岩体力学的研究方法有

㈠ 岩石力学的研究内容

（1）岩石的物质组成和结构特征；
（2）岩石和岩体的本构关系（应力—应变关系）；
（3）工程岩体的应力、应变和强度理论；
（4）岩石（岩块）室内实验；
（5）岩体测试和工程稳定监测；
（6）地质灾害致灾机理与防控。

㈡ 岩石力学的研究方法

岩石力学的研究方法主要是：科学实验和理论分析。科学实验包括室内试验、野外试验和原型观测（监控）。室内试验一般分为岩块（或称岩石材料，即不包括明显不连续面的岩石单元）试验和模型试验（主要是地质力学模型试验和大工程模拟试验）。野外试验和原型观测是在天然条件下，研究包括有不连续面的岩体的性状，是岩石力学研究的重要手段，也是理论研究的主要依据。理论分析是对岩石的变形、强度、破坏准则及其在工程上的应用等课题进行探讨。在这方面，长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散介质理论进行研究。由于岩石力学性质十分复杂，所以这些理论的适用范围总是有限的。近年来，虽然发展了一些新的理论（如非连续介质理论），但都不够成熟。1960年代以来，数值分析方法和大型电子计算机的应用给岩石力学的发展创造了有利条件。用这种方法和计算设备可以考虑岩石的非均质性，各向异性，应力－应变的非线性和流变性，粘、弹、塑性，等等。但是由于当前岩石力学的试验方法较落后，还无法为计算提供准确的参数及合适的边界条件，使计算技术的应用受到影响。
在研究中，一般应注意以下三个基本问题：①岩石是一种复杂的地质介质，研究工作都须在地质分析，尤其是在岩体结构分析的基础上进行；②研究岩石力学的电要目的是解决工程实际问题，由于在工程实践中岩石力学涉及地球物理学、构造地质学、实验技术、计算技术、施工技术等学科，因此有关学科的研究人员以及工程勘测设计，施工人员的密切合作至关重要；③岩石性质十分复杂，目前使用的理论和方法还不能完全描述自然条件，因此强调在现场对岩石的性状进行原型观测，并利用获得的资料验证或修改理论分析结果和设计方案。对工程实践而言，岩体中的非连续面和软弱夹层往往是控制岩体稳定的主导因素。它们的力学特性，特别是流变性及其对建筑物的影响，日益受到重视。

㈢ 岩体力学的研究方法

岩体力学研究采用下列方法： 在研究岩体地质特征和地质环境的基础上，根据岩体力学介质类型，分别采用不同的力学理论和不同的分析方法，对岩体的变形和稳定性进行力学分析。 综合分析法。利用不同的力学理论和不同的分析方法，分析岩体的变形和稳定性，最后通过分析对比和综合判断，获得比较符合实际的结论。

㈣ 岩石力学性质的试验研究

理论源于实践，并需要得到实践的检验。试验是一切科学研究的基础，岩石力学的研究也是从试验开始的，尽管古代有关的试验记录尚未发现，但数千年前埃及和希腊人在修建金字塔及寺庙时，已确实考虑到岩石的强度问题^［3］。秦昭王（公元前306～前251年）时李冰父子修建的都江堰，西汉楚襄王刘注（公元前128～前116年）的墓室——徐州龟山汉墓，隋开皇大业（公元581～618年）年间李春修建的赵州桥，1230年建成的英国Wells 大教堂等，都是古代岩体工程的杰出代表，显示了古代人民对岩石力学性质的良好理解。时至今日，利用Google等搜索工具，不难在INTERNET上得到相关图片和文字介绍。当然，没有成功的古代工程也为数不少。正如文献［4］所说，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。

文艺复兴时期Da Vinci的“不同长度铁丝的强度试验”^［3］，可能是目前已知最早的力学试验记录（大约公元1500年）。Galielo G在1638年报告了空心梁和实心梁的直接拉伸强度和弯曲强度，在研究弯曲强度时采用了悬臂梁端头加载的方式^［5］。

