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1、目录1 岩石强度、变形及时间效应11.1 岩石强度和强度准则11.2 岩石的变形与流变特性 11.2.1 岩石的变形 11.2.2 岩石流（蠕）变模型21.2.3 岩石的流（蠕）变试验32 岩石断裂与损伤力学32.1 断裂与损伤机制32.2 裂纹扩展机制 43 岩石多场耦合与应用43.1 多场耦合关系类型53.2 多场耦合研究内容与方法53.3 多场耦合应用54 岩石动力学与岩爆64.1 岩石动力特性 64.2 岩石动力本构关系 64.3 岩石声、电磁传播特性 64.4 岩爆分析 75 岩体非线性理论与加固稳定分析85.1 岩体非线性理论 85.2 软岩的力学特性与加固理论 85.3 岩质边坡
2、稳定分析 96 岩石力学试验技术106.1 岩石力学基本试验方法 106.2 试验仪器设备106.3 岩体结构模型试验技术 107 岩石力学数值分析方法117.1 有限元法117.2 离散元法 117.3 三维快速拉格朗日分析127.4 数字图像分析方法138 展望岩石力学发展与挑战13参考文献151 岩石强度、变形及时间效应岩石作为自然界的一种天然材料，对其变形和破坏特性的研究是沿着材料力学、弹性力 学、塑性力学、断裂力学和损伤力学等逐步发展的。由于水库大坝、山岭隧道、跨江（海）桥 隧等重大工程项目的兴建，以及地下采矿工程、人防工程及地下空间利用的快速发展，促进 科技工作者对岩石力学性质与时
3、间效应的持续研究，天然岩石材料的复杂性也越来越为人们 所认识。1.1岩石强度和强度准则岩石强度理论或强度准则是岩体工程设计、结构安全性分析的基础知识，一直是工程力 学界的一个热门课题。1900年莫尔（O. Mohr）教授建立了著名的莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）强 度理论。从那以后，岩石强度理论广泛吸引了工程师和物理学家（包括工程地质专家、力学 家、地球物理学家、材料科学家和土木、机械工程师等）的注意。以最大剪应力为基础的 Mohr 强度理论没有考虑中间主应力对材料强度的影响，俞茂宏在1961 年提出了双剪概念，并在 1991 年发表统一强度理论公式，后又提出非线性统一强度理论，可以将
4、经典理论作为该理 论的特例或线性逼近。经过53a来的持续研究，该理论已经形成众多系列，融入塑性力学、 断裂力学、损伤力学等学科，并广泛应用于机械零件、混凝土构件以及岩土工程的强度分析。 统一强度理论扩展到三向拉伸区，更适用于岩土材料和岩土工程，也使统一强度理论在理论 上更趋完善。郑颖人等发展了岩土塑性力学及其本构模型，并在应变空间塑性理论、多重屈服面理论 及建立广义塑性力学理论方面取得了较大进展，特别是郑颖人与高红等以考虑岩石内摩擦特 性的剪切应变能达到某个极限屈服值为假设前提，从理论上建立了岩土材料的抗剪能量屈服 准则，它是考虑中间主应力的摩擦材料屈服准则，当内摩擦角为0时立即退化为米赛斯准
5、则； 当罗德角为30时，或不考虑中间主应力时，退化为Mohr-Coulomb准则。殷有泉对岩土 在三维应变空间屈服面问题进行研究，提出用应变空间表达岩土的本构关系，使岩土的应变 软化硬化问题、弹塑性耦合问题得到较好的解决。哈秋舲提出卸载条件下的岩体本构模型。 李建林进一步研究了节理岩体卸载非线性力学特性，并应用于实际工程。许东俊和耿乃光以 软弱砂岩和致密坚硬的花岗岩以及中硬大理岩为研究对象，通过把中间主应力o2从g2=g3 的下限值增加到g2=g1的上限值，进一步研究了强度随中间主应o2的增加而变化的规律。 曹文贵等引进基于Mohr-Coulomb以及Drucker-Prager岩石强度判据的
