發(fā)布時(shí)間：2022-04-18 09:21:01
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的1篇巖體力學(xué)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
1一般方法
1．1巖石力學(xué)試驗(yàn)法
(1)室內(nèi)試驗(yàn)。
通過鉆孔巖芯取樣，利用室內(nèi)巖塊的單軸壓縮試驗(yàn)確定巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比。通過巖體的三軸壓縮試驗(yàn)確定巖體的抗剪強(qiáng)度－凝聚力和摩擦角。通過巖體卸圍壓試驗(yàn)研究巖體卸荷過程中的變形和能量變化特點(diǎn)，確定卸載時(shí)巖體的參數(shù)，如彈模、泊松比、凝聚力、摩擦角。
(2)現(xiàn)場試驗(yàn)。
現(xiàn)場抗剪試驗(yàn)獲得巖體、軟弱夾層、混凝土與巖石接觸面抗剪(斷)強(qiáng)度;現(xiàn)場變形試驗(yàn)(剛性承壓板法、狹縫法)獲得巖體變形模量、彈性模量及泊松比。還有現(xiàn)場聲波測試評價(jià)巖體完整性等。現(xiàn)場試驗(yàn)是確定巖體強(qiáng)度參數(shù)最準(zhǔn)確的方法，但由于通常不具備施作原位試驗(yàn)的條件，而且試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高，所以這種方法應(yīng)用較少。試驗(yàn)法是一種直接又可靠的方法，可以較好反映巖石特性。室內(nèi)試驗(yàn)得到的是完整巖塊的特性參數(shù)，但存在“尺寸效應(yīng)”。現(xiàn)場試驗(yàn)受條件限制，試件制備難免受到擾動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果分散，不能直接采用。
1．2工程巖體分級法
工程巖體分級法主要有:國標(biāo)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》、水利水電工程勘察規(guī)范的壩基和圍巖工程地質(zhì)分類法、巴頓的Q系統(tǒng)分類法及比尼威斯基的RMR分類法。這些分類方法往往是定性描述與定量評價(jià)相結(jié)合，采用多參數(shù)綜合指標(biāo)分級法給巖體進(jìn)行評分和劃分巖體級別，根據(jù)巖體級別并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，給出巖體參數(shù)的范圍值。國標(biāo)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》選取巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度這兩個(gè)因素確定巖體基本質(zhì)量，將影響巖體工程特性的因素如地下水、初始應(yīng)力、結(jié)構(gòu)面走向與工程軸線方位等作為修正因素，實(shí)現(xiàn)工程巖體的分級，并提供了各級別巖體物理力學(xué)參數(shù)表和結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度表。《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的附錄V提供了壩基巖體工程地質(zhì)分類表，主要分類因素也是巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度，此外還有巖體縱波速度和鉆孔R(shí)QD值，并在附錄E中提供了壩基巖體抗剪斷(抗剪)強(qiáng)度參數(shù)及變形參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值表和結(jié)構(gòu)面抗剪斷(抗剪)強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值表，用于規(guī)劃和可研階段。應(yīng)注意該表的注明是參數(shù)僅限于硬質(zhì)巖，軟質(zhì)巖應(yīng)根據(jù)軟化系數(shù)進(jìn)行折減。
1．3工程地質(zhì)類比法
工程地質(zhì)類比法是利用大量已建工程的成功經(jīng)驗(yàn)確定擬建工程的設(shè)計(jì)參數(shù)，是工程地質(zhì)研究的傳統(tǒng)方法之一。類比法是應(yīng)用相似原理，要求主要的工程地質(zhì)條件基本相同或相似，這其中最主要的是巖性和地層時(shí)代(或?qū)游?，其余還有地質(zhì)構(gòu)造(巖體完整性)、風(fēng)化狀態(tài)、應(yīng)力條件、地下水等等。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合具體工程的地質(zhì)條件，在類比、分析、判斷的基礎(chǔ)上提出合理參數(shù)。同時(shí)，在施工過程中，根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)展情況和出現(xiàn)的問題，特別是根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，對設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的調(diào)整和修改。類比的資料可以參考《巖石力學(xué)參數(shù)手冊》、《巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)》、《工程地質(zhì)手冊》、《水利水電工程地質(zhì)手冊》，以及地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)(資料庫、數(shù)據(jù)庫)等等。類比法完全依靠地質(zhì)師所掌握的工程實(shí)例資料和他對工程巖體的經(jīng)驗(yàn)判斷，人為因素比較大，有時(shí)僅僅通過少量個(gè)別因素相比較而得到的參數(shù)，其結(jié)果可靠性較差。然而該方法簡單、方便、快捷，在中、小型水利水電工程中應(yīng)用較多。
1．4反演分析法
反演分析法是利用現(xiàn)場所測得的位移等數(shù)值反求巖體力學(xué)參數(shù)，包括位移反分析、應(yīng)力反分析、混合反分析等。其中位移反分析方法是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的位移值，采用解析法、有限元等方法以及彈性、彈塑性等本構(gòu)模型進(jìn)行求解。位移反分析的方法主要分為兩類:直接逼近法和逆過程法。由于圍巖本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，目前的逆過程方法的位移反分析研究計(jì)算大都采用了線彈性等假設(shè)，設(shè)巖體為均值各向同性，而天然巖體地質(zhì)條件復(fù)雜，這樣與工程實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。反分析方法在邊坡穩(wěn)定分析中應(yīng)用較多。反分析時(shí)穩(wěn)定系數(shù)取值為:蠕動(dòng)擠壓階段宜采用1．00～1．05，初滑階段宜采用0．95～1．00。滑帶土抗剪強(qiáng)度(c，φ)參數(shù)反演分析的方法分為單參數(shù)反演和雙參數(shù)反演兩種。前者假定一個(gè)參數(shù)已知的前提下，反算另外一個(gè)參數(shù)，通常選擇對滑坡穩(wěn)定性影響較敏感的作為未知參數(shù)。后者在反演中有兩個(gè)未知的參數(shù)，通常選擇兩個(gè)距主滑動(dòng)面等距的剖面建立極限平衡方程求解，此外，還可以做參數(shù)的敏感性分析。
1．5人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及模糊數(shù)學(xué)預(yù)測法
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是通過完成輸入與輸出問題的映射，自動(dòng)建立復(fù)雜現(xiàn)象(系統(tǒng))的模型并指出其控制規(guī)律。該方法考慮了影響巖石力學(xué)參數(shù)的各種定性因素，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，隨著數(shù)據(jù)的積累不斷地對樣本集進(jìn)行補(bǔ)充和完善，使參數(shù)取值結(jié)果不斷趨于合理。缺點(diǎn)是學(xué)習(xí)樣本的選取具有很大的主觀性。模糊數(shù)學(xué)預(yù)測法是考慮到影響巖體變形強(qiáng)度參數(shù)的相關(guān)因素模糊不確定性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定權(quán)重集及隸屬度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)預(yù)測。該方法實(shí)質(zhì)就是把巖石與巖體力學(xué)指標(biāo)之間的比例系數(shù)當(dāng)作模糊子集，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊綜合評判確定一個(gè)最佳模糊折減系數(shù)的問題，從定量上考慮影響力學(xué)參數(shù)的各種模糊因素，但在運(yùn)用上不是很成熟，仍借助于經(jīng)驗(yàn)。
1．6其他方法
除上述方法外，還有一些其他方法可以用來確定巖體強(qiáng)度參數(shù)，如:計(jì)算機(jī)模擬、聲波測試技術(shù)、巖體分形分維理論、斷裂損傷力學(xué)、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等方法。
2巖體力學(xué)參數(shù)綜合取值
巖體力學(xué)參數(shù)取值方法有很多，由于巖體的不連續(xù)性、各向異性和非均勻性等特有屬性以及巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使各種取值方法存在局限性，至今還沒有一種令人滿意的取值方法。實(shí)際工作中應(yīng)該綜合應(yīng)用這些方法，互相驗(yàn)證，取長補(bǔ)短。筆者基于上述巖體力學(xué)參數(shù)的取值方法，并結(jié)合工程的規(guī)模和地質(zhì)條件的復(fù)雜程度，在滿足規(guī)程規(guī)范的前提下提出了巖體力學(xué)參數(shù)綜合取值方法。該方法針對地質(zhì)條件簡單的小型工程、地質(zhì)條件復(fù)雜的中型以上工程、重要的大型工程和參數(shù)敏感的工程分為以下3個(gè)層次。
(1)第一層次。
對于地質(zhì)條件簡單的小型工程，或項(xiàng)目規(guī)劃、可研階段，可采用野外地質(zhì)調(diào)查和鉆孔取樣室內(nèi)抗壓試驗(yàn)→進(jìn)行巖體分級、查表→獲得抗剪強(qiáng)度和變形模量范圍值，通過相似工程類比，調(diào)整、修正取得地質(zhì)建議值;或者采用RMR分類和Hoek－Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則公式計(jì)算，參考類似工程修正后得到地質(zhì)建議值。
(2)第二層次。
對于地質(zhì)條件復(fù)雜的中型以上工程，如重力壩、拱壩，結(jié)構(gòu)面影響壩基、壩肩穩(wěn)定，初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)布置原位抗剪和變形試驗(yàn)，參考類似工程，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)由地質(zhì)、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)三方共同研究確定設(shè)計(jì)采用值。
(3)第三層次。
對于重要的大型工程和參數(shù)敏感的工程，應(yīng)做專門研究，除運(yùn)用上述方法外，還應(yīng)開展計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊數(shù)學(xué)預(yù)測法等，慎重確定地質(zhì)建議值。在施工階段可以利用監(jiān)測資料進(jìn)行反演分析，復(fù)核巖體穩(wěn)定性，及時(shí)修改設(shè)計(jì)和施工方法，確保工程安全。總之，地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)試驗(yàn)是基礎(chǔ)，是巖體分級、經(jīng)驗(yàn)估算及數(shù)值模擬的前提，因此應(yīng)重視野外第一手資料的收集，并注意取樣、試驗(yàn)成果代表性問題，使地質(zhì)建議值符合現(xiàn)場實(shí)際。
3應(yīng)注意的問題
反思多年來我們所做的中小型水利水電工程勘察設(shè)計(jì)，在巖石力學(xué)參數(shù)取值方面應(yīng)注意以下問題:
(1)在前期勘察時(shí)對設(shè)計(jì)意圖不甚了解
設(shè)計(jì)方案不十分明確，加之勘察周期短，對地質(zhì)條件的調(diào)查和分析不夠深入，對試驗(yàn)只是要求做常規(guī)的內(nèi)容，以室內(nèi)試驗(yàn)為主，取樣數(shù)量不足，成果代表性差，使得方案比選時(shí)難以取舍。按照有關(guān)規(guī)范，“小型水電工程巖土參數(shù)(取值)可在現(xiàn)場簡易測試和必要的室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上以類比為主。”“中型水電工程巖土測試以室內(nèi)試驗(yàn)為主，必要時(shí)可采用大型野外原位試驗(yàn)。”對于拱壩和重力壩要特別注意，對影響壩基、壩肩穩(wěn)定的巖土體及軟弱結(jié)構(gòu)面可視需要開展原位試驗(yàn)工作。尤其是軟巖和完整性差的巖石，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性不利，巖體穩(wěn)定性的判別對工程影響很關(guān)鍵，這需要慎重研究，應(yīng)在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，布置適當(dāng)?shù)脑辉囼?yàn)，并采取多種方法合理確定巖體力學(xué)參數(shù)。
(2)勘察報(bào)告中抗剪強(qiáng)度和變形參數(shù)僅僅根據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)查規(guī)范，與現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)合不緊密。
抗剪強(qiáng)度和變形參數(shù)是混凝土壩穩(wěn)定計(jì)算最重要的參數(shù)，對工程安全和造價(jià)影響很大。然而規(guī)范給出的值范圍較大，勘察報(bào)告僅僅依據(jù)規(guī)范提供的參數(shù)表取值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。中等規(guī)模以上和地質(zhì)條件復(fù)雜的工程應(yīng)進(jìn)一步開展分析論證工作，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件調(diào)查，在巖體分級基礎(chǔ)上，運(yùn)用有關(guān)理論和經(jīng)驗(yàn)公式，例如霍克－布朗(Hoek－Brown)經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則公式等，并參考已建工程經(jīng)驗(yàn)取值，必要時(shí)與地質(zhì)、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)專業(yè)共同會(huì)商，合理確定參數(shù)。
(3)在軟巖地區(qū)建混凝土壩要特別注意
如頁巖、千枚巖及白堊－第三系泥巖等，由于巖性軟弱，構(gòu)造發(fā)育，巖體強(qiáng)度較低，工程安全裕度小，巖體力學(xué)參數(shù)取值對工程安全和經(jīng)濟(jì)性影響大，甚至影響方案的成立。軟巖地區(qū)一般不適合建中、高混凝土壩，萬一要建，就應(yīng)該投入一定的勘探和試驗(yàn)工作量，慎重研究和分析論證，并留有一定安全裕度。
(4)應(yīng)考慮定值計(jì)算與可靠度問題。
實(shí)際勘察設(shè)計(jì)工作中，是由地質(zhì)專業(yè)提供參數(shù)，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行計(jì)算。地質(zhì)部門依據(jù)試驗(yàn)成果，結(jié)合地質(zhì)條件和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷，提出地質(zhì)建議值。設(shè)計(jì)一般直接采用地質(zhì)建議值進(jìn)行計(jì)算。問題是設(shè)計(jì)計(jì)算方法與地質(zhì)模型是否一致，地質(zhì)參數(shù)的可靠性或安全閾值是多少，即有多少安全儲(chǔ)備。近十幾年來國內(nèi)外廣泛開展了重力壩可靠度研究。結(jié)構(gòu)可靠性分析是以概率理論為基礎(chǔ)，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)或工程的可靠性，比定值法不考慮參數(shù)的偏差有明顯的優(yōu)越之處。可靠度計(jì)算需要提供與大壩有關(guān)的各類荷載、材料和地基強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特征值(均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等)及分布類型，對地質(zhì)參數(shù)的離散性進(jìn)行評價(jià)。
(5)試驗(yàn)是基礎(chǔ)。
如何看待試驗(yàn)成果，地質(zhì)專業(yè)人員常常抱怨試驗(yàn)參數(shù)不準(zhǔn)，造成的原因有幾個(gè)方面，一是取樣的代表性問題，或者原位試驗(yàn)選點(diǎn)問題，要考慮巖性、風(fēng)化程度、構(gòu)造等影響，對試驗(yàn)點(diǎn)做專門設(shè)計(jì)和布置;又譬如有的砂巖與頁巖互層，頁巖巖芯破碎取樣困難，取樣只能做砂巖的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，成果偏大;傾斜巖層抗壓首先沿層面剪切破壞，成果偏小。二是試驗(yàn)中的誤差，應(yīng)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法整理試驗(yàn)成果，在充分論證的基礎(chǔ)上舍去不合理的離散值。對于原位抗剪試驗(yàn)，要了解試驗(yàn)點(diǎn)的巖性、構(gòu)造、風(fēng)化及地下水等因素對成果的影響。另外，試件制備時(shí)難免受到擾動(dòng)，一般要求安排2組以上試驗(yàn)，以便對比和分析。
(6)確定參數(shù)時(shí)要處理好主觀判斷與客觀評價(jià)的關(guān)系。
前述的巖體分級法、工程類比法及經(jīng)驗(yàn)判據(jù)法(強(qiáng)度準(zhǔn)則公式)都屬于經(jīng)驗(yàn)法，其取值時(shí)的人為因素和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對結(jié)果影響很大，實(shí)際操作中應(yīng)盡量避免人為因素干擾，從地質(zhì)條件的客觀出發(fā)，分別按不同因素對參數(shù)進(jìn)行修正，減少取值的隨意性。
(7)加強(qiáng)施工監(jiān)測，利用監(jiān)測資料進(jìn)行“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工”。
由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，地質(zhì)勘探、試驗(yàn)、計(jì)算分析方法的局限性，我們對工程巖體性狀變化的認(rèn)識(shí)有一定程度的不確定性。在施工中要加強(qiáng)巖體性狀的監(jiān)測，及時(shí)分析和判斷，調(diào)整、修改設(shè)計(jì)和施工方法，以保證施工安全和工程安全。尤其是隧洞施工支護(hù)，要根據(jù)發(fā)現(xiàn)的新情況及時(shí)修改設(shè)計(jì)，即采取“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工”，既要確保工程安全，又不能造成浪費(fèi)。
(8)利用已建工程進(jìn)行類比確定巖體力學(xué)參數(shù)是我們常用的方法。
但是沒有一個(gè)工程的地質(zhì)條件是完全相同的，而我們個(gè)人掌握的資料有限，每個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)千差萬別，往往僅通過少量個(gè)別因素相比較而獲得參數(shù)，人為因素的干擾較大，其結(jié)果可靠性較差。應(yīng)多參考類似工程，并不斷積累工程經(jīng)驗(yàn)。多年來筆者所在單位在湖北省水利水電工程勘測設(shè)計(jì)中做了大量的巖體物理力學(xué)室內(nèi)外試驗(yàn)和原位測試，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
4結(jié)論
(1)巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定是水利水電工程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作
直接關(guān)系到壩基、邊坡、地下洞室工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。由于巖體具有不均勻性、不連續(xù)性和隨時(shí)間變化的特性，準(zhǔn)確確定巖體力學(xué)參數(shù)是非常困難的。在研究了有關(guān)規(guī)程規(guī)范和各種取值方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對工程的重要性程度和地質(zhì)條件的復(fù)雜程度提出了巖體力學(xué)參數(shù)的綜合取值方法，分為地質(zhì)條件簡單的小型工程、地質(zhì)條件復(fù)雜的中型以上工程、重要的大型工程三個(gè)層次。針對具體的工程應(yīng)當(dāng)選擇合理的方法來確定巖體力學(xué)參數(shù)。水利水電工程巖體力學(xué)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合取值研究對水利水電工程壩基、邊坡、地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究和計(jì)算具有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。
(2)中小型水利水電工程具有規(guī)模小、設(shè)計(jì)周期短、勘察試驗(yàn)工作量有限的特點(diǎn)
在詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查和少量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行巖體分級，參考已建工程的成功經(jīng)驗(yàn)類比確定巖體力學(xué)參數(shù)是一種簡單、快捷而有效的方法。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)指出了水利水電工程巖體力學(xué)參數(shù)取值時(shí)應(yīng)該注意的問題，可以供相關(guān)的工程技術(shù)人員參考。
作者：陳漢寶 黃定強(qiáng) 彭義峰 熊友平 江妤 單位：湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院 中國地質(zhì)大學(xué)武漢工程學(xué)院
