巖體力學(xué)(rockmassmechanics)

研究巖體(見巖石和巖體)因開挖或受載荷作用產(chǎn)生變形和破壞的規(guī)律和控制途徑的一門學(xué)科。它是工程地質(zhì)勘察的理論基礎(chǔ)之一。巖體力學(xué)在采礦工程和土木工程中，用以預(yù)測巖體變形和有效防止巖體破壞。在不良地質(zhì)條件的巖體中進行采礦和土木工程施工時，可能因圍巖嚴重變形和塌方使工程受阻或破壞；如果巖體條件良好，對露天礦開挖，邊坡可以加陡(見巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析)；對于地下開挖，則井巷支護量可以減少。對工程巖體進行正確的研究和評價可避免工程的失敗和提高經(jīng)濟效益，所以巖體力學(xué)是一門有重要經(jīng)濟意義的應(yīng)用科學(xué)。

形成和發(fā)展20世紀50年代以前，土力學(xué)和材料力學(xué)曾被用來解釋巖體的力學(xué)現(xiàn)象。30年代，蘇聯(lián)的普羅托吉雅柯諾夫提出的冒落拱理論和計算巷道支護的公式，就是這類研究著名的代表。金尼克當時就提出了異議，并堅持用彈性理論分析開挖體內(nèi)的應(yīng)力集中問題，并建立了巖體自重彈性初應(yīng)力場的公式。第二次世界大戰(zhàn)后，應(yīng)力分析法廣為人們注意，并隨電子計算機技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用到非彈性和考慮時間效應(yīng)的分析。上述這些分析分別是以松散體和連續(xù)體為研究對象。50年代，以奧地利米勒(L．Muller)為代表的一批西歐專家深入研究了巖體不連續(xù)性的力學(xué)效應(yīng)，呼吁人們應(yīng)對其特別重視。地質(zhì)不連續(xù)面和孔隙水的影響，在1959年法國馬爾巴塞(Malpasset)雙曲拱壩的潰決和1963年意大利瓦揚(Vajont)壩庫岸達25億m³的滑坡中，所起的關(guān)鍵作用引起人們認識上一次重大的飛躍。從那時以來，不連續(xù)性分析和水的影響成為巖體力學(xué)中必須考慮的因素。中國在巖體結(jié)構(gòu)方面也進行了系統(tǒng)的研究，這些均促使以巖體為研究對象的力學(xué)分支從初期的巖石力學(xué)發(fā)展成為巖體力學(xué)。

巖體力學(xué)還不是一門成熟的學(xué)科，它將有賴于勘察、測試、監(jiān)測手段的完善，相鄰學(xué)科的發(fā)展和工程經(jīng)驗的積累而得到進一步的發(fā)展。

研究內(nèi)容主要包括：

(1)巖體地質(zhì)力學(xué)模型的建立。每個場地都具有各自的地質(zhì)特征，因此必須為每一工程巖體解決建立模型的原則問題。根據(jù)勘察結(jié)果按工程地質(zhì)學(xué)原理建立的地質(zhì)力學(xué)模型，應(yīng)能反映巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水和初應(yīng)力場條件，同時還要滿足工程的需要和適應(yīng)力學(xué)分析的可能性。

(2)巖體力學(xué)性態(tài)的確立。不連續(xù)、非均質(zhì)和各向異性，是巖體突出的特征。通過建立巖石材料的本構(gòu)關(guān)系和不連續(xù)面的本構(gòu)關(guān)系，并將二者耦合起來是解決巖體力學(xué)問題的一種途徑。將巖體進行合適的分區(qū)，并為各區(qū)的巖體建立適宜的模型，以等效剛度、強度、屈服、流變、摩擦和水理性能予以表征，也是一種處理方法。這種做法的進一步簡化，可建立某種統(tǒng)一的巖體分類。

(3)巖體力學(xué)分析。在巖體力學(xué)的應(yīng)力、變形和破壞分析中，已廣泛使用計算機。分析方法的發(fā)展可處理非線性、各向異性、不連續(xù)性和三維問題等。人們正在為提高這類分析的能力和效率而努力。

(4)塊體分析。由于地質(zhì)不連續(xù)面的存在，巖體破壞已被區(qū)分為連續(xù)體的應(yīng)力破壞和塊體沿不連續(xù)面破壞兩種極端情況。預(yù)測后一類破壞仍廣泛使用極限平衡方法。70年代以來發(fā)展的離散單元法，已可用于分析塊體運動的全過程。離散體與連續(xù)體的耦合分析，也已開始研究。

(5)模型仿真。復(fù)雜的三維巖體和開挖系統(tǒng)，可用按相似原理建立的實物模型進行仿真。僅考慮某些關(guān)鍵因素而建立的簡化實物模型如底摩擦試驗的模型，有時也能為人們了解力學(xué)機制提供幫助。

(6)現(xiàn)場測量。包括力學(xué)參數(shù)測量和施工監(jiān)測兩部分。為減少用尺度小的巖石試樣進行室內(nèi)巖性測定所含的偏差，重要工程常在現(xiàn)場選點進行原位測定(見巖體物理力學(xué)性質(zhì))。在邊坡工程中通過對已垮塌的邊坡進行反算求得的巖體參數(shù)(見巖體強度)，公認為更接近于實際。在地下工程中監(jiān)測開挖體周邊的位移，用以反算力學(xué)參數(shù)，這種方法稱為位移反分析法。位移測量和其他類型的測量，已廣泛用來對施工時的巖體和對有潛在破壞的滑體進行監(jiān)控。將監(jiān)測與位移反分析法結(jié)合起來，既可控制施工掌握巖體實際的穩(wěn)定狀況，又可獲取更可靠的參數(shù)，以指導(dǎo)新工程的設(shè)計和施工，這種方法有發(fā)展前途。

(7)排水和加固。適當?shù)氖杷胧Ω纳坪畮r體的穩(wěn)定性富有成效。噴錨支護和其他形式的加固，在地下和露天開挖工程中已廣為應(yīng)用。減小爆破對圍巖的損害，也取得了成果。

(8)工程決策系統(tǒng)的應(yīng)用。由于巖體力學(xué)工程涉及大量不確定因素，已有人在這類工程中使用可靠性分析和模糊因素分析決策系統(tǒng)，相應(yīng)的設(shè)計思想也有所改變。