第10章巖石力學新理論與新方法10.1智能巖石力學10.1.1智能巖石力學的由來為了突破“數(shù)據(jù)有限”和“變形破壞機理理解不清”的瓶頸，研究者在智能科學和系統(tǒng)科學理論的基礎上，提出了智能巖石力學。10.1.2智能巖石力學及其特征（1）智能巖石力學及其研究方法智能巖石力學是應用人工智能的思想，研究智能化的力學分析與計算模型，研制具有感知、推理學習、聯(lián)想、決策等思維活動的計算機綜合集成智能系統(tǒng)，解決人類專家才能處理的巖體力學問題。智能巖石力學是將人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊數(shù)學、非線性科學和系統(tǒng)科學的思想與巖體力學進行交叉和綜合而發(fā)展起來的一種新的學科分支，因此，它是一個多學科交叉的綜合體系。智能巖石力學的研究方法采用自學習、非線性動態(tài)處理、演化識別、分布式表達等非一對一的映射研究方法以及多方法的綜合集成研究模式，是建立節(jié)理巖體真實特征的新型分析理論和方法，是涉及人工智能、非線性科學、系統(tǒng)科學、力學、地學與工程科學的交叉綜合研究方法。（2）智能巖石力學與傳統(tǒng)巖石力學的區(qū)別與聯(lián)系智能巖石力學與傳統(tǒng)巖石力學之間既有廣泛的聯(lián)系，又有較深刻的區(qū)別(見表10.1)。表10.1智能巖石力學與經(jīng)典巖石力學的比較10.1.3智能巖石力學的主要研究思路和內(nèi)容智能巖石力學研究概括起來可以包括3個方面：（1）基本理論研究；（2）基礎技術(shù)、算法和工具的研究；（3）與巖石工程相結(jié)合的研究。10.1.4智能巖石力學的研究現(xiàn)狀這些進展包括：建立了適用于圍巖分類、隧道(巷道)支護設計、邊坡破壞模式識別與安全性估計、采場穩(wěn)定性估計的專家系統(tǒng)；提出了基于范例推理(case-basedreasoning)的邊坡穩(wěn)定性評價方法；提出了一種新的數(shù)據(jù)挖掘方法，能從硐室圍巖穩(wěn)定性的實例數(shù)據(jù)中挖掘出知識，并將提到的關聯(lián)規(guī)則輸入到專家系統(tǒng)，進行不確定性推理，對地下硐室圍巖的穩(wěn)定性進行合理的判別。10.1.5智能巖石力學的未來發(fā)展趨勢基于Internet的方法可能是未來將要發(fā)展的一種方法。這里要研究的是全球范圍內(nèi)Internet的分布式信息獲取、動態(tài)及時處理方法，基于Internet的分布式計算模型等。建立全球范圍科學家進行有效合作研究的Internet模型和遙控實驗系統(tǒng)，開發(fā)虛擬實驗設備，使得異地的科研人員能像本實驗室人員一樣，可以實時地觀察整個實驗過程并得到結(jié)果。10.2細觀巖石力學10.2.1基本概念細觀是介于宏觀和微觀之間的一個尺度概念。對于研究巖石的破裂而言，可以把野外巖位中普遍發(fā)育的、直接影響巖體力學特性的、大于毫米級別的裂隙、節(jié)理、斷層等劃定為宏觀尺度；把發(fā)育在巖石結(jié)構(gòu)中；直接影響巖石力學性質(zhì)的，毫米－微米級別的裂紋劃定為細觀尺度；把發(fā)育在巖石中礦物晶體內(nèi)部，一般對巖石的宏觀力學性質(zhì)沒有直接影響的微裂紋，位錯等劃定為微觀尺度。巖石細觀力學是研究細觀尺度上巖石破裂演化過程及破壞規(guī)律的科學。10.2.2細觀巖石力學的研究方法10.2.2.1光學顯微鏡觀測方法光學顯微鏡是觀測巖石中裂紋狀況的最普通的工具之一。用光學顯微鏡研究巖石破裂過程中的微構(gòu)造變化。其優(yōu)點是技術(shù)簡單易行，成像直觀，可以在較大范圍內(nèi)觀察和統(tǒng)計裂紋的發(fā)育，特別是微構(gòu)造的定量測量技術(shù)和精度。光學顯微鏡法還存在難以客服的技術(shù)難題。例如，試樣經(jīng)過切片、磨制、粘膠等加工環(huán)節(jié)，會引起原有裂紋擴大，甚至新產(chǎn)生一些加工裂紋，這大大降低了觀測的可靠度。切片的部位不一定是裂紋發(fā)育的主導部位，其觀側(cè)結(jié)果很大程度上是試樣變形的平均結(jié)果，而不完全是裂紋擴展的結(jié)果。