【摘要】“巖體力學(xué)”是高等院校工程類專業(yè)的一門重要專業(yè)課，具有很強(qiáng)的理論性、綜合性和實(shí)踐性，對于從未接觸過程相關(guān)工程實(shí)踐的學(xué)生來說比較難以接受。根據(jù)本課程的特點(diǎn)及教學(xué)要求并結(jié)合多年來的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作者首先對課程的特點(diǎn)及教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了總體分析，從而加強(qiáng)學(xué)生對課程特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和內(nèi)容的掌握；其次，結(jié)合本課程的一個(gè)重要特點(diǎn)——實(shí)踐性強(qiáng)，提出了相應(yīng)的教學(xué)方法。
【關(guān)鍵詞】“巖體力學(xué)”；實(shí)踐性；結(jié)構(gòu)體系；教學(xué)方法；探討
一、引言
“巖體力學(xué)”（有些學(xué)者也稱為“巖石力學(xué)”）是地質(zhì)、土木、建筑、交通、能源、水利水電等工科專業(yè)優(yōu)秀的專業(yè)課程之一,在上述專業(yè)的大學(xué)課程教育中占有非常重要的地位。尤其是近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，西部大開發(fā)、南水北調(diào)、高速鐵路等項(xiàng)目的深入實(shí)施，大量的地質(zhì)工程、巖土工程及地下工程建設(shè)廣泛興起，這一方面為巖土工程技術(shù)人員提供了施展才華的廣闊空間，同時(shí)由于新問題、新技術(shù)層出不窮，因而也充滿了前所未有的挑戰(zhàn)。所以，當(dāng)前的工程建設(shè)也對這方面的人才培養(yǎng)提出了更高的要求和期望，既要具備比較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，又要有比較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。高校作為人才培養(yǎng)的重要基地，更要擔(dān)負(fù)起這一重要的歷史使命。巖體力學(xué)作為一個(gè)在實(shí)踐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的學(xué)科，不但有較強(qiáng)的理論性和系統(tǒng)性，而且更有著很強(qiáng)的實(shí)踐性，這也是明顯其區(qū)別于理論力學(xué)、材料力學(xué)及彈性力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)重要特點(diǎn)，如黃明奎和劉開云都提出了實(shí)踐環(huán)節(jié)在巖體力學(xué)教學(xué)中的重要性。從字面上理解，“巖體力學(xué)”包括“巖體”和“力學(xué)”兩個(gè)詞匯，通過前面對多門力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生都已基本理解力學(xué)就是研究物體對外力的響應(yīng)，包括內(nèi)部響應(yīng)（產(chǎn)生變形甚至破壞）及外部響應(yīng)（產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)），而巖體則是經(jīng)過長期地質(zhì)作用形成的復(fù)雜地質(zhì)體，具有很強(qiáng)的地域性和個(gè)案性，因此明顯不同于在材料力學(xué)中經(jīng)常介紹的低碳鋼等材料。因此，初學(xué)的學(xué)生都會(huì)明顯感覺到巖體力學(xué)在理論上沒有理論力學(xué)和彈性力學(xué)那么嚴(yán)謹(jǐn)，會(huì)出現(xiàn)很多的經(jīng)驗(yàn)公式。所以在巖體力學(xué)的教學(xué)中一定要牢固地樹立“實(shí)踐性”這一根本特點(diǎn)，這樣才能使學(xué)生更好、更快地掌握這門課程，進(jìn)而靈活地運(yùn)用于工程實(shí)踐、服務(wù)于工程實(shí)踐。 實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)應(yīng)該貫穿在巖體力學(xué)教學(xué)的整個(gè)環(huán)節(jié)，具體地表現(xiàn)在教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容上分別為：在教學(xué)手段上應(yīng)該充分安排一定的實(shí)踐教學(xué)課時(shí)，讓學(xué)生能夠有機(jī)會(huì)接觸到工程實(shí)踐，比如讓學(xué)生參觀巖石標(biāo)本，從感性上認(rèn)識(shí)什么是巖石、結(jié)構(gòu)面及巖體等，讓學(xué)生去試驗(yàn)室親自動(dòng)手做一些巖石力學(xué)試驗(yàn)，去施工現(xiàn)場讓學(xué)生見識(shí)一下什么是巖石隧道開挖、巖石邊坡支護(hù)等，讓學(xué)生自己動(dòng)手做一個(gè)巖石工程設(shè)計(jì)等等，這樣不但可以讓學(xué)生增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，而且還可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。另外在教學(xué)內(nèi)容上，應(yīng)該選擇一本比較好的巖體力學(xué)教材，但是也決不能局限于教材。因?yàn)閹r體力學(xué)從大的研究內(nèi)容上來說基本是不會(huì)有太大變化的，主要就是研究巖體在外力作用下的變形與破壞機(jī)理，但是隨著科學(xué)的發(fā)展，研究手段卻會(huì)有很大的進(jìn)展，如剛性試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)使我們可以了解到巖石峰后的強(qiáng)度曲線、塑性及流變本構(gòu)模型的提出可以使我們了解到巖石更為復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)特征、有限元、離散元甚至流形元等數(shù)值方法的出現(xiàn)使我們更直觀、方便地了解到巖石的變形及破壞過程，等等。下面就從巖體力學(xué)產(chǎn)生與發(fā)展的角度對其課程特點(diǎn)進(jìn)行探討，然后以黃醒春主編的《巖石力學(xué)》為例，從課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)體系上闡述其主要內(nèi)容及其結(jié)構(gòu)框架，最后在此基礎(chǔ)上對其教學(xué)方法進(jìn)行探討。
二、課程特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)體系分析
2.1 課程特點(diǎn)。 巖體力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)原理和方法來研究巖體的力學(xué)以及與力學(xué)有關(guān)現(xiàn)象的一門新興科學(xué)，即研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)。目前其主要有兩種不同的發(fā)展方向：一是從力學(xué)的一般原理出發(fā)，考慮巖體的特殊力學(xué)性質(zhì)，運(yùn)用邏輯演繹的方法進(jìn)行研究，這通常稱為理論巖體力學(xué)；二是從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，在大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上歸納出對工程問題有指導(dǎo)意義的規(guī)律，這通常稱為工程巖體力學(xué)。因此，巖體力學(xué)既是一門理論學(xué)科，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程學(xué)科，它不僅與國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)防災(zāi)有密切聯(lián)系，具有重要的實(shí)用價(jià)值，而且也是力學(xué)和地學(xué)相結(jié)合的一門應(yīng)用型基礎(chǔ)學(xué)科。 巖體力學(xué)的研究對象是各類巖體，由于巖體是一種經(jīng)過漫長而復(fù)雜的地質(zhì)作用而形成的地質(zhì)材料，具有很強(qiáng)的個(gè)案性和地域性，因此對其物理力學(xué)性質(zhì)的了解，遠(yuǎn)比其他各類工程材料困難，而巖體力學(xué)服務(wù)的各類巖土工程，如邊坡工程、地基工程、隧道工程等既以天然巖體為巖體結(jié)構(gòu)材料，又以天然巖體為建筑材料，同時(shí)以巖體所處的環(huán)境為建筑環(huán)境，而這環(huán)境包括巖體結(jié)構(gòu)和巖體構(gòu)造、地下水、氣象、地溫等是隨著時(shí)間推移處于不斷變化之中的。因此，對巖體物理力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)顯然比其他工程材料更重要。現(xiàn)在有不少學(xué)者提出了“巖體結(jié)構(gòu)”的觀點(diǎn)，認(rèn)為巖體是由巖石和結(jié)構(gòu)面組成的有機(jī)結(jié)構(gòu)，這比早期的“巖石力學(xué)”觀點(diǎn)前進(jìn)了一大步，該觀點(diǎn)的提出也正是基于大量的巖體工程實(shí)踐而得出的，這也充分說明了巖體力學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，其很多的研究課題及新觀點(diǎn)都是從實(shí)踐中總結(jié)出來的，同時(shí)又必須經(jīng)過大量的實(shí)踐檢驗(yàn)。
2.2 課程結(jié)構(gòu)體系分析。
下面對巖體力學(xué)課程的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，進(jìn)而對其教學(xué)方法進(jìn)行探討。“巖體力學(xué)”的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，巖體力學(xué)的研究內(nèi)容、研究方法與研究流程和我們已經(jīng)學(xué)過的土力學(xué)基本類似，這主要是由于二者的研究對象都是地質(zhì)體，并且土體從某種意義上來說就是巖石，它是由巖石風(fēng)化而來的，粘結(jié)力很低的巖石。所以二者研究內(nèi)容上都是首先對介質(zhì)本身的物理性質(zhì)進(jìn)行研究，研究其組成成分、結(jié)構(gòu)特征及分類方法等。然后是研究工程上最為關(guān)切的三個(gè)主要問題，即強(qiáng)度、變形及滲透性。巖體與土體的一個(gè)重要區(qū)別是巖體含有明顯的節(jié)理面，所以一般屬于非連續(xù)介質(zhì)，而土體顆粒之間的差別相對較小，所以土體一般可以認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)。在研究方法上，二者都是采用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三種方法，其中理論分析都是采用彈性理論或彈塑性理論進(jìn)行研究，采用試驗(yàn)研究主要是由于巖體和土體都是經(jīng)過長期的地質(zhì)演化發(fā)展而來的地質(zhì)體，所以其物理力學(xué)性質(zhì)有很大的變異性，因此在確定其物理力學(xué)性質(zhì)時(shí)一定要采用試驗(yàn)的方法，尤其是對于重要的巖土工程，我國現(xiàn)行的規(guī)范都明確要求要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)值方法是近年來針對巖土體的復(fù)雜性而提出的，目前應(yīng)用最多的有限元法，而有限元法也是彈性力學(xué)中的一部分內(nèi)容。所以，由前面的闡述可以看出，巖體力學(xué)和土力學(xué)在研究方法上有很多的相似之處，而且它們的研究都是以彈性力學(xué)或彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)。另外巖體力學(xué)與土力學(xué)區(qū)別的另外一個(gè)重要方面就是對地應(yīng)力的研究，由于土體都處于地球的表層，所以其地應(yīng)力主要就是指自重應(yīng)力，因此土體中的地應(yīng)力就比較簡單。而巖體則不僅僅出現(xiàn)在地表，而且還更多地出現(xiàn)在地球深部，那么隨著埋深的增加，巖體內(nèi)不僅僅存在著自重應(yīng)力，更重要的還有構(gòu)造應(yīng)力，而且隨著埋深的增加，構(gòu)造應(yīng)力在地應(yīng)力中占的比重也會(huì)越來越大。那么對于深部巖體工程如深部采礦、深部石油開采的設(shè)計(jì)與施工就必須要考慮到地應(yīng)力的影響。另外在巖體工程穩(wěn)定性分析方法上，除了土力學(xué)中常用的方法如工程類比法、地質(zhì)力學(xué)分析法、剛體極限平衡及彈塑性有限元法以外，在巖體力學(xué)中還引入了赤平投影法，這也主要是由于巖體中存在結(jié)構(gòu)面的原因。
[摘要]本文描述了中國巖石力學(xué)在土木工程、地質(zhì)工程、采礦工程、水利工程、交通工程等的領(lǐng)域出現(xiàn)的應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)用所學(xué)的巖體力學(xué)知識(shí)探討和處理這類問題的一些現(xiàn)狀和特征。對于巖石力學(xué)的發(fā)展給出了簡單設(shè)想。
[關(guān)鍵詞]巖石力學(xué) 現(xiàn)狀 發(fā)展
1 巖體力學(xué)的時(shí)代背景
巖體力學(xué)是介于地學(xué)與力學(xué)兩門學(xué)科之間的邊緣學(xué)科，雖然說不是一門系統(tǒng)的學(xué)科，但其能解決傳統(tǒng)的土力學(xué)不能解決的巖石問題，因此它在各種工程的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)階段的礦山開采的智能化和集成化，處理巖體的問題越來越需要應(yīng)用巖體力學(xué)的問題來完成設(shè)計(jì)和施工。近幾十年來，盡管國內(nèi)的工程規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷加大，我國優(yōu)秀巖石工作者經(jīng)過不懈努力，已經(jīng)累積了在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建多種巖石工程的豐富經(jīng)驗(yàn)。使得巖體力學(xué)的研究工作有了飛速的發(fā)展。這為筆者對本文的編寫提供了豐富的資料。但是從總體上看，與國際先進(jìn)水平相比，尚有一定的差距。尤其在綜合運(yùn)用研究成果，并將成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力產(chǎn)生效益這一方面，尚嫌不足。并且不少巖體力學(xué)出來的新科研成果，未能充分應(yīng)用于工程實(shí)踐中去，發(fā)揮出更大的效益。
2 我國巖體力學(xué)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀
在新中國成立前，巖體力學(xué)研究基本上屬于空白的。盡管我們的祖先們曾創(chuàng)造過世界矚目的工程建設(shè)，如長城和岷江都江堰。但是巖體力學(xué)作為一門單獨(dú)的學(xué)科進(jìn)行研究還是相對起步較晚的。在中華人民共和國成立之后，我國充分發(fā)揮社會(huì)主義制度的優(yōu)越性，對巖體力學(xué)中的一些前沿課題，在全國范圍內(nèi)組織力量進(jìn)行了一系列的科技攻關(guān)。即便是在期間，巖體力學(xué)業(yè)的研究工作遭受到極大的干擾，我國的科技人員仍然發(fā)揮自強(qiáng)不息的愛國主義精神，在很多的重點(diǎn)水電工程(如葛洲壩，劉家峽)、礦山(工程如金川鎳礦)、鐵路工程(如成昆線)，做出了突出的貢獻(xiàn)。并且在總結(jié)了一系列的成功的經(jīng)驗(yàn)與失敗的教訓(xùn)后，我國的優(yōu)秀科研工作者解決了像葛洲壩和三峽壩區(qū)以及秦山核電站等重大的巖石施工的建設(shè)項(xiàng)目。這些成就都使得巖體力學(xué)的研究工作取得了重大成果。
在取得重大的實(shí)踐成功的基礎(chǔ)上，我國在巖體力學(xué)的理論的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的的集成。自1978年以來，我國陸續(xù)在全國性的學(xué)會(huì)上成立了專門巖體力學(xué)的研究機(jī)構(gòu)。如中國煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì)、中國水利學(xué)會(huì)巖土力學(xué)專業(yè)委員會(huì)等。并成立了相應(yīng)的專門期刊。
這些的工作和成就，大大提高了我國的巖體力學(xué)的水平。
3 我國巖體力學(xué)面臨的問題
隨著取得成就的同時(shí)，面臨的問題也逐漸突出而來。經(jīng)過許多學(xué)者的總結(jié)現(xiàn)階段大致分三點(diǎn)。
①巖體力學(xué)的理論與技術(shù)研究中的有3個(gè)優(yōu)秀問題。這三個(gè)優(yōu)秀問題是：時(shí)間不可逆，多層次了系統(tǒng)與非線性，以及不確定的原始數(shù)值(初值)。上述3個(gè)優(yōu)秀問題構(gòu)成了非確定性研究的必要性，但是，在生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，開挖過程中存在著兩種穩(wěn)定狀態(tài)：一種是穩(wěn)定的，可以做出決定性的決策。另一種是不穩(wěn)定的，具有不穩(wěn)定性或明顯的危險(xiǎn)表征。這就構(gòu)成了研究方法的復(fù)雜性。而我國在處理這些非確定性的問題上沒有形成系統(tǒng)的系數(shù)，對生產(chǎn)設(shè)計(jì)存在著一些不穩(wěn)定因素。
②西部開發(fā)首先面臨著的生存發(fā)展基礎(chǔ)的建設(shè)，即基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。而西部地區(qū)環(huán)境惡劣而且?guī)r體脆弱。環(huán)境如沙澳戈壁，凍土災(zāi)害，黃土侵蝕般惡劣，地質(zhì)作用活躍，環(huán)境災(zāi)害頻繁，基礎(chǔ)工程建設(shè)極為艱難，風(fēng)險(xiǎn)度高。巖體力學(xué)的理論數(shù)據(jù)在這些環(huán)境上的應(yīng)用還顯得不足。
③現(xiàn)階段的工程的規(guī)模巨大，在處理上是巖體力學(xué)的系統(tǒng)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的多種集成或多重綜合集成，因此在面對工程的問題解決上，因素的增多表示著變數(shù)的增多。研究對象的多種因素相互作用，極大地增強(qiáng)了問題的不確定性和非線性。這就要求我們科學(xué)研究者處理程問題需要極大的數(shù)據(jù)庫資料和數(shù)據(jù)運(yùn)算。有人說：“巖石力學(xué)是數(shù)學(xué)力學(xué)游戲，解決不了工程問題”。這是便是極其不對的。
4 我國巖體力學(xué)發(fā)展的新途徑和新方法
隨著科技的不斷攀升，生產(chǎn)的智能化將是時(shí)代的主題。綜合智能分析方法及其在巖石力學(xué)與工程中的采用是將要攻關(guān)的課題。智能科學(xué)與巖體力學(xué)的結(jié)合將把巖體力學(xué)推向新的領(lǐng)域。這是對全球化的工業(yè)發(fā)展的必然要求，也是興旺之路。
在這些課題中，一些學(xué)者前輩提出的人工智能(專家系統(tǒng))和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或智能采礦學(xué)以及處理巖石力學(xué)智能化問題，都是智能化的體現(xiàn)。
智能化發(fā)展的同時(shí)，必然的要應(yīng)用新的數(shù)值方法。隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)的速猛發(fā)展，作為巖石力學(xué)分析的重要內(nèi)容的數(shù)值方法，功能越來越強(qiáng)的數(shù)值法將不斷長進(jìn)。比如孫鈞博士提出的幾種有前景的新的數(shù)值方法：1半解析元法2分形塊體力學(xué)法3非連續(xù)變形分析(DDA)法4非線性大變形問題有限差分((FLAC)法5流形元法。這些新型的數(shù)值方法已經(jīng)在許多的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來其優(yōu)秀簡捷的特點(diǎn)了。如實(shí)踐已證明，半解析元法適應(yīng)性強(qiáng)而應(yīng)用范圍廣，可用于分析非勻質(zhì)、變剛度、非線性，特別是多維問題由于采用了解析函數(shù)而能以收到降維的效果。在計(jì)算工作量和程序前、后處理方面都會(huì)有很大程度的節(jié)約。
結(jié)語
筆者相信隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)向新的戰(zhàn)略目標(biāo)邁進(jìn)，堅(jiān)持走中國特色的社會(huì)主義道路，發(fā)展中國特色的工業(yè)化道路，我們振興中華的理想會(huì)越來越顯出光輝，希望年輕的巖體力學(xué)將會(huì)隨著我們這些年輕科研工作者的不懈努力迎來巖體力學(xué)新時(shí)代的來臨，能為祖國的工業(yè)大力發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
【摘要】隨著巖體力學(xué)學(xué)科的不斷完善和發(fā)展，它與工程實(shí)踐的聯(lián)系越來越緊密, 必將會(huì)推動(dòng)工程建設(shè)的不斷深入. 本文簡要介紹了巖體力學(xué)的發(fā)展情況, 然后從學(xué)科知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的工程的步驟, 闡述了當(dāng)前的進(jìn)展并付以工程實(shí)例和新的理論， 最后對今后巖體力學(xué)在工程實(shí)踐中的運(yùn)用進(jìn)行了展望.
【關(guān)鍵詞】巖體力學(xué); 工程實(shí)踐; 分析方法；試驗(yàn)手段
前言
巖體力學(xué)作為巖土工程三大基礎(chǔ)學(xué)科(巖體力學(xué)、土力學(xué)、基礎(chǔ)工程學(xué)) 之一, 在工程設(shè)計(jì)和施工中, 巖體力學(xué)問題往往具有決定性的作用. 因此, 巖體力學(xué)的發(fā)展直接關(guān)系到工程開發(fā)的深度和廣度.
1 巖體力學(xué)的發(fā)展
巖體力學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段:(一) 連續(xù)介質(zhì)巖石力學(xué)階段. (二) 裂隙巖體力學(xué)階段. (三) 巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)階段. (四) 地質(zhì)工程巖體力學(xué)階段.而今的巖體力學(xué)與地質(zhì)研究工作密切相關(guān), 必須是多學(xué)科協(xié)同操作, 方能有所作為. 因此巖體力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入地質(zhì)工程巖體力學(xué)階段.
2 巖體力學(xué)的幾種模型
要解決具體的巖體工程問題都得建立相應(yīng)的模型. 等效連續(xù)介質(zhì)模型與不連續(xù)介質(zhì)模型是巖體力學(xué)中并存的兩大模型 , 兩者均反映了巖體的不連續(xù)性, 但對巖體的不連續(xù)性的處理方式是不一樣的.
等效連續(xù)介質(zhì)模型與不連續(xù)介質(zhì)模型是從對巖體產(chǎn)狀的處理方式來分析的. 而從巖體的力學(xué)性質(zhì)角度來看, 則需要建立力學(xué)模型, 即本構(gòu)關(guān)系. 巖體的力學(xué)性質(zhì)可以用彈性、塑性、粘性或三者之間的組合, 如粘彈性、彈粘性、彈塑性、粘彈塑性、彈塑粘性等來表示.
