关于岩体力学学科属性的探讨

齐 伟，代树林

吉林大学 建设工程学院 ,吉林 长春 130026

一、引 言

岩体力学是在土木工程及地质工程实践中诞生和发展起来的一门应用基础学科，它广泛应用于水利水电、交通、煤炭、石油、冶金、建筑等众多的工程建设领域。从学科的发展来说，在国际上它萌芽于20世纪50年代，到60年代中期才确立为一门独立学科。作为一门较年轻的学科，岩体力学学科的发展虽然只有大约半个世纪的发展历史，但它的研究工作却一直十分活跃，尤其是近20多年来，岩体力学在广泛服务于工程实践的同时，自身又有了许多新的发展，人们对这门学科的认识也更加深入。目前在我国的高等院校相关专业中，将岩体力学作为土木工程及地质工程相关专业的一门专业基础课程，它对后续的专业课学习起着重要的理论基础作用。因此有必要在岩体力学教学中融入新的思想和内容，端正对这一学科的认识。

关于岩体力学的学科属性问题，一直以来人们存在着不同的认识，现在的许多教科书中还在引用美国国家岩石力学委员会于1966年对岩石力学给予的定义，认为岩石力学是研究岩石力学性状的一门理论和应用科学，是力学的一个分支学科。然而一些学者则认为，岩体力学发展至今已经融入了众多学科的广泛知识，研究解决岩体力学问题已经不再是一个单纯的力学问题，力学方法仅仅是研究岩体力学问题的一个方面，而不是全部。因此将岩体力学归属于力学范畴未免有失于岩体力学的真谛，应该将岩体力学看做是多学科相互渗透交融而形成的一门边缘学科，只有这样才能正确地分析研究岩体力学问题，使岩体力学理论更有效地解决工程实践中的问题。

二、对岩体力学学科属性的认识过程

在岩体（石）力学形成和发展的初期，人们是把岩石视为一种固体材料而加以研究的，并称之为“岩石力学”，所以在当时把它看做是固体力学的一个分支是很自然的。在这一阶段人们用经典的连续介质力学的理论和方法来研究岩石在受力作用下的变形和破坏问题。但是，当人们把研究的结果应用于解决工程建设中所遇到的岩体稳定性和强度问题时就发现，用这些理论和方法研究得出的结果与实际工程岩体所表现出来的性质和行为存在很大的差异，甚至使研究结果完全失去意义。为什么会出现这种状况呢？这是因为，在工程建设中所遇到的研究对象不是岩石块体（或者说岩石材料），而是岩体，而岩体是复杂的地质体而绝非是一种固体材料，岩体作为工程建设载体和环境所表现出来的性质和行为与岩石块体在实验室里所表现出的性质和行为有很大的差别，这种差别的主要原因是由于岩体是地质作用的产物，它具有复杂的物质组成和结构组成，岩体在其建造和地质演化过程中形成了各种地质界面，如断层、软弱夹层以及各种节理裂隙，我们统称它们为“结构面”，这些结构面对岩体的力学性质和力学作用起着重要的控制作用。所以岩体的力学性质在很多情况下是不能用岩块的力学性质代表的。

同时，岩体作为地质体赋存于一定的地质环境中，它受着地应力和地下水等地质环境因素的作用和影响，在不同的地质环境中会使其性质和行为发生变化。所以对岩体力学问题的研究离不开对其地质特征的研究，包括岩体的建造和地质改造作用，所生成的各种结构面的成因和形态以及岩体结构特征，岩体所赋存的地质环境特征等。

另外，岩体力学是一门服务于土木工程和地质工程的应用学科，它所研究的问题是工程实践中的实际问题，因此在运用岩体力学知识解决实际问题时，必须结合工程的实际情况，针对工程的实际问题展开研究，所以岩体力学问题的提出以工程实际为背景，只有在认真分析工程实际情况和特点的基础上，才能建立正确的力学分析模型。因此，岩体力学研究必须以实际工程为依托，也就是说，岩体力学必然要涉及工程建筑学方面的知识。由此可见，岩体力学应该是介于力学、工程地质学和土木工程学之间的一门边缘学科，将三者紧密结合在一起才是岩体力学发展的正确方向。