其三，對不同的試樣都需要區(qū)分三種裂紋，原有裂紋、新產(chǎn)生的或在原有基礎上己經(jīng)擴展的裂紋和加工造成的裂紋，這在技術(shù)上是難點。其四，巖樣經(jīng)過卸載、原有裂紋會發(fā)生變化。因此，光學顯微鏡的觀測結(jié)果是不完全的。10.2.2.2電子顯微鏡觀測方法用于巖石細觀觀測研究的電子顯微鏡有透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）兩種。實驗研究證明，掃描電子顯微鏡在巖石細觀觀測時更有效。掃描電子顯微鏡的工作原理是：電子槍發(fā)射的電子束打到被測物體表面后。激發(fā)出各種成像物理信號，如二次電子信號。由于其信號強弱與被測物體表面的物質(zhì)成分及表面形貌變化有密切關系。因此由檢測器及成像電路對這種信號進行檢測、處理后即可得到物體表面形貌的直觀放大圖像。20世紀80年代來，利用具有大樣品室和加載臺的SEM進行巖石細觀破壞過程的實時連續(xù)觀測；是細觀觀測技術(shù)的最新發(fā)展。這種方法是：將巖石直接加工成可被SEM容納的微試樣，經(jīng)過烘干鍍金處理后置于SEM加載臺上。在對巖樣加載的同時，觀測記錄巖石中破壞的產(chǎn)生、發(fā)展。顯然，這種方法從根本上改變了以往研究中巖樣不單一，加載觀測不連續(xù)的弊端，它比已有的研究方法跨了一大步。10.2.2.4計算機斷層成像觀測方法聲發(fā)射方法是一種間接的動態(tài)觀測方法。巖石或其他固體材料在應力作用下發(fā)生變形時、其內(nèi)部將產(chǎn)生微破裂活動，微破裂在產(chǎn)生、擴展、閉合以及貫通過程中，會有超聲波發(fā)射，稱為聲發(fā)射（AcousticEmission，簡稱AE）。對聲發(fā)射方法探測巖石細觀破壞來說，最大缺陷在于難于將細觀破壞定量化。但是作為巖石微裂紋成核及擴展方向的預報手段，監(jiān)視巖石破壞的發(fā)生及地震預報具有重要價值。10.2.2.3聲發(fā)射方法基于X射線的計算機斷層成像技術(shù)(computerizedtomography，簡稱CT)，該方法基本過程是：將巖石試樣致?lián)p到一定程度后放入CT掃描空間，通過X射線的CT方法可以給出巖石試樣任意斷面的CT圖像。CT圖像的灰度是巖樣響應部位物理密度的函數(shù)，因此通過CT圖像灰度的變化可以觀測巖石試樣的微裂紋分布狀態(tài)。基于與CT設備配套的三軸加載裝置配合，可以實現(xiàn)對巖石試樣損傷過程的動態(tài)觀測。CT方法的優(yōu)點在于可以無損地觀察到巖石內(nèi)部變化，可以實現(xiàn)實時觀測，CT圖像的分辨率可以滿足巖石細觀力學分析所需要的精度。10.2.3基于CT的細觀巖石力學研究方法10.2.3.1概述20世紀80年代初，CT技術(shù)作為一種無損檢測手段在工業(yè)領域獲得廣泛應用。80年代末，已將CT技術(shù)用來觀測巖石受力后內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、演化及與宏觀力學性質(zhì)的聯(lián)系。目前，CT技術(shù)已發(fā)展到一個新的水平，可以給出材料受力后形成的位移場和變形場，采用三維顯示技術(shù)給出巖石試件在任意應力狀態(tài)下的內(nèi)部裂紋的立體圖像。10.2.3.2密度損傷增量理論CT動態(tài)觀測具有無損反映介質(zhì)內(nèi)部細觀變化機制的優(yōu)勢。由于巖土介質(zhì)受力變形時的密度在變化，介質(zhì)不再穩(wěn)定，同時巖土介質(zhì)成分復雜(不是均一物質(zhì)，每一種物質(zhì)吸收X射線不同)，介質(zhì)的絕對密度難以測量。所以，運用基于灰度變化的CT圖像分析方法和基于區(qū)域CT數(shù)均值變化反映密度變化的定量CT均值方法，來研究巖石的細觀力學問題是一種非常近似的方法。解決這一問題的另一方法是避開測定巖土介質(zhì)的絕對密度變化量，而通過測定巖土介質(zhì)密度相對變化量來解決問題。用CT機掃描物體獲得的圖像，圖像內(nèi)任意一個像素可用數(shù)值表示，這一數(shù)值就稱為CT數(shù)，其值可表示為式中，，為常數(shù)；為X射線的線吸收系數(shù)，若假設巖石缺陷僅為空氣充填，則有

