岩體力學的研究方法有

㈠ 岩石力學的研究內容

（1）岩石的物質組成和結構特徵；
（2）岩石和岩體的本構關系（應力—應變關系）；
（3）工程岩體的應力、應變和強度理論；
（4）岩石（岩塊）室內實驗；
（5）岩體測試和工程穩定監測；
（6）地質災害致災機理與防控。

㈡ 岩石力學的研究方法

岩石力學的研究方法主要是：科學實驗和理論分析。科學實驗包括室內試驗、野外試驗和原型觀測（監控）。室內試驗一般分為岩塊（或稱岩石材料，即不包括明顯不連續面的岩石單元）試驗和模型試驗（主要是地質力學模型試驗和大工程模擬試驗）。野外試驗和原型觀測是在天然條件下，研究包括有不連續面的岩體的性狀，是岩石力學研究的重要手段，也是理論研究的主要依據。理論分析是對岩石的變形、強度、破壞准則及其在工程上的應用等課題進行探討。在這方面，長期以來沿用彈性理論、塑性理論和鬆散介質理論進行研究。由於岩石力學性質十分復雜，所以這些理論的適用范圍總是有限的。近年來，雖然發展了一些新的理論（如非連續介質理論），但都不夠成熟。1960年代以來，數值分析方法和大型電子計算機的應用給岩石力學的發展創造了有利條件。用這種方法和計算設備可以考慮岩石的非均質性，各向異性，應力－應變的非線性和流變性，粘、彈、塑性，等等。但是由於當前岩石力學的試驗方法較落後，還無法為計算提供准確的參數及合適的邊界條件，使計算技術的應用受到影響。
在研究中，一般應注意以下三個基本問題：①岩石是一種復雜的地質介質，研究工作都須在地質分析，尤其是在岩體結構分析的基礎上進行；②研究岩石力學的電要目的是解決工程實際問題，由於在工程實踐中岩石力學涉及地球物理學、構造地質學、實驗技術、計算技術、施工技術等學科，因此有關學科的研究人員以及工程勘測設計，施工人員的密切合作至關重要；③岩石性質十分復雜，目前使用的理論和方法還不能完全描述自然條件，因此強調在現場對岩石的性狀進行原型觀測，並利用獲得的資料驗證或修改理論分析結果和設計方案。對工程實踐而言，岩體中的非連續面和軟弱夾層往往是控制岩體穩定的主導因素。它們的力學特性，特別是流變性及其對建築物的影響，日益受到重視。

㈢ 岩體力學的研究方法

岩體力學研究採用下列方法： 在研究岩體地質特徵和地質環境的基礎上，根據岩體力學介質類型，分別採用不同的力學理論和不同的分析方法，對岩體的變形和穩定性進行力學分析。 綜合分析法。利用不同的力學理論和不同的分析方法，分析岩體的變形和穩定性，最後通過分析對比和綜合判斷，獲得比較符合實際的結論。

㈣ 岩石力學性質的試驗研究

理論源於實踐，並需要得到實踐的檢驗。試驗是一切科學研究的基礎，岩石力學的研究也是從試驗開始的，盡管古代有關的試驗記錄尚未發現，但數千年前埃及和希臘人在修建金字塔及寺廟時，已確實考慮到岩石的強度問題^［3］。秦昭王（公元前306～前251年）時李冰父子修建的都江堰，西漢楚襄王劉注（公元前128～前116年）的墓室——徐州龜山漢墓，隋開皇大業（公元581～618年）年間李春修建的趙州橋，1230年建成的英國Wells 大教堂等，都是古代岩體工程的傑出代表，顯示了古代人民對岩石力學性質的良好理解。時至今日，利用Google等搜索工具，不難在INTERNET上得到相關圖片和文字介紹。當然，沒有成功的古代工程也為數不少。正如文獻［4］所說，All of the earlier activity was，of course，concted without the benefit of modern knowledge.In some case the projects were successful，often dramatically so；but，in other case，we know that they were unsuccessful.Many cathedrals were not so fortunate as that at Wells and collapsed ring or shortly after construction。

文藝復興時期Da Vinci的「不同長度鐵絲的強度試驗」^［3］，可能是目前已知最早的力學試驗記錄（大約公元1500年）。Galielo G在1638年報告了空心梁和實心梁的直接拉伸強度和彎曲強度，在研究彎曲強度時採用了懸臂梁端頭載入的方式^［5］。

