限下降，塑性變形增加。圖3-35是500℃，500MPa條件下不同應變速率時Yule大理岩應力-應變曲線。從圖中可以看出，在應變速率為4.0×10^-1/s時，182MPa應力才可以產生10%的應變；應變速率為3.3×10^-8/s時，小於45MPa的應力即可產生10%的應變。

一般認為，地殼緩慢運動的應變速率

=10^-14～10^-15/s。實驗室中最慢的實驗可以模擬的應變速率為

=10^-8/s。因此需根據實驗外推。Eyring(1960)的外推方程式為：

構造地質學(第二版)

式中：E為擴散激活能；R為Bolzman氣體常數；T為絕對溫度；A為具有應變速率量綱的實驗常數；σ為應力差；f(σ，t)是與溫度和應力差有關的常數。

2.蠕變

蠕變是指岩石在恆定載荷作用下應變隨時間緩慢增長的現象。在地殼變形過程中，時間以百萬年計，因此蠕變現象是重要的。盡管實驗室實驗中很難模擬如此長時間內的蠕變變形，但可以充分顯示時間對岩石變形的影響。

圖3-36是索倫霍芬石灰岩蠕變實驗曲線。該石灰岩在室溫常壓下，強度為251.06MPa。在長期實驗中，在恆定137.30MPa壓力作用下即發生變形：第一天縮短0.006%，10天後縮短0.011%，100天後縮短0.016%，400天後的縮短量超過0.019%。

典型蠕變曲線由三部分組成(圖3-37)：①過渡蠕變階段(AB段)，應變速率在該階段隨時間遞減，達到B點時應變速率最小，如果在該階段卸載應變恢復為零；②穩定蠕變階段(BC段)，應變速率保持常量，如果在該階段卸載，將保留一部分永久變形；③加速蠕變階段(CD段)，應變速率隨時間增加，達D點時岩石發生破壞。

圖3-36 索倫霍芬石灰岩在恆定應力下的蠕變曲線

(據Griggs，1939)

圖3-37 典型蠕變曲線

蠕變的應變以下式表示：

ε_t=ε_e+ε_Ⅰ(t)+ε_Ⅱ(t)+ε_Ⅲ(t) (3-38)

式中：ε_e為瞬時彈性應變；ε_Ⅰ(t)、ε_Ⅱ(t)和ε_Ⅲ(t)分別為過渡蠕變、穩定蠕變和加速蠕變。

蠕變受溫度的影響很大，溫度升高使蠕變容易發生並使蠕變速率加大(圖3-38)。

蠕變也受應力控制。圖3-39是在不同載荷下雪花石膏的蠕變曲線。曲線表明：應力越大，穩定蠕變持續時間短，變形迅速進入加速蠕變階段。

圖3-38 不同溫度條件下蠕變曲線

(據A.H.Sully，1949)

圖3-39 不同載荷下雪花石膏的蠕變曲線

(據Griggs，1940)

圍壓不同蠕變數也有很大變化：隨著圍壓增加蠕變變形減小。

3.鬆弛

鬆弛是指應變保持不變時隨著時間應力逐漸減小的現象。

蠕變、鬆弛和應變速率共同說明時間對岩石變形的意義。在以百萬年為時間單位的地質歷史時期中，時間因素對岩石變形的影響是巨大的。

(五)外力作用方式

外力作用方式不同，岩石的力學行為也不同。在張力的作用下岩石容易發生脆性破裂，在同等環境的壓縮條件下，岩石則顯示延性(圖3-40)。

圖3-40 圍壓為300MPa、在不同溫度條件下索倫霍芬石灰岩在拉伸或壓縮下應力-應變曲線

(據Spencer，1981)

索倫霍芬石灰岩的拉伸和壓縮實驗表明：外力作用方式不同，灰岩的脆延性轉化的條件不同，拉伸時脆性轉化為延性所需溫度遠遠大於壓縮時的轉化溫度。在400℃、300MPa圍壓的壓縮條件下，已發生脆延性轉化，在此條件的拉伸情況下灰岩仍為脆性變形。

⑧ 李四光超前應用岩石力學與構造應力場的思路方法進行地震預測預報的實踐研究

李四光在寫完《地質力學概論》以後,在1970年提出修改概論的意見里,明確提出加強岩石力學與構造應力場研究,由此也指明了地質力學發展的方向(見第二章第二節)。並在1965年6月29日親自修訂了《地質力學方法與實踐》(提綱)(見圖2-6),寫出了岩石力學與構造應力場分析專著的內容與綱要,直到1998年我們才完成這部著作的出版(見表2-2)^[30]。