值得注意的是, 出現(xiàn)了一種巖體的自適應(yīng)本構(gòu)模型. 其中的巖體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)不借用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)公式和力學(xué)基本定律, 而是靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能直接從離散的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取和存貯巖體行為的知識(shí)來實(shí)現(xiàn).
巖體的本構(gòu)關(guān)系實(shí)質(zhì)上就是應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)的關(guān)系. 對于自適應(yīng)本構(gòu)模型來說, 輸入層可以是部分應(yīng)力分量和部分應(yīng)變分量, 而輸出層也可以是另一部分應(yīng)力分量和另一部分應(yīng)變分量. 輸入和輸出什么要根據(jù)已有的知識(shí)而定, 同時(shí)也要考慮用這一模型解決的問題.
自適應(yīng)本構(gòu)模型的輸入與輸出模式之間的非線性關(guān)系是通過網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值表達(dá)的, 因此, 它可以表示線性和非線性本構(gòu)模型; 自適應(yīng)本構(gòu)模型有自學(xué)習(xí)功能, 因此, 隨著知識(shí)的積累, 它的可能性和適用性將越來越高; 巖土的應(yīng)變軟化本構(gòu)模型的建立, 一直未有突破性進(jìn)展, 自適應(yīng)本構(gòu)模型將為這一領(lǐng)域的開拓提供有效手段.
3 試驗(yàn)手段更新對巖體力學(xué)及實(shí)際工程的影響
無論什么巖體力學(xué)理論, 都是基于巖體本身的性狀來模擬的. 而對于巖體的性質(zhì)研究有賴于實(shí)際工程的積累和試驗(yàn)手段的更新. 如本構(gòu)模型的研究要求進(jìn)行巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程測試, 裂隙巖體在拉應(yīng)力狀態(tài)下的開裂機(jī)理分析要求進(jìn)行巖體斷裂韌度測試, 邊坡巖體卸荷帶范圍劃分及巖體性質(zhì)“弱化”程度研究要求采用聲波等綜合測試技術(shù)等.
4 地應(yīng)力――巖體工程一個(gè)重要影響因素
對于巖體力學(xué)與具體工程的結(jié)合, 除了考慮巖體本身的力學(xué)性質(zhì)與產(chǎn)狀外, 另一個(gè)無法忽略的因素是地應(yīng)力.
地應(yīng)力是各種作用和各種起源的力, 它主要由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成, 有時(shí)還存在流體應(yīng)力和溫差應(yīng)力等. 地應(yīng)力狀態(tài)與巖體穩(wěn)定性關(guān)系極大, 它不僅是決定巖體穩(wěn)定性的重要因素,而且直接影響各類巖體工程的設(shè)計(jì)和施工.
越來越多的資料表明, 在巖體高應(yīng)力區(qū), 地表和地下工程施工期間所進(jìn)行的巖體開挖, 常常能在巖體中引起一系列與開挖卸荷回彈和應(yīng)力釋放相聯(lián)系的變形和破壞現(xiàn)象, 使工程巖體失穩(wěn).
當(dāng)然, 地應(yīng)力并不是在任何情況下都是不利的. 如巖體中具有較高天然水平應(yīng)力時(shí), 對有壓隧洞圍巖穩(wěn)定有利.
總之, 巖體的地應(yīng)力狀態(tài), 對工程建設(shè)有著重要的意義. 為了合理利用巖體地應(yīng)力的有利方面,根據(jù)巖體地應(yīng)力狀態(tài), 在可能的范圍內(nèi)合理地調(diào)整地下洞室軸線、壩軸線以及人工邊坡走向, 較準(zhǔn)確地預(yù)測巖體中重分布應(yīng)力和巖體變形, 正確地選擇加固巖體的工程措施.
5 計(jì)算機(jī)技術(shù)在巖體力學(xué)中的應(yīng)用
隨著對巖體力學(xué)的要求越來越高, 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展為巖體力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的平臺(tái). 同時(shí), 其它各學(xué)科的發(fā)展也為巖體力學(xué)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用. 為巖體力學(xué)問題的解決提供了先進(jìn)的理論與手段.有限元法、無單元法、邊界元法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及一系列的程序設(shè)計(jì)為巖體力學(xué)問題的解決和掌握提供了便利, 如: 本文第二節(jié)提到的基于BP 網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)本構(gòu)模型就是一個(gè)很好的例子.
6 巖體力學(xué)參數(shù)的確定
在巖石力學(xué)的研究和發(fā)展過程中, 其難題之一是工程巖體的力學(xué)參數(shù)的合理確定. 該原因涉及到工程巖體的連續(xù)性問題, 即一方面人們認(rèn)為工程巖體是非連續(xù)性介質(zhì), 另一方面所用的力學(xué)理論又屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué), 這是一個(gè)棘手的矛盾. 要想合理的確定工程巖體力學(xué)參數(shù), 首先要解決上述矛盾.建立工程巖體連續(xù)性的概化方法. 該方法不僅適用于微觀力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)介質(zhì)的連續(xù)性判別, 也適合于宏觀工程巖體的連續(xù)性問題. 在此基礎(chǔ)上, 提出的工程巖體力學(xué)參數(shù)確定方法, 即根據(jù)室內(nèi)完整巖塊實(shí)驗(yàn)參數(shù), 結(jié)合野外工程巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn), 從而確定工程巖體力學(xué)參數(shù)的新方法, 它展示了新理論、新方法的廣闊應(yīng)用前景.
7 巖體力學(xué)的展望
當(dāng)今, 巖體工程中的各種課題如工程選址、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營等方面的許多問題亟待解決,巖體力學(xué)的發(fā)展與完善必須重視對眾多已建巖體工程實(shí)例的分析與歸納總結(jié), 加強(qiáng)現(xiàn)場判斷研究,并逐步建立便于推廣應(yīng)用的切合實(shí)際的專家系統(tǒng). 巖體力學(xué)在工程上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及專家系統(tǒng)建立將是本學(xué)科一個(gè)重要的研究方向.
今后, 巖體工程進(jìn)一步發(fā)展, 必然要求數(shù)值分析迅速發(fā)展. 但應(yīng)指出, 數(shù)值分析方法的發(fā)展,一方面要求計(jì)算技術(shù)的發(fā)展, 另一方面要求大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)提供數(shù)值分析的發(fā)展基礎(chǔ). 加強(qiáng)學(xué)科滲透; 促進(jìn)理論更新, 這是今后應(yīng)用科學(xué)發(fā)展的一個(gè)趨勢.
總之, 隨著人們對巖體認(rèn)識(shí)的不斷深入以及其它學(xué)科手段的進(jìn)步, 巖體力學(xué)將不斷完善; 同時(shí), 也將推動(dòng)人們的工程實(shí)踐的不斷深化。
【摘要】針對地下水通過物理、化學(xué)和力學(xué)作用于巖石并引起巖石破壞的特點(diǎn)，分析了巖石水損傷機(jī)理，從總體上深化了對水―巖作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
【關(guān)鍵詞】地下水；巖體；作用機(jī)理
引言
作為影響巖體力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)活躍因素，水對巖石強(qiáng)度、彈性模量等方面作用的研究越來越受到人們的重視0。然而，水對巖石作用機(jī)理的研究是真正關(guān)系到能否解決以上諸多問題的關(guān)鍵所在。
1 機(jī)理分析
地下水是一種重要的地質(zhì)營力，它與巖體之間的相互作用，一方面改變著巖體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，另一方面也改變著地下水的物理、力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)組分。運(yùn)動(dòng)著的地下水對巖體產(chǎn)生三種作用，即物理的、化學(xué)的和力學(xué)的作用0。
1.1 地下水對巖體的物理作用
這種作用主要是由巖石中的結(jié)合水產(chǎn)生的，結(jié)合水是由于礦物對水分子的吸附力超過了重力而被束縛在礦物表面的水，水分子運(yùn)動(dòng)主要受礦物表面勢能的控制，這種水在礦物表面形成一層水膜，產(chǎn)生下述幾種作用：
潤滑作用0。由可溶鹽、膠體礦物連結(jié)成的巖石，當(dāng)有水浸入時(shí)，可溶鹽溶解，膠體水解，使原有的連結(jié)變成水膠連結(jié)，導(dǎo)致礦物顆粒間連結(jié)力減弱，摩擦力減低。這個(gè)過程在斜坡受降水入滲使得地下水位上升到滑動(dòng)面以上時(shí)尤其顯著。潤滑作用使巖石的變形性提高，摩擦角減小。
軟化和泥化作用。束縛在礦物表面的水分子通過其吸引力作用將礦物顆粒拉近、接緊，起連結(jié)作用，這種作用對于被土填充的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)的影響很明顯0 。由于巖體結(jié)構(gòu)面中充填物隨含水量的變化，發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)的弱化效應(yīng)，使巖體的力學(xué)性能降低，粘土質(zhì)巖石尤甚0。此外，當(dāng)硬巖斷層破碎帶中含有大量粘土質(zhì)填充物時(shí)需注意這種作用[6]。
結(jié)合水的強(qiáng)化作用0。處于非飽和帶的巖體，其中的地下水是結(jié)合水，處于負(fù)壓狀態(tài)，按照有效應(yīng)力原理，非飽和巖體中的有效應(yīng)力大于巖體的總應(yīng)力，從而增強(qiáng)了巖體的強(qiáng)度。
凍融作用0。孔隙、微裂隙中的水在凍融時(shí)的脹縮作用對巖石力學(xué)強(qiáng)度破壞很大。這種作用我國北方應(yīng)特別注意。
水楔作用0。當(dāng)有水分子補(bǔ)充到礦物顆粒靠得很近的礦物表面時(shí)，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個(gè)顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個(gè)礦物顆粒之間的縫隙擠入。這種現(xiàn)象稱水楔作用。飽水巖石在受力過程中，水楔作用的影響更大，巖石強(qiáng)度的降低也較多。
以上幾種作用都是與巖石中結(jié)合水有關(guān)，而巖石含結(jié)合水的多少主要和礦物的親水性（由粘土質(zhì)礦物含量決定）有關(guān)。水對巖石的上述幾種作用往往是其中幾種同時(shí)發(fā)生。且絕大多數(shù)都降低了巖體的力學(xué)性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，對于多孔隙的砂巖，飽水后的彈性模量甚至降低到了干燥時(shí)的1/3。Colback和Wiid對石英質(zhì)頁巖和石英質(zhì)砂巖的研究，飽水抗壓強(qiáng)度僅為干燥時(shí)抗壓強(qiáng)度的50%0。
巖石試件的含水量也顯著影響巖石的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)值，含水量越大，強(qiáng)度指標(biāo)值越低。水對巖石強(qiáng)度的影響通常以軟化系數(shù)0。
1.2 地下水對巖體的化學(xué)作用0
主要是指地下水與巖體之間的離子交換、溶解作用（巖溶）、水化作用（膨脹巖的膨脹）、水解作用、溶蝕作用、氧化還原作用等。
離子交換。地下水與巖體之間的離子交換是由物理力和化學(xué)力吸附到巖土體顆粒上的離子和分子與地下水的一種交換過程。通常富含Ca或Mg離子的地下淡水在流經(jīng)富含Na離子的土體時(shí)，使得地下水中的Ca離子或Mg離子置換了土體中的Na，一方面由水中Na的富集使天然地下水軟化，另一方面新形成的富含Ca和Mg離子的粘土增加了孔隙度及滲透性能，使得巖土體的結(jié)構(gòu)改變，從而影響巖土體的力學(xué)性質(zhì)。
溶解作用和溶蝕作用。天然的大氣降水在經(jīng)過滲入土壤帶、包氣帶或滲濾帶時(shí)，溶解了大量的氣體，彌補(bǔ)了地下水的弱酸性，增強(qiáng)了地下水的侵蝕性。這些具有侵蝕性的地下水對可溶性巖石如石灰?guī)r（CaCO3）、白云巖（CaMgCO3）、石膏（CaSO4）、巖鹽（NaCl）以及鉀鹽（KCl）等產(chǎn)生溶蝕作用，增大了巖石的空隙率及滲透性。
水化作用。水化作用是水滲透到巖土體的礦物結(jié)晶格架中或水分子吸附著到可溶性巖石的離子上，使巖石的結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀、細(xì)觀及宏觀的改變，減小巖土體的內(nèi)聚力。
水解作用。水解作用是地下水與巖土體（實(shí)質(zhì)上是巖土物質(zhì)中的離子）之間發(fā)生的一種反應(yīng)，該反應(yīng)一方面改變著地下水的PH值，另一方面也使巖土體物質(zhì)發(fā)生改變，從而影響巖土體的力學(xué)性質(zhì)。
氧化還原作用。氧化還原作用是一個(gè)電子從轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子的化學(xué)反應(yīng)。地下水和巖土體之間常發(fā)生的氧化過程有：硫化物的氧化過程產(chǎn)生Fe2O3和H2SO4，碳酸鹽巖的溶蝕產(chǎn)生了CO2。地下水與巖土體之間發(fā)生的氧化還原作用，既改變著巖土體中的礦物組成，又改變著地下水的化學(xué)組分及侵蝕性，從而影響巖土體的力學(xué)性質(zhì)。
以上地下水對巖土體產(chǎn)生的各種化學(xué)作用大多是同時(shí)發(fā)生的，一般地說化學(xué)作用進(jìn)行的速度很慢。地下水對巖土體產(chǎn)生的化學(xué)作用主要是改變巖土體的礦物組成，改變其結(jié)構(gòu)性而影響巖土體的力學(xué)性能。
1.3 地下水對巖體的力學(xué)作用0
巖石中的自由水不受礦物表面吸著力控制，其運(yùn)動(dòng)主要受重力作用控制，它對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。
地下水對巖體的力學(xué)作用主要通過孔隙靜水壓力和孔隙動(dòng)水壓力作用對巖體的力學(xué)性質(zhì)施加影響。前者減小巖體的有效應(yīng)力而降低巖體的強(qiáng)度；后者對巖體產(chǎn)生切向的推力以降低巖體的抗剪強(qiáng)度。孔隙和微裂隙中含有重力水的巖石突然受載而水來不及排出時(shí)，巖石孔隙或裂隙中將產(chǎn)生高孔隙水壓，減小了顆粒之間的壓應(yīng)力，從而降低了巖石的抗剪強(qiáng)度，甚至使巖石的微裂隙端部處于受拉狀態(tài)從而破壞巖石的連結(jié)。地下水在松散破碎巖體及軟弱夾層中運(yùn)動(dòng)時(shí)對土顆粒施加一體積力，可將巖石中可溶物質(zhì)溶解帶走，在孔隙動(dòng)水壓力的作用下可使巖體中的細(xì)顆粒物質(zhì)產(chǎn)生移動(dòng)，甚至被攜出巖體之外，從而使巖石強(qiáng)度大為降低，變形加大，前者稱為溶蝕作用，后者稱為潛蝕作用，在巖石中有酸性或堿性水流時(shí)，極易出現(xiàn)溶蝕作用，當(dāng)水力梯度很大時(shí)，對于孔隙度大，連結(jié)差的巖石易產(chǎn)生潛蝕作用；在巖體裂隙或斷層中的地下水對裂隙壁施加兩種力，一是垂直于裂隙壁的空隙靜水壓力（面力），該力使裂隙產(chǎn)生垂向變形；二是平行于裂隙壁的空隙動(dòng)水壓力（面力），該力使裂隙產(chǎn)生切向變形。具體同時(shí)還應(yīng)當(dāng)指出，除了上述幾種作用外，還有一些作用值得我們?nèi)パ芯浚缛毡緦W(xué)者中龍之進(jìn)等人的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了磨光了的花崗巖表面濕潤狀態(tài)時(shí)比干燥狀態(tài)時(shí)內(nèi)摩擦角高的罕見現(xiàn)象。此外，還曾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正應(yīng)力增加到一定數(shù)值時(shí)，沿濕潤狀態(tài)的花崗巖磨光面進(jìn)行剪切，會(huì)發(fā)生劇烈的粘滑。對于上述現(xiàn)象，目前還不能充分合理地闡明它們的機(jī)制。
2 工程實(shí)例0
鑒于巖體中水的性狀是多樣性的，水巖相互作用是多式的，二者再一疊加，其情況就錯(cuò)綜復(fù)雜，因而開展水巖相互作用的敏感性研究有很大的必要性。通過敏感性的研究，不僅可深化水在巖體中的地位和作用，而且可精細(xì)地識(shí)別水在巖體中多方面的具體影響。為此，我們以實(shí)例開道，以便得到真實(shí)的啟示。
實(shí)例一――平莊西露天煤礦。它的第16次滑坡，滑體長395m，寬181m，高41m。滑坡體積為4.212×105m3，主要巖性為砂頁巖和頁巖，滑坡前的傾角為20°，滑后的坡角16o30＇,滑坡面的傾角為18o40＇。在滑坡頂部由于降雨積水，形成一條長約300m的積水區(qū)，它浸泡著軟弱巖層。采用SARMA法進(jìn)行穩(wěn)定性演算時(shí)，在有水的情況下，其安全系數(shù)為K=1.15～1.21；如邊坡處于疏干狀態(tài)時(shí)，其安全系數(shù)為K=1.50～1.56。
實(shí)例二――哈密三道嶺露天礦。侏羅紀(jì)系中的煤層底板一套泥巖與粉砂巖組成，厚度為12～19m。其底部的灰色泥巖遇水明顯變軟。人用肉眼就能作出判斷；浸水后不久發(fā)出“絲絲”的聲音，2小時(shí)內(nèi)即崩解成糊狀，實(shí)質(zhì)上是泥化，就談不上有太大的強(qiáng)度。顯而易見，有些巖石對水的敏感性很強(qiáng)，像這樣的情況，在煤系地層中屢見不鮮。
3 結(jié)論
通過上述實(shí)例以及大量工程實(shí)際表明，水對巖體的作用是十分明顯的，它與巖體之間的相互作用，一方面改變著巖體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，另一方面也改變著地下水的物理、力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)組分，有時(shí)對巖石的破壞起著決定性的作用，所以，重視地下水滲流對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響的研究是很有意義的。
作者簡介:
安新豪(1983.7-) ,男,河南禹州人,碩士研究生,主要從事地下巖土及結(jié)構(gòu)工程方面的研究.