有記載的第一台岩石力學試驗機大約是1770年由E.-M.Gauthey製造的，其目的是設計Sainte Genevieve教堂的立柱。該試驗機利用杠桿系統載入，得到了邊長5cm立方體岩石的壓縮強度，並注意到長柱體岩石的強度小於立方體岩石的強度。18世紀後期至19世紀初，由於橋梁（石橋和鐵橋）的大量興建，激發了試驗機的設計和製造；而每一試驗機的設計和製造都將當時的技術水平發揮到極限。19世紀80年代的試驗機已經能夠自動記錄試樣的載荷-位移曲線。1865年，第一個商業實驗室在倫敦開業，擁有一台載荷1000000 lb的設備，壓縮試驗的最大試樣可以達到長21.5ft，斷面邊長32 in。1910年，在Pittsburgh 的兵工廠（Arsenal Ground），後移至 Washington 的標准局（Bureau of Standards），安裝了最大壓縮載荷10000000 lb的試驗機，試樣的最大長度也增大到30ft^［6］。

圖1-1 大理岩常規三軸壓縮全程曲線

曲線上數字是圍壓，單位MPa

在試驗機載荷不斷增加的同時，試驗機的載入方式也在改進完善。由機械載入變為液壓載入，由單向載入變為准三向載入（Pseudo-triaxial compression）。即將圓柱體岩樣放置在液壓腔中，利用油壓對岩樣進行側向載入，在維持側限壓力（也稱圍壓Confining pressure or ambient pressure）的同時，對岩樣進行軸向壓縮。Von Karman 於1911年發表的大理岩（Carvala marble）常規三軸壓縮試驗曲線是標志性的工作（圖1-1），最高圍壓達到326MPa^［7］。試驗結果表明，對大理岩而言，脆性只是應力較低時的表現；而在較高應力狀態（如地質條件）下，岩石完全可以產生很大的塑性變形而顯示出延性。對某些粗晶大理岩圍壓達到3MPa時，即可顯示延性變形特徵^［8］。

茂木清夫設計了對長方柱體試樣進行三向不等壓載入的真三軸試驗機，從1967年開始發表了一系列文章^［9］，論述中間主應力對岩樣強度、變形、脆性和延性的作用。圖1-2是典型的一組試驗結果。隨著中間主應力的增加，白雲岩（Dunham dolomite）試樣的強度有所增加，而屈服過程的塑性變形減小，岩石趨於脆性。脆性破壞消耗的能量小，而延性破壞消耗的能量大。圖1-2的試驗結果表明，在最小主應力一定時，增加中間主應力對維持岩石的完好並沒有多大作用。無疑實際岩體處於復雜的應力狀態，其破壞方式需要研究。

真三軸試驗可以在三個方向利用固體承壓板進行載入^［10］，為了減少載入板之間的干涉和摩擦的影響，真三軸試驗機後來多採用液壓載入最小主應力^［11］。

文獻［12］介紹了高溫高壓三軸載入試驗機的發展過程、主要特徵以及相應的岩石力學試驗成果。Griggs 型裝置，以固體鉛（Pb）或鹽（NaCl）作為圍壓介質，利用兩個活塞分別產生圍壓和主應力差，圍壓達到3GPa，溫度達到1500℃，可以進行長達數月的高溫蠕變試驗^{［13，14］}。立方加壓（Cubic press）系統，利用6個液壓缸在3個方向對立方體試樣進行真三軸載入，如文獻［15，16］利用2MN（200 tons）的立方加壓系統對邊長42mm的岩樣進行試驗，700℃的溫度從壓頭傳入岩樣。如果將圓柱試樣置入固體介質內，也可以利用立方加壓系統進行高圍壓、高溫試驗。文獻［17］對直徑2.9mm、長8.5～9.5mm的石英試樣進行圍壓 7GPa、溫度2000℃的三軸壓縮試驗；文獻［18］的立方加壓系統，700MPa 的工作壓力可以使液壓缸載荷達到5 MN（500 tons），可以對直徑8mm、長16mm的試樣進行圍壓3.7GPa、主應力差4GPa、溫度1000℃的三軸壓縮試驗，圍壓介質是葉蠟石（pyrophyllite）。

