齊 偉，代樹林

吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院 ,吉林 長春 130026

一、引 言

巖體力學(xué)是在土木工程及地質(zhì)工程實踐中誕生和發(fā)展起來的一門應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它廣泛應(yīng)用于水利水電、交通、煤炭、石油、冶金、建筑等眾多的工程建設(shè)領(lǐng)域。從學(xué)科的發(fā)展來說，在國際上它萌芽于20世紀50年代，到60年代中期才確立為一門獨立學(xué)科。作為一門較年輕的學(xué)科，巖體力學(xué)學(xué)科的發(fā)展雖然只有大約半個世紀的發(fā)展歷史，但它的研究工作卻一直十分活躍，尤其是近20多年來，巖體力學(xué)在廣泛服務(wù)于工程實踐的同時，自身又有了許多新的發(fā)展，人們對這門學(xué)科的認識也更加深入。目前在我國的高等院校相關(guān)專業(yè)中，將巖體力學(xué)作為土木工程及地質(zhì)工程相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它對后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)起著重要的理論基礎(chǔ)作用。因此有必要在巖體力學(xué)教學(xué)中融入新的思想和內(nèi)容，端正對這一學(xué)科的認識。

關(guān)于巖體力學(xué)的學(xué)科屬性問題，一直以來人們存在著不同的認識，現(xiàn)在的許多教科書中還在引用美國國家?guī)r石力學(xué)委員會于1966年對巖石力學(xué)給予的定義，認為巖石力學(xué)是研究巖石力學(xué)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，是力學(xué)的一個分支學(xué)科。然而一些學(xué)者則認為，巖體力學(xué)發(fā)展至今已經(jīng)融入了眾多學(xué)科的廣泛知識，研究解決巖體力學(xué)問題已經(jīng)不再是一個單純的力學(xué)問題，力學(xué)方法僅僅是研究巖體力學(xué)問題的一個方面，而不是全部。因此將巖體力學(xué)歸屬于力學(xué)范疇未免有失于巖體力學(xué)的真諦，應(yīng)該將巖體力學(xué)看做是多學(xué)科相互滲透交融而形成的一門邊緣學(xué)科，只有這樣才能正確地分析研究巖體力學(xué)問題，使巖體力學(xué)理論更有效地解決工程實踐中的問題。

二、對巖體力學(xué)學(xué)科屬性的認識過程

在巖體（石）力學(xué)形成和發(fā)展的初期，人們是把巖石視為一種固體材料而加以研究的，并稱之為“巖石力學(xué)”，所以在當時把它看做是固體力學(xué)的一個分支是很自然的。在這一階段人們用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論和方法來研究巖石在受力作用下的變形和破壞問題。但是，當人們把研究的結(jié)果應(yīng)用于解決工程建設(shè)中所遇到的巖體穩(wěn)定性和強度問題時就發(fā)現(xiàn)，用這些理論和方法研究得出的結(jié)果與實際工程巖體所表現(xiàn)出來的性質(zhì)和行為存在很大的差異，甚至使研究結(jié)果完全失去意義。為什么會出現(xiàn)這種狀況呢？這是因為，在工程建設(shè)中所遇到的研究對象不是巖石塊體（或者說巖石材料），而是巖體，而巖體是復(fù)雜的地質(zhì)體而絕非是一種固體材料，巖體作為工程建設(shè)載體和環(huán)境所表現(xiàn)出來的性質(zhì)和行為與巖石塊體在實驗室里所表現(xiàn)出的性質(zhì)和行為有很大的差別，這種差別的主要原因是由于巖體是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，它具有復(fù)雜的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)組成，巖體在其建造和地質(zhì)演化過程中形成了各種地質(zhì)界面，如斷層、軟弱夾層以及各種節(jié)理裂隙，我們統(tǒng)稱它們?yōu)椤敖Y(jié)構(gòu)面”，這些結(jié)構(gòu)面對巖體的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)作用起著重要的控制作用。所以巖體的力學(xué)性質(zhì)在很多情況下是不能用巖塊的力學(xué)性質(zhì)代表的。

