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巖體力學(xué)論文:采礦工程巖體力學(xué)教學(xué)改革初探

摘要：

本文針對(duì)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(duì)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(wèn)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(duì)巖體力學(xué)知識(shí)掌握更加，推陳出新，與時(shí)俱進(jìn)。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)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(duì)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(shì)在必行。

二、《巖體力學(xué)》教學(xué)中存在的問(wèn)題

對(duì)于采礦工程專業(yè)的學(xué)生，力學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)較弱，即使之前已對(duì)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(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握多為“碎片式”，無(wú)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(wèn)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)課本一些原理及方法的羅列，講授過(guò)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(duì)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(lái)，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(wú)法讓學(xué)生理解其獨(dú)特含義。

4.傳統(tǒng)理論講授過(guò)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(wèn)題中得到了普遍推廣應(yīng)用。高校教師分析巖體力學(xué)問(wèn)題時(shí)，可充分利用新型技術(shù)，將問(wèn)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(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)逐漸躋身世界巖土工程大國(guó)，存在較大的發(fā)展空間。因此，對(duì)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(duì)采礦工程專業(yè)《巖體力學(xué)》課程教學(xué)中存在的一些問(wèn)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(duì)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(lái)龍去脈。如講授平面應(yīng)變問(wèn)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(duì)彈性力學(xué)中平面問(wèn)題進(jìn)行回顧，進(jìn)而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行假設(shè)簡(jiǎn)化，引入彈塑性力學(xué)知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，不僅對(duì)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(chǎng)工程問(wèn)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(duì)薄弱，甚至對(duì)一些專業(yè)術(shù)語(yǔ)掌握都不夠，給課程后期學(xué)習(xí)帶來(lái)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(duì)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(duì)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(wèn)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(wèn)題的角度不盡相同。因此，應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)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(wèn)題求解方法存在較大差異，因此，非專業(yè)知識(shí)課簡(jiǎn)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(guò)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(duì)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(wèn)題的分析提供新的解決路徑，做到分析問(wèn)題針對(duì)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題及解決問(wèn)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(guò)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

巖體力學(xué)論文:關(guān)于巖體力學(xué)參數(shù)水利水電工程論文

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(guò)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(guò)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(guò)巖體卸圍壓試驗(yàn)研究巖體卸荷過(guò)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(chǎng)試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)聲波測(cè)試評(píng)價(jià)巖體完整性等。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是確定巖體強(qiáng)度參數(shù)最的方法，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(zhǎng)、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(chǎng)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(jí)法

工程巖體分級(jí)法主要有:國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)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(píng)價(jià)相結(jié)合，采用多參數(shù)綜合指標(biāo)分級(jí)法給巖體進(jìn)行評(píng)分和劃分巖體級(jí)別，根據(jù)巖體級(jí)別并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，給出巖體參數(shù)的范圍值。國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)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(jí)，并提供了各級(jí)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(guò)程中，根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)展情況和出現(xiàn)的問(wèn)題，特別是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，對(duì)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(cè)》、《巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)》、《工程地質(zhì)手冊(cè)》、《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》，以及地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)(資料庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù))等等。類比法依靠地質(zhì)師所掌握的工程實(shí)例資料和他對(duì)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(guò)少量個(gè)別因素相比較而得到的參數(shù)，其結(jié)果性較差。然而該方法簡(jiǎn)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(chǎng)所測(cè)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(guò)程法。由于圍巖本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，目前的逆過(guò)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(duì)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(cè)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是通過(guò)完成輸入與輸出問(wèn)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(duì)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(cè)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(cè)。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(píng)判確定一個(gè)模糊折減系數(shù)的問(wèn)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(lái)確定巖體強(qiáng)度參數(shù)，如:計(jì)算機(jī)模擬、聲波測(cè)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(méi)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(zhǎng)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(duì)地質(zhì)條件簡(jiǎn)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)及時(shí)層次。

對(duì)于地質(zhì)條件簡(jiǎn)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(jí)、查表→獲得抗剪強(qiáng)度和變形模量范圍值，通過(guò)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(cè)法等，慎重確定地質(zhì)建議值。在施工階段可以利用監(jiān)測(cè)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(jí)、經(jīng)驗(yàn)估算及數(shù)值模擬的前提，因此應(yīng)重視野外及時(shí)手資料的收集，并注意取樣、試驗(yàn)成果代表性問(wèn)題，使地質(zhì)建議值符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

3應(yīng)注意的問(wèn)題

反思多年來(lái)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(wèn)題:

(1)在前期勘察時(shí)對(duì)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(duì)地質(zhì)條件的調(diào)查和分析不夠深入，對(duì)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(chǎng)簡(jiǎn)易測(cè)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(cè)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(duì)于拱壩和重力壩要特別注意，對(duì)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(duì)巖體穩(wěn)定性不利，巖體穩(wěn)定性的判別對(duì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)地質(zhì)條件調(diào)查，在巖體分級(jí)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(yè)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(duì)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(wàn)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)算與度問(wèn)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(wèn)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)的性或安全閾值是多少，即有多少安全儲(chǔ)備。近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛開展了重力壩度研究。結(jié)構(gòu)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，以指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)或工程的性，比定值法不考慮參數(shù)的偏差有明顯的優(yōu)越之處。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(duì)地質(zhì)參數(shù)的離散性進(jìn)行評(píng)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(wèn)題，或者原位試驗(yàn)選點(diǎn)問(wèn)題，要考慮巖性、風(fēng)化程度、構(gòu)造等影響，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)做專門設(shè)計(jì)和布置;又譬如有的砂巖與頁(yè)巖互層，頁(yè)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(duì)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(duì)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(duì)比和分析。