有记载的第一台岩石力学试验机大约是1770年由E.-M.Gauthey制造的，其目的是设计Sainte Genevieve教堂的立柱。该试验机利用杠杆系统加载，得到了边长5cm立方体岩石的压缩强度，并注意到长柱体岩石的强度小于立方体岩石的强度。18世纪后期至19世纪初，由于桥梁（石桥和铁桥）的大量兴建，激发了试验机的设计和制造；而每一试验机的设计和制造都将当时的技术水平发挥到极限。19世纪80年代的试验机已经能够自动记录试样的载荷-位移曲线。1865年，第一个商业实验室在伦敦开业，拥有一台载荷1000000 lb的设备，压缩试验的最大试样可以达到长21.5ft，断面边长32 in。1910年，在Pittsburgh 的兵工厂（Arsenal Ground），后移至 Washington 的标准局（Bureau of Standards），安装了最大压缩载荷10000000 lb的试验机，试样的最大长度也增大到30ft^［6］。

图1-1 大理岩常规三轴压缩全程曲线

曲线上数字是围压，单位MPa

在试验机载荷不断增加的同时，试验机的加载方式也在改进完善。由机械加载变为液压加载，由单向加载变为准三向加载（Pseudo-triaxial compression）。即将圆柱体岩样放置在液压腔中，利用油压对岩样进行侧向加载，在维持侧限压力（也称围压Confining pressure or ambient pressure）的同时，对岩样进行轴向压缩。Von Karman 于1911年发表的大理岩（Carvala marble）常规三轴压缩试验曲线是标志性的工作（图1-1），最高围压达到326MPa^［7］。试验结果表明，对大理岩而言，脆性只是应力较低时的表现；而在较高应力状态（如地质条件）下，岩石完全可以产生很大的塑性变形而显示出延性。对某些粗晶大理岩围压达到3MPa时，即可显示延性变形特征^［8］。

茂木清夫设计了对长方柱体试样进行三向不等压加载的真三轴试验机，从1967年开始发表了一系列文章^［9］，论述中间主应力对岩样强度、变形、脆性和延性的作用。图1-2是典型的一组试验结果。随着中间主应力的增加，白云岩（Dunham dolomite）试样的强度有所增加，而屈服过程的塑性变形减小，岩石趋于脆性。脆性破坏消耗的能量小，而延性破坏消耗的能量大。图1-2的试验结果表明，在最小主应力一定时，增加中间主应力对维持岩石的完好并没有多大作用。无疑实际岩体处于复杂的应力状态，其破坏方式需要研究。

真三轴试验可以在三个方向利用固体承压板进行加载^［10］，为了减少加载板之间的干涉和摩擦的影响，真三轴试验机后来多采用液压加载最小主应力^［11］。

文献［12］介绍了高温高压三轴加载试验机的发展过程、主要特征以及相应的岩石力学试验成果。Griggs 型装置，以固体铅（Pb）或盐（NaCl）作为围压介质，利用两个活塞分别产生围压和主应力差，围压达到3GPa，温度达到1500℃，可以进行长达数月的高温蠕变试验^{［13，14］}。立方加压（Cubic press）系统，利用6个液压缸在3个方向对立方体试样进行真三轴加载，如文献［15，16］利用2MN（200 tons）的立方加压系统对边长42mm的岩样进行试验，700℃的温度从压头传入岩样。如果将圆柱试样置入固体介质内，也可以利用立方加压系统进行高围压、高温试验。文献［17］对直径2.9mm、长8.5～9.5mm的石英试样进行围压 7GPa、温度2000℃的三轴压缩试验；文献［18］的立方加压系统，700MPa 的工作压力可以使液压缸载荷达到5 MN（500 tons），可以对直径8mm、长16mm的试样进行围压3.7GPa、主应力差4GPa、温度1000℃的三轴压缩试验，围压介质是叶蜡石（pyrophyllite）。

