第10章 岩石力学新方法与新理论

第10章岩石力学新理论与新方法10.1智能岩石力学10.1.1智能岩石力学的由来为了突破“数据有限”和“变形破坏机理理解不清”的瓶颈，研究者在智能科学和系统科学理论的基础上，提出了智能岩石力学。10.1.2智能岩石力学及其特征（1）智能岩石力学及其研究方法智能岩石力学是应用人工智能的思想，研究智能化的力学分析与计算模型，研制具有感知、推理学习、联想、决策等思维活动的计算机综合集成智能系统，解决人类专家才能处理的岩体力学问题。智能岩石力学是将人工智能、专家系统、神经网络、模糊数学、非线性科学和系统科学的思想与岩体力学进行交叉和综合而发展起来的一种新的学科分支，因此，它是一个多学科交叉的综合体系。智能岩石力学的研究方法采用自学习、非线性动态处理、演化识别、分布式表达等非一对一的映射研究方法以及多方法的综合集成研究模式，是建立节理岩体真实特征的新型分析理论和方法，是涉及人工智能、非线性科学、系统科学、力学、地学与工程科学的交叉综合研究方法。（2）智能岩石力学与传统岩石力学的区别与联系智能岩石力学与传统岩石力学之间既有广泛的联系，又有较深刻的区别(见表10.1)。表10.1智能岩石力学与经典岩石力学的比较10.1.3智能岩石力学的主要研究思路和内容智能岩石力学研究概括起来可以包括3个方面：（1）基本理论研究；（2）基础技术、算法和工具的研究；（3）与岩石工程相结合的研究。10.1.4智能岩石力学的研究现状这些进展包括：建立了适用于围岩分类、隧道(巷道)支护设计、边坡破坏模式识别与安全性估计、采场稳定性估计的专家系统；提出了基于范例推理(case-basedreasoning)的边坡稳定性评价方法；提出了一种新的数据挖掘方法，能从硐室围岩稳定性的实例数据中挖掘出知识，并将提到的关联规则输入到专家系统，进行不确定性推理，对地下硐室围岩的稳定性进行合理的判别。10.1.5智能岩石力学的未来发展趋势基于Internet的方法可能是未来将要发展的一种方法。这里要研究的是全球范围内Internet的分布式信息获取、动态及时处理方法，基于Internet的分布式计算模型等。建立全球范围科学家进行有效合作研究的Internet模型和遥控实验系统，开发虚拟实验设备，使得异地的科研人员能像本实验室人员一样，可以实时地观察整个实验过程并得到结果。10.2细观岩石力学10.2.1基本概念细观是介于宏观和微观之间的一个尺度概念。对于研究岩石的破裂而言，可以把野外岩位中普遍发育的、直接影响岩体力学特性的、大于毫米级别的裂隙、节理、断层等划定为宏观尺度；把发育在岩石结构中；直接影响岩石力学性质的，毫米－微米级别的裂纹划定为细观尺度；把发育在岩石中矿物晶体内部，一般对岩石的宏观力学性质没有直接影响的微裂纹，位错等划定为微观尺度。岩石细观力学是研究细观尺度上岩石破裂演化过程及破坏规律的科学。10.2.2细观岩石力学的研究方法10.2.2.1光学显微镜观测方法光学显微镜是观测岩石中裂纹状况的最普通的工具之一。用光学显微镜研究岩石破裂过程中的微构造变化。其优点是技术简单易行，成像直观，可以在较大范围内观察和统计裂纹的发育，特别是微构造的定量测量技术和精度。光学显微镜法还存在难以客服的技术难题。例如，试样经过切片、磨制、粘胶等加工环节，会引起原有裂纹扩大，甚至新产生一些加工裂纹，这大大降低了观测的可靠度。切片的部位不一定是裂纹发育的主导部位，其观侧结果很大程度上是试样变形的平均结果，而不完全是裂纹扩展的结果。