(10.1)式中，，分別為一個體素(像素對應的巖石體元稱為體素)內(nèi)巖石基質(zhì)材料和空氣的密度；為該體素內(nèi)各種缺陷(內(nèi)部全部為空氣充填)之和占單元整體體積的百分比，，分別為該體素內(nèi)巖石內(nèi)基質(zhì)材料和空氣的質(zhì)量吸收系數(shù)。從(10.1)式和(10.2)式可推出式中，，分別為該體素內(nèi)巖石基質(zhì)材料和空氣的CT數(shù)，由于該體素內(nèi)巖石整體密度(bulkdensity)(含巖石基質(zhì)材料和空氣)可表示為

(10.5)

(10.4)

(10.3)

(10.2)若忽略空氣的密度()，則有定義空氣的CT數(shù)，將其代入(9-25)式，后再代入式(9-27)得式中，，H分別為該體素內(nèi)巖石整體密度和CT數(shù)；分別為該體素內(nèi)巖石基質(zhì)材料密度和CT數(shù)。(10.7)式中含有兩個未知量和，難以獲得的絕對值．假定與應力無關(巖石基質(zhì)與孔隙等缺陷相比不可壓密)，對應的也與應力無關．巖石在受力時若體素內(nèi)巖石整體有新缺陷產(chǎn)生或原有缺陷變化，會發(fā)生改變，相應H值也發(fā)生改變，而始終不變．

(10.7)

(10.6)實驗中由于巖石變形，體素的空間位置在隨時改變，采用掃描定位和其他方法動態(tài)跟蹤體素的密度變化．設、分別為初始應力狀態(tài)下該體素內(nèi)巖石的整體密度和CT數(shù)，、分別為任意應力狀態(tài)下該體素內(nèi)巖石的整體密度和CT數(shù)，由(9-28)，式得從(10.8)式中可得到密度損傷增量()是指受力巖石在任意應力相對初始應力狀態(tài)下的密度變化量，可用CT數(shù)來表示。巖石內(nèi)部密度變化的本質(zhì)是損傷，這樣就可以把一個不可測的密度絕對量變成一個可測量的密度損傷增量。

(10.9)