三、岩体的地质特征是岩体力学研究的基础

岩体力学研究的对象是与人类工程活动有关的岩体，现在的岩体力学已经赋予了岩体和岩石不同的涵义。岩体是复杂的地质体而并非是一种固体材料，它是由岩石组成的，具有一定的结构和构造，并赋存于一定的地质环境中的地质体。在岩体形成和演化的地质历史中，产生了复杂多样的地质结构面，如断层、各种节理裂隙和软弱夹层等，这些地质结构面对岩体的力学性质和力学作用有重要的影响，甚至是起着某种控制作用，这些结构面的存在使岩体具有不连续性、非均质性和各向异性等特征，因此岩体应视为不连续力学介质，将岩体力学视为不连续介质力学。而狭义的岩石是指组成岩体的岩石块体或岩石材料，是组成岩体的基本结构单元，岩石与岩体的主要区别是不存在宏观的地质结构面，因此岩石可以被视为连续的、均质的力学介质，这样定义的岩石力学自然属于连续介质力学。

所以岩体力学的研究首先应分清研究对象是岩石材料还是岩体，然后选用对应的介质力学理论和方法加以研究，这样才能使岩体力学研究不偏离正确的方向。譬如，整体结构的岩体地质结构面不发育或不明显主要由岩石材料决定岩体的性质，可将其视为连续介质，即可采用连续介质力学的理论如弹性理论、弹塑性理论等加以研究；对于块状结构岩体，切割岩体的结构面控制了岩体的变形和破坏，则应运用刚体极限平衡理论加以研究，这时岩体的强度主要是控制性软弱结构面的强度而不是岩石的强度；对于层状结构的岩体，定向排列的结构面将岩体切割成板状或柱状，则应采用材料力学及结构力学的理论和方法加以研究；对于碎裂结构岩体，结构面发育较密集，岩体破碎程度较高，显然属于不连续介质，岩体的力学性质取决于结构面的性状及其组合状况，则应运用关键块理论和数值分析等方法加以研究；对于严重风化或断层破碎带等松散岩体，属于散体结构，应运用松散介质理论如土力学的理论和方法加以研究。总而言之，岩体不同的结构类型适用于不同的力学理论与方法，所以正确的岩体力学研究应建立在与之对应的岩体地质模型及岩体结构模型的基础上。脱离岩体的地质特征分析将会导致岩体力学研究走入误区。

四、岩体力学的研究发展与岩体工程息息相关

岩体力学的研究问题来源于岩体工程，因此岩体力学的发展伴随着岩体工程的发展。岩体力学应用于解决的工程问题主要是隧道（地下）工程、边坡工程和地基工程，随着这些工程的大力发展促进了岩体力学的迅速发展。譬如，我国三峡水利枢纽工程175米高的船闸高边坡在国内外无先例可比，工程建设面临前所未有的工程地质与岩石力学领域的难题。

20世纪50年代以来，特别在国家“七五”、“八五”重大科技攻关期间，我国组织了大批科技人员针对这一史无前例的岩石高边坡工程开展了大量的研究工作。采用应力应变全过程测试、岩体单轴和三轴压缩蠕变、岩体拉剪试验、硬性结构面及岩体剪切蠕变试验等多种方法对高边坡岩体力学特性进行了系统研究；在拉伸状态及三向应力状态下的岩石力学性质、岩石断裂力学性能、岩体流变特性、岩石拉剪强度准则、岩体宏观力学参数取值、岩体饱和-非饱和参数试验研究等方面取得了许多重要成果；在理论研究方面，分别采用极限平衡理论方法及弹塑性、弹脆塑性、弹脆塑性损伤、粘弹塑性等多种材料模型进行了二、三维数值分析，对高边坡稳定性与变形特性进行了综合分析评价，为制定高边坡稳定及监控方案提供了理论依据；在工程地质勘察方法方面，综合运用钻孔弹模测试技术、钻孔全孔壁彩色数字录像、电磁波CT层析成像技术、地震波层析技术、地质雷达、声波测试等多种高新勘测技术，查明了高边坡工程地质及水文地质条件，建立了地质概念模型，为高边坡稳定分析与控制奠定了地质基础，同时也大大促进了岩体力学勘查技术方法手段的发展。