(6)確定參數(shù)時(shí)要處理好主觀判斷與客觀評(píng)價(jià)的關(guān)系。

前述的巖體分級(jí)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(duì)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(duì)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(cè)，利用監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)，及時(shí)分析和判斷，調(diào)整、修改設(shè)計(jì)和施工方法，以保障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(méi)有一個(gè)工程的地質(zhì)條件是相同的，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(wàn)別，往往僅通過(guò)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(lái)筆者所在單位在湖北省水利水電工程勘測(cè)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(cè)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，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(duì)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(jiǎn)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(duì)具體的工程應(yīng)當(dāng)選擇合理的方法來(lái)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(duì)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(jí)，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(jiǎn)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(wèn)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(cè)設(shè)計(jì)院 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)武漢工程學(xué)院

巖體力學(xué)論文:采礦工程專業(yè)《巖體力學(xué)》課程教學(xué)改革初探

（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(duì)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(duì)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(wèn)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(duì)巖體力學(xué)知識(shí)掌握更加，推陳出新，與時(shí)俱進(jìn)。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)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(duì)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(shì)在必行。

二、《巖體力學(xué)》教學(xué)中存在的問(wèn)題

對(duì)于采礦工程專業(yè)的學(xué)生，力學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)較弱，即使之前已對(duì)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(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握多為“碎片式”，無(wú)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(wèn)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)課本一些原理及方法的羅列，講授過(guò)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(duì)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(lái)，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(wú)法讓學(xué)生理解其獨(dú)特含義。

4.傳統(tǒng)理論講授過(guò)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(wèn)題中得到了普遍推廣應(yīng)用。高校教師分析巖體力學(xué)問(wèn)題時(shí)，可充分利用新型技術(shù)，將問(wèn)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(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)逐漸躋身世界巖土工程大國(guó)，存在較大的發(fā)展空間。因此，對(duì)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(duì)采礦工程專業(yè)《巖體力學(xué)》課程教學(xué)中存在的一些問(wèn)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(duì)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(lái)龍去脈。如講授平面應(yīng)變問(wèn)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(duì)彈性力學(xué)中平面問(wèn)題進(jìn)行回顧，進(jìn)而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行假設(shè)簡(jiǎn)化，引入彈塑性力學(xué)知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，不僅對(duì)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(chǎng)工程問(wèn)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(duì)薄弱，甚至對(duì)一些專業(yè)術(shù)語(yǔ)掌握都不夠，給課程后期學(xué)習(xí)帶來(lái)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(duì)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(duì)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(wèn)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(wèn)題的角度不盡相同。因此，應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)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(wèn)題求解方法存在較大差異，因此，非專業(yè)知識(shí)課簡(jiǎn)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(guò)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(duì)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(wèn)題的分析提供新的解決路徑，做到分析問(wèn)題針對(duì)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題及解決問(wèn)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(guò)教學(xué)實(shí)踐，授課效果得到良好改善。

巖體力學(xué)論文:基于高職高專《巖體力學(xué)》課程建設(shè)改革的思考

摘要 通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的《巖體力學(xué)》課程建設(shè)的分析，根據(jù)教育部關(guān)于提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的要求，深刻認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)教學(xué)中課程建設(shè)的不足，從人才培養(yǎng)目標(biāo)的定位、理論與實(shí)踐的比例及對(duì)接關(guān)系、“雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)、教材學(xué)材的合理科學(xué)選用四個(gè)方面提出了適合高職高專的《巖體力學(xué)》課程建設(shè)的探索性方案。

關(guān)鍵詞 1巖體力學(xué)； 2頂崗實(shí)習(xí)； 3工學(xué)結(jié)合

1、高職高專人才培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)課程教學(xué)的要求

根據(jù)《教育部關(guān)于提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》〔1〕，本著“工學(xué)結(jié)合、工學(xué)交替”，教學(xué)做合一的教學(xué)模式，人才培養(yǎng)要以就業(yè)為導(dǎo)向，突出實(shí)踐技能和職業(yè)技能的培養(yǎng)。課程安排本著知識(shí)由淺入深。循序漸進(jìn)，先基礎(chǔ)后專業(yè)，在技能培養(yǎng)方面，將理論學(xué)習(xí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)行“做中學(xué)、做中教”，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)與崗位工作零距離對(duì)接。

《巖體力學(xué)》是水文與工程地質(zhì)專業(yè)的理論基礎(chǔ)課，是力學(xué)的一個(gè)分支。主要研究不同受力條件（例如荷載、水流、溫度變化）下巖體應(yīng)力、應(yīng)變、破壞、穩(wěn)定及加固規(guī)律的一門應(yīng)用性學(xué)科，其研究目的是解決巖土、地質(zhì)、環(huán)境、水工、能源、土木、水利、冶金、交通、礦業(yè)工程等建設(shè)中遇到的相關(guān)問(wèn)題〔2〕。《巖體力學(xué)》已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，帶來(lái)了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和工程實(shí)用價(jià)值。