(10.8)10.3卸荷巖石力學10.3.1基本概念巖石/巖體在不同應力狀態(tài)下，所展現(xiàn)出的力學特性是不同的。巖石加荷與卸荷的根本區(qū)別主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1)應力應變路徑不同。兩種不同的受荷作用，對巖體施加的應力路徑也不同，使得巖體破壞時的狀態(tài)也不一樣。(2)屈服條件不同。不同的應力路徑致使巖體的損傷過程與結(jié)果不同。(3)力學參數(shù)不同。不同的力學狀態(tài)，巖石/巖體對應的力學參數(shù)是不同的，加荷力學條件的分析應選用加荷的力學參數(shù)；卸荷的力學狀態(tài)分析應選用相應的卸荷的力學參數(shù)。(4)分析方法不同。由于巖體在加荷、卸荷狀況下的路徑不同、參數(shù)不同、破壞準則不同，對巖體結(jié)構(gòu)進行力學分析時，不同的力學狀態(tài)應選用不同的分析方法。10.3.2卸荷巖石力學研究的主要進展（1）巖石的強度與應力路徑是否有關，還是一個尚待研究的問題。有些學者通過試驗研究認為：應力路徑對巖石強度沒有影響。而另一些學者通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：巖石強度與應力路徑有關。（2）已有的研究證實了巖石加荷與卸荷的力學性質(zhì)存在較大的區(qū)別。大量的、在不同加荷路徑條件下的三軸試驗研究表明，①在不同加荷路徑條件下，巖石變形表現(xiàn)與常規(guī)試驗有較大差異，而且還有著較明顯的非線性特性；②無論是加荷還是卸荷，圍壓對巖樣的軸向承載力都有較大影響，即巖樣的強度對圍壓很敏感。③巖石的卸荷損傷演化破壞具有突發(fā)性，卸圍壓破壞導致的擴容比連續(xù)加荷破壞時大；④僅僅根據(jù)軸向蠕變變形規(guī)律確定的三維流變本構(gòu)不能反映側(cè)向的蠕變變形規(guī)律。10.3.3卸荷巖石力學研究存在的主要問題在實驗研究方面(1)現(xiàn)有的研究多局限于某種巖石和仿真巖體力學的實驗方面，不僅實驗數(shù)量有限，且不同的實驗者獲得的規(guī)律差異較大，所得到的成果還不能真實反映自然界非貫通裂隙巖體在開挖卸荷下的變形破壞機制。(2)在實驗方法及試驗材料仿真方面還存在很多不足。如目前巖體的準三軸試驗和少量真三軸試驗如何真實反映巖體應力的卸荷路徑、模擬材料與真實巖體材料力學性質(zhì)的相互關系、巖體力學顯著的尺寸效應等方面都沒有達到真正的模擬。(3)試驗的控制方法通常是采用應力控制，而采用應變控制的巖體材料卸荷破壞試驗比較少見。這與現(xiàn)場監(jiān)測的資料不相適應。(4)缺乏對不同施工方式所對應的工程巖體不同卸荷條件（包括卸荷路徑、卸荷速率與卸荷程度等）下的巖石力學試驗研究。(5)研究卸荷速率、卸荷程度對巖體變形、破裂特征的影響的試驗還不多見。(6)結(jié)構(gòu)面的物理力學特征(包括結(jié)構(gòu)面的方位、力學參數(shù)、聯(lián)通率、組合方式等)對巖體卸荷力學狀態(tài)下的變形破壞特征的影響還缺乏深入系統(tǒng)的研究。在理論研究方面(1)目前，卸荷力學特性在力學理論上仍然沒有完整的力學分析方法，對巖體的卸荷力學特性大多還停留在定性的認識。對巖體卸荷力學的定義、巖體的卸荷全過程本構(gòu)理論、破壞準則、巖體的損傷流變特性、巖體動態(tài)力學參數(shù)、卸荷巖體加固方法等方面仍然沒有達到完善的理論高度。(2)缺乏對不同施工方式引起巖體卸荷破壞的理論分析，包括對應的本構(gòu)關系、破壞進程的描述等。(3)對工程巖體卸荷破壞力學機理的揭示還不夠明了。這不僅要應用常規(guī)的應力分析方法，而且要運用新興的科學技術(shù)方法進行研究。(4)巖體卸荷物理仿真、數(shù)值計算方法等技術(shù)問題仍然沒有完備。在工程應用方面現(xiàn)已建立的理論和方法離工程應用還有相當?shù)木嚯x。在理論上缺乏對一些大型開挖工程巖體進行跟蹤監(jiān)測以及對監(jiān)測結(jié)果的系統(tǒng)分析。因此，工程應用問題，在很大程度上還取決于深入、透徹的理論和實驗研究。10.3.4卸荷條件下花崗巖力學特性試驗研究10.3.4.1卸荷試驗方案（1）試驗條件試驗在MTS815Teststar