摘要：巖體是一種地質(zhì)材料，巖體的力學(xué)性質(zhì)具有各向異性，高度非均質(zhì)，不連續(xù)性等特點(diǎn)。為了解決工程中遇到的巖體力學(xué)問題，數(shù)值模擬是巖體力學(xué)中常用的手段。由于巖體中存在大量節(jié)理面，基于非連續(xù)介質(zhì)理論的離散單元法更加適合于巖體力學(xué)。本文主要介紹了離散元法塊體元的基本原理，以及其在巖石力學(xué)中應(yīng)用范圍和應(yīng)用過程中的典型問題。最后，提出一些個(gè)人見解。
關(guān)鍵詞：離散元，非連續(xù)介質(zhì)，巖體力學(xué)，數(shù)值模擬
一．引言
當(dāng)前，我國正處在一個(gè)基礎(chǔ)建設(shè)的繁盛時(shí)期，在水利水電，核電，礦山，隧道，地下工程等各領(lǐng)域都會(huì)遇到地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的巖石力學(xué)問題。為了解決工程中遇到的問題，對于巖體的力學(xué)性質(zhì)有一個(gè)較為準(zhǔn)確的把握，數(shù)值模擬是一個(gè)廣泛應(yīng)用的方法。
巖土力學(xué)中常用的數(shù)值計(jì)算方法可以分為兩大類。一類基于連續(xù)介質(zhì)的理論。如有限元方法，有限差分法，邊界元法等。特別是有限元和有限差分法，應(yīng)用極為廣泛。連續(xù)介質(zhì)方法對于處理斷層、節(jié)理、裂隙這樣的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面具有一定的局限性，只能處理為數(shù)不多的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，例如，在有限元中，巖體中的節(jié)理被看作是特殊的節(jié)理單元[2]；在有限差分中，巖體中的節(jié)理被看作滑移面；在有限元與邊界元的耦合中，巖體中的節(jié)理被看作是邊界面單元。在這些方法中，對于節(jié)理的處理都是小數(shù)量、小位移的，因此，對多結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)介質(zhì)不適合用連續(xù)介質(zhì)方法模擬，而應(yīng)采用非連續(xù)介質(zhì)方法進(jìn)行模擬。于是離散單元法應(yīng)運(yùn)而生。
離散單元法是Cundall 于1971年提出的[3]。該法將結(jié)構(gòu)面切割的巖體視為復(fù)雜的塊體的集合體，允許各個(gè)塊體平移或者轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至相互分離。離散元法以受裂縫切割或分立的塊體為出發(fā)點(diǎn)，塊和塊之間的相互作用在角和面上有接觸，角點(diǎn)可以有較大的位移。在某些情況下如滑坡或冒頂時(shí)，巖塊可以滑動(dòng)甚至脫離母體而自由下落。
二．離散單元法原理介紹
離散元法的單元從幾何形狀上分類可分為塊體元和顆粒元兩大類,本文主要介紹塊體元在巖石力學(xué)中的應(yīng)用。
1.基本原理；
它的基本原理是牛頓第二定律，其基本思想是將巖體看成是由斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面切割而成的一個(gè)個(gè)剛性或者可變形塊體，塊體與塊體之間通過角、面或者邊進(jìn)行接觸，塊體可以平移、轉(zhuǎn)動(dòng)或者變形，節(jié)理面可以被壓縮、分離、滑動(dòng)，所有塊體鑲嵌排列，在某一時(shí)刻當(dāng)給定塊體一個(gè)外力或者邊界位移約束，各個(gè)塊體在外界的干擾下就會(huì)產(chǎn)生力和力矩的作用，由牛頓第二定律可以得到各個(gè)塊體的加速度，然后對時(shí)間進(jìn)行積分，就可以依次求出塊體的速度、位移，最后得到塊體的變形量，塊體在位移矢量的方向會(huì)發(fā)生調(diào)整，這樣又會(huì)產(chǎn)生力和力矩的作用，如此循環(huán)，直到所有塊體達(dá)到一種平衡狀態(tài)或者處于某種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之下。因此，離散單元法比較適合于模擬節(jié)理系統(tǒng)在準(zhǔn)靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)下的變形過程。
2.基本方程[4]：
從力學(xué)分析角度上離散元對三大定律的滿足上與有限元方法不同。從平衡方程上看，離散元采用牛頓第二定律來控制，按圍繞各剛性塊體形心的力平衡和力矩平衡來滿足。
a.運(yùn)動(dòng)方程：每一個(gè)單元在任意時(shí)刻都應(yīng)當(dāng)滿足牛頓第二定律
b.本構(gòu)方程：從材料本構(gòu)關(guān)系上看，離散元法避開了復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)，采用在剛性塊體間設(shè)置不同種類彈簧和阻尼(法向剛度和阻尼、切向剛度和阻尼)來反映材料的應(yīng)力-位移關(guān)系。
c.幾何方程：相對于有限元，從幾何方程上看，各剛性塊體間不再位移連續(xù)，而是允許大變形和斷裂分開，可以模擬巖體不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的滑移與開裂。其位移聯(lián)系為剛性塊體間各接觸點(diǎn)的相對速度關(guān)系。
在塊體離散元中，假設(shè)塊體為剛體，這樣單元間法向和切向的相對位移的大小就反映了材料的變形和相互作用，這反映了材料在發(fā)生變形情況下的幾何關(guān)系。巖體應(yīng)力水平較低的情況下，這種假設(shè)是合理的。
上述的運(yùn)動(dòng)方程、本構(gòu)方程以及幾何方程構(gòu)成了離散元法的基本方程。對于材料的塑性和破壞可以通過單元間連接元件進(jìn)行模擬, 即可以用單元間彈簧的斷裂來模擬材料的局部破壞或通過限制彈簧的變形和改變彈簧剛度來模擬材料的塑性行為[4]。
三．適用范圍
歸納起來，離散單元法適用于節(jié)理巖體的應(yīng)力分析，其適用范圍為[1]：采礦工程、露天和地下的開挖設(shè)計(jì)、地震工程、隧道工程、地下核廢料處理系統(tǒng)
四．發(fā)展趨勢
離散單元計(jì)算方法仍屬于“發(fā)展中”方法，該方法在工程中應(yīng)用遠(yuǎn)不如有限單元法等方法廣泛。從前面所述典型問題可以看出，離散單元法若想在巖體力學(xué)中推廣應(yīng)用，還有很多問題需要解決。
1.離散元理論的研究
從總體上來看,利用離散元法計(jì)算工程問題的應(yīng)用文章占絕大多數(shù), 而研究離散元法的理論和算法的文章卻很少。而離散元法自它誕生的那天起就帶有缺乏理論嚴(yán)密性的先天不足。有人說離散元法是經(jīng)驗(yàn)計(jì)算。理論基礎(chǔ)的欠缺在塊體元模型中尤為明顯, 運(yùn)動(dòng)、受力、變形這三大要素都有假設(shè)或者簡化[4]。離散元理論和算法有待于進(jìn)一步研究。
接觸力學(xué)模型與塊體力學(xué)計(jì)算結(jié)果有直接聯(lián)系，在離散元中，塊體之間的接觸是通過彈簧來實(shí)現(xiàn)的.目前廣泛采用的彈簧方法還不能滿足計(jì)算精度的要求，且人為因素多。建立更切合實(shí)際、人為干擾因素少或沒有的接觸力學(xué)模型也是今后研究的一個(gè)重要內(nèi)容。
節(jié)理的確定也是經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析處理的，這也是不真實(shí)的，在這些假定前提下，模擬的結(jié)果有可能偏離實(shí)際很大，因此，如何合理地確定離散元中相關(guān)參數(shù)，如何盡可能地反應(yīng)真實(shí)節(jié)理在巖體中的位置和作用，這些都需要理論上的完善。
加強(qiáng)離散元相關(guān)理論的研究，可以保持其在模擬散體介質(zhì)整體力學(xué)行為和力學(xué)演化方面的優(yōu)勢，可以有效地反應(yīng)模擬介質(zhì)地應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，使其建立的模型滿足幾何、物理、受力和過程仿真的原則。另外，還應(yīng)加強(qiáng)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較。從中尋找離散元方法的不足，對其有針對性地進(jìn)行改進(jìn)。
2.與其它數(shù)值方法的耦合
有限元法、邊界元法等數(shù)值方法基于連續(xù)性假設(shè)適合于解決連續(xù)介質(zhì)問題, 而離散單元法適合于界面弱連接的非連續(xù)介質(zhì)問題或連續(xù)體到非連續(xù)體轉(zhuǎn)化的材料損傷破壞問題。因此, 如果能將離散元法與有限單元法和邊界單元法等有機(jī)地結(jié)合起來, 便能充分發(fā)揮各自的長處, 可以極大地?cái)U(kuò)大該數(shù)值方法的范圍。對于離散元和有限元等其他數(shù)值方法的耦合計(jì)算問題，已經(jīng)有很多人進(jìn)行了研究探索。離散元能否與其他數(shù)值方法如無網(wǎng)格方法等新興算法進(jìn)行耦合也是一個(gè)有價(jià)值的嘗試。
3.多相多場耦合
隨著淺部資源的逐漸減少和枯竭,礦產(chǎn)資源地下開采的深度越來越大。同時(shí),地下工程建設(shè)如復(fù)雜地質(zhì)條件下的核廢物料堆放、地下水電站、地下廠房等的建設(shè)及深部豐富地?zé)豳Y源的開發(fā)利用,迫切需要展開對深部巖體力學(xué)問題的研究。由于深部巖體多處于高地應(yīng)力、高溫度和高滲透壓即多場、多相介質(zhì)耦合作用,因此,深部多相介質(zhì)、多場耦合作用及其災(zāi)害發(fā)生機(jī)理與防治成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。由于該問題的復(fù)雜性和非線性,有學(xué)者認(rèn)為離散元法將成為解決深部復(fù)雜節(jié)理巖體中多相多場耦合作用問題的一種有效工具。
五．存在問題
1.在塊體離散元中，依據(jù)節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面將巖體切割成單元。要想真實(shí)反映巖體的地質(zhì)特征，就要有詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)資料（節(jié)理的走向、傾向、傾角、間距等），然而實(shí)際中要詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)這些地質(zhì)資料，工作量是巨大的。實(shí)際中對節(jié)理幾何信息的簡化處理，可能導(dǎo)致誤差。這是一個(gè)問題。
2.在離散元中，對于塊體有不同的假設(shè)方法。1種方法是把結(jié)構(gòu)面切割的塊體處理成剛體，變形和破壞只沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生；還有方法把塊體假設(shè)為可變形體，巖塊、結(jié)構(gòu)面同時(shí)可以發(fā)生不連續(xù)的變形和破壞。具體選擇應(yīng)視所面對的問題而定。比如如果研究對象是地表或近地表工程的塊體穩(wěn)定問題，在堅(jiān)硬巖石條件下，如果巖石的變形相對結(jié)構(gòu)面的變形可以忽略，塊體可以處理成剛體，就沒有必要太多地考究塊體的力學(xué)參數(shù)，重點(diǎn)應(yīng)該分析結(jié)構(gòu)面的變形和強(qiáng)度特征。而若是在高地應(yīng)力條件下，巖塊變形不能忽視，再假設(shè)巖塊為剛體就有問題了。
3.無論是離散單元法，還是有限元，邊界元，有限差分都是很好的工具。針對不同的情況，要選擇不同的工具。比如，假如受小型結(jié)構(gòu)面切割的大面積塊體可以處理成連續(xù)介質(zhì)，巖塊的變形處于主要地位，結(jié)構(gòu)面的變形處于次要地位，就可以應(yīng)用有限元方法來模擬。
在巖土力學(xué)中，應(yīng)用數(shù)值方法計(jì)算十分普遍。然而在實(shí)際工程中，數(shù)值模擬的結(jié)果指導(dǎo)工程實(shí)踐的作用還很有限，很多情況下，還是依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)來解決工程問題。究其原因，往往問題不在數(shù)值方法本身。巖體參數(shù)的合理選擇是很大的問題。
摘要：
本文針對采礦工程專業(yè)本科生專業(yè)基礎(chǔ)課《巖體力學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀存在的不足，提出了理論實(shí)踐并重、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、革新教學(xué)方法、培養(yǎng)學(xué)生興趣、拓寬學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)等為一體的優(yōu)化改革方案，教學(xué)實(shí)踐表明，效果良好。
關(guān)鍵詞：
采礦工程；巖體力學(xué)；教學(xué)改革
一、《巖體力學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀
《巖體力學(xué)》作為采礦工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生掌握巖石工程（井工開采、隧道、地下空間工程等）中一些力學(xué)現(xiàn)象的分析能力，使學(xué)生接受礦山開采和巖層控制基本理論和試驗(yàn)技能的初步訓(xùn)練，為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程及從事理論研究打下良好的基礎(chǔ)。《巖體力學(xué)》一般在先修課程（高等數(shù)學(xué)、彈性力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)等）完成后開設(shè)，在學(xué)生學(xué)習(xí)本課程時(shí)，不僅可對先修課程進(jìn)行系統(tǒng)回顧，又可有效運(yùn)用前期基礎(chǔ)課程相關(guān)分析與計(jì)算方法分析宏觀工程問題；同時(shí)，該課程的學(xué)習(xí)可為《采礦學(xué)》、《礦山壓力與巖層控制》等主干專業(yè)課程的學(xué)習(xí)夯實(shí)理論基礎(chǔ)。但是，隨著科技水平的提高及分析方法的多元化，巖體力學(xué)所涉及研究范圍及方法日趨復(fù)雜，這也要求高校教師對巖體力學(xué)知識(shí)掌握更加全面，推陳出新，與時(shí)俱進(jìn)。傳統(tǒng)教學(xué)過程中，有關(guān)《巖體力學(xué)》的教學(xué)多以課堂原理的講授，已不再適用于本科生的教育及行業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展需求。因此，結(jié)合現(xiàn)有條件對該課程進(jìn)行教學(xué)改革，適應(yīng)工科專業(yè)發(fā)展方向，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與應(yīng)用能力勢在必行。
二、《巖體力學(xué)》教學(xué)中存在的問題
對于采礦工程專業(yè)的學(xué)生，力學(xué)基礎(chǔ)相對較弱，即使之前已對相關(guān)基礎(chǔ)課程進(jìn)行了學(xué)習(xí)，但由于前期多為應(yīng)試型學(xué)習(xí)，且理論性較強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生對于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握多為“碎片式”，無法有效形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)《巖體力學(xué)》時(shí)非常吃力。此時(shí)，若依然按照傳統(tǒng)教育模式采用灌輸式講授方法，則事倍功半。總結(jié)傳統(tǒng)教學(xué)方法下存在的主要問題如下：
1.學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，易形成被動(dòng)接受方式。《巖體力學(xué)》是對前期相關(guān)力學(xué)課程的延伸學(xué)習(xí)，若前期基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)及運(yùn)算方法掌握不牢，將導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程形成停頓感，由于課程邏輯性較強(qiáng)，一個(gè)知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生卡頓，學(xué)生對于后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)將產(chǎn)生被動(dòng)接受的局面，學(xué)習(xí)效率低下。
2.教師課堂講授方法單一，不易于接受。資料顯示，目前非力學(xué)專業(yè)教師采用的《巖體力學(xué)》課件大同小異，均是對課本一些原理及方法的羅列，講授過程中多采用灌輸式，導(dǎo)致課堂教學(xué)環(huán)節(jié)枯燥乏味，缺乏與專業(yè)特點(diǎn)的聯(lián)系，學(xué)生不易參與其中，知識(shí)點(diǎn)也難以接受。
3.教學(xué)方法機(jī)械性較強(qiáng)，難以融會(huì)貫通。《巖體力學(xué)》主要采用的教學(xué)方法包括課堂講授與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對于實(shí)驗(yàn)部分，一般由實(shí)驗(yàn)老師授課，學(xué)生容易將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)獨(dú)立開來，因此，實(shí)驗(yàn)作為揭示巖體力學(xué)現(xiàn)象的一種有效手段，無法讓學(xué)生理解其獨(dú)特含義。
4.傳統(tǒng)理論講授過多，新型技術(shù)所占比例少。隨著科技發(fā)展，行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)了大批巖體力學(xué)分析軟件，這些軟件借助于力學(xué)原理，在分析工程問題中得到了普遍推廣應(yīng)用。高校教師分析巖體力學(xué)問題時(shí)，可充分利用新型技術(shù)，將問題分析方法多元化，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)，又可拓寬學(xué)生知識(shí)面。
三、課程教學(xué)改革方法初探
近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國逐漸躋身世界巖土工程大國，存在較大的發(fā)展空間。因此，對于工程類學(xué)生，掌握巖體力學(xué)分析方法及相關(guān)理論，為以后從事相關(guān)工作及科學(xué)研究鋪墊良好的基石至關(guān)重要。針對采礦工程專業(yè)《巖體力學(xué)》課程教學(xué)中存在的一些問題，初步提出了課程教學(xué)改革，具體包括以下幾個(gè)方面：
1.注重課堂效果，激發(fā)學(xué)生興趣。由于《巖體力學(xué)》內(nèi)容相對枯燥，學(xué)生容易失去興趣，因此，教師在講授時(shí)應(yīng)注重方法，提高課堂效果。講授內(nèi)容時(shí)應(yīng)充分結(jié)合本專業(yè)工程實(shí)例，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生理解所講知識(shí)的來龍去脈。如講授平面應(yīng)變問題下巷道彈塑性分析時(shí)，可以具體教學(xué)實(shí)例進(jìn)行切入，首先對彈性力學(xué)中平面問題進(jìn)行回顧，進(jìn)而對問題進(jìn)行假設(shè)簡化，最后引入彈塑性力學(xué)知識(shí)對問題進(jìn)行分析，不僅對前期所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)，同時(shí)應(yīng)用于解決現(xiàn)場工程問題中去，事半功倍。
2.注重基礎(chǔ)，構(gòu)建知識(shí)框架。采礦專業(yè)學(xué)生由于力學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，甚至對一些專業(yè)術(shù)語掌握都不夠準(zhǔn)確，給課程后期學(xué)習(xí)帶來了極大的困難。因此，教師需注重基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的講授，講巖體力學(xué)中復(fù)雜的理論知識(shí)及工程實(shí)踐成果濃縮在有限的課時(shí)內(nèi)。同時(shí)，注重課本知識(shí)的統(tǒng)籌規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)的同時(shí)，合理規(guī)劃授課內(nèi)容，突出重點(diǎn)，構(gòu)建知識(shí)框架，促使學(xué)生對知識(shí)內(nèi)容形成一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，利于融會(huì)貫通。
3.理論結(jié)合實(shí)踐，加強(qiáng)學(xué)習(xí)感知。《巖體力學(xué)》具有理論復(fù)雜和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，理論復(fù)雜體現(xiàn)在不確定性上，實(shí)踐性強(qiáng)則因與工程實(shí)踐密不可分。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)則是連接理論知識(shí)與工程應(yīng)用的橋梁，因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)注重對實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)應(yīng)在授課教師與實(shí)驗(yàn)教師共同參與下由學(xué)生獨(dú)立完成，提高學(xué)生的分析問題能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考的積極性，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力。
4.做好通識(shí)教育，觸類旁通。巖體物理力學(xué)特性受外界條件及自身結(jié)構(gòu)影響極大，不同行業(yè)接觸的巖體也存在較大的差異性，不同專業(yè)分析問題的角度不盡相同。因此，應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，對講授內(nèi)容突出側(cè)重點(diǎn)，例如，邊坡工程、地基工程及地下工程所涉及巖體力學(xué)問題求解方法存在較大差異，因此，非專業(yè)知識(shí)課簡單講授原理，專業(yè)知識(shí)則重點(diǎn)講授，做到觸類旁通。
5.創(chuàng)新教學(xué)方法，未雨綢繆。在《巖體力學(xué)》教學(xué)過程，可適當(dāng)引入一些新型分析軟件和方法，如有限元、離散元及有限差分等軟件，做到與時(shí)俱進(jìn)，同時(shí)輔助學(xué)生理解一些復(fù)雜的原理，學(xué)生對于一些數(shù)值分析軟件的理解可為工作及深造后巖體力學(xué)問題的分析提供新的解決路徑，做到分析問題針對性強(qiáng)、操作應(yīng)用快，理解容易，易于自身能力的提升。結(jié)合工科采礦類本科學(xué)生的實(shí)際特點(diǎn)，加強(qiáng)《巖體力學(xué)》課堂講授與工程應(yīng)用的聯(lián)系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，革新教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)面，讓采礦專業(yè)學(xué)生掌握巖體力學(xué)問題中涉及相關(guān)理論及分析方法，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，在實(shí)際工程問題中找到突破口，提高授課效果，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，為學(xué)生后期工作及學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。以上具體方案，經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，授課效果得到良好改善。