同時，巖體作為地質(zhì)體賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中，它受著地應(yīng)力和地下水等地質(zhì)環(huán)境因素的作用和影響，在不同的地質(zhì)環(huán)境中會使其性質(zhì)和行為發(fā)生變化。所以對巖體力學(xué)問題的研究離不開對其地質(zhì)特征的研究，包括巖體的建造和地質(zhì)改造作用，所生成的各種結(jié)構(gòu)面的成因和形態(tài)以及巖體結(jié)構(gòu)特征，巖體所賦存的地質(zhì)環(huán)境特征等。

另外，巖體力學(xué)是一門服務(wù)于土木工程和地質(zhì)工程的應(yīng)用學(xué)科，它所研究的問題是工程實踐中的實際問題，因此在運用巖體力學(xué)知識解決實際問題時，必須結(jié)合工程的實際情況，針對工程的實際問題展開研究，所以巖體力學(xué)問題的提出以工程實際為背景，只有在認真分析工程實際情況和特點的基礎(chǔ)上，才能建立正確的力學(xué)分析模型。因此，巖體力學(xué)研究必須以實際工程為依托，也就是說，巖體力學(xué)必然要涉及工程建筑學(xué)方面的知識。由此可見，巖體力學(xué)應(yīng)該是介于力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)和土木工程學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科，將三者緊密結(jié)合在一起才是巖體力學(xué)發(fā)展的正確方向。

三、巖體的地質(zhì)特征是巖體力學(xué)研究的基礎(chǔ)

巖體力學(xué)研究的對象是與人類工程活動有關(guān)的巖體，現(xiàn)在的巖體力學(xué)已經(jīng)賦予了巖體和巖石不同的涵義。巖體是復(fù)雜的地質(zhì)體而并非是一種固體材料，它是由巖石組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，并賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。在巖體形成和演化的地質(zhì)歷史中，產(chǎn)生了復(fù)雜多樣的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，如斷層、各種節(jié)理裂隙和軟弱夾層等，這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)面對巖體的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)作用有重要的影響，甚至是起著某種控制作用，這些結(jié)構(gòu)面的存在使巖體具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性等特征，因此巖體應(yīng)視為不連續(xù)力學(xué)介質(zhì)，將巖體力學(xué)視為不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)。而狹義的巖石是指組成巖體的巖石塊體或巖石材料，是組成巖體的基本結(jié)構(gòu)單元，巖石與巖體的主要區(qū)別是不存在宏觀的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，因此巖石可以被視為連續(xù)的、均質(zhì)的力學(xué)介質(zhì)，這樣定義的巖石力學(xué)自然屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)。

所以巖體力學(xué)的研究首先應(yīng)分清研究對象是巖石材料還是巖體，然后選用對應(yīng)的介質(zhì)力學(xué)理論和方法加以研究，這樣才能使巖體力學(xué)研究不偏離正確的方向。譬如，整體結(jié)構(gòu)的巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或不明顯主要由巖石材料決定巖體的性質(zhì)，可將其視為連續(xù)介質(zhì)，即可采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論如彈性理論、彈塑性理論等加以研究；對于塊狀結(jié)構(gòu)巖體，切割巖體的結(jié)構(gòu)面控制了巖體的變形和破壞，則應(yīng)運用剛體極限平衡理論加以研究，這時巖體的強度主要是控制性軟弱結(jié)構(gòu)面的強度而不是巖石的強度；對于層狀結(jié)構(gòu)的巖體，定向排列的結(jié)構(gòu)面將巖體切割成板狀或柱狀，則應(yīng)采用材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和方法加以研究；對于碎裂結(jié)構(gòu)巖體，結(jié)構(gòu)面發(fā)育較密集，巖體破碎程度較高，顯然屬于不連續(xù)介質(zhì)，巖體的力學(xué)性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)面的性狀及其組合狀況，則應(yīng)運用關(guān)鍵塊理論和數(shù)值分析等方法加以研究；對于嚴重風化或斷層破碎帶等松散巖體，屬于散體結(jié)構(gòu)，應(yīng)運用松散介質(zhì)理論如土力學(xué)的理論和方法加以研究?？偠灾瑤r體不同的結(jié)構(gòu)類型適用于不同的力學(xué)理論與方法，所以正確的巖體力學(xué)研究應(yīng)建立在與之對應(yīng)的巖體地質(zhì)模型及巖體結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上。脫離巖體的地質(zhì)特征分析將會導(dǎo)致巖體力學(xué)研究走入誤區(qū)。