图1-2 中间主应力对白云岩试样强度和变形的影响

最小主应力σ₃=125MPa，曲线上数字是中间主应力σ₂，单位：MPa

图1-3 岩石试样单轴压缩的全程曲线^［20］

1—查尔考灰色花岗岩Ⅰ；2—印第安纳石灰岩；3—田纳西大理岩；4—查尔考灰色花岗岩Ⅱ；5—玄武岩；6—佐伦霍芬石灰岩

1935年，Spaceth W提出刚性试验机的设想之后，开始了对混凝土全程曲线的研究。此后的30余年，为提高试验机刚度采取了各种措施，主要有提高试验机支架刚度、与岩样并联安装附加刚性设施、减小加载油缸长度等，最后甚至利用水银作为加载液压缸的工作介质。但直到1966年，Cook N G W才在液压-热力混合加载的刚性试验机上，得到岩石试样单轴压缩的全程曲线^［19］。全程曲线的获得表明，岩石爆炸式的破坏是由试验机刚度不足引起的，岩石达到强度之后仍然可以承载。标志性的工作是，1968年Wawersik W R对该试验机作了改进，采取人工伺服控制的方法，得到了一系列岩石试样单轴压缩的全程曲线（图1-3），并指出，根据岩样单轴压缩破坏的稳定与否，可以将岩石分为Ⅰ类和Ⅱ类材料^［20］。这一观点至今仍存在争论。

近代力学试验机以加载控制和数据采集的计算机处理为主要特征。试验机的刚性支架和反馈控制实现了脆性材料的可控破坏，从而对岩石达到强度极限之后的破坏过程有所认识，并研究岩石破坏过程中的承载、变形特性，开创了岩石力学研究的新纪元。图1-4a是在伺服试验机MTS上得到的煤试样单轴压缩过程中的轴向应力、轴向应变和环向应变，图1-4b对局部曲线作了5：1的放大。试验过程中以试样环向变形增加速率4mm/3600sec控制轴向加载^［21］，试验机每秒采样一次，共3600组数据。在加载过程中，煤试样局部会产生脆性破坏，使环向变形突然增大；为维持环向变形的恒定速率，试验机会伺服控制轴向卸载，减小环向变形后再继续进行轴向加载。

图1-4 伺服试验机上得到的煤试样单轴压缩过程

a—试验的全过程；b—局部的放大图

现在，岩石变形引起颗粒结构的细观变化，已经利用电镜扫描、CT技术等进行研究；岩石破坏过程中声音、电磁现象也利用各种设备进行测试^{［22～27］}。

㈤ 岩石力学中的数值方法有哪些，如何分类

岩石力学的研究方法主要是：科学实验和理论分析。科学实验包括室内试验、野外试验和原型观测（监控）。室内试验一般分为岩块（或称岩石材料，即不包括明显不连续面的岩石单元）试验和模型试验（主要是地质力学模型试验和大工程模拟试验）。野外试验和原型观测是在天然条件下，研究包括有不连续面的岩体的性状，是岩石力学研究的重要手段，也是理论研究的主要依据。理论分析是对岩石的变形、强度、破坏准则及其在工程上的应用等课题进行探讨。在这方面，长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散介质理论进行研究。由于岩石力学性质十分复杂，所以这些理论的适用范围总是有限的。近年来，虽然发展了一些新的理论（如非连续介质理论），但都不够成熟。1960年代以来，数值分析方法和大型电子计算机的应用给岩石力学的发展创造了有利条件。用这种方法和计算设备可以考虑岩石的非均质性，各向异性，应力－应变的非线性和流变性，粘、弹、塑性，等等。但是由于当前岩石力学的试验方法较落后，还无法为计算提供准确的参数及合适的边界条件，使计算技术的应用受到影响。
在研究中，一般应注意以下三个基本问题：①岩石是一种复杂的地质介质，研究工作都须在地质分析，尤其是在岩体结构分析的基础上进行；②研究岩石力学的电要目的是解决工程实际问题，由于在工程实践中岩石力学涉及地球物理学、构造地质学、实验技术、计算技术、施工技术等学科，因此有关学科的研究人员以及工程勘测设计，施工人员的密切合作至关重要；③岩石性质十分复杂，目前使用的理论和方法还不能完全描述自然条件，因此强调在现场对岩石的性状进行原型观测，并利用获得的资料验证或修改理论分析结果和设计方案。对工程实践而言，岩体中的非连续面和软弱夹层往往是控制岩体稳定的主导因素。它们的力学特性，特别是流变性及其对建筑物的影响，日益受到重视。