1971年李四光逝世後,在京津唐地區留下大量地震地質以及長期連續儀器監測數據資料,經過三年的整理和綜合研究後,才開始認識到,李四光早已超前進入了現今構造應力場的研究領域。經過後來多年的研究和補充,特別是唐山地震後,北京市組織了地震地質會戰,增加了許多十分豐富的珍貴資料,幫助作者對地震地質加深了認識(圖5-7)。

圖5-4 唐山地震震中分布圖

經過1976年唐山地震的總結,認為地震構造應力場控制著唐山地震的發展全過程,更增加了我們對地震地質研究的信心^[19,23]。

至此我們開始逐漸理解,「新華夏系一脈相承」的含義,即現今仍在活動的新華夏系構造應力場,控制著邢台-唐山大地震系列(活動幕)的遷移和發展。同時也開始明白他在京津唐地區布設19個斷層位移流動站,是用眾多斷層位移站(見圖4-12),查明新華夏系現今斷層位移場,再次證實京津唐地區處於新華夏系活動態勢,進一步驗證了唐灤地區的大震危險性。依照構造應力場的研究思路進行部署監控唐山大震,判斷地應力、能量是否具有集中的條件。逐步明白他在地震地質預報中主抓地應力的理由,因為它是推動地殼運動的動力,也是各種內動力地質災害發生發展的主導動力因素(見表3-2)^[24,25,30]。

中國內動力地質災害可以分為4類12種。根據表中災害的排列順序,大體可以了解地殼運動全過程,分別出現不同類型、種類的災害,大多數都是由地應力推動地殼運動,同時也形成了各種內動力地質災害,少數還有岩漿作用參與其中,特別是高地應力與能量集中類型的災害,分別以不同形式釋放地應力和能量,則又可以分為10種方式,其中許多疊加了人類工程誘發成因,使之研究起來更加復雜。過去在預報地震研究工作中,往往除了與地震對應分析以外,很少考慮與其他災害的對應關系,歷史經驗證明已經付出了重大代價,不斷出現錯報,漏報,甚至懷疑該方法手段是否具有預報前景,遇到不同質疑時,往往失去信心等。由此提醒我們全面考慮各種災害的前兆、監測曲線等與各種內動力地質災害對應的可能性,對綜合分析預報具有十分重大意義^[24,25,30]。並由此得到以下兩點認識:

圖5-5 唐山地震極震區構造地裂縫帶平面圖^[23]

圖5-6 唐山市復興路土產公司附近地震後地面形變平面略圖^[23]

圖5-7 京津地區岩石力學性質與構造應力場的地震地質研究程序與綜合分析

(1)走地應力方向預測預報內動力地質災害是正確的、科學的,更全面的說應該走岩石力學性質與構造應力場的研究方向,缺乏岩石力學性質方面的考慮是不合適的、不全面的。

(2)脫離內動力地質災害系統的綜合研究,也是不全面的,也給我們過去的分析預報地震帶來了痛苦的教訓。

由此,也逐漸理解在應用地應力台站資料,探索地震預報的一些思路與做法等。例如,1962年以來,廣東新豐江水庫地應力站建在新華夏系構造附近,地應力值長期趨勢下降,可能反映了我國台灣、日本的地震。1966年以後周總理參加的幾次地震預報會商,李四光觀察了邢台、北京附近地應力曲線變化,對華北地區地震發展趨勢得出的判斷也得到了驗證。李四光親自參加房山地應力解除測量之後的興奮與自信的心情,都是促進他相信研究方向的正確性、科學性的依據。特別是唐山地震監測取得決定性進展時,已經有突破地震預報的希望,促使李四光在臨終前一天與他女兒談話中,對突破地震預報難關充滿信心,是有道理和實踐依據的。今天我們回過頭來看往事,為了更好地學習他的實踐精神和科學態度,發掘預測預報地震的具體方法步驟,以求繼承發揚他的精神,為實現他的遺願作出貢獻^[1-8]。

⑨ 與岩石力學相關的一般期刊

刊名： 岩礦測試
Rock and Mineral
Analysis
主辦： 中國地質學會岩礦測試專業委員會;國家地質實驗測試中心
周期： 雙月
出版地：北京市
語種： 中文;
開本： 大16開
ISSN： 0254-5357
CN： 11-2131/TD
郵發代號：
2-313

刊名： 岩土力學
Rock and Soil
Mechanics
主辦： 中國科學院武漢岩土力學研究所
周期： 月刊
出版地：湖北省武漢市
語種： 中文;
開本： 大16開
ISSN： 1000-7598
CN： 42-1199/O3
郵發代號：
38-383

歷史沿革：
現用刊名：岩土力學
創刊時間：1979

該刊被以下資料庫收錄：
JST
日本科學技術振興機構資料庫(日)(2013)
EI 工程索引(美)(2013)
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