四、巖體力學(xué)的研究發(fā)展與巖體工程息息相關(guān)

巖體力學(xué)的研究問題來源于巖體工程，因此巖體力學(xué)的發(fā)展伴隨著巖體工程的發(fā)展。巖體力學(xué)應(yīng)用于解決的工程問題主要是隧道（地下）工程、邊坡工程和地基工程，隨著這些工程的大力發(fā)展促進了巖體力學(xué)的迅速發(fā)展。譬如，我國三峽水利樞紐工程175米高的船閘高邊坡在國內(nèi)外無先例可比，工程建設(shè)面臨前所未有的工程地質(zhì)與巖石力學(xué)領(lǐng)域的難題。

20世紀50年代以來，特別在國家“七五”、“八五”重大科技攻關(guān)期間，我國組織了大批科技人員針對這一史無前例的巖石高邊坡工程開展了大量的研究工作。采用應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程測試、巖體單軸和三軸壓縮蠕變、巖體拉剪試驗、硬性結(jié)構(gòu)面及巖體剪切蠕變試驗等多種方法對高邊坡巖體力學(xué)特性進行了系統(tǒng)研究；在拉伸狀態(tài)及三向應(yīng)力狀態(tài)下的巖石力學(xué)性質(zhì)、巖石斷裂力學(xué)性能、巖體流變特性、巖石拉剪強度準則、巖體宏觀力學(xué)參數(shù)取值、巖體飽和-非飽和參數(shù)試驗研究等方面取得了許多重要成果；在理論研究方面，分別采用極限平衡理論方法及彈塑性、彈脆塑性、彈脆塑性損傷、粘彈塑性等多種材料模型進行了二、三維數(shù)值分析，對高邊坡穩(wěn)定性與變形特性進行了綜合分析評價，為制定高邊坡穩(wěn)定及監(jiān)控方案提供了理論依據(jù)；在工程地質(zhì)勘察方法方面，綜合運用鉆孔彈模測試技術(shù)、鉆孔全孔壁彩色數(shù)字錄像、電磁波CT層析成像技術(shù)、地震波層析技術(shù)、地質(zhì)雷達、聲波測試等多種高新勘測技術(shù)，查明了高邊坡工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，建立了地質(zhì)概念模型，為高邊坡穩(wěn)定分析與控制奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)，同時也大大促進了巖體力學(xué)勘查技術(shù)方法手段的發(fā)展。

近二三十年來，隨著我國交通工程及地下工程的大力發(fā)展，建造了一大批長大及特長隧道及隧洞工程，巖體力學(xué)在這一工程領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用。如京廣線衡廣復(fù)線上的大瑤山隧道、大秦鐵路上的軍都山隧道、南昆鐵路的米花嶺隧道、朔黃鐵路的長梁山隧道、西康線上的秦嶺隧道、蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道、青藏線上的風火山隧道以及遼寧大伙房水庫引水隧洞等，許多隧道（洞）工程都遇到了前所未有的復(fù)雜地質(zhì)條件和設(shè)計施工難題，隧道中遇到的大量斷層破碎帶、巖溶地質(zhì)、瓦斯、巖爆和有害氣體等都給設(shè)計和施工帶來了很大困難，巖體力學(xué)在研究解決這些工程中的復(fù)雜問題的同時，自身也得到了快速發(fā)展，如圍巖形變壓力理論、地層結(jié)構(gòu)法設(shè)計理念、噴錨支護理論與技術(shù)、信息化設(shè)計方法、控制爆破理論與方法以及TBM隧道（洞）掘進技術(shù)等都是在這些隧道（洞）工程實踐中發(fā)展起來的。事實證明，巖體力學(xué)只有與工程實際緊密結(jié)合，其發(fā)展才能有強大的生命力。

