岩石力学的形成和发展

岩石力学是一门从工程建设中形成的、与工程建设密切相关的新兴边缘学科。它历史短,发展快,但形成过程长。据知,公元前2世纪,李冰利用岩体热胀冷缩的特性,用火烧淋的方法使岩体开裂,切开都江堰的瓶口,凿山修渠,属于岩石力学的萌芽。1世纪,我国劳动人民用冲击破碎法挖掘数百米深的盐井。历代开采,如支护、回填、留柱等。,防止冒顶、边坡偏斜、压裂等地压现象,都是岩石力学的具体应用,但都是基于直观经验,没有系统概念。西方第三次工业革命后,资本主义生产迅速发展,人类经济建设活动中诞生了岩石力学。1878年A. Heim提出深部岩体应力处于静水压力状态的假说。在1926中,Schmied应用Heim假设并结合岩石弹性的概念来求解洞室围岩的应力分布。同时,丁尼克(a.h. диннику)提出了岩体中天然应力状态的公式,прутоцн(m . m . prouteau giyanov)二战后,许多国家兴建了各种工程,面临一系列科学技术问题,促进了岩石力学的蓬勃发展。在这一时期,连续介质、均质弹塑性理论和极限平衡理论是主要的计算原理。试验方面,以室内小型试块的物理力学试验为主,但也结合工程进行大型现场试验。同一时期,L. Müller等欧洲学者紧密结合实际开展研究工作,创立了著名的奥地利岩石力学学派,并于1951年在萨尔茨堡召开了首届岩石力学国际研讨会。

1957之后,岩石力学方面的著作不断涌现,标志着一门独立的、具有完整体系的新学科的诞生和兴起。在1957 ~ 1965期间,V. Rabcewicz、缪勒、F. Pacher等人在总结隧道工程经验的基础上,研究和发展了新奥法隧道施工方法,简称NATM。该方法基于岩石的弹塑性理论,隧道岩体动态观测资料中与岩体自我保护能力有关的变形时效概念和岩体工程地质情况分类,从而确定开挖工艺和支护方式。这是一项结合了科学思想和经验的高超技术,已在欧洲成功应用并推广到世界各国,为岩石力学做出了巨大贡献。

1962国际岩石力学学会成立。65438 ~ 0966年,国际岩石力学学会第一届代表大会在里斯本召开。基于马尔帕萨拱坝溃坝和瓦洋水库库岸特大滑坡的灾难性教训,提出应重视更新工程地质中的岩石力学知识,建立岩石力学性质标准。岩石力学的更新观念大多是从隧道施工的实践经验中总结和确立的。坝坡工程的岩石力学也借助隧道成果同步发展。岩石力学的发展从初期的单一因素转变为多因素权重分类,进而锁定在1976权重分类标准的地质力学分类,使得设计所需的岩石力学参数从定性的经验方法转变为全面的定量检测。前期K. Terzaghi在1946提出了岩石荷载分类,后被V. Deere等人修订。这种方法在美国地下工程中已广泛应用了近50年。考虑到岩体缺陷和损伤对隧道纵、横跨自稳时间的影响,Laveur在1958中提出了支护时间分类,经Parker等人修正形成了基于地层情况的NATM分类。这是一种科学的经验标度法,有科学的理论基础。在1967中,迪尔用修正后的岩心收获率对岩石质量标志(RQD)进行了分类,该指标已被用作钻孔岩心记录的标准参数,并成为后来岩体质量指标定量分类的岩体重量系统——RMR系统和Q系统的基本要素。当没有钻井岩心数据时,根据1976的Priest公式,统计垂直和水平两个方向的节理线密度,即可得到各个方向的RQD值。据此可以评价坝基和边坡的岩体质量及其在三维空间中的变化。在1972中,G. Wickham等人考虑了多参数权重系统的定量岩体分类,称岩体结构权重分类(RSR)是针对隧道围岩支护设计模式的岩体分类体系。这种分类考虑了岩体强度类型和结构破坏程度的权重体系;岩体结构面产状因素与洞室施工结构相关的权重系数;地下水权重体系对前两个因素的影响;三个权重评估参数之和就是RSR值。RSR分类法是选择隧道钢柱支护的有效方法。根据隧道勘探掌握的隧道岩体质量,确定RSR预测值,绘制该直径隧道在各典型地层段的支护需求草图。在研究巷道支护时,引入了煤柱比原理。在这个原理中,需要计算出太沙基岩石载荷柱的间距,然后除以所用的矿柱尺寸的理论支护间距,得到载荷柱间距的百分比和相应所需的理论间距,从而将RSR值与实际支护联系起来。Sinha) (1988)指出RSR法是太沙基法的改进,不是一个独立的体系。但RSR分类法的主要贡献是创立了岩体重量系统的概念。