2 、《巖體力學(xué)》傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

（1）從高職高專人才培養(yǎng)目標(biāo)的定位上，很多教育工作者都很盲目，定位不甚至錯(cuò)位；這樣的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致教師備課、講課、學(xué)生聽(tīng)課等等環(huán)節(jié)都停留在對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)知層面，即專業(yè)、專業(yè)課程內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程、學(xué)歷證書階段，沒(méi)有更加進(jìn)一步的把職業(yè)、職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)過(guò)程、職業(yè)證書對(duì)接起來(lái)。

（2）理論內(nèi)容偏重輕視了實(shí)踐環(huán)節(jié)，本門課程是具有悠久歷史的課程，在多年的教學(xué)中形成了比較完整科學(xué)合理的體系，但是這種教學(xué)方法比較適合教學(xué)研究型的教學(xué)，對(duì)于我們高職高專，已經(jīng)顯得理論的比例過(guò)于繁重，實(shí)踐明顯不足，教師和學(xué)生都注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，輕視動(dòng)手能力的培養(yǎng)，大批出現(xiàn)的高分低能學(xué)生，課堂和生產(chǎn)嚴(yán)重脫節(jié)。所以在傳統(tǒng)的研究型的培養(yǎng)目標(biāo)基礎(chǔ)上應(yīng)做比較徹底的改革。

（3）教材適應(yīng)性較差，傳統(tǒng)的研究型教學(xué)使一批又一批的教材偏于理論，輕于實(shí)踐，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，乏味，因而也沒(méi)有主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，對(duì)于高職高專的學(xué)生需要一套理論難度適中、夠用，實(shí)踐比例偏大的教材、學(xué)材和與之配套的影像資料等。

（4）教學(xué)經(jīng)費(fèi)的嚴(yán)重不足，由于在傳統(tǒng)的教學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)教師、一根粉筆、一本書就可以完成一門課程，形成了填鴨式教學(xué)的模式，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性極低。

（5）生產(chǎn)實(shí)踐教師的缺乏，切實(shí)加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)。

現(xiàn)有的教師隊(duì)伍絕大部分從校門又走入校門，從理論中來(lái)又到理論中去了，更有甚者教材中的部分驗(yàn)，教師根本就沒(méi)有接觸過(guò)，照本宣科，講起來(lái)乏味，聽(tīng)起來(lái)不知所以然，嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。

（6）教學(xué)方法比較單一

3、《巖體力學(xué)》課程建設(shè)的重點(diǎn)、難點(diǎn)和解決方案

巖體力學(xué)課程涉及多個(gè)相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，其課程綜合性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多而雜、試驗(yàn)項(xiàng)目與工程實(shí)際聯(lián)系緊密等特點(diǎn)，導(dǎo)致許多學(xué)生認(rèn)為課程較難。所以采取有效的科學(xué)的教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生盡快適應(yīng)教學(xué)特點(diǎn)，并更好地掌握課程要求的知識(shí)技能是十分必要的。

課程建設(shè)的重點(diǎn)是對(duì)巖體的基本力學(xué)性質(zhì)理清概念、明確試驗(yàn)原理及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法；難點(diǎn)是利用這些基本理論、原理能夠分析不同工程巖體在不同的力學(xué)條件下的穩(wěn)定性。

解決方案如下

（1）培養(yǎng)目標(biāo)上遵循教高[2000]2號(hào)《教育部關(guān)于加強(qiáng)高職高專教育人才培養(yǎng)工作的意見(jiàn)》精神，明確指出：高職高專教育是我國(guó)高等教育的重要組成部分，高職高專教育人才培養(yǎng)模式的基本特征是：以培養(yǎng)高等技術(shù)應(yīng)用性專門人才為根本任務(wù)；以適應(yīng)社會(huì)需要為目標(biāo)、以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為主線設(shè)計(jì)學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)方案，畢業(yè)生應(yīng)具有基礎(chǔ)理論知識(shí)適度、技術(shù)應(yīng)用能力強(qiáng)、知識(shí)面較寬、素質(zhì)高等特點(diǎn)。；以"應(yīng)用"為主旨和特征構(gòu)建課程和教學(xué)內(nèi)容體系；實(shí)踐教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力，并在教學(xué)計(jì)劃中占有較大比重；"雙師型"教師隊(duì)伍建設(shè)是提高高職高專教育教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵；學(xué)校與社會(huì)用人部門結(jié)合、師生與實(shí)際勞動(dòng)者結(jié)合、理論與實(shí)踐結(jié)合是人才培養(yǎng)的基本途徑。

（2）教學(xué)方法：課堂教學(xué)采用靈活多樣的教學(xué)手段和方法：巖體力學(xué)的特點(diǎn)是概念多理論上較難理，但與生產(chǎn)實(shí)際緊密相連，所以在教學(xué)過(guò)程中解精講重點(diǎn)、恰當(dāng)復(fù)習(xí)、圖文并茂、穿插一些案例結(jié)合理論，利用學(xué)生求知、求趣、求新的心理引導(dǎo)學(xué)生在輕松環(huán)境中掌握理論知識(shí)。