6、岩石微元强度表示方 法，从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发，基于岩石三轴应力-应变试验曲线建 立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型；并对 Mohr-Coulomb 和 Drucker-Prager 岩石强度判据进行了修正。周辉等通过试验研究了硬岩强度的演化规律，提 出了高应力条件下硬脆性岩石的弹塑性耦合力学模型。白冰等新近提出无需先验假设硬化模 式、直接通过拟合强度准则参数来实现塑性硬化的方法。1.2 岩石的变形与流变特性1.2.1岩石的变形岩石试件在外荷载作用下由变形发展到破坏全过程，是一个渐进性逐步发展的过程，具 有明显的阶段性，总体可分为峰值前和峰值后两
7、个阶段。米靱Miller, 1965）对28种岩石试 验，并根据其试验成果将峰值前应力-轴向应变曲线划分为 6 类，分别为：弹性型、弹塑性 型、塑弹性型、塑弹-塑-I型、塑-弹-塑-II型及弹性-蠕变型。法默(Farmer, 1968)根据岩块 峰值前应力-应变曲线，把岩石划分为准弹性、半弹性、非弹性三类Wawerisk和F airhust(1970) 根据峰值后阶段曲线特征将岩块全过程曲线特征分为稳定破裂传播型 (I )和非稳定破裂传 播型(II)，葛修润等人(1994)根据自己研制的电液伺服自适应控制式岩石试验机上进行的试 验资料认为II型曲线是人为造成的，实际上并不存在。变形特征一般用杨
8、氏模量和泊松比2个指标来表示，尤明庆和苏承东基于试样压缩过程 中应力、应变数据的计算机连续采样，提出以应力差为强度 50%的两点的最大割线模量作 为岩石的杨氏模量，多个试样的试验值采用调和平均而不是算术平均；提出利用固定轴向变 形时围压与轴向应力的变化关系确定泊松比，以体现该参数在应力平衡方程中的作用。岩石 在应力-应变全过程曲线中，不同应力状态对应的弹性模量和泊松比是不同的，卢应发等对 任意地质材料进行围压加卸载确定弹性模量和泊松比，讨论不同应力状态下的损伤模量，指 出岩石的流变与黏性变形时效与其力学状态相关，并论证圆柱形试样较适宜于各向同性材料 试验。对于软岩和节理裂隙发育或高地应力条件下
9、的岩体，黏性变形时间效应更为明显，是 工程设计与计算中必须考虑的主要因素。何满潮等根据理论分析和工程实践，初步将深部软 岩的变形力学机制归纳为物化膨胀型(I)、应力扩容型(II)和结构变形型(III) 3大类和13种亚 类。同时指出，软岩工程大变形难以控制的根本原因是其具有复合型变形力学机制；软岩大 变形控制的三大关键因素为：正确地确定软岩的复合型变形机制、有效地转化复合型为单一 型以及合理地应用转化技术。不同地区的岩石其基本力学特性差异巨大。1.2.2岩石流(蠕)变模型20世纪2030年代，流变力学形成了独立的学科。流变是岩石材料的重要力学特征， 许多工程问题(采矿、大坝、桥墩、石油开采、能
10、源和放射性核废料储存、边坡及地下构筑 物的稳定性等)都与岩石的流变特性密切相关。1939年Griggs发表了他的研究成果，提出在 砂岩、泥板岩和粉砂岩等类岩石中，当荷载达破坏荷载的 12.5%80% 时，就发生流(蠕) 变的观点。在此以后的几十年里，很多研究者相继从各个不同方面进行了岩石蠕变研究。随 着岩石力学理论与实践的不断发展，岩石蠕变研究越来越引起广泛重视。岩石流变模型的研究是岩石流变力学理论研究热点和核心之一。随着一些新的理论和方 法逐渐被采用，岩石流变模型理论也得到了一定程度的发展，包括用流变经验模型、元件模 型、损伤断裂模型来研究并发展岩石流变模型。我国岩石流(蠕)变的研究始于 1
11、958 年。当 时陈宗基指导了长江三峡平硐围岩的蠕变试验研究，提出了岩石蠕变的特性，他认为人们普 遍采用的普氏理论存在不合理性。后来根据对长江葛州坝工程地基泥化夹层的研究，又提出 了确定岩体长期稳定强度的本构方程。 20世纪6070年代，陈宗基率先对宜昌砂岩进行了 扭转蠕变试验，研究了岩石的封闭应力和蠕变扩容现象，并指出蠕变和封闭应力是岩石性状 中的 2 个基本因素。陈宗基从宏观和微观2 个方面先后提出黏土的流变本构方程、二次时 间效应及片架结构理论。目前，岩石流变损伤断裂的研究主要集中在探讨岩石蠕变损伤、蠕变断裂及其耦合机制。 如孙钧等对软岩的非线性流变力学特性进行了理论预测和试验研究，提出