程控伺服巖石剛性試驗機上進行，圍壓采用應力控制，軸壓用位移控制。試件為三峽地下電站主廠房第III開挖層中的閃云斜長花崗巖，取樣樁號在K00+100~K00+200之間。試件尺寸為25mm×50mm。試件風干密度為2700kg/m3，常規(guī)三軸試驗測得的彈性模量約為79.74GPa，泊松比為0.2。（2）卸荷應力路徑試驗應力路徑見圖10.1。圖10.1試驗應力路徑示意圖方案I：升軸壓降圍壓試驗模擬地下洞室圍巖開挖卸荷過程中切向應力()增高，徑向應力()降低的應力調(diào)整。試驗分為4個階段：①首先按靜水壓力條件逐步施加=至預定值。②穩(wěn)定，逐步增高至試件破壞前的某一應力狀態(tài)，其的應力水平大致在比例極限附近。③按一定速率增高的同時逐漸降低(的升高速率大于的卸荷速率，:=2:1)。此階段非常關鍵，除了揭示巖石的卸載特性，還要順利越過峰值進入軟化階段。④試件破壞后效應的測試。試件一旦破壞后即停止卸圍壓，并保持不變，同時繼續(xù)施加軸向應變，直至應力差－不隨軸向應變的增加而降低時結(jié)束試驗。 方案II：同時卸載軸壓和圍壓方案I所述4個階段中，①，②階段是模擬開挖巖體卸荷前的某一應力狀態(tài)的形成，而④階段是為了揭示試件破壞后效應，并測定巖石殘余強度而進行的。方案II中這幾個階段與方案I完全相同，所不同的是③階段，即卸載階段。方案II是同時卸載軸壓和圍壓(的卸荷速率小于的卸荷速率，:=1:2)，即②階段軸壓增高至比例極限附近后，開始同時緩慢降低軸壓與圍壓。破壞后進入④階段。此卸荷方案是為了模擬高邊墻局部位置巖體開挖卸荷過程。為了對比分析，同時還進行了常規(guī)三軸壓縮試驗，即方案III。圍壓設計水平為5，10，20，30MPa四個應力水平。每個方案在不同圍壓下試驗3~4個試件：常規(guī)加載試驗每一圍壓下試驗3個，卸荷試驗每個方案的每一圍壓下試驗4個，共進行了44個巖樣加卸載試驗。試件編號規(guī)定：方案編號–圍壓–分組試件號，如1–5–1表示方案I中圍壓為5MPa的1﹟試件。按前述3種試驗方案，將制作的試件分組編號如表10.1所示。表10.1試件分組10.3.4.2變形特征圖10.2給出了3種方案不同初始圍壓下巖石典型的應力–應變?nèi)^程曲線，其中體積應變。圖10.23種試驗方案中巖石典型應力–應變?nèi)^程曲線圖10.3為卸荷過程中巖樣的應力–應變曲線。從圖3可明顯發(fā)現(xiàn)：卸荷過程中巖樣向卸荷方向卸荷回彈變形強烈，擴容現(xiàn)象顯著，脆性破壞特征明顯，且這種變形特征隨卸荷初始圍壓的增大和卸荷強度的增強愈明顯。(1)方案Ⅰ(2)方案Ⅱ圖10.3卸荷過程巖樣的變形特征10.3.4.3破裂特征分析圖10.4~10.6為3種試驗方案巖樣典型破裂素描圖(柱面展開)，(1)(2)圖10.4方案Ⅰ的典型巖樣破裂體系(1)(2)圖10.5方案Ⅱ的典型巖樣破裂體系(1)(2)圖10.6方案Ⅱ的典型巖樣破裂體系圖10.4~10.6為3種試驗方案巖樣典型破裂素描圖(柱面展開)，對比分析可得：(1)卸荷巖石變形表現(xiàn)為沿卸荷方向強烈擴容或膨脹，與常規(guī)三軸加載試驗相比，卸荷條件下更易發(fā)生變形破裂，破壞程度也更為強烈。

(2)卸荷巖石具有較強的張性破裂特征，但隨著破壞圍壓增高，剪切破壞成分比重增大，即由張性破壞過渡到張剪性破壞，由張剪性破壞過渡到剪張性破壞，張剪(剪張)性破裂面往往是追蹤張性破裂面發(fā)展而成，其破裂角隨破壞圍壓增大有所增大；而在加載試驗中，當圍壓達到一定程度時，巖石基本上表現(xiàn)為剪切破壞，張性破裂成分很少或沒有，一般只是在單軸或低圍壓時才表現(xiàn)明顯。

(3)卸荷巖石中往往同時并存有軸向張性裂面T，主共軛剪裂面S1a和S1b及次級共軛剪裂面S2a、S2b(或剪張裂面ST或張剪裂面TS