《巖體力學(xué)》本身的特點(diǎn)和傳統(tǒng)的粉筆+黑板書寫速度慢，單一，呆板，信息量小的缺點(diǎn)，課堂教學(xué)適當(dāng)結(jié)合多媒體手段，充分利用多媒體課件授課內(nèi)容多、圖文并茂表現(xiàn)力豐富的優(yōu)點(diǎn)，提高授課效率，調(diào)節(jié)學(xué)生聽(tīng)課情緒，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。這樣就要求教師制作多媒體課件時(shí) 要投入大量的工作，準(zhǔn)備多樣的大量的圖片、影像素材，特別是有代表性的工程案例、近期的工程現(xiàn)場(chǎng)視頻以及新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)等資料，從而使學(xué)生關(guān)注本專業(yè)領(lǐng)域的新動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題的能力，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面。課堂上大量運(yùn)用啟發(fā)式：巖體力學(xué)課程中很多都是有大量的統(tǒng)計(jì)得出來(lái)的，亦多為經(jīng)驗(yàn)公式，均有使用條件，在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)公式地方性、條件限制性致使我們?cè)趯?shí)踐中使用時(shí)，不能照抄照搬一定結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，再結(jié)合實(shí)例讓同學(xué)們?nèi)バ薷耐晟平?jīng)驗(yàn)公式，學(xué)生積極性會(huì)大大增強(qiáng)。多媒體教學(xué)是現(xiàn)代教學(xué)不可缺少的方式，充分利用好多媒體，讓多媒體真正多起來(lái)，ppt、錄像、動(dòng)畫、網(wǎng)絡(luò)視頻等等。

（3）《巖體力學(xué)》課程建設(shè)改革中教材的使用與建設(shè)

學(xué)院教學(xué)改革以來(lái)，大力加強(qiáng)教材的建設(shè)，提倡教師根據(jù)現(xiàn)有學(xué)生的接受能力和基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，編寫一些實(shí)用性強(qiáng)，靈活方便的學(xué)材，教學(xué)效果比較好。由于教材的編寫需要周期比較長(zhǎng)，所以大多數(shù)落后于新的科技發(fā)展。為了讓學(xué)生能夠及時(shí)地接受新科技新技術(shù)，投入大量的人力進(jìn)行學(xué)材的編寫，這樣使學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容和形式靈活多樣，能夠與新的科技成果，新的技術(shù)進(jìn)步同步，效果顯著。

（4）切實(shí)加強(qiáng)“雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)

國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)的意見(jiàn)》，教育部配套制定了《職業(yè)學(xué)校兼職教師管理辦法》，為加強(qiáng)“雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)提供了制度保障。我們將進(jìn)一步加強(qiáng)教師培養(yǎng)培訓(xùn)工作，完善“雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)機(jī)制。希望學(xué)會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)制定、基地建設(shè)、教師培訓(xùn)等方面發(fā)揮更大的作用，扭轉(zhuǎn)“雙師型”教師缺乏的局面，為技術(shù)技能人才培養(yǎng)提供的有力支撐。

教育部副部長(zhǎng)魯晰指出：中長(zhǎng)期來(lái)看，產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型和高技術(shù)的技術(shù)型的人才匱乏的矛盾也非常突出。技術(shù)技能型有三種人，及時(shí)類是工程師，第二類是高級(jí)技工，第三類是高素質(zhì)勞動(dòng)者。”魯昕解釋說(shuō)，之前的職業(yè)教育只講技能，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，技能需以技術(shù)為基礎(chǔ)。這就需要我們的教師隊(duì)伍率先技能化。招聘教師要求參加過(guò)生產(chǎn)、或讓現(xiàn)有的教師到生產(chǎn)單位參加實(shí)踐，并把這個(gè)工作量化，即要求教師必須每年參加一定量的生產(chǎn)才可以授課。

（5）《巖體力學(xué)》課程建設(shè)改革中的實(shí)踐教學(xué)建設(shè)

實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)

A、加強(qiáng)課堂討論，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，由一個(gè)案例入手，例如三峽水利樞紐是開發(fā)和治理L江的一項(xiàng)關(guān)鍵性骨干工程，三峽工程區(qū)內(nèi)共有各類崩塌、滑坡體2490處。其中秭歸縣千將坪滑坡比較典型〔3〕，以此為契機(jī)，布置任務(wù)，同學(xué)們查閱資料，用巖體力學(xué)觀點(diǎn)去分析滑坡的地質(zhì)特征與成因機(jī)制。課堂可以展開討論，教師總結(jié)邊坡穩(wěn)定分析的要素，內(nèi)容充實(shí)、方法靈活，自然會(huì)有顯著的效果的。

B、課堂實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)要嚴(yán)格執(zhí)行巖土試驗(yàn)的操作規(guī)程，《巖體力學(xué)》課程課內(nèi)試驗(yàn)共有5―8個(gè)試驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中要求的每個(gè)試驗(yàn)的操作；并組織一年一度的巖土試驗(yàn)競(jìng)賽；組織力量強(qiáng)大教師團(tuán)隊(duì)編寫配套的實(shí)驗(yàn)教材《巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》該指導(dǎo)書對(duì)于課程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的幾個(gè)試驗(yàn)從原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作步驟都有具體、詳細(xì)的講解，規(guī)定了規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，為學(xué)生將來(lái)工作打下良好的基礎(chǔ)。