作者：王猛 單位：河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院
一、課程內(nèi)容及教學(xué)安排
1.教材選擇。
目前國內(nèi)巖體力學(xué)教材比較多，側(cè)重點(diǎn)也有所不同，通過對國內(nèi)其他兄弟院校授課教材調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基本上都是采用本校權(quán)威教授所編的教材或者是國家規(guī)劃教材。結(jié)合我校地質(zhì)學(xué)專業(yè)特色及課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)，采用我校劉佑榮教授所編的，由中國地質(zhì)大學(xué)出版社出版的《巖體力學(xué)》教材；2009年又再次對教材進(jìn)行了重新編審，由北京化工出版社出版了修訂版的《巖體力學(xué)》教材，對部分章節(jié)進(jìn)行了合并，并增加了目前國內(nèi)外研究方面的成果，例如結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬等內(nèi)容。近2年授課則是以這本修編教材為主，但在部分章節(jié)的授課中也兼顧了蔡美峰主編的《巖石力學(xué)與工程》教材，供學(xué)生課后學(xué)習(xí)，以滿足本專業(yè)學(xué)生對巖體力學(xué)知識(shí)的需求。
2.課程內(nèi)容優(yōu)化。
結(jié)合教材的內(nèi)容編排，主要從以下幾方面的內(nèi)容來進(jìn)行重點(diǎn)講解，包括巖體的地質(zhì)特征，巖體的物理、地下洞室圍巖應(yīng)力重分布，邊坡巖體穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。在具體內(nèi)容編排中也適當(dāng)?shù)卦黾恿瞬糠謨?nèi)容，如在巖體的地質(zhì)特征章節(jié)，補(bǔ)充安排了工程巖體分類等內(nèi)容；在巖體強(qiáng)度與變形性質(zhì)方面，增加了地下工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)及體系的相關(guān)介紹；在內(nèi)容編排上突出地下建筑方向的專業(yè)特點(diǎn)及需求。
3.教學(xué)學(xué)時(shí)安排。
本課程的課時(shí)安排在第三學(xué)年的第五學(xué)期，總學(xué)時(shí)為40個(gè)學(xué)時(shí)，2.5個(gè)學(xué)分，其中課堂教學(xué)34個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課6個(gè)學(xué)時(shí)。本門課程是在系統(tǒng)學(xué)習(xí)完理論力學(xué)、材料力學(xué)等力學(xué)基礎(chǔ)課后進(jìn)行開設(shè)的。
二、課程教學(xué)方法改革
1.圍繞專業(yè)工程實(shí)例展開授課。《巖體力學(xué)》課本身就是實(shí)踐性特別強(qiáng)的一門課，在進(jìn)行每一章節(jié)的授課時(shí)，可以多以工程實(shí)例來展開，尤其是國內(nèi)外比較知名的工程實(shí)例，多多采用照片、錄像等生動(dòng)形象的方式，來增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生投入其中，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣及熱情。例如，在講第五章地應(yīng)力的時(shí)候，可以結(jié)合水利水電工程中，如錦屏電站的高地應(yīng)力問題來說明地應(yīng)力研究的重要性；在講邊坡工程，可以選用大量邊坡地質(zhì)災(zāi)害的圖片。由問題入手，來追根溯源找到解決問題的源頭。
2.結(jié)合專業(yè)方向特色來授課。巖體力學(xué)作為土木工程、地質(zhì)工程、采礦工程等諸多工程的主干專業(yè)課，面對的專業(yè)層次不盡相同，在授課的時(shí)候盡量能結(jié)合專業(yè)背景展開。針對地下建筑工程方向的學(xué)生，要從學(xué)生的專業(yè)方向特色及專業(yè)需求來闡述。作為土木工程地下建筑方向的本科生，《巖體力學(xué)》這門學(xué)科的發(fā)展都與地下工程的發(fā)展是密不可分的。從本質(zhì)來講，縱觀巖體力學(xué)發(fā)展的幾個(gè)重要階段，從19世紀(jì)末～20世紀(jì)初的初始階段誕生的靜水壓力理論、側(cè)壓系數(shù)，到20世紀(jì)初～20世紀(jì)30年代的經(jīng)驗(yàn)理論階段出現(xiàn)的普氏理論、太沙基理論，然后在20世紀(jì)30年代～20世紀(jì)60年代產(chǎn)生的圍巖和支護(hù)共同作用理論及地質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，這些重大理論及思想的誕生過程就是對地下工程認(rèn)識(shí)實(shí)踐不斷深入的過程，并促進(jìn)了巖體力學(xué)學(xué)科向前發(fā)展。在授課時(shí)，可以將這一發(fā)展脈絡(luò)講述給學(xué)生，并貫穿到后續(xù)的課程教學(xué)中，不僅大大地培養(yǎng)了學(xué)生對自己專業(yè)的自豪感，也加深了對自己專業(yè)的認(rèn)識(shí)。
3.結(jié)合教師科研工作來授課。講授這門課的老師，不僅有科研經(jīng)歷豐富的教授博導(dǎo)，也有剛走出校園的博士年輕教師，他們在長期的工作和求學(xué)中，完成和參與了大量的科研項(xiàng)目，也取得了一定科研沉淀。在授課時(shí)，可以將這些科研成果進(jìn)行整理，在每章結(jié)束時(shí)，抽出專門的時(shí)間，做個(gè)與授課內(nèi)容相關(guān)的小型專題講座，豐富學(xué)生的專業(yè)眼界的同時(shí)，也可將巖體力學(xué)最新的研究方法、手段和技術(shù)介紹給學(xué)生。例如，在講地應(yīng)力一章，就曾經(jīng)將參與過的地應(yīng)力測試及地應(yīng)力反演分析的課題成果向?qū)W生進(jìn)行介紹；講地下洞室穩(wěn)定性時(shí)，就將參與的軟巖隧道科研項(xiàng)目成果進(jìn)行介紹；上課時(shí)的反響很熱烈，大大激發(fā)了學(xué)生科研的熱情，建立了專業(yè)教師和學(xué)生之間一座良好的溝通橋梁。尤其是對那些希望繼續(xù)攻讀研究生的學(xué)生，也為他們開啟了一扇科研的窗戶；此外，也讓學(xué)生了解授課老師及其團(tuán)隊(duì)的專業(yè)方向及特長，為后續(xù)研究生報(bào)考提供了便利條件。
4.結(jié)合學(xué)生實(shí)踐課來展開。我校《巖體力學(xué)》課程是安排在大三上學(xué)期，上這門課的學(xué)生僅僅經(jīng)歷的與此相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)就是大二結(jié)束時(shí)的地質(zhì)學(xué)專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)。雖然是地質(zhì)實(shí)習(xí)，但也是與這門課的研究對象———各類巖體在打交道，例如各種巖石、結(jié)構(gòu)面。在上課時(shí)，不妨將課程中提到的各種巖塊、結(jié)構(gòu)面等內(nèi)容與實(shí)習(xí)中能看到的種類聯(lián)系起來，使學(xué)生的認(rèn)識(shí)更為深刻。例如，在談巖塊、結(jié)構(gòu)面和巖體的地質(zhì)特征時(shí)，便可列舉實(shí)習(xí)線路中各類成因、不同類型、不同特征的結(jié)構(gòu)面及巖石；在講結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度及變形性質(zhì)時(shí)，可以將實(shí)習(xí)中遇到的各種斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面等現(xiàn)象作為實(shí)例來分析其性質(zhì)上的差異。這些實(shí)例學(xué)生在實(shí)習(xí)中都親自參與過，已經(jīng)有了部分感性上的認(rèn)識(shí)，重新回到課堂上學(xué)習(xí)其相關(guān)的知識(shí)，認(rèn)識(shí)和教學(xué)效果也會(huì)更好。
《巖體力學(xué)》課程內(nèi)容豐富，更要求我們在教學(xué)時(shí)進(jìn)行一定的教學(xué)改革，要結(jié)合所教學(xué)生專業(yè)方向的特點(diǎn)以及未來需求，多采用先進(jìn)的教學(xué)手段和方法，注重加強(qiáng)理論基礎(chǔ)聯(lián)系工程實(shí)際的教學(xué)模式，提高學(xué)生認(rèn)識(shí)問題深度和廣度，培養(yǎng)學(xué)生良好的工程專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)精神，為學(xué)生后續(xù)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。
作者：左昌群 孫金山 羅學(xué)東 單位：中國地質(zhì)大學(xué)
（河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）
摘要：本文針對采礦工程專業(yè)本科生專業(yè)基礎(chǔ)課《巖體力學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀存在的不足，提出了理論實(shí)踐并重、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、革新教學(xué)方法、培養(yǎng)學(xué)生興趣、拓寬學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)等為一體的優(yōu)化改革方案，教學(xué)實(shí)踐表明，效果良好。
關(guān)鍵詞：采礦工程；巖體力學(xué)；教學(xué)改革
一、《巖體力學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀
《巖體力學(xué)》作為采礦工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生掌握巖石工程（井工開采、隧道、地下空間工程等）中一些力學(xué)現(xiàn)象的分析能力，使學(xué)生接受礦山開采和巖層控制基本理論和試驗(yàn)技能的初步訓(xùn)練，為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程及從事理論研究打下良好的基礎(chǔ)。《巖體力學(xué)》一般在先修課程（高等數(shù)學(xué)、彈性力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)等）完成后開設(shè)，在學(xué)生學(xué)習(xí)本課程時(shí)，不僅可對先修課程進(jìn)行系統(tǒng)回顧，又可有效運(yùn)用前期基礎(chǔ)課程相關(guān)分析與計(jì)算方法分析宏觀工程問題；同時(shí)，該課程的學(xué)習(xí)可為《采礦學(xué)》、《礦山壓力與巖層控制》等主干專業(yè)課程的學(xué)習(xí)夯實(shí)理論基礎(chǔ)。但是，隨著科技水平的提高及分析方法的多元化，巖體力學(xué)所涉及研究范圍及方法日趨復(fù)雜，這也要求高校教師對巖體力學(xué)知識(shí)掌握更加全面，推陳出新，與時(shí)俱進(jìn)。傳統(tǒng)教學(xué)過程中，有關(guān)《巖體力學(xué)》的教學(xué)多以課堂原理的講授，已不再適用于本科生的教育及行業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展需求。因此，結(jié)合現(xiàn)有條件對該課程進(jìn)行教學(xué)改革，適應(yīng)工科專業(yè)發(fā)展方向，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與應(yīng)用能力勢在必行。
二、《巖體力學(xué)》教學(xué)中存在的問題
對于采礦工程專業(yè)的學(xué)生，力學(xué)基礎(chǔ)相對較弱，即使之前已對相關(guān)基礎(chǔ)課程進(jìn)行了學(xué)習(xí)，但由于前期多為應(yīng)試型學(xué)習(xí)，且理論性較強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生對于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握多為“碎片式”，無法有效形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)《巖體力學(xué)》時(shí)非常吃力。此時(shí)，若依然按照傳統(tǒng)教育模式采用灌輸式講授方法，則事倍功半。總結(jié)傳統(tǒng)教學(xué)方法下存在的主要問題如下：
1.學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，易形成被動(dòng)接受方式。《巖體力學(xué)》是對前期相關(guān)力學(xué)課程的延伸學(xué)習(xí)，若前期基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)及運(yùn)算方法掌握不牢，將導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程形成停頓感，由于課程邏輯性較強(qiáng)，一個(gè)知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生卡頓，學(xué)生對于后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)將產(chǎn)生被動(dòng)接受的局面，學(xué)習(xí)效率低下。
2.教師課堂講授方法單一，不易于接受。資料顯示，目前非力學(xué)專業(yè)教師采用的《巖體力學(xué)》課件大同小異，均是對課本一些原理及方法的羅列，講授過程中多采用灌輸式，導(dǎo)致課堂教學(xué)環(huán)節(jié)枯燥乏味，缺乏與專業(yè)特點(diǎn)的聯(lián)系，學(xué)生不易參與其中，知識(shí)點(diǎn)也難以接受。
3.教學(xué)方法機(jī)械性較強(qiáng)，難以融會(huì)貫通。《巖體力學(xué)》主要采用的教學(xué)方法包括課堂講授與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對于實(shí)驗(yàn)部分，一般由實(shí)驗(yàn)老師授課，學(xué)生容易將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)獨(dú)立開來，因此，實(shí)驗(yàn)作為揭示巖體力學(xué)現(xiàn)象的一種有效手段，無法讓學(xué)生理解其獨(dú)特含義。
4.傳統(tǒng)理論講授過多，新型技術(shù)所占比例少。隨著科技發(fā)展，行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)了大批巖體力學(xué)分析軟件，這些軟件借助于力學(xué)原理，在分析工程問題中得到了普遍推廣應(yīng)用。高校教師分析巖體力學(xué)問題時(shí)，可充分利用新型技術(shù)，將問題分析方法多元化，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)，又可拓寬學(xué)生知識(shí)面。
三、課程教學(xué)改革方法初探
近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國逐漸躋身世界巖土工程大國，存在較大的發(fā)展空間。因此，對于工程類學(xué)生，掌握巖體力學(xué)分析方法及相關(guān)理論，為以后從事相關(guān)工作及科學(xué)研究鋪墊良好的基石至關(guān)重要。針對采礦工程專業(yè)《巖體力學(xué)》課程教學(xué)中存在的一些問題，初步提出了課程教學(xué)改革，具體包括以下幾個(gè)方面：
1.注重課堂效果，激發(fā)學(xué)生興趣。由于《巖體力學(xué)》內(nèi)容相對枯燥，學(xué)生容易失去興趣，因此，教師在講授時(shí)應(yīng)注重方法，提高課堂效果。講授內(nèi)容時(shí)應(yīng)充分結(jié)合本專業(yè)工程實(shí)例，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生理解所講知識(shí)的來龍去脈。如講授平面應(yīng)變問題下巷道彈塑性分析時(shí)，可以具體教學(xué)實(shí)例進(jìn)行切入，首先對彈性力學(xué)中平面問題進(jìn)行回顧，進(jìn)而對問題進(jìn)行假設(shè)簡化，最后引入彈塑性力學(xué)知識(shí)對問題進(jìn)行分析，不僅對前期所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)，同時(shí)應(yīng)用于解決現(xiàn)場工程問題中去，事半功倍。
2.注重基礎(chǔ)，構(gòu)建知識(shí)框架。采礦專業(yè)學(xué)生由于力學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，甚至對一些專業(yè)術(shù)語掌握都不夠準(zhǔn)確，給課程后期學(xué)習(xí)帶來了極大的困難。因此，教師需注重基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的講授，講巖體力學(xué)中復(fù)雜的理論知識(shí)及工程實(shí)踐成果濃縮在有限的課時(shí)內(nèi)。同時(shí)，注重課本知識(shí)的統(tǒng)籌規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)的同時(shí)，合理規(guī)劃授課內(nèi)容，突出重點(diǎn)，構(gòu)建知識(shí)框架，促使學(xué)生對知識(shí)內(nèi)容形成一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)，利于融會(huì)貫通。
3.理論結(jié)合實(shí)踐，加強(qiáng)學(xué)習(xí)感知。《巖體力學(xué)》具有理論復(fù)雜和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，理論復(fù)雜體現(xiàn)在不確定性上，實(shí)踐性強(qiáng)則因與工程實(shí)踐密不可分。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)則是連接理論知識(shí)與工程應(yīng)用的橋梁，因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)注重對實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)應(yīng)在授課教師與實(shí)驗(yàn)教師共同參與下由學(xué)生獨(dú)立完成，提高學(xué)生的分析問題能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考的積極性，培養(yǎng)W生應(yīng)用創(chuàng)新能力。
4.做好通識(shí)教育，觸類旁通。巖體物理力學(xué)特性受外界條件及自身結(jié)構(gòu)影響極大，不同行業(yè)接觸的巖體也存在較大的差異性，不同專業(yè)分析問題的角度不盡相同。因此，應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，對講授內(nèi)容突出側(cè)重點(diǎn)，例如，邊坡工程、地基工程及地下工程所涉及巖體力學(xué)問題求解方法存在較大差異，因此，非專業(yè)知識(shí)課簡單講授原理，專業(yè)知識(shí)則重點(diǎn)講授，做到觸類旁通。
5.創(chuàng)新教學(xué)方法，未雨綢繆。在《巖體力學(xué)》教學(xué)過程，可適當(dāng)引入一些新型分析軟件和方法，如有限元、離散元及有限差分等軟件，做到與時(shí)俱進(jìn)，同時(shí)輔助學(xué)生理解一些復(fù)雜的原理，學(xué)生對于一些數(shù)值分析軟件的理解可為工作及深造后巖體力學(xué)問題的分析提供新的解決路徑，做到分析問題針對性強(qiáng)、操作應(yīng)用快，理解容易，易于自身能力的提升。
結(jié)合工科采礦類本科學(xué)生的實(shí)際特點(diǎn)，加強(qiáng)《巖體力學(xué)》課堂講授與工程應(yīng)用的聯(lián)系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，革新教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)面，讓采礦專業(yè)學(xué)生掌握巖體力學(xué)問題中涉及相關(guān)理論及分析方法，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，在實(shí)際工程問題中找到突破口，提高授課效果，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，為學(xué)生后期工作及學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。以上具體方案，經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，授課效果得到良好改善。
收稿日期：2016-11-25
作者簡介：王猛（1986-），男（漢族），江蘇徐州人，博士，講師，研究方向：從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。
0引言
青島坐落于大面積分布的燕山晚期花崗巖上,具有良好的地質(zhì)條件,而且青島市地鐵一期工程,80%以上的線路處于花崗巖中,其余隧道處于第四系地層中。青島市特有的花崗巖地質(zhì)條件,對土建方面而言,將節(jié)約大量的投資,土建造價(jià)大大低于其他城市,所以對青島地鐵上覆巖層巖體力學(xué)參數(shù)的研究就有其重要意義!所以本文研究任務(wù)是針對現(xiàn)有規(guī)范對青島地下工程設(shè)計(jì)不盡適應(yīng)的問題,利用青島地鐵水清溝試驗(yàn)段的觀測資料,對青島地鐵上覆巖層巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算和反演,為青島地區(qū)巖體分類進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。極限分析有限元法在邊坡穩(wěn)定分析中取得了成功[1-2],并逐漸在地基、基坑穩(wěn)定分析中得到推廣應(yīng)用[3]。鄭穎人、胡文清、張黎明等人[4-6]開始將有限元強(qiáng)度折減法應(yīng)用于隧道,由此求得隧道的剪切安全系數(shù)。這就給我們提出了一個(gè)新的思路,通過安全系數(shù)反演巖體的力學(xué)參數(shù),進(jìn)一步修正巖體力學(xué)參數(shù),最終得到適合青島地鐵上覆巖層的巖體力學(xué)參數(shù)。
1剪切安全系數(shù)的定義
