基本介紹
定義,特點,研究內容,基礎理論,研究方法,工程套用,發展概況,展望,參考書目,
定義
岩石力學的誕生是以解決岩石工程穩定性問題和研究岩石的破碎條件為目的而誕生的。其研究介質不僅非常複雜，而且存在許多力學性質不穩定性或不確定性因素，這就使得本學科獨立的、完善的、系統的基礎理論難以建立、岩石力學的發展始終引用和發展固體力學、土力學、工程地質學等學科的基本理論和研究成果，或者引用這些相關學科的研究成果來解決岩石工程中的問題，因此，偏重不同行業套用的岩石力學往往有不同的定義，迄今岩石力學也沒有統一的定義。
美國地質協會岩石力學委員會於1964年提出的岩石力學定義為：岩石力學是研究岩石力學性狀的一門理論和套用科學，是力學的一個分支，是研究岩石在不同物理環境的力場中產生各種力學效應的學科。該定義概況了岩石破碎和穩定兩方面的主題，也概括了岩石在不同物理環境中各種應力狀態下的變形、破壞規律。這是一個較廣泛、較嚴密並得到廣泛認可的定義。
岩石力學又稱為岩體力學。但隨著科學技術的發展，岩石與岩體已有嚴格的區分，因此有人認為應將岩石力學改為岩體力學更切合本學科的研究主題。但是，岩石力學這一名詞沿用已久且使用普遍，所以岩石力學和岩體力學是同一學科。
特點
岩石力學是一門套用性很強的學科，岩石力學的研究注重岩石本身的固有特性。在地球表面的岩石，基本上可分為三大類，即火成岩、沉積岩、變質岩。它們形成的時期，最早可在幾十億年之前，在漫長的地質年代中，先後經歷了多次構造運動。因此，岩石與人工材料有很大不同。在成岩過程中，組成岩石的礦物顆粒在大小、物理力學性質和熱導率等方面都各不相同，因此在岩槳冷卻時，顆粒內部和邊界會產生微裂紋；另一方面，由於晶體相互間有摩擦阻力，變形受阻，引起應力積累，而形成封閉應力。在此後地質構造的長期作用下，岩石中又形成了各種斷裂，如裂隙和斷層。裂紋、斷裂等在外力作用下都具有隨時間而變化的力學性能，即流變性。地殼本身在動力作用下也按一定的速率不斷變化。此外，在構造運動，如板塊構造、板塊碰撞、火山運動、造山運動等的影響下，岩石內部還賦存有地應力，並包含著許多晶體間的滑動面、裂紋、節理、裂隙、層面、弱面、夾層和斷層等。因此，岩石是一種非均質、各向異性、非連續、而且內部存在應力的複合地質結構。在結構內部又包括許多力學性質不同的岩石單元，而每個單元本身也往往是非均質、各向異性和非連續的。由此可見，岩石的力學性質遠較其他材料複雜，任何岩石力學科學實驗、理論分析和計算都必須考慮這些特點，構成了岩石力學研究的基本出發點。
研究內容
（1）岩石的物質組成和結構特徵；
（2）岩石和岩體的本構關係（應力—應變關係）；
（3）工程岩體的應力、應變和強度理論；
（4）岩石（岩塊）室內實驗；
（5）岩體測試和工程穩定監測；
（6）地質災害致災機理與防控。
基礎理論
主要研究：
①岩石應力，包括岩體內應力的來源、初始應力(構造應力、自重應力等)、二次應力、附加應力等。初始應力由現場量測決定，常用鑽孔應力解除法和水壓致裂法，有時也用應力恢復法。二次應力和附加應力的計算常用固體力學經典公式，複雜情況下採用數值方法。
②岩石強度，包括抗壓、抗拉、抗剪（斷）強度及岩石破壞、斷裂的機理和強度準則。室內用壓力機、直剪儀、扭轉儀及三軸儀，現場做直剪試驗和三軸試驗，以確定強度參數（粘聚力c和內摩擦角φ）。強度準則大多採用庫倫－納維準則。這個準則假定對破壞面起作用的正應力會增加岩石的抗剪強度，其增加量與正（壓）應力的大小成正比。其次採用莫爾準則，也可採用格里菲思準則和修正的格里菲思準則。
岩石力學相關書籍