其三，对不同的试样都需要区分三种裂纹，原有裂纹、新产生的或在原有基础上己经扩展的裂纹和加工造成的裂纹，这在技术上是难点。其四，岩样经过卸载、原有裂纹会发生变化。因此，光学显微镜的观测结果是不完全的。10.2.2.2电子显微镜观测方法用于岩石细观观测研究的电子显微镜有透射电子显微镜和扫描电子显微镜（SEM）两种。实验研究证明，扫描电子显微镜在岩石细观观测时更有效。扫描电子显微镜的工作原理是：电子枪发射的电子束打到被测物体表面后。激发出各种成像物理信号，如二次电子信号。由于其信号强弱与被测物体表面的物质成分及表面形貌变化有密切关系。因此由检测器及成像电路对这种信号进行检测、处理后即可得到物体表面形貌的直观放大图像。20世纪80年代来，利用具有大样品室和加载台的SEM进行岩石细观破坏过程的实时连续观测；是细观观测技术的最新发展。这种方法是：将岩石直接加工成可被SEM容纳的微试样，经过烘干镀金处理后置于SEM加载台上。在对岩样加载的同时，观测记录岩石中破坏的产生、发展。显然，这种方法从根本上改变了以往研究中岩样不单一，加载观测不连续的弊端，它比已有的研究方法跨了一大步。10.2.2.4计算机断层成像观测方法声发射方法是一种间接的动态观测方法。岩石或其他固体材料在应力作用下发生变形时、其内部将产生微破裂活动，微破裂在产生、扩展、闭合以及贯通过程中，会有超声波发射，称为声发射（AcousticEmission，简称AE）。对声发射方法探测岩石细观破坏来说，最大缺陷在于难于将细观破坏定量化。但是作为岩石微裂纹成核及扩展方向的预报手段，监视岩石破坏的发生及地震预报具有重要价值。10.2.2.3声发射方法基于X射线的计算机断层成像技术(computerizedtomography，简称CT)，该方法基本过程是：将岩石试样致损到一定程度后放入CT扫描空间，通过X射线的CT方法可以给出岩石试样任意断面的CT图像。CT图像的灰度是岩样响应部位物理密度的函数，因此通过CT图像灰度的变化可以观测岩石试样的微裂纹分布状态。基于与CT设备配套的三轴加载装置配合，可以实现对岩石试样损伤过程的动态观测。CT方法的优点在于可以无损地观察到岩石内部变化，可以实现实时观测，CT图像的分辨率可以满足岩石细观力学分析所需要的精度。10.2.3基于CT的细观岩石力学研究方法10.2.3.1概述20世纪80年代初，CT技术作为一种无损检测手段在工业领域获得广泛应用。80年代末，已将CT技术用来观测岩石受力后内部裂纹的产生、演化及与宏观力学性质的联系。目前，CT技术已发展到一个新的水平，可以给出材料受力后形成的位移场和变形场，采用三维显示技术给出岩石试件在任意应力状态下的内部裂纹的立体图像。10.2.3.2密度损伤增量理论CT动态观测具有无损反映介质内部细观变化机制的优势。由于岩土介质受力变形时的密度在变化，介质不再稳定，同时岩土介质成分复杂(不是均一物质，每一种物质吸收X射线不同)，介质的绝对密度难以测量。所以，运用基于灰度变化的CT图像分析方法和基于区域CT数均值变化反映密度变化的定量CT均值方法，来研究岩石的细观力学问题是一种非常近似的方法。解决这一问题的另一方法是避开测定岩土介质的绝对密度变化量，而通过测定岩土介质密度相对变化量来解决问题。用CT机扫描物体获得的图像，图像内任意一个像素可用数值表示，这一数值就称为CT数，其值可表示为式中，，为常数；为X射线的线吸收系数，若假设岩石缺陷仅为空气充填，则有