安全系數(shù)是指剪切破壞面上實(shí)際巖土體的強(qiáng)度與破壞時(shí)的強(qiáng)度的比值。就是事先假定一滑動(dòng)面,根據(jù)力(矩)的平衡來計(jì)算安全系數(shù)。將安全系數(shù)定義為沿滑面的抗剪強(qiáng)度與滑面上實(shí)際剪力的比值,如式(1)所示:
可見,極限平衡法是將巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和tanφ減少為和,使得巖土工程達(dá)到極限穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的ω即為安全系數(shù),實(shí)際上就是強(qiáng)度折減系數(shù)。
2工程概況
青島地鐵試驗(yàn)段工程選取了地質(zhì)條件具有代表性的區(qū)間(水清溝~國棉五廠),由1200m的區(qū)間隧道和218m的青紡醫(yī)院站組成。
青島地鐵試驗(yàn)段區(qū)間隧道為雙洞單線,雙洞之間的距離為9m,區(qū)間隧道埋深為10~20米,橫斷面型式為直墻三心圓拱,跨度為4.86m,直墻高3.54m,拱高1.82m。計(jì)算選取三個(gè)不同埋深的截面,分別為10m、14m和18m。
巖體主要為花崗巖,處于微~未風(fēng)化帶,結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清晰,巖體以整體塊狀結(jié)構(gòu)為主,完整性好,根據(jù)國際《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》GB50218-94,分別屬于Ⅱ、Ⅲ類圍巖。
在節(jié)理方面:產(chǎn)狀走向以NE~NEE向?yàn)橹黧w,其次以NW~NWW向,傾角70~80度為主,部分50度左右,節(jié)理裂隙存在一定程度的未貫通巖橋,裂隙連通率統(tǒng)計(jì)在24~75%,結(jié)構(gòu)面緊閉,巖塊堅(jiān)硬。結(jié)構(gòu)面以閉合~微張裂隙為主,平面光滑,猶如刀切。
3均質(zhì)巖質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定分析
計(jì)算按照平面應(yīng)變問題來處理,準(zhǔn)則采用DP4準(zhǔn)則,邊界范圍取底部及左右兩側(cè)各5倍隧道跨度[2],地面超載按照國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)20KN/m2,按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》,各級圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值如表1,下標(biāo)上下表示圍巖的上下限。
經(jīng)過ANSYS有限元計(jì)算,逐步折減強(qiáng)度參數(shù),分別得到各種工況的剪切破壞安全系數(shù)見表2,分析發(fā)現(xiàn):①安全系數(shù)隨埋深深度減少,明顯出現(xiàn)兩側(cè)直墻先破壞;②通過破壞時(shí)等效塑性應(yīng)變圖可找出最大應(yīng)變發(fā)生在拱角和墻角處,而且根據(jù)圍巖等效塑性應(yīng)變發(fā)生突變時(shí)各斷面中等效塑性應(yīng)變最大點(diǎn)的位置,可以發(fā)現(xiàn)圍巖的潛在破裂面。
在Ⅱ上圍巖下、埋深18米的工況下,隧道的塑性區(qū)和應(yīng)力應(yīng)變圖如圖1、圖2所示。
4節(jié)理裂隙巖質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定分析和巖體力學(xué)參數(shù)反演
選取埋深18米的斷面,因?yàn)槁裆?8米的跨度最長,且通過地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)大部分為微~未風(fēng)化花崗巖,且所處斷面最上面基本沒有覆土層,分別屬于Ⅱ、Ⅲ類圍巖。為了簡化模型,考慮如下情況:只考慮一組起重要作用的結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀走向?yàn)镹E~NEE向),傾角75°,間距2.5米,貫通率為75%。各級圍巖參數(shù)見表3。
經(jīng)過有限元強(qiáng)度折減,最終分別得到各類圍巖下的安全系數(shù)見表4。
在Ⅱ上圍巖下、埋深18米的工況下,隧道的塑性區(qū)和應(yīng)力應(yīng)變圖如圖3、圖4所示。
所以在埋深18m情況下,通過均質(zhì)巖質(zhì)中給出的安全系數(shù)與節(jié)理裂隙巖質(zhì)的安全系數(shù)比較,進(jìn)行反演,最終在表5中,對一、二、三類圍巖巖體的強(qiáng)度參數(shù)提出了建議值。
對表5中給出的各級圍巖巖體的強(qiáng)度參數(shù)建議值研究發(fā)現(xiàn):對II類和III類圍巖的,值較規(guī)范值增大,這說明青島地鐵上覆巖層主要是花崗巖,巖性好,所以巖體強(qiáng)度參數(shù)建議值要大于規(guī)范中的給定值。
最后通過《青島地鐵第一期工程 水清溝――青紡醫(yī)院試驗(yàn)段 施工地質(zhì)、變形量測、環(huán)境檢測總結(jié)報(bào)告》中的位移檢測,驗(yàn)證了反演的強(qiáng)度參數(shù)建議值的合理性。
最終通過分析發(fā)現(xiàn):相對于青島花崗巖地區(qū),規(guī)范中給出的巖體分類的強(qiáng)度參數(shù)偏低,按照規(guī)范中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)就會(huì)偏于保守,所以針對青島地區(qū)花崗巖的巖性特征,筆者對規(guī)范中給出的巖體分類的強(qiáng)度參數(shù)做了修正,為進(jìn)一步確定了青島地鐵上覆巖層巖體分類打下基礎(chǔ)。
摘要:采用新奧法進(jìn)行隧道工程施工時(shí),設(shè)計(jì)單位只能根據(jù)監(jiān)控單位和施工單位反饋的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和隧道開挖揭露情況對設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行宏觀判斷,隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把力學(xué)計(jì)算和實(shí)際背景巖體力學(xué)參數(shù)相結(jié)合,才能更科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的按照新奧法的理念完成隧道工程的設(shè)計(jì)、施工。
0 引言
在現(xiàn)時(shí)的公路建設(shè)中,為滿足線型、車速、里程、生態(tài)環(huán)境等要求,隧道工程已被大量采用。建設(shè)環(huán)境的不可預(yù)知性是隧道工程最大的特點(diǎn),在施工中,開挖的圍巖與設(shè)計(jì)不符的情況屢見不鮮。
鑒于此,新奧法(NATM)被流行地應(yīng)用于隧道工程工作中。而施工監(jiān)控量測則是新奧法施工方法中的重要工序之一。
施工監(jiān)控量測是將施工過程中的圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力、初期補(bǔ)強(qiáng)及二次襯砌合理的施作時(shí)間、開挖揭露巖體的力學(xué)參數(shù)等情況反饋給設(shè)計(jì)與施工以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化施工方案及施工工藝目的的工序。
1巖體力學(xué)參數(shù)的重要性及其在新奧法施工中的現(xiàn)狀
監(jiān)控量測的內(nèi)容在相關(guān)技術(shù)規(guī)范中已做了相關(guān)規(guī)定,著重于對揭露圍巖情況的觀察以及開挖洞室的凈空變化、圍巖的蠕變趨勢、結(jié)構(gòu)及圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變及位移大小量測等。由這些監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在指導(dǎo)施工中起到了很直觀、重要的作用。但是對巖體的力學(xué)參數(shù)測試包括抗壓強(qiáng)度、變形模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、圍巖完整性指數(shù)、應(yīng)力強(qiáng)度比等沒有引起足夠的重視。只有在少數(shù)工程中對力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測。在進(jìn)行隧道的圍巖基本質(zhì)量分級和力學(xué)建模計(jì)算分析時(shí),這些參數(shù)是必不可少的。
對于工程巖體這樣復(fù)雜多變的隧道工程,為了選擇一條正確的設(shè)計(jì)途徑,一方面要使經(jīng)驗(yàn)方法科學(xué)化;另一方面還要使設(shè)計(jì)中所進(jìn)行的力學(xué)計(jì)算具有實(shí)際背景。
為了做到這點(diǎn),現(xiàn)場的監(jiān)控測試就應(yīng)該提供更多的依據(jù),這樣才能把力學(xué)計(jì)算和實(shí)際情況更好的結(jié)合。
現(xiàn)在的勘察設(shè)計(jì)單位都存在時(shí)間緊、任務(wù)重的問題,勘察單位不能對隧道的地質(zhì)情況做詳細(xì)細(xì)致的勘察工作,而設(shè)計(jì)單位也只能根據(jù)勘察單位提供的有限的勘察資料更多的采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
然而隧道的圍巖揭露情況與勘察情況有很大一部分不相符。在出現(xiàn)不相符時(shí),設(shè)計(jì)單位只能根據(jù)監(jiān)控單位和施工單位提供的資料進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。
變更時(shí)分兩種情況,第一種,設(shè)計(jì)偏弱,設(shè)計(jì)只能根據(jù)有限的資料進(jìn)行一定的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì);第二種,設(shè)計(jì)偏強(qiáng),實(shí)際工作中,此種情況一般未變更設(shè)計(jì)。
第一種情況,在實(shí)際工作中影響施工進(jìn)度,有時(shí)還給工程留下隱患,甚至造成質(zhì)量安全事故;第二種情況,使工程不能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性,甚至造成不必要的浪費(fèi)。要想隧道工程設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理,設(shè)計(jì)方就必須要有足夠的資料作為設(shè)計(jì)的背景。在施工過程中,監(jiān)控量測作為提供設(shè)計(jì)資料背景方,應(yīng)該不僅要為設(shè)計(jì)方提供凈空變化、圍巖的蠕變趨勢、結(jié)構(gòu)及圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變及位移大小等作為宏觀判斷設(shè)計(jì)合理性的依據(jù),還應(yīng)提供更細(xì)致的巖體的力學(xué)參數(shù)為隧道的力學(xué)計(jì)算提供直觀依據(jù),這樣才能更為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的完成整個(gè)隧道的新奧法設(shè)計(jì)、施工。
2巖體力學(xué)參數(shù)測試和計(jì)算方法簡介
2.1 抗壓強(qiáng)度是指巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度(RC),按照抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件的尺寸、精度、含水率制作試件,以0.5~1MPa/s的速度加載直到破壞,記錄試件破壞形態(tài),逐級記錄荷載及應(yīng)變值,并繪制應(yīng)力與縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變曲線圖,按照R=計(jì)算其單軸抗壓強(qiáng)度,按照Eav=,μav=計(jì)算平均彈性模量、平均泊松比(σa,σb分別為曲線上直線段始點(diǎn)、終點(diǎn)應(yīng)力值,εa-εb分別為σa,σb處縱向應(yīng)變值,εda-εdb分別為σa,σb處橫向應(yīng)變值)。
2.2 黏聚力、內(nèi)摩擦角可由原位試驗(yàn)得到。
2.3 圍巖完整性指數(shù)可以由KV=求得,縱波、橫波速度可以用巖石超聲波參數(shù)測定儀、縱橫波換能器測得。
2.4 應(yīng)力強(qiáng)度比可由Sm=式計(jì)算得到,σmax為巖體的最大主應(yīng)力。
3結(jié)論及改善建議
逐步的優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工參數(shù),使隧道工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、安全的完成,使新奧法施工廣泛應(yīng)用于隧道工程修建的主要原因,但此種施工方法只是更多的反饋于施工,在設(shè)計(jì)中其作用還未得到更好體現(xiàn)。
要想新奧法中的監(jiān)控量測結(jié)果更好地反饋于設(shè)計(jì),巖體的力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測在監(jiān)控量測中的重要性就必須得到體現(xiàn)。
巖體的力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測在隧道施工監(jiān)控量測中很少實(shí)施,原因是隧道工程實(shí)施的相關(guān)人員未意識(shí)到此項(xiàng)工作的重要性。為了新奧法能更好的應(yīng)用到隧道設(shè)計(jì)、施工生產(chǎn)中去,相關(guān)人員應(yīng)對此項(xiàng)工作的作用給予足夠的重視,配備相應(yīng)的人員和設(shè)備來完成此項(xiàng)工作。
摘要：為適應(yīng)當(dāng)前勘察、土木、地質(zhì)、石油等行業(yè)對相關(guān)專業(yè)本科畢業(yè)生的高要求，本文基于巖體力學(xué)的特點(diǎn)，詳細(xì)分析了當(dāng)前我國巖體力學(xué)本科教學(xué)的現(xiàn)狀以及進(jìn)行改革的必要性。在此基礎(chǔ)上，從教學(xué)內(nèi)容、試驗(yàn)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法等方面提出了初步的改革措施。以期通過這些措施，提高巖體力學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和時(shí)代要求的復(fù)合型人才。
關(guān)鍵詞：巖體力學(xué);教學(xué)內(nèi)容;試驗(yàn)教學(xué);數(shù)值仿真;教學(xué)方法
巖體力學(xué)是土木工程、石油工程、地下工程、水利水電工程、地質(zhì)工程、采礦工程、勘查技術(shù)與工程等專業(yè)本科生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是研究巖體在外界因素（荷載、水、溫度等）作用下的應(yīng)力、變形、破壞、穩(wěn)定性與加固的學(xué)科，理論基礎(chǔ)廣泛，涉及地質(zhì)學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科知識(shí)[1，2]。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠建立起有關(guān)巖體力學(xué)的基本理論體系以及相應(yīng)的工程概念（如強(qiáng)度理論、工程巖體分類、穩(wěn)定性分析），為后面的相關(guān)專業(yè)課（如基礎(chǔ)工程、鉆探工藝學(xué)、計(jì)算巖土力學(xué)、礦山壓力與巖層控制）提供必要的知識(shí)儲(chǔ)備，也為畢業(yè)后從事建筑、勘探、采礦、采油等相關(guān)工作奠定必備的理論基礎(chǔ)。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的巖土工程廣泛興起，復(fù)雜的巖體力學(xué)問題不斷涌現(xiàn)，從而對高校培養(yǎng)的相關(guān)專業(yè)人才的綜合能力提出了更高的要求：不僅要具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，還要有一定的分析和解決現(xiàn)場實(shí)際問題的能力[3]。
作為人才培育的主要基地，高校在巖土工程人才培養(yǎng)過程中，在培養(yǎng)模式以及相關(guān)的各類軟硬件條件等方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上社會(huì)發(fā)展的步伐及社會(huì)對復(fù)合型人才的需求[4]。因此，針對當(dāng)今社會(huì)的實(shí)際需求，如何安排好巖體力學(xué)教學(xué)，培養(yǎng)合格的本科生，成為擺在各大高校相關(guān)教師面前的重要問題。
一、巖體力學(xué)教學(xué)改革的必要性
巖體在形成與存在過程中，長期遭受著復(fù)雜的建造與改造地質(zhì)作用，最終變成一種被大量不同類型與規(guī)模的斷層、節(jié)理、層理、片理、裂隙等結(jié)構(gòu)面切割包圍而成的材料，具有非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性的特點(diǎn)。同時(shí)，巖體還賦存于復(fù)雜的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水中。這些使工程巖體的力學(xué)行為極其復(fù)雜，通常呈高度非線性。巖體力學(xué)問題大多是病態(tài)的、不確定的、多尺度的，很難找到一種解析或數(shù)值算法進(jìn)行精確地求解[5]。從而，依托于巖體上的各類工程（如地下空間與地下隧道工程、巖質(zhì)邊坡工程、巖石地基與壩基工程、采礦工程以及鉆井工程）的設(shè)計(jì)計(jì)算分析極為復(fù)雜，目前實(shí)際工作中，仍通過以工程經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)與監(jiān)測為主，理論指導(dǎo)為輔來完成。可以說，巖體力學(xué)還很年輕，知識(shí)體系還不夠完善，許多理論尚不成熟，自身發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐的要求。
隨著中國能源、交通、水利、國防、城市建設(shè)等事業(yè)的發(fā)展，巖體工程建設(shè)越來越多，規(guī)模也越來越大，這些給巖體力學(xué)帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也對相關(guān)從業(yè)人員提出了更高的要求。然而，作為培養(yǎng)高級人才的搖籃，高校在巖體力學(xué)本科教學(xué)方面還存在很多問題，比如教材陳舊、內(nèi)容落后、試驗(yàn)教學(xué)不足、理論與實(shí)際脫節(jié)嚴(yán)重、課堂教學(xué)方法落后、教學(xué)手段單一，在很大程度上影響了本科生在實(shí)際工作中解決復(fù)雜問題的能力和創(chuàng)新能力。因此，開展巖體力學(xué)本科教學(xué)改革是十分必要的。通過教學(xué)改革，旨在既提高相關(guān)從業(yè)人員的基本素質(zhì)與實(shí)踐能力，又為培養(yǎng)高層次復(fù)合型人才打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
二、巖體力學(xué)本科教學(xué)改革的主要內(nèi)容
筆者認(rèn)為巖體力學(xué)本科教學(xué)改革應(yīng)從多方面著手：與時(shí)俱進(jìn)地優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以實(shí)際工程為教學(xué)案例密切聯(lián)系實(shí)際，增加室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值仿真等試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，改革教學(xué)方法，從而探索滿足當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展條件下的巖體工程建設(shè)需求的復(fù)合型人才培育的教學(xué)方法。
（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
目前國內(nèi)高校巖體力學(xué)本科課程無統(tǒng)一教材，教學(xué)內(nèi)容由任課教師自己掌握。相關(guān)教材也比較多，如沈明榮與陳建峰主編的《巖體力學(xué)》（2006），劉佑榮與唐輝明主編的《巖體力學(xué)》（2009），陳海波等主編的《巖體力學(xué)》（第2版，2013）以及陽軍生與陽生權(quán)主編的《巖體力學(xué)》（2008）。各教材在基礎(chǔ)理論方面的表述基本上是一致的，只是在工程應(yīng)用方面?zhèn)戎攸c(diǎn)有所不同。筆者認(rèn)為各任課教師應(yīng)根據(jù)其校本專業(yè)特點(diǎn)，依據(jù)教學(xué)大綱與學(xué)時(shí)安排，以一本教材為主、多本教材為輔的方針授課，在講授巖體力學(xué)基本原理與知識(shí)的基礎(chǔ)上，以實(shí)際工程進(jìn)行案例教學(xué)，并適當(dāng)向?qū)W生介紹當(dāng)前的新概念、新技術(shù)、新方法等發(fā)展動(dòng)態(tài)與學(xué)科前沿，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。
本校地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）的巖體力學(xué)本科課程，根據(jù)國家學(xué)科組指定的教學(xué)大綱，編制授課計(jì)劃，結(jié)合本專業(yè)的特色與發(fā)展需要，對大綱進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整與修改。教材以教育部地質(zhì)工程教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)推薦的劉佑榮與唐輝明主編的《巖體力學(xué)》為主，以《Fundamentals of rock mechanics》、《巖石力學(xué)與工程》、《巖石力學(xué)與石油工程》、《鉆井巖石力學(xué)》、《礦山巖石力學(xué)》等相關(guān)教材為輔，刪除其他相關(guān)課程的重復(fù)性內(nèi)容，同時(shí)補(bǔ)充隧道鉆掘、地下工程支護(hù)、工民建勘察、大陸科學(xué)鉆探以及石油鉆井等方面的工程實(shí)例，根據(jù)本校本專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃40學(xué)時(shí)左右的內(nèi)容進(jìn)行編輯，在滿足本專業(yè)學(xué)生對巖體力學(xué)認(rèn)知與掌握的需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、知識(shí)面寬的復(fù)合型人才培養(yǎng)要求。
（二）增加試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)