岩石力學相關書籍③岩石變形，包括單向和三向條件下的變形曲線特性、彈性和塑性變形、流變（應力-應變-時間關係）和擴容。岩石流變主要包括蠕變和鬆弛。在應力不變時岩石的變形隨時間不斷增長的現象稱為蠕變。在應變不變時岩石中的應力隨時間減少的現象稱為鬆弛。岩石擴容是指在偏應力作用下，當應力達到某一定值時岩石的體積隨偏應力的增大而增大的現象。研究岩石變形在室內常用單軸或三軸壓縮方法、流變試驗和動力試驗等，多數試驗往往結合強度研究進行。為了測定岩石應力達到峰值後的應力與應變關係，必須套用伺服控制剛性壓力機。野外試驗有承壓板法、水壓法、鑽孔膨脹計法和動力法等。根據室內外試驗可獲得應力與應變關係和應力-應變-時間關係以及相應的變形參數，如彈性模量、變形模量、泊松比、彈性抗力係數、流變常數等。
④岩石滲流，包括滲透性、滲流理論、滲流應力狀態和滲流控制等。對大多數岩石假定岩石中的水流為層流，流速與水力梯度呈線性關係,遵循達西定律。岩石滲透性用滲透係數表示,該係數在室內用滲透儀測定，在野外用壓水和抽水試驗測定。滲流理論借流體力學原理進行研究。穩定滲流滿足拉普拉斯方程。多數岩石內的孔隙（裂隙）水壓力可用K.泰爾扎吉有效應力定律計算。為了減小大壩底面滲透壓力、提高大壩的穩定性，應當採取滲流控制措施，如抽水、排水、設定灌漿帷幕以延長滲流途徑等。
岩石力學相關書籍
岩石力學相關書籍⑤岩石動力性狀，研究爆炸、爆破、地震、衝擊等動力作用下岩石的力學特性、應力波在岩石內的傳播規律、地面振動與損害等。動力特性在室內用動三軸試驗研究，野外用地球物理性、爆炸衝擊波試驗等技術進行研究，波的傳播規律借固體力學的理論進行研究。
研究方法
岩石力學的研究方法主要是：科學實驗和理論分析。科學實驗包括室內試驗、野外試驗和原型觀測（監控）。室內試驗一般分為岩塊（或稱岩石材料，即不包括明顯不連續面的岩石單元）試驗和模型試驗（主要是地質力學模型試驗和大工程模擬試驗）。野外試驗和原型觀測是在天然條件下，研究包括有不連續面的岩體的性狀，是岩石力學研究的重要手段，也是理論研究的主要依據。理論分析是對岩石的變形、強度、破壞準則及其在工程上的套用等課題進行探討。在這方面，長期以來沿用彈性理論、塑性理論和鬆散介質理論進行研究。由於岩石力學性質十分複雜，所以這些理論的適用範圍總是有限的。近年來，雖然發展了一些新的理論（如非連續介質理論），但都不夠成熟。1960年代以來，數值分析方法和大型電子計算機的套用給岩石力學的發展創造了有利條件。用這種方法和計算設備可以考慮岩石的非均質性，各向異性，應力－應變的非線性和流變性，粘、彈、塑性，等等。但是由於當前岩石力學的試驗方法較落後，還無法為計算提供準確的參數及合適的邊界條件，使計算技術的套用受到影響。
在研究中，一般應注意以下三個基本問題：①岩石是一種複雜的地質介質，研究工作都須在地質分析，尤其是在岩體結構分析的基礎上進行；②研究岩石力學的電要目的是解決工程實際問題，由於在工程實踐中岩石力學涉及地球物理學、構造地質學、實驗技術、計算技術、施工技術等學科，因此有關學科的研究人員以及工程勘測設計，施工人員的密切合作至關重要；③岩石性質十分複雜，目前使用的理論和方法還不能完全描述自然條件，因此強調在現場對岩石的性狀進行原型觀測，並利用獲得的資料驗證或修改理論分析結果和設計方案。對工程實踐而言，岩體中的非連續面和軟弱夾層往往是控制岩體穩定的主導因素。它們的力學特性，特別是流變性及其對建築物的影響，日益受到重視。
工程套用
主要研究五個方面：
①地上工程建築物的岩石地基，例如研究高壩、高層建築、核電站以及輸電線路塔等地基的穩定、變形及處理的問題；②地表挖掘的岩石工程問題，如水庫、邊坡、高壩、岸坡、 渠道、運河、路塹、露天開採坑等天然和人工邊坡的穩定、變形及加固問題；
岩石力學相關書籍
岩石力學相關書籍③地下洞室，如研究地下電站、 水工隧洞 、交通隧道、採礦巷道、戰備地道、石油產品庫等的圍岩的穩定和變形問題，地下開挖施工以及圍岩的加固（如固結灌漿 、 錨噴 、 預應力錨固 等）問題；