C、現(xiàn)場(chǎng)參觀和理論知識(shí)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的的飛躍。根據(jù)教學(xué)需要安排幾個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)：邊坡、洞室、巖體地基，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)這幾種工程巖體的地質(zhì)、 地貌、應(yīng)力等問(wèn)題。參觀后要求學(xué)生編寫參觀體會(huì)和簡(jiǎn)單的報(bào)告。

D、頂崗實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)〔4〕，頂崗實(shí)習(xí)是堅(jiān)持以就業(yè)為導(dǎo)向、創(chuàng)新“工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式，提高高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)頂崗實(shí)習(xí)使學(xué)生能夠盡快將所學(xué)專業(yè)知識(shí)、崗位技能與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在學(xué)期間與企業(yè)與崗位零距離對(duì)接，使學(xué)生樹立起職業(yè)理想，養(yǎng)成良好的職業(yè)道德，練就過(guò)硬的職業(yè)技能，從根本上提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為確保頂崗實(shí)習(xí)各項(xiàng)任務(wù)的順利完成，提高實(shí)習(xí)質(zhì)量我們需進(jìn)一步加強(qiáng)頂崗實(shí)習(xí)的組織管理，嚴(yán)格按照頂崗實(shí)習(xí)的課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生。在頂崗實(shí)習(xí)基礎(chǔ)上完成學(xué)習(xí)期間的畢業(yè)設(shè)計(jì)或畢業(yè)論文。使學(xué)生工作能力有進(jìn)一步的提升。

結(jié)語(yǔ)：《巖體力學(xué)》課程是工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，此次《巖體力學(xué)》課程建設(shè)的改革符合《教育部關(guān)于提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》要求的教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)，教學(xué)手段、教學(xué)方法比較先進(jìn)，實(shí)踐教學(xué)能夠與實(shí)際生產(chǎn)緊密結(jié)合，通過(guò)這樣的改革能夠達(dá)到高職教育的五個(gè)對(duì)接：專業(yè)與產(chǎn)業(yè)對(duì)接，課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程對(duì)接，學(xué)歷證書與職業(yè)資格證書對(duì)接，職業(yè)教育與終身學(xué)習(xí)對(duì)接。使《巖體力學(xué)》課程的教學(xué)水平在高職高專教育中得到進(jìn)一步的提升。

巖體力學(xué)論文:淺述巖體力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)在隧道施工中的重要性

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(duì)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)知性是隧道工程較大的特點(diǎn),在施工中,開挖的圍巖與設(shè)計(jì)不符的情況屢見(jiàn)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(cè)則是新奧法施工方法中的重要工序之一。

施工監(jiān)控量測(cè)是將施工過(guò)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(cè)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(duì)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(shì)、結(jié)構(gòu)及圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變及位移大小量測(cè)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(duì)巖體的力學(xué)參數(shù)測(cè)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(méi)有引起足夠的重視。只有在少數(shù)工程中對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在進(jìn)行隧道的圍巖基本質(zhì)量分級(jí)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(duì)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(chǎng)的監(jiān)控測(cè)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(wèn)題,勘察單位不能對(duì)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,及時(shí)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)。

及時(shí)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(guò)程中,監(jiān)控量測(cè)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(shì)、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(cè)試和計(jì)算方法簡(jiǎn)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(jí)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(cè)定儀、縱橫波換能器測(cè)得。

2.4 應(yīng)力強(qiáng)度比可由Sm=式計(jì)算得到,σmax為巖體的較大主應(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(cè)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(cè)在監(jiān)控量測(cè)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(cè)在隧道施工監(jiān)控量測(cè)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(duì)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(lái)完成此項(xiàng)工作。

巖體力學(xué)論文:巖體力學(xué)本科教學(xué)改革探討

摘要：為適應(yīng)當(dāng)前勘察、土木、地質(zhì)、石油等行業(yè)對(duì)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(guó)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(guò)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(guò)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(guó)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(wèn)題不斷涌現(xiàn)，從而對(duì)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(chǎng)實(shí)際問(wèn)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(guò)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(duì)復(fù)合型人才的需求[4]。因此，針對(duì)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(wèn)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(guò)程中，長(zhǎng)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(wèn)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(guò)以工程經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)為主，理論指導(dǎo)為輔來(lái)完成。可以說(shuō)，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(guó)能源、交通、水利、國(guó)防、城市建設(shè)等事業(yè)的發(fā)展，巖體工程建設(shè)越來(lái)越多，規(guī)模也越來(lái)越大，這些給巖體力學(xué)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也對(duì)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(jí)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guó)內(nèi)高校巖體力學(xué)本科課程無(wú)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(yáng)軍生與陽(yáng)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(guó)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(duì)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(duì)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(guò)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(shì)在必行。筆者認(rèn)為可以從如下三個(gè)方面來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：

1.通過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(chǎng)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(wèn)題。

通過(guò)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(duì)巖體力學(xué)的理解與掌握，鍛煉動(dòng)手能力，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)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(duì)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(wú)法帶學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)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(shì)，形象生動(dòng)地向?qū)W生傳遞工程現(xiàn)場(chǎng)信息，從而彌補(bǔ)實(shí)踐的不足。

