岩石力学的形成与发展

如题所述

岩石力学是从工程建设中形成,与工程建设紧密联系的一门新兴边缘性学科,其历史短,发展迅速,但形成过程漫长。已知公元前 2 世纪,李冰利用岩体热胀冷缩特性,采用火烤水淋法破裂岩体,开凿都江堰宝瓶口、劈山修渠,这属于岩石力学的萌芽。公元 1 世纪,我国劳动人民利用冲击破碎法,开凿深数百米的盐井。历代采矿,采用支护、回填、留柱等方法,以防岩体冒顶、偏帮、压裂破碎等地压现象,均属岩石力学具体运用,不过是凭直观经验、尚无系统理念。西方经第三次产业革命后,资本主义生产迅速发展,在人类经济建设活动中,岩石力学随之诞生,1878 年海姆 (A. Heim) 提出深层岩体应力处于静水应力状态的假说。1926 年施米德 (H. Schmid) 运用海姆假说,结合岩体弹性概念,解决洞室围岩应力分布。同期金尼克 (A. H. Диннику) 提出岩体中天然应力状态的公式,普鲁托吉雅克诺夫 (M. M. Прутоцняконов) 提出天然平衡拱理论,这些对岩石力学的探讨、为这一新兴学科提供了生长点。第二次世界大战后,各国大量兴建各项工程,面临一系列科学技术问题,促进了岩石力学的蓬勃发展。在此时期,多以连续介质、均质弹塑性理论以及极限平衡理论为主要计算原理。在试验方面,则以室内小试块的物理力学试验为主,但亦结合工程进行针对性的野外大型试验。同一期间,缪勒 (L. Müller) 等欧洲学者,开展了紧密结合实际情况的研究工作,创建了著名岩石力学奥地利学派,于 1951 年在萨尔斯堡举行以地质力学为主题的,第一次国际岩石力学讨论会。

1957 年后,有关岩石力学著作不断涌现,标志着一门完整体系的独立新兴学科的诞生与兴起。在 1957 ~1965 年,拉布舍维奇 (V. Rabcewicz) 、缪勒、帕克 (F. Pacher) 等人在总结隧道工程的经验基础上,研究开发新奥地利隧道施工法,简称新奥法。该方法是基于岩石弹塑性理论,隧洞岩体动态观测资料有关岩体自护能力的变形时效概念以及岩体工程地质态势分类,以确定开挖工艺与支护方法。这是科学理念与经验融合的高超工艺,在欧洲获得成功运用并扩及世界各国,为岩石力学做出了很大的贡献。

1962 年国际岩石力学学会成立。1966 年在里斯本召开了国际岩石力学学会第一次大会,基于马尔帕塞拱坝溃决、瓦央水库库岸巨型大滑坡的灾变教训,提出须重视工程地质岩石力学的更新知识,创造岩石力学性能定型判据。岩石力学的更新理念,多是从隧洞施工实践经验中总结建立。坝与边坡工程的岩石力学,亦借助隧洞的成果同时发展。岩石力学的发展,从初期的单一因素,发展为多因素的权值分类法,后锁定 1976 年权值分类标准的地质力学分类法,使设计所需岩石力学参数,由定性的经验法向科学检测的全面量化发展。早期的分类,有泰沙基 (K. Terzaghi) 于 1946 年提出的岩石载荷分类法,后为迪尔 (V. Deere) 等人修正,此法在美国地下工程中普遍运用近 50 年。考虑到岩体缺陷与损伤,对隧洞纵横向跨度自稳时间长短的影响,拉弗尔 (H. Laffer) 于 1958 年提出支撑时间分类法,后由帕克等人修正,形成以地层态势定性的新奥法分类,这是一种科学的经验尺度方法,具科学理论基础。1967 年迪尔以修正的岩心采取率,作岩石质量指标(RQD) 的分类,现已作为钻孔岩心记录标准参数,并成为后期岩体权值系统———RMR 系统与岩体质量指标定量分类的 Q-系统的基本元素。当无钻孔岩心资料时,通过沿垂直与水平方向的节理线密度统计,按 1976 年普里斯特 (Priest) 公式求各个方向的 RQD 值。据此可评价大坝基础及边坡的岩体质量以及与其三维空间岩石质量的变化情况。1972 年威克汉姆 (G. Wickham) 等人,考虑了多参数权值系统的定量岩体分类,称岩石结构权值分类法 (RSR) 是针对隧洞围岩支护设计模式的岩体分类系统。这一分类法考虑了岩体强度类型与构造损伤程度的权值系统; 岩体结构面产状要素与洞室施工结构相关性的权值系数; 地下水对前两因素影响的权值系统; 所得三权值评价参数之和,即为 RSR 值。RSR 分类法是为隧洞选择钢柱支护的一种有效方法。根据洞探等所掌握隧洞岩体质量确定 RSR 的预计值,绘制该直径隧洞在各典型地层段的支护需求草图,在研究隧洞支护时,引入支柱率原则。此原则必须先求泰沙基的岩石载荷支柱间距,然后除以所使用支柱尺寸的理论支护间距,得载荷支柱间距与相应所需理论间距的百分比,使 RSR值与实际支护联系起来,辛海 (Sinha) (1988) 指出 RSR 法是泰沙基法的一种改良,而非一种独立系统。但 RSR 分类的主要贡献是创建岩体权值系统概念。