④岩石破碎,如將岩石破碎成各種所要求的規格，以作為有關建築材料（建築物面石、 土壩 護石、 堆石壩 和防波堤 石料、混凝土骨料等）；
發展概況
岩石力學的發展是與人類的生產活動緊密聯繫的。在原始社會，人類就利用岩石製作工具和武器。後來逐漸學會在岩石中開採礦石，利用岩石作建築材料。但是，作為一門學科，岩石力學是近幾十年才發展起來的。近年來，世界上建成的大壩，高度已達300米，地下工程的開挖深度已超過3000米，而且更巨大和複雜的岩石工程還在日益增加，從而有力地促進岩石力學的發展。1951年在奧地利薩爾茨堡成立了國際上第一個地區性的地質力學學會——奧地利地質力學學會。1962年，由奧地利地質力學學會發起，成立了國際岩石力學學會（ISRM），迄今已成功舉辦12屆國際岩石力學大會和許多次區域性專業學術會議，是最活躍的國際學術組織之一。
中華人民共和國成立後不久就開始了岩石力學的研究工作。但系統、全面地發展，並把岩石力學作為一門學科進行研究是從1958年開始的，當年成立了三峽岩基組，開展大規模室內和室外科學實驗和理論分析工作，研製出一批儀器設備〈如岩石靜力和動力三軸儀），培養出一批骨幹力量，為中國岩石力學的發展奠定了基礎。此後，成功地解決了長江葛洲壩、大冶露天鐵礦等許多巨大工程中的岩石力學問題。在理論方面，中國學者把流變理論套用於岩石力學，並在三峽進行岩體流變試驗。後來又發展了岩石蠕變，應力鬆弛、擴容理論，提出了關於岩石應力的來源和釋放的新觀點。近年來為了開展對地殼和上地幔的研究（地球動力學的研究對象），中國科學院地球物理研究所研製成高溫高壓岩石三軸流變儀。1979年起，中國以團體會員國名義參加了國際岩石力學學會並成立了國際岩石力學學會中國小組，1982年成立了中固岩石力學與工程學會（籌備組），第二年出版了《岩石力學與工程學報》。
展望
岩石力學的發展，有如下值得注意的趨勢：①從建設的需要看，今後有大量工程要修建在軟弱岩石（包括膨脹岩石）之上或在這種岩石之中；對軟弱岩石力學，包括對流變性、複雜的本構方程（即應力－應變－時間關係）及相應的計算方法，地應力、地下水對軟岩力學性質的影響，軟弱岩石加固技術和理論等的研究，將日益顯示出重要性。②隨著地下空間的利用，地下電站（水電站、火電站、核電站）以及礦源和能源的開發和交通運輸等事業的發展，岩石力學的研究重點將日益轉向地下。因此，今後對與地下工程有關的岩石力學問題，如快速施工技術、岩爆、瓦斯爆炸、圍岩原型監控等將會給予更多的重視。③以往岩石力學的研究對象主要是地殼上部的一個薄層。為了摸清地震機制、成礦規律、大地構造穩定性等問題以及滿足深部採礦和採油的需要，今後岩石力學將與地球動力學結合起來。地球動力學主要的研究對象是地殼和上地幔的運動規律，由於地殼構造運動經歷時間長，應變率低（約10/秒〉，而且隨深度的增加，圍壓越來越大，溫度越來越高，因此在研究中必須考慮時間因素和高溫高壓等特點。
參考書目
Tan Tjong-Kie，Future Development and Direction in Rock Mechanics，Special Report on 5th Congress ISRM，Melbourne，Australia，1983.
Tan Tjong-Kie and Kang Wen-Fa，Locked in Stresses，Creep and Dilatancy of Rock and Constitutive Equations，Rock Mechanics，Vol.13，pp.5～22，1980.
L. Müller-Salzburg，Der Felsbau，Ferdinand EnkeVerlag，Stuttgart，1978.