近二三十年来，随着我国交通工程及地下工程的大力发展，建造了一大批长大及特长隧道及隧洞工程，岩体力学在这一工程领域有着广泛的研究和应用。如京广线衡广复线上的大瑶山隧道、大秦铁路上的军都山隧道、南昆铁路的米花岭隧道、朔黄铁路的长梁山隧道、西康线上的秦岭隧道、兰新铁路的乌鞘岭隧道、青藏线上的风火山隧道以及辽宁大伙房水库引水隧洞等，许多隧道（洞）工程都遇到了前所未有的复杂地质条件和设计施工难题，隧道中遇到的大量断层破碎带、岩溶地质、瓦斯、岩爆和有害气体等都给设计和施工带来了很大困难，岩体力学在研究解决这些工程中的复杂问题的同时，自身也得到了快速发展，如围岩形变压力理论、地层结构法设计理念、喷锚支护理论与技术、信息化设计方法、控制爆破理论与方法以及TBM隧道（洞）掘进技术等都是在这些隧道（洞）工程实践中发展起来的。事实证明，岩体力学只有与工程实际紧密结合，其发展才能有强大的生命力。

五、岩体力学研究应建立正确的力学分析模型

岩体力学研究首先应分析岩体的力学作用机理，建立正确的力学分析模型，而单纯的力学研究却往往忽略岩体力学作用机理及本质的分析，则会使岩体力学研究和教学走入误区。岩体地质特征和结构特征的复杂性，决定了岩体力学作用机理的复杂性。某些情况下，岩体的力学性质取决于组成岩体的岩石的力学性质。而有些情况，岩体的强度受控于岩体中软弱结构面的强度，还有的情况岩体的性质与结构面的组合及分布状况有密切的关系。不同的工程也有不同的岩体力学作用机理，所以岩体的力学分析首先要搞清楚岩体的力学作用机理，建立正确的分析模型。譬如，若岩体的变形和破坏取决于组成岩体的岩石，则可以在实验室测定岩石（块）的相关力学参数提供于设计；如果岩体的变形和破坏受控于岩体中软弱结构面的强度，则应通过相应的试验测定结构面的强度指标用于设计，或以岩体的原位试验测定其力学参数。岩体中软弱结构面的抗剪强度不能用岩石材料的强度代替，岩体的变形模量也不能用岩石（块）的弹性模量取代。在分析岩体的力学作用时，应根据工程的实际情况，建立正确的力学分析模型。例如，对于剪切破坏的问题则应运用剪切破坏的理论加以分析，如摩尔强度理论；而对于拉张破坏的问题则应运用张破坏的理论来分析，如正应变理论、格里菲斯强度理论等。

各种强度理论都有其各自的假设前提条件，并适用于不同的破坏问题，因此在运用这些理论时应注意它们的适用条件。笔者就曾遇到过有的研究生论文研究裂隙岩体边坡的稳定性问题而采用的是米赛斯强度理论，显然这一理论的应用前提与该研究的实际问题不相符。当岩体的变形和破坏与时间因素有关时，应充分考虑时间效应问题，建立对应的流变模型进行研究。对于循环荷载及长期荷载条件下的问题则应取岩体的循环荷载强度及长期强度。实际工程中的问题往往是三向应力的问题，而向设计提供岩石的单轴强度则失去实际意义。当岩体中的水丰富时，应以岩石（体）饱水的强度作为力学指标，否则提供的强度参数无实际意义等等。

综上所述，岩体力学研究不仅仅是一个力学研究问题，脱离岩体的地质及结构特征和岩体工程实际则会使岩体力学研究走入误区并失去实际意义，因此岩体力学研究应该是涉及多学科的综合性研究。这样说来，岩体力学的学科属性应该是多学科相互交融而形成的边缘学科，只有这样正确认识岩体力学的学科属性才有利于这一学科更好地服务于工程实践。

[1]高 玮.岩体力学[M].北京：北京大学出版社，2010.

[2]王渭明，杨更社，张向东，等.岩石力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[3]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

[4]齐 伟.岩体力学[M].北京：地质出版社，2011.