試驗(yàn)是巖體力學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，但是限于學(xué)時(shí)、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)等原因，在本科教學(xué)過程中一般只能有選擇地讓學(xué)生動(dòng)手做幾種相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，難以很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，因此，增加試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)勢在必行。筆者認(rèn)為可以從如下三個(gè)方面來解決這個(gè)問題：
1.通過與相關(guān)試驗(yàn)室相關(guān)人員協(xié)調(diào)，在課余時(shí)間借用試驗(yàn)，開展相關(guān)巖體力學(xué)試驗(yàn)，從而盡可能多地鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力;在不影響試驗(yàn)室正常運(yùn)行的前提下，將學(xué)生劃分多批次，參觀有關(guān)科研項(xiàng)目的巖體力學(xué)試驗(yàn)過程，以實(shí)現(xiàn)盡可能多地感性認(rèn)識(shí)巖體力學(xué)課堂上講授的理論知識(shí)。
2.通過鼓勵(lì)和指導(dǎo)本科生積極參與所在院系教師的相關(guān)科研項(xiàng)目、科技報(bào)告會(huì)項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目等活動(dòng)，在項(xiàng)目中實(shí)際運(yùn)用巖體力學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生認(rèn)識(shí)、分析與處理巖體力學(xué)問題的能力。
3.充分利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[6]，采用數(shù)值仿真手段彌補(bǔ)試驗(yàn)場地和設(shè)備的不足[7，8]，并初步培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)值模擬與理論相結(jié)合的方法，分析邊坡穩(wěn)定性、地下隧道與礦山開采圍巖變形、地基巖體穩(wěn)定性、井壁穩(wěn)定性等實(shí)際工程問題。
通過以上措施實(shí)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值仿真試驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的增加，使本科生在實(shí)踐中體會(huì)所學(xué)知識(shí)，找到自己的不足，增強(qiáng)對巖體力學(xué)的理解與掌握，鍛煉動(dòng)手能力，提高分析問題、解決問題的能力與創(chuàng)新能力。
（三）改革教學(xué)方法
目前以多媒體電子課件為主、黑板板書為輔的教學(xué)方式已被廣泛應(yīng)用于高校教學(xué)中。巖體力學(xué)是一門理論性與實(shí)踐性均很強(qiáng)的學(xué)科，教師應(yīng)針對此特點(diǎn)開展教學(xué)活動(dòng)。但是，限于學(xué)時(shí)、安全等原因，任課教師通常無法帶學(xué)生到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地參觀講解。為了加強(qiáng)理論與實(shí)踐的相接軌，就需要充分利用電子課件能夠圖文并茂、聲像俱佳的優(yōu)勢，形象生動(dòng)地向?qū)W生傳遞工程現(xiàn)場信息，從而彌補(bǔ)實(shí)踐的不足。
對于理論方面，采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)方法補(bǔ)充多媒體教學(xué)，對重點(diǎn)、難點(diǎn)公式用板書一步步推導(dǎo)，便于學(xué)生理解與記憶。增加課上與學(xué)生互動(dòng)環(huán)節(jié)，如讓學(xué)生回憶上堂課內(nèi)容，多多就知識(shí)點(diǎn)提問，增加課堂作業(yè)環(huán)節(jié)，添加學(xué)生分組演講報(bào)告環(huán)節(jié)。增加課下與學(xué)生互動(dòng)，如建立QQ群、微信朋友圈，在上面經(jīng)常行業(yè)最新動(dòng)態(tài)的圖片、新聞、視頻，發(fā)表小課題引導(dǎo)學(xué)生討論，以及邀請學(xué)生參加自己的科研項(xiàng)目。改革考核方式，總成績既包括期末閉卷考試成績，又包括平時(shí)表現(xiàn)、試驗(yàn)報(bào)告、文獻(xiàn)綜述報(bào)告等。
通過以上種種手段，更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與解決問題的能力，更加公平地評價(jià)學(xué)生的課業(yè)表現(xiàn)。
三、結(jié)語
巖體力學(xué)內(nèi)容豐富、知識(shí)復(fù)雜，給本科教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)與機(jī)遇。筆者針對目前巖體力學(xué)本科教學(xué)方面的不足，從教學(xué)內(nèi)容、試驗(yàn)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法等方面提出了初步的改革措施。以期通過這些改革，既能促進(jìn)學(xué)生更好地掌握巖體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)與技能，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力，為國家培養(yǎng)滿足行業(yè)需求的復(fù)合型人才。
摘要：本文闡述巖土力學(xué)發(fā)展歷史和概貌，巖體力學(xué)的基本研究內(nèi)容和研究方法，以及當(dāng)今巖土力學(xué)發(fā)展存在的問題，對巖石力學(xué)研究提出的更高一個(gè)層次的要求，使巖石力學(xué)面臨許多前所未有的問題和挑戰(zhàn)，急需解決和提高巖石力學(xué)理論和方法的研究水平，以適應(yīng)工程實(shí)踐的需要。
關(guān)鍵詞：巖土力學(xué)，發(fā)展，新技術(shù)，展望
引言巖體力學(xué)是近展起來的一門新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，應(yīng)用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質(zhì)、地下工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域，一方面它是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，另一方面正是上述領(lǐng)域?qū)嵺`促使了巖體力學(xué)的誕生與發(fā)展，作為地球科學(xué)的一個(gè)重要組成部分面臨一系列新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
一、巖體力學(xué)的發(fā)展歷史和概貌
（1）初始階段（19世紀(jì)末～20世紀(jì)初）
這是巖石力學(xué)的萌芽時(shí)期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學(xué)計(jì)算問題。海姆提出了靜水壓力的理論認(rèn)為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)，作用在地下巖石工程上的垂直壓力和水平壓力相等；朗金和金尼克也提出了相似的理論。
（2）經(jīng)驗(yàn)理論階段（20世紀(jì)初～20世紀(jì)30年代）
該階段出現(xiàn)了根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出的地壓理論，并開始用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法分析地下工程的支護(hù)問題，最有代表性的理論就是普羅托吉雅柯諾夫提出的自然平衡拱學(xué)說，即普氏理論，該理論認(rèn)為，圍巖開挖后自然塌落成拋物線拱形，作用在支架上的壓力等于冒落拱內(nèi)巖石的重量，僅是上覆巖石重量的一部分。太沙基提出相同的理論， 只是他認(rèn)為塌落拱形狀是矩形，而不是拋物線型。普氏理論是相應(yīng)于當(dāng)時(shí)的支護(hù)型式和施工水平發(fā)展起來的，進(jìn)一步說圍巖和支護(hù)之間并不安全是荷載和結(jié)構(gòu)的關(guān)系問題，在很多情況下圍巖和支護(hù)形成一個(gè)共同承載系統(tǒng)，維持巖石工程的穩(wěn)定最根本的還是發(fā)揮圍巖的作用，盡管如此，上述理論在一定的歷史時(shí)期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用的。
（3）經(jīng)典理論階段（20世紀(jì)30年代～20世紀(jì)60年代）
巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)被引入巖石力學(xué)，確立了一些經(jīng)典計(jì)算公式，形成圍巖和支護(hù)共同作用的理論，巖體工程技術(shù)問題的解決，這些都說明巖石力學(xué)發(fā)展到該階段已完成為一門獨(dú)立的學(xué)科。在經(jīng)典理論發(fā)展過程階段，形成了“連續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學(xué)理論”兩大學(xué)派。早在20世紀(jì)30年代，薩文就用無限大平板孔附近應(yīng)力集中的彈性解析來計(jì)算分析巖石工程的圍巖應(yīng)力分布問題，20世紀(jì)50年代，魯濱湟特運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)理論寫出了求解巖石力學(xué)領(lǐng)域問題的系統(tǒng)著作，同時(shí)，開始有人用彈塑性理論研究圍巖的穩(wěn)定問題，導(dǎo)出著名的芬納-塔羅勃公式和卡斯特納公式，塞拉塔用流變模型進(jìn)行了隧峒圍巖的粘彈性分析。
20世紀(jì)60年代，運(yùn)用早期的有限差分和有限元等數(shù)值分析方法，出現(xiàn)了考慮實(shí)際開挖空間和巖體節(jié)理、裂隙的圍巖和支護(hù)共同作用的彈性或彈塑性計(jì)算解，使運(yùn)用圍巖和支護(hù)共同作用原理進(jìn)行實(shí)際巖石工程的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)變得普通，促進(jìn)了中國早期的地應(yīng)力測量工作的開展。
地質(zhì)力學(xué)理論注重研究地層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)與巖石工程穩(wěn)定性的關(guān)系，由德國人克羅斯創(chuàng)立起來的，理論反對把巖體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)簡單地利用固體力學(xué)的原理進(jìn)行巖石力學(xué)特性的分析，強(qiáng)調(diào)重視對巖體節(jié)理、裂隙的研究和結(jié)巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用，1951年在第一屆地質(zhì)力學(xué)討論會(huì)，形成“地質(zhì)力學(xué)研究組”并廣泛應(yīng)用于巖石工程。
（4）現(xiàn)展階段（20世紀(jì)60年代～現(xiàn)在）
此階段是巖石力學(xué)理論和實(shí)踐的新進(jìn)展階段，其主要特點(diǎn)是用更為復(fù)雜的多種多樣的力學(xué)模型來分析巖石力學(xué)問題，把力學(xué)、物理學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代信息技術(shù)等的最新成果引入巖石力學(xué)，20世紀(jì)60年代和70年代，原位巖體與巖塊的巨大工程差異被揭露出來，巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和賦存狀況到重視。20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)用于巖石工程隱定性計(jì)算的數(shù)值計(jì)算方法，主要是有限元法，20世紀(jì)80年代數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展很快，有限元、邊界元及混合模型得到廣泛應(yīng)用，成為巖石力學(xué)材料分析計(jì)算的主要手段，20世紀(jì)90年代數(shù)值分析終于在巖石力學(xué)和工程學(xué)科中扎根，巖石力學(xué)專家和數(shù)學(xué)家合作創(chuàng)造成一系列計(jì)算原理和方法。20世紀(jì)80年代和90年代，巖石工程三維信息系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、工程決策支持系統(tǒng)等迅速發(fā)展起來，并得到普遍的重視和應(yīng)用。20世紀(jì)90年代現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)的滲透是非線性科學(xué)在巖石力學(xué)中的重要應(yīng)用。
智能巖石力學(xué)涉及人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊數(shù)學(xué)、非線性科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、固體力學(xué)和巖石工程等許多領(lǐng)域。
二、巖體力學(xué)的基本研究內(nèi)容和研究方法
巖石力學(xué)服務(wù)對象的廣泛性和研究對象的復(fù)雜性，對任何巖石工程領(lǐng)域來講，下列基本內(nèi)容是首要進(jìn)行研究的。
（1）工程巖體的穩(wěn)定性包括：1）各類工程巖體在開挖荷載作用下的應(yīng)力、位移分布特征；2）各類工程巖體在開挖荷載作用下的變形破壞特征；3）各類工程巖體的穩(wěn)定性分析與評價(jià)等。
（2）巖石的基本力學(xué)性質(zhì)包括：1)巖塊在各種力學(xué)作用下的變形和強(qiáng)度特征以及力學(xué)指標(biāo)參數(shù)；2）影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素，包括加載條件、溫度、濕度等；3）巖石的變形破壞機(jī)理及其破壞判據(jù)。
（3）巖石的物理、水理與熱力學(xué)性質(zhì)。
（4）結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)內(nèi)容包括：1）結(jié)構(gòu)面在法向壓應(yīng)力及剪應(yīng)力作用下的變形參數(shù)及其確定；2）結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度特征及其測試技術(shù)和方法。
（5）巖體力學(xué)性質(zhì)包括：1）巖體變形與強(qiáng)度特征及其原位測試技術(shù)與方法，2）巖體力學(xué)參數(shù)的弱化處理與經(jīng)驗(yàn)估計(jì)；3）影響巖體力學(xué)性質(zhì)的主要因素；4）巖體中地下水的賦存、運(yùn)移規(guī)律及巖體的水力學(xué)特征。
（6）地應(yīng)力分布規(guī)律及巖體規(guī)律及其測量理論與方法
（7）巖石、巖體的地質(zhì)特征，內(nèi)容包括：1）巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征；2）結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響；3）巖體結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特征；4）巖體工程分類。
（8）巖石工程穩(wěn)定性維護(hù)技術(shù)包括巖體性質(zhì)的改善與加固技術(shù)等。
（9）各種新技術(shù)、新方法與新理論在巖石力學(xué)中的應(yīng)用。
（10）工程巖體的模型、模擬試驗(yàn)以及原位監(jiān)測技術(shù)，模型試驗(yàn)包括數(shù)值模型模擬、物理模擬等。
根據(jù)所采用的研究手段或所依據(jù)的基礎(chǔ)理論所屬學(xué)科領(lǐng)域的不同，巖石力學(xué)的研究方法可大概歸納以下四種：
（1）工程地質(zhì)研究方法；（2）科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法；（3）數(shù)學(xué)力學(xué)分析方法；（4）整體綜合分析方法。
三、巖體力學(xué)研究的主要問題
主要研究的問題有以下幾種：
（1）水利水電工程；（2）采礦工程；（3）鐵道和公路建設(shè)工程；（4）土木建筑工程；（5）海洋勘探與開發(fā)工程。以上只是一些主要方面，隨著巖石工程建設(shè)的發(fā)展，還會(huì)有新問題的不斷提出。
四、巖體力學(xué)與工程發(fā)展趨勢和前景展望
國際上巖石力學(xué)與巖石工程研究的最新趨勢：
(l)巖石工程對環(huán)境的影響越來越受到重視，這是同全球的環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)離不開的。
(2)對巖石或巖體的力學(xué)和水力學(xué)特性與溫度場、應(yīng)力場等相關(guān)場的耦合問題的研究越來越多，不再是對簡單環(huán)境下單一巖石力學(xué)性質(zhì)的研究。
(3)對巖石力學(xué)特性及巖石工程的數(shù)值方法和數(shù)據(jù)模擬的研究一直是長盛不衰的。
(4)巖石或巖體特有的節(jié)理裂隙對其力學(xué)性質(zhì)的影響的研究越來越深入和細(xì)致。
(5)原位測試及勘探。水壓致裂及三維裂紋勘探受到重視，聲發(fā)射致裂研究裂縫擴(kuò)展及強(qiáng)度的破壞。
(6)越來越重視巖石力學(xué)的研究成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用。
(7)高科技在巖石力學(xué)與巖石工程中的應(yīng)用開始嶄露頭角。
以下五個(gè)方面的問題應(yīng)成為我們的主攻方向。
（1）巖體力學(xué)研究由局限的巖體走向解決山體和地體等大范圍、大尺度的工程和資源開發(fā)問題。
（2）巖體力學(xué)由研究單一的固體不連續(xù)材料向多場耦合和多相運(yùn)動(dòng)研究發(fā)展。
（3）巖體力學(xué)從單純的地球內(nèi)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)或外動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模型向內(nèi)外動(dòng)力耦合作用模型的轉(zhuǎn)變。
（4）巖體力學(xué)從工程巖體穩(wěn)定性研究向極端災(zāi)害的非線性動(dòng)力過程的預(yù)測及防治進(jìn)軍。
（5）從常規(guī)的巖石開挖的失穩(wěn)防治到新型大規(guī)模暴力攻擊的防護(hù)，以及人地關(guān)系的協(xié)調(diào)。
這些問題都是對巖石力學(xué)提出的更高的要求，使巖石力學(xué)面臨許多前所未有的問題和挑戰(zhàn)，急需發(fā)展和提高巖石力學(xué)理論和方法的研究水平，以適應(yīng)工程實(shí)踐的需要。
摘 要：在深部開采工程中產(chǎn)生的巖石力學(xué)問題是目前國內(nèi)外采礦及巖石力學(xué)界研究的焦點(diǎn)，“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜環(huán)境，是深部開采面臨的挑戰(zhàn)性、高難度課題。雖然目前對于深部開采工程的研究已經(jīng)取得了部分成果，但對深層次、注重個(gè)案、側(cè)重技術(shù)的基礎(chǔ)研究重視仍然不夠。今后主要研究方向應(yīng)集中在深部巖石力學(xué)基本特性、深部開采工程穩(wěn)定性控制、深部開采地表環(huán)境損傷控制以及深部厚煤層綜放開采基礎(chǔ)理論研究等方面。
關(guān)鍵詞：深部開采；巖石力學(xué)；三高一擾動(dòng)
深部開采巖石力學(xué)，主要是指在進(jìn)行深部資源開采過程中引發(fā)的與巷道工程及采場工程有關(guān)的巖石力學(xué)問題。目前，對能源的需求逐步增加，開采強(qiáng)度也不斷加大，這些都造成了淺部資源的日益減少，因而國內(nèi)外的礦山都相繼進(jìn)入深部資源開采狀態(tài)。而開采深度的不斷增加，工程災(zāi)害也隨之增多，這對深部資源安全高效的開采造成了巨大威脅。
1 深部開采巖體的力學(xué)特點(diǎn)
1.1 開采環(huán)境
深部開采和淺部開采最明顯的區(qū)別在于深部巖石所處的特殊環(huán)境，也就是“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境。“三高”主要是指高地溫、高地應(yīng)力和高巖溶水壓。“一擾動(dòng)”主要是指強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)。當(dāng)進(jìn)入深部開采后，巖體呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，即由各向不等壓的原巖應(yīng)力引起的壓、剪應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度，并且對巖石造成破壞。
1.2 力學(xué)行為特性
深部巖石的“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜環(huán)境，對深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)產(chǎn)生根本性的影響。主要表現(xiàn)在深部巖體動(dòng)力響應(yīng)的突變性，深部巖體應(yīng)力場的復(fù)雜性，深部巖體的大變形和強(qiáng)流變性，深部巖體的脆性一延性轉(zhuǎn)化，深部巖體開挖巖溶突水的瞬時(shí)性等五個(gè)方面。
2 深部開采工程中的巖石力學(xué)問題
目前對于深部開采工程的研究已經(jīng)取得了一系列成果，但是對于側(cè)重技術(shù)、注重個(gè)案的深層次基礎(chǔ)研究始終沒有得到足夠的重視。深部開采“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，使深部巖石力學(xué)行為及其深部災(zāi)害的特征與淺部開采明顯不同，因而在淺部開采基礎(chǔ)上建立的傳統(tǒng)理論不能適應(yīng)現(xiàn)在的研究環(huán)境。
2.1 強(qiáng)度確定
深部開采時(shí)地應(yīng)力水平比較高，因而工程開挖后的工程巖體在高圍壓作用下，一個(gè)或兩個(gè)方向上應(yīng)力狀態(tài)的改變所表現(xiàn)出的強(qiáng)度變化并不是簡單的表現(xiàn)在受拉或受壓，而是復(fù)雜的拉壓復(fù)合狀態(tài)，即徑向產(chǎn)生卸載，同時(shí)切向產(chǎn)生加載。所以深部開采時(shí)工程巖體的強(qiáng)度不能單純用巖塊強(qiáng)度來確定，必須建立符合深部開采特點(diǎn)的工程巖體拉壓復(fù)合強(qiáng)度確定理論。
2.2 設(shè)計(jì)理論
深部開采時(shí)，由于工程圍巖所表現(xiàn)出的非線性力學(xué)特性，在穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)時(shí)不能采用簡單的一次線性設(shè)計(jì)，因而必須建立采用二次以至多次非線性大變形力學(xué)穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)理論。
2.3 穩(wěn)定性控制理論