五、巖體力學(xué)研究應(yīng)建立正確的力學(xué)分析模型

巖體力學(xué)研究首先應(yīng)分析巖體的力學(xué)作用機理，建立正確的力學(xué)分析模型，而單純的力學(xué)研究卻往往忽略巖體力學(xué)作用機理及本質(zhì)的分析，則會使巖體力學(xué)研究和教學(xué)走入誤區(qū)。巖體地質(zhì)特征和結(jié)構(gòu)特征的復(fù)雜性，決定了巖體力學(xué)作用機理的復(fù)雜性。某些情況下，巖體的力學(xué)性質(zhì)取決于組成巖體的巖石的力學(xué)性質(zhì)。而有些情況，巖體的強度受控于巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面的強度，還有的情況巖體的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)面的組合及分布狀況有密切的關(guān)系。不同的工程也有不同的巖體力學(xué)作用機理，所以巖體的力學(xué)分析首先要搞清楚巖體的力學(xué)作用機理，建立正確的分析模型。譬如，若巖體的變形和破壞取決于組成巖體的巖石，則可以在實驗室測定巖石（塊）的相關(guān)力學(xué)參數(shù)提供于設(shè)計；如果巖體的變形和破壞受控于巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面的強度，則應(yīng)通過相應(yīng)的試驗測定結(jié)構(gòu)面的強度指標用于設(shè)計，或以巖體的原位試驗測定其力學(xué)參數(shù)。巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度不能用巖石材料的強度代替，巖體的變形模量也不能用巖石（塊）的彈性模量取代。在分析巖體的力學(xué)作用時，應(yīng)根據(jù)工程的實際情況，建立正確的力學(xué)分析模型。例如，對于剪切破壞的問題則應(yīng)運用剪切破壞的理論加以分析，如摩爾強度理論；而對于拉張破壞的問題則應(yīng)運用張破壞的理論來分析，如正應(yīng)變理論、格里菲斯強度理論等。

各種強度理論都有其各自的假設(shè)前提條件，并適用于不同的破壞問題，因此在運用這些理論時應(yīng)注意它們的適用條件。筆者就曾遇到過有的研究生論文研究裂隙巖體邊坡的穩(wěn)定性問題而采用的是米賽斯強度理論，顯然這一理論的應(yīng)用前提與該研究的實際問題不相符。當巖體的變形和破壞與時間因素有關(guān)時，應(yīng)充分考慮時間效應(yīng)問題，建立對應(yīng)的流變模型進行研究。對于循環(huán)荷載及長期荷載條件下的問題則應(yīng)取巖體的循環(huán)荷載強度及長期強度。實際工程中的問題往往是三向應(yīng)力的問題，而向設(shè)計提供巖石的單軸強度則失去實際意義。當巖體中的水豐富時，應(yīng)以巖石（體）飽水的強度作為力學(xué)指標，否則提供的強度參數(shù)無實際意義等等。

綜上所述，巖體力學(xué)研究不僅僅是一個力學(xué)研究問題，脫離巖體的地質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征和巖體工程實際則會使巖體力學(xué)研究走入誤區(qū)并失去實際意義，因此巖體力學(xué)研究應(yīng)該是涉及多學(xué)科的綜合性研究。這樣說來，巖體力學(xué)的學(xué)科屬性應(yīng)該是多學(xué)科相互交融而形成的邊緣學(xué)科，只有這樣正確認識巖體力學(xué)的學(xué)科屬性才有利于這一學(xué)科更好地服務(wù)于工程實踐。

[1]高 瑋.巖體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

[2]王渭明，楊更社，張向東，等.巖石力學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[3]蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[4]齊 偉.巖體力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，2011.