圖1-2 中間主應力對白雲岩試樣強度和變形的影響

最小主應力σ₃=125MPa，曲線上數字是中間主應力σ₂，單位：MPa

圖1-3 岩石試樣單軸壓縮的全程曲線^［20］

1—查爾考灰色花崗岩Ⅰ；2—印第安納石灰岩；3—田納西大理岩；4—查爾考灰色花崗岩Ⅱ；5—玄武岩；6—佐倫霍芬石灰岩

1935年，Spaceth W提出剛性試驗機的設想之後，開始了對混凝土全程曲線的研究。此後的30餘年，為提高試驗機剛度採取了各種措施，主要有提高試驗機支架剛度、與岩樣並聯安裝附加剛性設施、減小載入油缸長度等，最後甚至利用水銀作為載入液壓缸的工作介質。但直到1966年，Cook N G W才在液壓-熱力混合載入的剛性試驗機上，得到岩石試樣單軸壓縮的全程曲線^［19］。全程曲線的獲得表明，岩石爆炸式的破壞是由試驗機剛度不足引起的，岩石達到強度之後仍然可以承載。標志性的工作是，1968年Wawersik W R對該試驗機作了改進，採取人工伺服控制的方法，得到了一系列岩石試樣單軸壓縮的全程曲線（圖1-3），並指出，根據岩樣單軸壓縮破壞的穩定與否，可以將岩石分為Ⅰ類和Ⅱ類材料^［20］。這一觀點至今仍存在爭論。

近代力學試驗機以載入控制和數據採集的計算機處理為主要特徵。試驗機的剛性支架和反饋控制實現了脆性材料的可控破壞，從而對岩石達到強度極限之後的破壞過程有所認識，並研究岩石破壞過程中的承載、變形特性，開創了岩石力學研究的新紀元。圖1-4a是在伺服試驗機MTS上得到的煤試樣單軸壓縮過程中的軸向應力、軸向應變和環向應變，圖1-4b對局部曲線作了5：1的放大。試驗過程中以試樣環向變形增加速率4mm/3600sec控制軸向載入^［21］，試驗機每秒采樣一次，共3600組數據。在載入過程中，煤試樣局部會產生脆性破壞，使環向變形突然增大；為維持環向變形的恆定速率，試驗機會伺服控制軸向卸載，減小環向變形後再繼續進行軸向載入。

圖1-4 伺服試驗機上得到的煤試樣單軸壓縮過程

a—試驗的全過程；b—局部的放大圖

現在，岩石變形引起顆粒結構的細觀變化，已經利用電鏡掃描、CT技術等進行研究；岩石破壞過程中聲音、電磁現象也利用各種設備進行測試^{［22～27］}。

㈤ 岩石力學中的數值方法有哪些，如何分類

岩石力學的研究方法主要是：科學實驗和理論分析。科學實驗包括室內試驗、野外試驗和原型觀測（監控）。室內試驗一般分為岩塊（或稱岩石材料，即不包括明顯不連續面的岩石單元）試驗和模型試驗（主要是地質力學模型試驗和大工程模擬試驗）。野外試驗和原型觀測是在天然條件下，研究包括有不連續面的岩體的性狀，是岩石力學研究的重要手段，也是理論研究的主要依據。理論分析是對岩石的變形、強度、破壞准則及其在工程上的應用等課題進行探討。在這方面，長期以來沿用彈性理論、塑性理論和鬆散介質理論進行研究。由於岩石力學性質十分復雜，所以這些理論的適用范圍總是有限的。近年來，雖然發展了一些新的理論（如非連續介質理論），但都不夠成熟。1960年代以來，數值分析方法和大型電子計算機的應用給岩石力學的發展創造了有利條件。用這種方法和計算設備可以考慮岩石的非均質性，各向異性，應力－應變的非線性和流變性，粘、彈、塑性，等等。但是由於當前岩石力學的試驗方法較落後，還無法為計算提供准確的參數及合適的邊界條件，使計算技術的應用受到影響。
在研究中，一般應注意以下三個基本問題：①岩石是一種復雜的地質介質，研究工作都須在地質分析，尤其是在岩體結構分析的基礎上進行；②研究岩石力學的電要目的是解決工程實際問題，由於在工程實踐中岩石力學涉及地球物理學、構造地質學、實驗技術、計算技術、施工技術等學科，因此有關學科的研究人員以及工程勘測設計，施工人員的密切合作至關重要；③岩石性質十分復雜，目前使用的理論和方法還不能完全描述自然條件，因此強調在現場對岩石的性狀進行原型觀測，並利用獲得的資料驗證或修改理論分析結果和設計方案。對工程實踐而言，岩體中的非連續面和軟弱夾層往往是控制岩體穩定的主導因素。它們的力學特性，特別是流變性及其對建築物的影響，日益受到重視。