對(duì)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(duì)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(wèn)，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)近期動(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(qǐng)學(xué)生參加自己的科研項(xiàng)目。改革考核方式，總成績(jī)既包括期末閉卷考試成績(jī)，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(guò)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(wèn)題的能力，更加公平地評(píng)價(jià)學(xué)生的課業(yè)表現(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

巖體力學(xué)內(nèi)容豐富、知識(shí)復(fù)雜，給本科教學(xué)帶來(lái)了挑戰(zhàn)與機(jī)遇。筆者針對(duì)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(guò)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(guó)家培養(yǎng)滿足行業(yè)需求的復(fù)合型人才。

巖體力學(xué)論文:基于顆粒流方法的節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)量化

摘 要：節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)是與巖體相關(guān)的地下工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。區(qū)別于實(shí)驗(yàn)室完整巖塊，現(xiàn)場(chǎng)原巖中結(jié)構(gòu)面的存在顯著弱化了巖體的強(qiáng)度，為地下工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的不確定性。為解決此問(wèn)題，本論文擬采用基于顆粒流的數(shù)值模擬方法，為節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)量化提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：顆粒流;巖體力學(xué);模型參數(shù)

1 概述

顆粒流是近年來(lái)興起的主要應(yīng)用于硬巖的數(shù)值模擬新方法。區(qū)別于現(xiàn)有的連續(xù)性數(shù)值模型，顆粒流以不可破壞圓形顆粒作為基本單元，通過(guò)顆粒之間的粘結(jié)來(lái)顯式模擬完整巖塊的脆性破壞。當(dāng)顆粒之間的拉應(yīng)力超過(guò)顆粒粘結(jié)的拉強(qiáng)度時(shí)，裂紋被標(biāo)記為拉破壞，反之當(dāng)顆粒之間的剪應(yīng)力超過(guò)粘結(jié)的剪強(qiáng)度時(shí)，裂紋被標(biāo)記為剪破壞。通過(guò)這種簡(jiǎn)單的接觸關(guān)系，顆粒流方法可以再現(xiàn)巖塊在壓縮或者拉伸狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展模式。顆粒流方法通過(guò)顆粒之間的微觀接觸來(lái)控制模型的宏觀破壞模式，模型的宏觀力學(xué)參數(shù)是通過(guò)不斷校對(duì)這些微觀接觸參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 顆粒流模型

本論文采用的實(shí)驗(yàn)室完整巖塊的力學(xué)參數(shù)來(lái)源于灰?guī)r，包括峰值強(qiáng)度：122MPa，彈性模量：80.0GPa，泊松比：0.25。圖1顯示了不包含任何節(jié)理的顆粒流模型，用于初始的顆粒接觸微觀參數(shù)校對(duì)，其中三個(gè)測(cè)量圓用于監(jiān)測(cè)模型在單軸壓縮過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變變化。然后建立三個(gè)包含結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體顆粒流模型;每個(gè)模型包含三組節(jié)理，其中主節(jié)理組1的傾向?yàn)?度，主節(jié)理組2的傾向?yàn)?0度，兩組主節(jié)理的產(chǎn)狀設(shè)置為相同;次節(jié)理組3設(shè)置為與兩組主節(jié)理同時(shí)垂直。為了描述方便，本論文以主節(jié)理的傾角作為標(biāo)識(shí)：R-30、R-60、R-90分別表示模型中主節(jié)理的傾角為30、60、90度。各組節(jié)理的平均直徑均設(shè)置為0.5m。

3 模型解譯

本論文主要考慮節(jié)理巖體在單軸壓縮狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)，包括巖體的峰值單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。由于工程巖體的尺寸在大多數(shù)情況下不適合現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，目前這兩個(gè)力學(xué)參數(shù)主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)方法估算，這樣不可避免地會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性不足的問(wèn)題。本論文介紹的顆粒流方法從數(shù)值模型的角度提供了一種新思路。通過(guò)一系列針對(duì)圖1中完整巖塊模型的單軸壓縮試驗(yàn)，最終校對(duì)的顆粒流模型微觀參數(shù)如表1所示。完整巖塊在單軸壓縮過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，從中可以確認(rèn)基于表1的微觀參數(shù)所得結(jié)果符合第2節(jié)列出的灰?guī)r力學(xué)參數(shù)。表1同時(shí)提供了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)。

圖2 完整巖塊單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3顯示了節(jié)理巖體數(shù)值模型的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，這些節(jié)理巖體的峰值強(qiáng)度和彈性模量也標(biāo)注于該圖中。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示節(jié)理巖體的峰值強(qiáng)度明顯受到結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的控制。巖體強(qiáng)度隨主節(jié)理的傾角變化顯示出典型的U型特點(diǎn)，即當(dāng)節(jié)理傾角從15度增加到45度時(shí)，巖體強(qiáng)度從47.1MPa減小到24.5MPa，然后逐漸增大到52.0MPa（主節(jié)理傾角90度）。強(qiáng)度的U型變化可以從節(jié)理巖體的破壞模式來(lái)分析（完整巖塊控制和結(jié)構(gòu)面控制）。根據(jù)簡(jiǎn)單力學(xué)分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)大于結(jié)構(gòu)面的傾角時(shí)，沿結(jié)構(gòu)面的完整巖塊剪切破壞會(huì)被阻止。這種條件下節(jié)理巖體的破壞主要由節(jié)理間的完整巖塊控制，考慮到巖塊的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度，當(dāng)節(jié)理巖體的破壞是結(jié)構(gòu)面控制時(shí)，巖體峰值強(qiáng)度會(huì)偏小。