上述岩体分类未能全面反映岩体的复杂构造与结构、结构面状态及其所处场势情况,随建设发展不断要求岩石力学探索更新的研究方法,所以 RMR 与 Q 系统对岩体分类定量评价方法相继产生,使岩石力学研究,起了较能符合和满足实际要求的质的转变与飞跃。

RMR 系统 分 类 称 岩 体 权 值 系 统 分 类, 亦 称 地 质 力 学 分 类, 是 比 尼 沃 斯 基(T. Bieniawski) 1973 年提出,并在后期应用中获得很大改进。该分类考虑了岩石的单轴抗压强度; 岩体质量指标; 损伤破裂面间距; 破裂结构面条件; 水文地质条件五个参数的分级权值、加上结构空间展布与建筑物实施的相关影响所作的调整权值、由权值总数定出岩体等级,由岩体等级确定地下洞室岩体黏聚力强度 (抗拉张破坏强度) 、岩体内摩擦角及岩体平均支承时间。第六项为调整参数权值,具较具体的针对性,可在地下工程、坝基与边坡工程中运用。1980 年霍克-布朗 (Hock-Brown) 用 RMR 分类,确定岩体破坏时应力强度的理论公式。式中将岩体受力变化程度和其内摩擦角、建立与 RMR 在受扰动与未受扰动情况下的关系式。由于 RMR 中的参数权值已经多次修正,霍克提出,当 RMR ﹥18 则采用 1976 年的规定,将 RMR76称为 GSI 地质力学指标分类。并据以求出岩体的抗压抗拉强度与 φ、c 值; 岩体的变形模量、则依据 RMR≈57 为界,分别采用比尼沃斯基与塞拉芬提出的相应公式求解。于是则形成建筑物基础设计所需岩体力学参数选取的工程系统。在对岩石边坡稳定性评估方面,1985 年罗曼娜 (Romana) 根据野外资料,认识到岩石边坡稳定性,受不连续面力学特性控制、受结构面空间展布与边坡关系的影响,提出RMR 系统中不连续面产状与边坡关系之参数改正的阶乘方法,删去原 RMR 系统中结构面方向改正因素,添加开挖方法改正权值,经修正成为 SMR 法,使 RMR 分类法适用于岩石边坡,包括软弱岩体、严重节理化岩体边坡稳定性的初步评估。这是对边坡地质灾害研究的重要贡献。综上所述,RMR 分类法提出,经发展中创新修正,已日臻完善。但 RMR 分类法忽视了三个重要性质,即各种节理粗糙度、充填节理的抗剪强度、地下洞室中岩石本身的荷载。1974 年巴顿 (N. Barton) 根据几百个工程实例,用 RMR 分类法优点,改进其缺陷与不足,提出隧洞围岩岩体质量指标分类法、Q--系统法。其使用岩石质量; 节理组数; 节理粗糙度值; 节理蚀变度值; 节理含水折减系数; 应力折减系数六个参数值。形成岩石质量与节理组数的商,代表岩石块体的状态; 节理粗糙度与节理蚀变度的商,代表块体间剪切强度指标; 节理含水折减系数与应力折减系数的商,是表述有效应力状态。三个商值之积即为 Q 值。由 Q 指标与工程总结建立的关系式,求围岩顶拱压力及 Q 与等效尺度之间的关系,确定合适的支护措施,并建立 Q 与 RMR 之间的关系式。Q 系统是一种定量分类系统,是促进隧洞支护设计的工程系统,在 Q 系统中,巴顿等人认为: 节理组数、糙度、蚀变度三个参数,比起节理方向来说起更重要作用,节理糙度与蚀变度,是指最不合适的节理,暗示了方向。当包含节理方向时,Q 分类就会显得通用程度不够,为避免复杂化,防止局限,使研究者主要精力集中于几个重要指标上。

在岩体分类法演进至对岩体宏观力学参数达定量化确定时,室内外试验技术,已满足高精度要求,这些现有野外地应力的压磁法、应力解除法测试、占孔水压致裂法的应力研究、平洞全断面径向千斤顶压法、水压法的岩体宏观变形模量测试、野外大三轴试验、流变试验、抗剪抗切试验以及动力法电法的探测等。关于不同粗糙度结构面的抗剪强度,在佩顿 (F. Patton) 对剪胀角研究的基础上,巴顿考虑了结构面糙度与其表面抗压强度,提出在不同应力条件下的抗剪强度公式。为配合岩体分类与抗剪强度野外定量研究,进行了野外相关物理力学性要求的快速测定。如施米特锤法、结构面糙度测量等。室内有全息性三轴试验、抗风化效应试验、结构面影响强度、变形试验、地质体模拟试验等。随电子计算机发展、数值分析法迅速发展与完善,从有限元、边界元、离散元发展为自适应有限元、仿真模拟等。但其成果决定于参数的正确及物理模型与实际的一致。

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