12、了统一的三维大变 形非线性黏弹塑性流变本构模型及其算法，并将其应用于地下工程中。同时，还分析了含I 型裂纹岩石的流变断裂特性，提出 I 型裂纹流变断裂韧度的 3 个阈值，然后应用断裂力学 和黏弹塑性理论，在考虑屈服、蠕变和 II 型裂纹扩展等物理力学特性的基础上，得到了岩 体隧洞衬砌与围岩应力解析式。之后采用直接拉伸试验，对红砂岩进行了拉伸断裂和拉伸流 变断裂试验，得到了该类岩石流变断裂准则。河海大学徐卫亚教授（2006）提出了“岩石非线 性黏弹塑性流变模型（河海模型）”，该模型被运用锦屏一级水电站，但是模型参数的选取过 程存在瑕疵。武汉岩土所杨春和等在盐岩工程力学试验及理论研究方面，建立了能
13、有效反映 深层盐岩流变特性的数学力学模型和计算分析方法，主要研究成果已应用于我国盐岩能源地 下储库的选址、设计和运营参数评估中。1.2.3岩石的流（蠕）变试验岩石流变试验主要分为室内岩石流变试验和现场岩体流变试验。室内试验具有能够长期 观测、较严格控制试验条件、重复次数多等优点。现场试验耗资费时、难度较大，因而对现 场岩体流变力学特性的试验研究成果相对较少。因此，岩石流变力学特性的试验研究成果也 主要集中在室内试验方面。孙钧等对三峡花岗岩进行了劈裂拉伸蠕变试验，指出岩石的蠕变 拉伸强度与加载速率有关，并研究了水对岩石拉伸蠕变特性的影响；同时，利用三点弯曲试 验方法对层状岩石进行了试验研究与理论
14、分析，利用重正化群变换理论对岩石的流变断裂机 制进行了定量分析，建立了岩石流变断裂准则，同时验证了直接拉伸试验所得到的试验结果。 夏才初等开展了深部节理岩体在高应力下的卸载流变力学特性的研究。袁龙蔚等求出了 3 种煤系岩石的蠕变参数值，并初步证明了这3 种岩石的蠕变过程服从线性变形定律。雷承弟 对二滩正长岩蚀变玄武岩进行了现场承压板压缩蠕变试验，拟合得到了蠕变经验公式。周火 明在三峡工程坝址试验洞内开展了岩体单轴、三轴压缩蠕变试验和岩体剪切蠕变试验，研究 表明岩体应变与时间曲线与室内试验具有相同特征，而且在低应力水平下的蠕变特性仍可用 广义 Kelvin 模型来描述；同时，对岩体结构面进行了现
15、场剪切蠕变试验，给出了岩体结构 面的蠕变模型及相应的蠕变参数。2 岩石断裂与损伤力学由于岩石中存在节理、裂隙等缺陷，极大地影响岩石的力学特性，因此断裂力学的概念 被引入到岩石强度理论研究中，围绕岩石中岩石断裂机理以及裂纹扩展规律，在理论及实验 方面都进行了大量研究，取得了显著进展。2.1 断裂与损伤机制迄今为止,许多学者围绕岩石的损伤进行了大量研究,建立了各种能够适用于岩石的宏观 损伤模型，例如Krajcinovic连续损伤模型，Marigo脆性和疲劳损伤模型，Bui和Ehrlacher的 损伤模型， Supartono 和 Sidoroff 的理想损伤模型， Frantziskonis 和
16、Desai 的损伤模型， Kawamoto、Ichikawa 和 Kyoya 的节理岩体损伤模型 Cheng 和 Dusseault 的损伤-空隙压力耦 合连续统模型，Aubertin等的SUVIC-D模型Chen和Bodner等的MDCF模型，朱维申的裂 隙岩体弹塑性损伤断裂模型，周维垣的节理岩体弹脆性损伤模型，谢和平的岩石损伤模型等 等。这些连续损伤模型的共同特点是：根据热力学理论和弹塑性理论对其损伤过程进行唯象 分析，通过定义特定的损伤变量，建立损伤演化方程，再基于等效原理（应变等效、应力等效 或能量等效）建立损伤本构方程。籍此建立的本构方程包含了损伤变量，可以反映损伤对岩 石变形特性的影响，至于损伤的变化特性则可通过损伤演化方程加以描述。因此，损伤变量 的定义是宏观损伤模型的关键问题。细观损伤