節(jié)理巖體的彈性模量呈現(xiàn)出與峰值強(qiáng)度類似的U型變化特征（圖3）。當(dāng)主節(jié)理傾角從15度增加到90度時(shí)，彈性模量首先從42.2GPa減小到29.9GPa和30.2GPa，然后增加到40.7GPa和52.5GPa。類似的，由于結(jié)構(gòu)面的剛度小于完整巖塊的剛度，當(dāng)巖體的破壞是結(jié)構(gòu)面控制型時(shí)，節(jié)理巖體的彈性模量偏小，反之，節(jié)理巖體的模量偏大。

4 結(jié)論

本論文展示了應(yīng)用顆粒流量化節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)的新型數(shù)值模擬方法。通過(guò)作用于完整巖塊模型的單軸壓縮試驗(yàn)，本論文首先校對(duì)了顆粒之間的微觀參數(shù)，然后通過(guò)一系列不同結(jié)構(gòu)面分布的節(jié)理巖體模型，本論文確認(rèn)節(jié)理巖體的峰值單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出典型的U型變化，即當(dāng)巖體所含節(jié)理有利于巖塊的剪切滑移時(shí)，節(jié)理巖體的強(qiáng)度顯著減小;而當(dāng)節(jié)理不利于巖塊的剪切錯(cuò)動(dòng)時(shí)，節(jié)理巖體的強(qiáng)度更多地受到巖體中完整巖塊控制，強(qiáng)度顯著上升。節(jié)理巖體的彈性模量呈現(xiàn)出與強(qiáng)度相同的變化規(guī)律。本論文為量化節(jié)理巖體的力學(xué)參數(shù)提供了額外的途徑，論文結(jié)論可以作為地下巖體工程設(shè)計(jì)的參考。

巖體力學(xué)論文:巖體力學(xué)發(fā)展史與新技術(shù)展望的綜述

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?jī)?nèi)容和研究方法，以及當(dāng)今巖土力學(xué)發(fā)展存在的問(wèn)題，對(duì)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(wèn)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(shuō)，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(lái)的，進(jìn)一步說(shuō)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(wèn)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(wèn)題的解決，這些都說(shuō)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(guò)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(wú)限大平板孔附近應(yīng)力集中的彈性解析來(lái)計(jì)算分析巖石工程的圍巖應(yīng)力分布問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guó)早期的地應(yīng)力測(cè)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(guó)人克羅斯創(chuàng)立起來(lái)的，理論反對(duì)把巖體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)簡(jiǎn)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(duì)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年在及時(shí)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(lái)分析巖石力學(xué)問(wèn)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)等的近期成果引入巖石力學(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(lái)，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(lái)，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?jī)?nèi)容和研究方法

巖石力學(xué)服務(wù)對(duì)象的廣泛性和研究對(duì)象的復(fù)雜性，對(duì)任何巖石工程領(lǐng)域來(lái)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(píng)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(wèn)題

主要研究的問(wèn)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(wèn)題的不斷提出。

四、巖體力學(xué)與工程發(fā)展趨勢(shì)和前景展望

國(guó)際上巖石力學(xué)與巖石工程研究的近期趨勢(shì)：

(l)巖石工程對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)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(duì)巖石或巖體的力學(xué)和水力學(xué)特性與溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等相關(guān)場(chǎng)的耦合問(wèn)題的研究越來(lái)越多，不再是對(duì)簡(jiǎn)單環(huán)境下單一巖石力學(xué)性質(zhì)的研究。

(3)對(duì)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(zhǎng)盛不衰的。

(4)巖石或巖體特有的節(jié)理裂隙對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響的研究越來(lái)越深入和細(xì)致。

(5)原位測(cè)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(lái)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(wèn)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(wèn)題。

（2）巖體力學(xué)由研究單一的固體不連續(xù)材料向多場(chǎng)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(guò)程的預(yù)測(cè)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(wèn)題都是對(duì)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(wèn)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。

巖體力學(xué)論文:深部開采巖體力學(xué)研究的現(xiàn)狀

摘 要：在深部開采工程中產(chǎn)生的巖石力學(xué)問(wèn)題是目前國(guó)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(duì)于深部開采工程的研究已經(jīng)取得了部分成果，但對(duì)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(guò)程中引發(fā)的與巷道工程及采場(chǎng)工程有關(guān)的巖石力學(xué)問(wèn)題。目前，對(duì)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(guó)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(duì)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(guò)巖石的強(qiáng)度，并且對(duì)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(duì)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(chǎng)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(wèn)題

