岩石力学与工程科普

岩石力学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。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。

图一 沉积岩

图二 岩浆岩

图三 岩浆岩

岩石力学是一门应用性很强的学科，岩石力学的研究注重岩石本身的固有特性。在地球表面的岩石，基本上可分为三大类，即火成岩、沉积岩、变质岩。它们形成的时期，最早可追溯到几十亿年以前，在漫长的地质年代中，先后经历了多次地质构造运动。因此，岩石与人工塑料、金属材料有很大不同。在成岩过程中，组成岩石的矿物颗粒在大小、物理力学性质和热导率等方面都各不相同，因此在岩桨冷却时，颗粒内部和边界会产生微裂纹；另一方面，由于晶体相互之间有摩擦阻力，变形受阻，引起应力积累，而形成封闭应力。在此后地质构造的长期作用下，岩石中又形成了各种断裂，如裂隙和断层。裂纹、断裂等在外力作用下都具有随时间而变化的力学性能，即流变性。

岩石力学主要研究方向：①岩石应力，包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值模拟方法。

②岩石变形，包括单向和三向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。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不变时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。

③岩石强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（粘聚力c和内摩擦角φ）。强度准则大多采用库伦－纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩石的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。

④岩石渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩石假定岩石中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。岩石渗透特性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水试验和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩石内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。

⑤岩石动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性、应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。

工程应用主要研究五个方面：①地上工程建筑物的岩石地基，例如研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题；

②地表挖掘的岩石工程问题，如水库、边坡、高坝、岸坡、 渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题；

③地下洞室，如研究地下电站、 水工隧洞 、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩的稳定和变形问题，地下开挖施工以及围岩的加固（如固结灌浆、锚喷、预应力锚固等）问题；

④岩石破碎,如将岩石破碎成各种所要求的规格，以作为有关建筑材料（建筑物面石、土坝护石、堆石坝和防波堤石料、混凝土骨料等）；

⑤岩石爆破，如用定向爆破筑坝，巷道掘进和采矿等。此外，岩石力学还应用于某些地质问题的研究，如分析因开采地下矿体和液体而地表下陷、解释地球构造理论、预估地震和控制地震等。

岩石工程所涉及的岩体称为工程岩体，以别于天然岩体。人类生活在地球表层，依赖地质环境提供的条件得以生存，人类的工程活动，如矿产资源的开发、水力资源的开发、水利资源的利用、各类建筑物的构筑、地质灾害的防治等，均密切地与地质环境中的地质体相关。其中，将在岩体内部或表面修建或构筑的任何工程统称为岩石工程（或岩体工程）。

矿产资源的开采、水能资源的开发、水利资源的利用、铁路公路的建设、地质灾害的防治等，均密切地与地质环境中的岩石相关。

供稿：祁诗渊