在深部開采環(huán)境下，工程開挖后工程圍巖就會(huì)有不同程度的破壞，必須采用二次支護(hù)甚至多次支護(hù)才能夠?qū)崿F(xiàn)工程穩(wěn)定性。因此，原有的穩(wěn)定性控制理論不能適合新的環(huán)境，必須建立適合深部開采工程的二次（支護(hù)）穩(wěn)定性控制理論。
3 今后研究重點(diǎn)
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在復(fù)雜地質(zhì)條件下一些長深鐵路、公路隧道的修建，有了許多深部開采事故的預(yù)防應(yīng)用，并由此發(fā)展了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和理論。我們認(rèn)為對巖石力學(xué)問題，今后主要研究方向應(yīng)集中在對深部巖石力學(xué)基本特性、深部開采工程穩(wěn)定性控制、深部開采地表環(huán)境損傷控制和深部厚煤層綜放開采基礎(chǔ)理論研究等方面。
3.1 “深部”的概念及其分類體系
目前國內(nèi)外對深部工程中所引發(fā)的巖石力學(xué)問題研究十分重視，但是在“深部”、“深部工程”等一系列概念上的差異較大，這些對該領(lǐng)域理論與技術(shù)研究的發(fā)展及交流有一定影響。因而，對“深部”的概念、分類體系以及評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的定義，是推動(dòng)深部巖體力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究的當(dāng)務(wù)之急。
3.2 深部巖石力學(xué)的基本特性研究
深部工程的“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜環(huán)境，使得深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)都發(fā)生了根本性的變化，同時(shí)也導(dǎo)致深部開采中災(zāi)變事故的多發(fā)性和突發(fā)性。因而，深部資源開采面臨的優(yōu)秀科學(xué)問題正是采掘擾動(dòng)表現(xiàn)出來的特殊力學(xué)行為。其中的深部高應(yīng)力場成因以及多個(gè)應(yīng)力場的耦合作用狀態(tài)研究、深部復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖體拉壓復(fù)合強(qiáng)度確定方法及其災(zāi)變機(jī)理更是今后研究的重點(diǎn)。
3.3 深部開采工程的穩(wěn)定性研究
深部開采工程的穩(wěn)定性問題是研究圍巖在開采破壞后與支護(hù)系統(tǒng)相互作用所達(dá)到的二次穩(wěn)定問題。在深部條件下的工作面回采所形成的采動(dòng)應(yīng)力場與巷道掘進(jìn)形成的開挖應(yīng)力場相互耦合疊加，這些形成了復(fù)雜的三維應(yīng)力場。同時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力的分布與回采空間動(dòng)態(tài)、多維的時(shí)空規(guī)律以及支承壓力區(qū)的范圍和峰值應(yīng)力等也將產(chǎn)生很大變化。因此，應(yīng)該結(jié)合深部巖體的非線性力學(xué)特性研究，在對深部采場以及巷道圍巖采動(dòng)的應(yīng)力時(shí)空分布規(guī)律的深入分析基礎(chǔ)上，探討深部開采采場及巷道一體化的穩(wěn)定性非線性力學(xué)控制對策。
3.4 深部工程災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理以及控制對策的研究
在深部條件下，“三高一擾動(dòng)”環(huán)境使深部巖體的基本行為特征、組織結(jié)構(gòu)和工程響應(yīng)發(fā)生了根本性的變化，這同時(shí)導(dǎo)致了深部開采中災(zāi)變事故的多發(fā)性和突發(fā)性。因而，研究巖體在地下水、瓦斯、高地應(yīng)力、溫度等作用下的穩(wěn)定與非穩(wěn)定變形，破壞狀態(tài)以及轉(zhuǎn)化機(jī)理、條件和規(guī)律，探索深部多相介質(zhì)、多場耦合的作用下工程災(zāi)害頻度和強(qiáng)度等特征，這些對揭示深部工程災(zāi)害的誘發(fā)機(jī)理和成災(zāi)過程，并對相應(yīng)的災(zāi)害提出預(yù)測方法及控制對策具有重要意義。
在“三高一擾動(dòng)”特殊地質(zhì)力學(xué)的環(huán)境下，傳統(tǒng)的理論、方法和技術(shù)已經(jīng)部分或全部失效。因此，對深部開采工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論研究的大力開展，能夠?qū)ι畈抠Y源開發(fā)提供可靠的理論基礎(chǔ)，并為我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和國家安全戰(zhàn)略的實(shí)施提供有效的能源和資源保證。
摘 要：由于12081采場圍巖運(yùn)移的復(fù)雜性，現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)反映的只是某一方面或者幾方面的規(guī)律，對頂板活動(dòng)難以有一個(gè)全面了解。研究方法采用相似模擬只能在部分方面取得較好的成果，但是會(huì)消耗較高成本。實(shí)驗(yàn)周期經(jīng)較長，并且一次只能模擬一種狀態(tài)。近年來，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達(dá)不到的效果。
關(guān)鍵詞：煤巖體 力學(xué) 參數(shù) 模擬 分析
由于12081采場圍巖運(yùn)移的復(fù)雜性，現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)只能反映某一些方面或某幾方面的規(guī)律，難能對頂板活動(dòng)有一個(gè)全面的了解。采用相似模擬的研究方法，雖然在某些方面能取得很好的效果，但是，模擬的成本高，實(shí)驗(yàn)周期經(jīng)較長，并且一次只能模擬一種狀態(tài)。近年來，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達(dá)不到的效果。本次采用UDEC數(shù)值模擬方法，研究不同初撐力條件下，上覆巖層的穩(wěn)定性。
1 煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取
1.1 煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取
關(guān)于巖體參數(shù)的參考值，其材料特性滿足庫侖—摩爾準(zhǔn)則。確定模型材料參數(shù)如表1所示。
1.2 節(jié)理和角點(diǎn)圓弧化
可以將巖石塊體之間的接觸面認(rèn)為是節(jié)理。根據(jù)不同的粗糙程度，個(gè)別的接觸點(diǎn)構(gòu)成接觸面系，通常兩個(gè)端點(diǎn)的接觸可以代表，端點(diǎn)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候發(fā)生相對的法向位移和切向位移。
塊體不僅會(huì)有面接觸還有點(diǎn)接觸，不管是點(diǎn)還是面的接觸，都會(huì)有數(shù)學(xué)上的奇異性，點(diǎn)接觸會(huì)引起計(jì)算上的應(yīng)力集中，但是實(shí)際情況是，尖角在力的作用下被折斷鈍化，因此還要將圓弧化處理加入到角點(diǎn)的計(jì)算中。
圓弧化處理角點(diǎn)之后，可以將圓弧的中心道邊的垂線和邊的交點(diǎn)作為邊和角的接觸點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)方向也就是垂線方向。兩個(gè)焦點(diǎn)的接觸點(diǎn)可以取兩個(gè)圓弧中心的聯(lián)機(jī)和圓弧交線的交叉點(diǎn)。經(jīng)過圓弧化處理的角點(diǎn)增加了計(jì)算的時(shí)間，但是角點(diǎn)接觸的奇異性被消除，這樣的計(jì)算和實(shí)際接觸點(diǎn)的物理圖像更加符合。本次模擬時(shí)round取值0.2。
1.3 剛度系數(shù)
在UDEC中節(jié)理的法向和切向剛度系數(shù)kn和ks的正確選取是至關(guān)重要的。如果剛度系數(shù)取得太大，剛體塊將連接成為一個(gè)整體，無相對運(yùn)動(dòng)可言；如果取得太小了，則剛體塊將成為一盤散沙，相互間沒有約束。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則，剛度系數(shù)最大可取為剛度最大的鄰接塊體之間的等值剛度的十倍，即有：
式中：K為體積模量；
G為剪切模量；
Zmin為節(jié)理兩側(cè)塊體單元的最小寬度。
如果取用太大的剛度系數(shù)，會(huì)將大幅增加計(jì)算時(shí)間，卻不會(huì)改變物理圖像。但是如果取用太小的剛度系數(shù)，時(shí)步會(huì)被增大，加快計(jì)算速度，但是節(jié)理“過軟”，塊體間“嵌入”太多，與實(shí)際情況不符。
剛度系數(shù)對于不同的巖石其變化是很大的。對于軟弱粘土夾層可為10～100 MPa/m。而對于花崗巖或玄武巖等的致密節(jié)理，則剛度系數(shù)甚至可以超過100 GPa/m。
UDEC中的剛度系數(shù)不同于一般彈性體的剛度系數(shù)，它僅僅作為單元間傳遞力的因子。剛度系數(shù)應(yīng)取足夠大，以使計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定值。同時(shí)考慮到計(jì)算費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性，在滿足精度和穩(wěn)定收斂要求的前提下，宜盡量減小塊體剛度，剛度系數(shù)一般取1010～1011 n/m較為適宜。計(jì)算中剛度系數(shù)取值1010。
2 UDEC數(shù)值模擬
2.1 低初撐力狀態(tài)模擬
根據(jù)實(shí)測單體支柱平均支護(hù)力為13.8 kN，采用UDEC進(jìn)行了數(shù)值模擬，按單體支柱平均支護(hù)力為90 kN，采用UDEC進(jìn)行了數(shù)值模擬。
2.2 UDEC模擬結(jié)果分析
從模擬結(jié)果可以得出，低支護(hù)力狀態(tài)下，頂板離層，平衡結(jié)構(gòu)形成的層位相對較低，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，遇斷層或特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖體時(shí)，容易出現(xiàn)頂板事故。高支護(hù)力狀態(tài)下，平衡結(jié)構(gòu)的層位相對較高，對工作面的影響也較小，工作面變形量也較小，工作環(huán)境大大改善。
采場圍巖運(yùn)移是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，動(dòng)態(tài)過程有兩層內(nèi)容，一是隨著時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程；二是隨支護(hù)力不同而變化的動(dòng)態(tài)過程。如圖1所示為低支護(hù)載荷條件下圍巖運(yùn)移狀態(tài)，支護(hù)頂板距平衡結(jié)構(gòu)8～12 m，平衡結(jié)構(gòu)對采場的影響較大，由于支護(hù)力過小，頂板易發(fā)生離層，支護(hù)狀態(tài)差。如圖2為合理支護(hù)條件下圍巖運(yùn)移狀態(tài)，平衡結(jié)構(gòu)下方巖層厚度為15～19 m，距離支柱較遠(yuǎn)，支柱上方頂板發(fā)生離層的可能性較小，采場處于安全狀態(tài)下。
2.3 FLAC數(shù)值模擬結(jié)果分析
從FLAC數(shù)值模擬可以看出，工作面的支護(hù)初撐力大小對工作面圍巖應(yīng)力分布有十分顯著的影響。低載荷，應(yīng)力峰值和高應(yīng)力范圍均顯著增大，而導(dǎo)致頂板剪應(yīng)力區(qū)顯著擴(kuò)大。而高載時(shí)，頂板剪應(yīng)力僅在煤壁上方很小的范圍出現(xiàn)峰值。
剪應(yīng)力從煤壁附近向控頂區(qū)上方頂板的擴(kuò)展是導(dǎo)致頂板破碎的主要原因，而頂板破碎范圍與支架載荷有關(guān)。
隨支護(hù)載荷的增加，煤壁前方的支撐壓力明顯減少。煤壁前方頂板應(yīng)力減少。由于支架載荷較低，煤壁前方垂直應(yīng)力增加，控頂區(qū)上方剪應(yīng)力集中程度增加，范圍增大。
控頂區(qū)上方的頂板鉛垂應(yīng)力隨支架載荷的增加明顯改善。支護(hù)載荷的增加，導(dǎo)致和圍巖應(yīng)力降低，從而改善圍巖控制，避免頂板破碎。
隨著支護(hù)載荷的加大，位移矢量也有所改變。位移矢量由低載垂直位移變?yōu)楦咻d的水平位移。即控頂區(qū)圍巖的穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。
在主應(yīng)力圖中低載時(shí)，應(yīng)力矢量比較紊亂，很不規(guī)則。而高載時(shí)，主應(yīng)力矢量在煤壁上方的頂板巖層，指向煤壁前方，顯示了煤壁前方的應(yīng)力集中效應(yīng)和壓力拱效應(yīng)。
綜上所述，選擇合理的支護(hù)載荷（即高載荷）對工作面的圍巖控制是非常重要而且有利的（如圖3～4）。
摘 要：為更好的服務(wù)生產(chǎn)，保證12081工作面回采順利，并探索一套能夠指導(dǎo)類似工作面的技術(shù)，我們在12081工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，對煤巖體力學(xué)特性與電鏡進(jìn)行分析并對底板特性進(jìn)行測試。
關(guān)鍵詞：煤巖體 力學(xué)特性 電鏡分析 底板特性 測試
為更好的服務(wù)生產(chǎn)，保證12081工作面回采順利，并探索一套能夠指導(dǎo)類似工作面的技術(shù)，我們在12081工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，對煤巖體力學(xué)特性與電鏡進(jìn)行分析并對底板特性進(jìn)行測試。
1 12081工作面煤體特性和電鏡分析
12081工作面所采煤層為山西組二1 煤，煤種貧煤，煤質(zhì)以低灰、發(fā)熱量特高熱值、特低硫、特低氯、低磷為主要特征，為一級含砷煤。煤灰屬較高軟化和較高流動(dòng)溫度灰。二1煤中無煙煤和貧煤可做為動(dòng)力用煤和民用燃料。開采煤層煤質(zhì)特征見表1。12081工作面煤體電鏡分析見圖1。
二1煤煤類有無煙煤和貧煤，以粉狀為主，粒狀、鱗片狀次之，塊狀少許，易磨碎。二1煤為黑色-灰黑色，黑-灰黑色條痕，以粒狀為主，次為塊狀，粉狀，可見鱗片狀。
塊煤為金剛—— 玻璃光澤，貝殼狀、參差狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育，可見鏡煤條帶，莫氏硬度2～3度。粉、粒狀煤污手、質(zhì)軟，煤芯疏松易碎。二1煤層相對真密度為1.49t/m3，相對視密度為1.45t/m3。
與底板特性測試的結(jié)果相吻合。說明煤體軟而且酥，極易風(fēng)化。工作面可見底板煤層浸水后，踩上去似泥窩一樣把礦工靴陷進(jìn)去。
2 12081工作面頂板和底板巖體力學(xué)性能與電鏡分析
二1煤直接頂板多為砂質(zhì)泥巖和泥巖，砂質(zhì)泥巖為深灰色薄層及中厚層狀，裂隙不發(fā)育。泥巖多為深灰色塊狀。也有砂巖為灰白色，一般致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育。有偽頂，巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖，厚度0.43～0.95m。
從電鏡圖可見，巖體破壞的界面與煤層截然不同，煤層的界面就像小米粒一樣處于松散的狀態(tài)；頂板巖體的界面就像堅(jiān)硬的實(shí)木裂口一樣，處于相互嵌合的狀態(tài)。
綜上所述，12081工作面即二1煤層直接頂板，為砂質(zhì)泥巖和泥巖，巖石抗壓強(qiáng)度較高，屬易管理頂板。12081工作面即二1煤層底板，為泥巖和砂質(zhì)泥巖為不易變形中硬度底板，亦易管理。
3 底板比壓特性曲線圖譜顯示
12081工作面底板比壓測點(diǎn)分布，如圖3所示，在工作面每測區(qū)距煤壁1～4m之間建測點(diǎn)，共建16個(gè)測點(diǎn)。按照上述計(jì)算方法計(jì)算每個(gè)測點(diǎn)的對應(yīng)數(shù)值，并繪出底板比壓特性曲線圖譜。
圖3中編號：左起第一為數(shù)字是指，按照距離槽頭的距離排序的序號；第二位數(shù)字是指，1代表用采用BPN型內(nèi)注式靜壓比壓儀測定底板實(shí)體煤層的比壓，2采用DZD40-A底板比壓儀測定底板表層煤層的比壓。最后一位數(shù)字是與井下記錄的聯(lián)系，沒有具體含義。空心曲線代表底板比壓。當(dāng)?shù)装灞葔簝x的底模尺寸大于的油缸內(nèi)徑時(shí)，因?yàn)檎鬯愫蟮闹敌。缈招那€所示。
4 結(jié)論
為全面掌握12081工作面支柱與底板的相互作用現(xiàn)狀，必須測量和研究12081工作面底板的煤層或巖層抗壓入特性，確定容許的底板比壓值，以選定單體支柱的底座面積與合理支護(hù)密度，增強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)的剛度。對指導(dǎo)和加強(qiáng)回采工作面底板管理工作，搞好安全生產(chǎn)有重要意義。
摘 要：淺析巷道圍巖松動(dòng)圈的基本理論、圍巖分類與松動(dòng)圈的測定方法、巷道錨桿支護(hù)機(jī)理，以及錨桿支護(hù)參數(shù)的合理選擇。
關(guān)鍵詞：圍巖松動(dòng)圈；錨桿支護(hù)；參數(shù)選擇；煤礦巷道
一、引言
錨桿支護(hù)在煤礦巷道的支護(hù)中，是一種應(yīng)用形式最多的支護(hù)方式。應(yīng)用錨桿支護(hù)，關(guān)鍵的一個(gè)問題就是如何選擇錨桿支護(hù)的參數(shù)，如何達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理，又能取得較好的安全支護(hù)效果，這才是最根本的目的。運(yùn)用圍巖松動(dòng)圈理論，以錨桿支護(hù)機(jī)理為基礎(chǔ)，合理選擇錨桿支護(hù)的參數(shù)，能夠取得較好的支護(hù)效果。
二、圍巖松動(dòng)圈的理論概念
礦井下的巖體，在開挖前是處于原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)開挖后這種平衡狀態(tài)就會(huì)遭到破壞和打破，使得由單向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，并且在巷道周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中。而巷道周邊變?yōu)閱蜗驊?yīng)力狀態(tài)，其徑向應(yīng)力σr下降為零，切向應(yīng)力σt集中。當(dāng)圍巖集中應(yīng)力σt小于巖體強(qiáng)度時(shí)，圍巖處于彈性變形狀態(tài)；當(dāng)圍巖集中應(yīng)力σt大于巖體強(qiáng)度時(shí),圍巖就會(huì)產(chǎn)生破裂松動(dòng)，并由巷道周邊開始向深部發(fā)展。這種破裂松動(dòng)，深入圍巖深部的距離稱為圍巖松動(dòng)區(qū)的厚度，這個(gè)破裂區(qū)則稱之為圍巖松動(dòng)圈。
三、圍巖分類與松動(dòng)圈的測定方法
圍巖松動(dòng)圈是由圍巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度所決定的，所以各煤礦的地質(zhì)條件不同，其圍巖松動(dòng)圈的參數(shù)也不盡相同。確定圍巖松動(dòng)圈的最好辦法，就是進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。我們可以采用圍巖裂隙探測儀，根據(jù)聲波波速和振幅，從而做出巷道圍巖巖體聲速振幅變化曲線，就很容易地確定了松動(dòng)圈的范圍。而對于采準(zhǔn)巷道來說，測站間隔可達(dá)到50m以上，每個(gè)測站可設(shè)置幾條測線，每個(gè)測線布置6～8個(gè)測孔即可。頂板測孔要垂直頂板層理方向，其它測孔可沿煤層傾斜方向布置。測孔長度，按煤層柱狀圖來確定，一般為2～3m，其鉆孔鉆好后用水將孔沖洗干凈，并將探頭插入鉆孔，注水封閉后即可測試（實(shí)例見圖1、圖2）。
在實(shí)際操作過程中，可以根據(jù)圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論,并結(jié)合單位實(shí)測資料進(jìn)行圍巖詳細(xì)分類。一般情況下，都將圍巖分成三類,即穩(wěn)定圍巖(松動(dòng)圈LP ≤40cm)、中等穩(wěn)定圍巖(40cm ＜LP ≤150cm)和不穩(wěn)定圍巖(LP＞150cm)。按此分類，制定具體的支護(hù)方案與措施。
四、巷道錨桿支護(hù)機(jī)理
一般在現(xiàn)有的支護(hù)條件下，試圖采用支護(hù)手段來阻止圍巖的松動(dòng)破壞而是不可能的。支護(hù)的的主要作用就是限制圍巖松動(dòng)圈形成過程中破碎力所造成的有害變形。錨桿支護(hù)要達(dá)到較好的支護(hù)效果，其布置及參數(shù)必須充分考慮到松動(dòng)圈內(nèi)巖體的變形及破壞情況。利用錨桿支護(hù)的作用，就是通過巷道周邊的數(shù)根錨桿穩(wěn)固，使巖體互相擠壓，形成一個(gè)接近原巖強(qiáng)度的組合承載結(jié)構(gòu)，這樣既錨固圍巖的表層和防止冒落，又可利用巖體本身強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的支護(hù)效果。因此，錨桿支護(hù)參數(shù)的選擇，必須適應(yīng)圍巖松動(dòng)圈巖體的特性，這樣才是確定松動(dòng)圈參數(shù)與選擇錨桿支護(hù)的基本依據(jù)。如此施工方能達(dá)到應(yīng)有的效果和作用。
五、錨桿支護(hù)參數(shù)的合理選擇
1、穩(wěn)定圍巖
由于松動(dòng)圈圍巖的自重有限，錨桿將不起較大的作用。因此，對于整體性好、耐風(fēng)化的圍巖可不進(jìn)行支護(hù)，必要時(shí)可用單一的噴射混凝土來支護(hù)。這種工程實(shí)踐表明，其混凝土的最大厚度以不超過20cm為宜。在節(jié)省材料的同時(shí)，也能起到穩(wěn)定的支護(hù)作用。
2、中等穩(wěn)定圍巖
通過現(xiàn)場的理論和實(shí)踐表明，這時(shí)圍巖碎脹變形比較明顯，其圍巖的收斂變形將使巷道巖體表層產(chǎn)生裂縫或破壞，因而必須用錨桿來控制其變形。錨桿錨固端為松動(dòng)圈以外的巖體，錨固端位于塑性區(qū)。所以采用懸吊理論來合理確定錨桿參數(shù)，使得錨桿能充分起到拉伸、擠壓、加固作用，從而使松動(dòng)圈內(nèi)巖體保持穩(wěn)定狀態(tài)。
3、不穩(wěn)定圍巖
在巖石松動(dòng)圈大于1.5m 時(shí)，巷道圍巖的收斂變形較大，這時(shí)支護(hù)除要有一定的支護(hù)強(qiáng)度外，還應(yīng)具備一定的可縮性。從現(xiàn)場實(shí)踐表明，此時(shí)可采用錨噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，其錨桿參數(shù)選擇原理與上述相同。如松動(dòng)圈厚度較大，錨桿過長也安裝不易，且承受較大的拉力，錨固效果可能不好。因此，在層狀巖層結(jié)構(gòu)下，選擇較堅(jiān)硬的巖層作為錨桿的錨固點(diǎn)，并在巷道表面布置金屬網(wǎng)進(jìn)行噴層處理，這樣會(huì)取得理想的支護(hù)效果。
六、結(jié)語
在巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論，并通過測定來確定圍巖巖石的穩(wěn)定性與硬度情況，從而科學(xué)合理地確定錨桿及其相應(yīng)的支護(hù)形式。這樣，既能在現(xiàn)有的支護(hù)投資條件下達(dá)到安全支護(hù)的目的，又能最大限度地節(jié)省支護(hù)材料。