上述岩体分类未能充分反映岩体的复杂结构和构造、结构面的状态及其场势。随着建设的发展,不断要求岩石力学探索新的研究方法,于是RMR和Q系统的岩体分类定量评价方法相继产生,使岩石力学的研究有了一个能满足实际要求的质变和飞跃。

RMR系统的分类称为岩体重量系统分类,也称为地质力学分类。它是由T. Bieniawski) 1973提出的,在后来的应用中得到了很大的改进。该分类考虑了岩石的单轴抗压强度;岩体质量指数;受损断裂面的间距;断裂结构面条件;水文地质条件五个参数的分级权重,加上构筑物空间分布和建筑物实施的影响而作出的调整权重,由总权重数确定岩体等级,由岩体等级确定地下洞室岩体的内聚强度(拉伸破坏强度)、内摩擦角和平均支护时间。第六项是调整参数权重,具体可用于地下工程、坝基、边坡工程。在1980中,Hock-Brown利用RMR分类法确定了岩体破坏时应力强度的理论公式。公式中建立了扰动和未扰动条件下岩体应力变化程度与其内摩擦角和RMR的关系。因为RMR的参数权重经过多次修改,霍克提出RMR ﹥18时,应采用1976的规定,RMR76应称为GSI地质力学指标分类。据此得出岩体的抗压抗拉强度和φ、C值。根据RMR≈57,岩体变形模量分别由比涅夫斯基和塞拉芬提出的相应公式求解。从而形成建筑基础设计所需岩体力学参数选取的工程体系。关于岩质边坡稳定性的评价,Romana在1985中根据现场资料,认识到岩质边坡的稳定性受结构面的力学性质控制,受结构面与边坡的空间分布关系的影响,提出了RMR体系中结构面与边坡关系参数修正的阶乘法,删除了原RMR体系中的结构面方向修正因子,增加了开挖法的修正权重。将其修正为SMR法,使RMR分类法适用于岩质边坡稳定性的初步评价,包括软弱岩体和严重节理岩体。这是对边坡地质灾害研究的重要贡献。综上所述,RMR分类提出后,在发展中创新修订,日臻完善。然而,RMR分类法忽略了三个重要的性质,即各种节理的粗糙度、填充节理的抗剪强度和地下洞室中岩石本身的荷载。在1974中,N. Barton根据上百个工程实例,利用RMR分类法的优点,改进了其缺陷和不足,提出了隧道围岩质量指标分类和Q系统法。它使用岩石质量;联合小组的数量;接缝粗糙度值;联合蚀变值;接缝的减水系数;应力折减系数的六个参数值。形成岩石质量和节理组数的商,代表岩石块体的状态;节理粗糙度和节理蚀变度的商代表块体间的抗剪强度指标;节理的水折减系数和应力折减系数的商表示有效应力状态。三个商值的乘积就是q值。根据Q指标与工程概况的关系,得出围岩拱压与Q及等效尺度的关系,确定合适的支护措施,建立Q与RMR的关系。q系统是一个数量分类系统,是促进隧道支护设计的工程系统。在Q系统中,Barton等人认为节理组数、粗糙度和蚀变比节理方向更重要,节理粗糙度和蚀变是指最不适合的节理,暗示方向。当包含联合方向时,Q分类不够通用。为了避免复杂性和局限性,研究人员关注几个重要指标。

当岩体分类发展到定量确定岩体宏观力学参数时,室内外测试技术已经满足了高精度的要求。这些现有的地应力包括压磁法、应力解除法、占孔水压致裂法应力研究、平洞全断面径向顶压法、水压法岩体宏观变形模量试验、现场三轴试验、流变试验、剪切试验和动态电法探测。关于不同粗糙度结构面的抗剪强度,巴顿在巴顿对剪胀角研究的基础上,考虑了结构面的粗糙度及其表面抗压强度,提出了不同应力条件下的抗剪强度公式。为配合野外岩体分类和抗剪强度的定量研究,快速确定野外相关物理力学要求。如施密特锤法、结构表面粗糙度测量等。有全息三轴试验、风化效应试验、结构面影响强度、变形试验、地质体模拟试验等等。随着计算机的发展和数值分析的迅速发展和完善,已经从有限元、边界元、离散元发展到自适应有限元、仿真等。但它的实现依赖于参数的正确性和物理模型与现实的一致性。