(10.1)式中，，分别为一个体素(像素对应的岩石体元称为体素)内岩石基质材料和空气的密度；为该体素内各种缺陷(内部全部为空气充填)之和占单元整体体积的百分比，，分别为该体素内岩石内基质材料和空气的质量吸收系数。从(10.1)式和(10.2)式可推出式中，，分别为该体素内岩石基质材料和空气的CT数，由于该体素内岩石整体密度(bulkdensity)(含岩石基质材料和空气)可表示为

(10.5)

(10.4)

(10.3)

(10.2)若忽略空气的密度()，则有定义空气的CT数，将其代入(9-25)式，后再代入式(9-27)得式中，，H分别为该体素内岩石整体密度和CT数；分别为该体素内岩石基质材料密度和CT数。(10.7)式中含有两个未知量和，难以获得的绝对值．假定与应力无关(岩石基质与孔隙等缺陷相比不可压密)，对应的也与应力无关．岩石在受力时若体素内岩石整体有新缺陷产生或原有缺陷变化，会发生改变，相应H值也发生改变，而始终不变．

(10.7)

(10.6)实验中由于岩石变形，体素的空间位置在随时改变，采用扫描定位和其他方法动态跟踪体素的密度变化．设、分别为初始应力状态下该体素内岩石的整体密度和CT数，、分别为任意应力状态下该体素内岩石的整体密度和CT数，由(9-28)，式得从(10.8)式中可得到密度损伤增量()是指受力岩石在任意应力相对初始应力状态下的密度变化量，可用CT数来表示。岩石内部密度变化的本质是损伤，这样就可以把一个不可测的密度绝对量变成一个可测量的密度损伤增量。

(10.9)

(10.8)10.3卸荷岩石力学10.3.1基本概念岩石/岩体在不同应力状态下，所展现出的力学特性是不同的。岩石加荷与卸荷的根本区别主要表现在以下几方面：(1)应力应变路径不同。两种不同的受荷作用，对岩体施加的应力路径也不同，使得岩体破坏时的状态也不一样。(2)屈服条件不同。不同的应力路径致使岩体的损伤过程与结果不同。(3)力学参数不同。不同的力学状态，岩石/岩体对应的力学参数是不同的，加荷力学条件的分析应选用加荷的力学参数；卸荷的力学状态分析应选用相应的卸荷的力学参数。(4)分析方法不同。由于岩体在加荷、卸荷状况下的路径不同、参数不同、破坏准则不同，对岩体结构进行力学分析时，不同的力学状态应选用不同的分析方法。10.3.2卸荷岩石力学研究的主要进展（1）岩石的强度与应力路径是否有关，还是一个尚待研究的问题。有些学者通过试验研究认为：应力路径对岩石强度没有影响。而另一些学者通过试验研究发现：岩石强度与应力路径有关。（2）已有的研究证实了岩石加荷与卸荷的力学性质存在较大的区别。大量的、在不同加荷路径条件下的三轴试验研究表明，①在不同加荷路径条件下，岩石变形表现与常规试验有较大差异，而且还有着较明显的非线性特性；②无论是加荷还是卸荷，围压对岩样的轴向承载力都有较大影响，即岩样的强度对围压很敏感。③岩石的卸荷损伤演化破坏具有突发性，卸围压破坏导致的扩容比连续加荷破坏时大；④仅仅根据轴向蠕变变形规律确定的三维流变本构不能反映侧向的蠕变变形规律。10.3.3卸荷岩石力学研究存在的主要问题在实验研究方面(1)现有的研究多局限于某种岩石和仿真岩体力学的实验方面，不仅实验数量有限，且不同的实验者获得的规律差异较大，所得到的成果还不能真实反映自然界非贯通裂隙岩体在开挖卸荷下的变形破坏机制。(2)在实验方法及试验材料仿真方面还存在很多不足。如目前岩体的准三轴试验和少量真三轴试验如何真实反映岩体应力的卸荷路径、模拟材料与真实岩体材料力学性质的相互关系、岩体力学显著的尺寸效应等方面都没有达到真正的模拟。(3)试验的控制方法通常是采用应力控制，而采用应变控制的岩体材料卸荷破坏试验比较少见。这与现场监测的资料不相适应。(4)缺乏对不同施工方式所对应的工程岩体不同卸荷条件（包括卸荷路径、卸荷速率与卸荷程度等）下的岩石力学试验研究。(5)研究卸荷速率、卸荷程度对岩体变形、破裂特征的影响的试验还不多见。(6)结构面的物理力学特征(包括结构面的方位、力学参数、联通率、组合方式等)对岩体卸荷力学状态下的变形破坏特征的影响还缺乏深入系统的研究。在理论研究方面(1)目前，卸荷力学特性在力学理论上仍然没有完整的力学分析方法，对岩体的卸荷力学特性大多还停留在定性的认识。对岩体卸荷力学的定义、岩体的卸荷全过程本构理论、破坏准则、岩体的损伤流变特性、岩体动态力学参数、卸荷岩体加固方法等方面仍然没有达到完善的理论高度。(2)缺乏对不同施工方式引起岩体卸荷破坏的理论分析，包括对应的本构关系、破坏进程的描述等。(3)对工程岩体卸荷破坏力学机理的揭示还不够明了。这不仅要应用常规的应力分析方法，而且要运用新兴的科学技术方法进行研究。(4)岩体卸荷物理仿真、数值计算方法等技术问题仍然没有完备。在工程应用方面现已建立的理论和方法离工程应用还有相当的距离。在理论上缺乏对一些大型开挖工程岩体进行跟踪监测以及对监测结果的系统分析。因此，工程应用问题，在很大程度上还取决于深入、透彻的理论和实验研究。10.3.4卸荷条件下花岗岩力学特性试验研究10.3.4.1卸荷试验方案（1）试验条件试验在MTS815Teststar

程控伺服岩石刚性试验机上进行，围压采用应力控制，轴压用位移控制。试件为三峡地下电站主厂房第III开挖层中的闪云斜长花岗岩，取样桩号在K00+100~K00+200之间。试件尺寸为25mm×50mm。试件风干密度为2700kg/m3，常规三轴试验测得的弹性模量约为79.74GPa，泊松比为0.2。（2）卸荷应力路径试验应力路径见图10.1。图10.1试验应力路径示意图方案I：升轴压降围压试验模拟地下洞室围岩开挖卸荷过程中切向应力()增高，径向应力()降低的应力调整。试验分为4个阶段：①首先按静水压力条件逐步施加=至预定值。②稳定，逐步增高至试件破坏前的某一应力状态，其的应力水平大致在比例极限附近。③按一定速率增高的同时逐渐降低(的升高速率大于的卸荷速率，:=2:1)。此阶段非常关键，除了揭示岩石的卸载特性，还要顺利越过峰值进入软化阶段。④试件破坏后效应的测试。试件一旦破坏后即停止卸围压，并保持不变，同时继续施加轴向应变，直至应力差－不随轴向应变的增加而降低时结束试验。 方案II：同时卸载轴压和围压方案I所述4个阶段中，①，②阶段是模拟开挖岩体卸荷前的某一应力状态的形成，而④阶段是为了揭示试件破坏后效应，并测定岩石残余强度而进行的。方案II中这几个阶段与方案I完全相同，所不同的是③阶段，即卸载阶段。方案II是同时卸载轴压和围压(的卸荷速率小于的卸荷速率，:=1:2)，即②阶段轴压增高至比例极限附近后，开始同时缓慢降低轴压与围压。破坏后进入④阶段。此卸荷方案是为了模拟高边墙局部位置岩体开挖卸荷过程。为了对比分析，同时还进行了常规三轴压缩试验，即方案III。围压设计水平为5，10，20，30MPa四个应力水平。每个方案在不同围压下试验3~4个试件：常规加载试验每一围压下试验3个，卸荷试验每个方案的每一围压下试验4个，共进行了44个岩样加卸载试验。试件编号规定：方案编号–围压–分组试件号，如1–5–1表示方案I中围压为5MPa的1﹟试件。按前述3种试验方案，将制作的试件分组编号如表10.1所示。表10.1试件分组10.3.4.2变形特征图10.2给出了3种方案不同初始围压下岩石典型的应力–应变全过程曲线，其中体积应变。图10.23种试验方案中岩石典型应力–应变全过程曲线图10.3为卸荷过程中岩样的应力–应变曲线。从图3可明显发现：卸荷过程中岩样向卸荷方向卸荷回弹变形强烈，扩容现象显著，脆性破坏特征明显，且这种变形特征随卸荷初始围压的增大和卸荷强度的增强愈明显。(1)方案Ⅰ(2)方案Ⅱ图10.3卸荷过程岩样的变形特征10.3.4.3破裂特征分析图10.4~10.6为3种试验方案岩样典型破裂素描图(柱面展开)，(1)(2)图10.4方案Ⅰ的典型岩样破裂体系(1)(2)图10.5方案Ⅱ的典型岩样破裂体系(1)(2)图10.6方案Ⅱ的典型岩样破裂体系图10.4~10.6为3种试验方案岩样典型破裂素描图(柱面展开)，对比分析可得：(1)卸荷岩石变形表现为沿卸荷方向强烈扩容或膨胀，与常规三轴加载试验相比，卸荷条件下更易发生变形破裂，破坏程度也更为强烈。

(2)卸荷岩石具有较强的张性破裂特征，但随着破坏围压增高，剪切破坏成分比重增大，即由张性破坏过渡到张剪性破坏，由张剪性破坏过渡到剪张性破坏，张剪(剪张)性破裂面往往是追踪张性破裂面发展而成，其破裂角随破坏围压增大有所增大；而在加载试验中，当围压达到一定程度时，岩石基本上表现为剪切破坏，张性破裂成分很少或没有，一般只是在单轴或低围压时才表现明显。

(3)卸荷岩石中往往同时并存有轴向张性裂面T，主共轭剪裂面S1a和S1b及次级共轭剪裂面S2a、S2b(或剪张裂面ST或张剪裂面TS