目前對(duì)于深部開采工程的研究已經(jīng)取得了一系列成果，但是對(duì)于側(cè)重技術(shù)、注重個(gè)案的深層次基礎(chǔ)研究始終沒(méi)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(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)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(guó)國(guó)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(zhǎng)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(duì)巖石力學(xué)問(wèn)題，今后主要研究方向應(yīng)集中在對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)深部工程中所引發(fā)的巖石力學(xué)問(wèn)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(duì)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(duì)“深部”的概念、分類體系以及評(píng)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核心科學(xué)問(wèn)題正是采掘擾動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)的特殊力學(xué)行為。其中的深部高應(yīng)力場(chǎng)成因以及多個(gè)應(yīng)力場(chǎng)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(wèn)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(wèn)題。在深部條件下的工作面回采所形成的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與巷道掘進(jìn)形成的開挖應(yīng)力場(chǎng)相互耦合疊加，這些形成了復(fù)雜的三維應(yīng)力場(chǎng)。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(duì)深部采場(chǎng)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(chǎng)及巷道一體化的穩(wěn)定性非線性力學(xué)控制對(duì)策。

3.4 深部工程災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理以及控制對(duì)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(chǎng)耦合的作用下工程災(zāi)害頻度和強(qiáng)度等特征，這些對(duì)揭示深部工程災(zāi)害的誘發(fā)機(jī)理和成災(zāi)過(guò)程，并對(duì)相應(yīng)的災(zāi)害提出預(yù)測(cè)方法及控制對(duì)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(duì)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)提供的理論基礎(chǔ)，并為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全戰(zhàn)略的實(shí)施提供有效的能源和資源保障。

巖體力學(xué)論文:12081工作面煤巖體力學(xué)特性與電鏡分析及底板特性測(cè)試

摘 要：為更好的服務(wù)生產(chǎn)，保障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?cè)?2081工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)煤巖體力學(xué)特性與電鏡進(jìn)行分析并對(duì)底板特性進(jìn)行測(cè)試。

關(guān)鍵詞：煤巖體 力學(xué)特性 電鏡分析 底板特性 測(cè)試

為更好的服務(wù)生產(chǎn)，保障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?cè)?2081工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)煤巖體力學(xué)特性與電鏡進(jìn)行分析并對(duì)底板特性進(jìn)行測(cè)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(jí)含砷煤。煤灰屬較高軟化和較高流動(dòng)溫度灰。二1煤中無(wú)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(jiàn)表1。12081工作面煤體電鏡分析見(jiàn)圖1。

二1煤煤類有無(wú)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)真密度為1.49t/m3，相對(duì)視密度為1.45t/m3。

與底板特性測(cè)試的結(jié)果相吻合。說(shuō)明煤體軟而且酥，極易風(fēng)化。工作面可見(jiàn)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(jiàn)，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(cè)點(diǎn)分布，如圖3所示，在工作面每測(cè)區(qū)距煤壁1～4m之間建測(cè)點(diǎn)，共建16個(gè)測(cè)點(diǎn)。按照上述計(jì)算方法計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)值，并繪出底板比壓特性曲線圖譜。

圖3中編號(hào)：左起及時(shí)為數(shù)字是指，按照距離槽頭的距離排序的序號(hào)；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(cè)定底板實(shí)體煤層的比壓，2采用DZD40-A底板比壓儀測(cè)定底板表層煤層的比壓。一位數(shù)字是與井下記錄的聯(lián)系，沒(méi)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

為掌握12081工作面支柱與底板的相互作用現(xiàn)狀，必須測(cè)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(duì)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。

巖體力學(xué)論文:“巖體力學(xué)”結(jié)構(gòu)體系及教學(xué)方法探討

【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(duì)于從未接觸過(guò)程相關(guān)工程實(shí)踐的學(xué)生來(lái)說(shuō)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(lái)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作者首先對(duì)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(duì)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)核心的專業(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(lái)隨著我國(guó)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(wèn)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(duì)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(lái)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(guò)前面對(duì)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(duì)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(guò)長(zhǎng)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(jué)到巖體力學(xué)在理論上沒(méi)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(chǎng)讓學(xué)生見(jiàn)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?jī)?nèi)容上來(lái)說(shuō)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(guò)程，等等。下面就從巖體力學(xué)產(chǎn)生與發(fā)展的角度對(duì)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，在此基礎(chǔ)上對(duì)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(lái)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(chǎng)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(duì)工程問(wèn)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(guó)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(duì)象是各類巖體，由于巖體是一種經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(shuō)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(lái)的，同時(shí)又必須經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐檢驗(yàn)。

2.2 課程結(jié)構(gòu)體系分析。

下面對(duì)巖體力學(xué)課程的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)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?jī)?nèi)容、研究方法與研究流程和我們已經(jīng)學(xué)過(guò)的土力學(xué)基本類似，這主要是由于二者的研究對(duì)象都是地質(zhì)體，并且土體從某種意義上來(lái)說(shuō)就是巖石，它是由巖石風(fēng)化而來(lái)的，粘結(jié)力很低的巖石。所以二者研究?jī)?nèi)容上都是首先對(duì)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(wèn)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(duì)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(guò)長(zhǎng)期的地質(zhì)演化發(fā)展而來(lái)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(duì)于重要的巖土工程，我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范都明確要求要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)值方法是近年來(lái)針對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(lái)越大。那么對(duì)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。

巖體力學(xué)論文:淺談我國(guó)巖體力學(xué)問(wèn)題的現(xiàn)狀和發(fā)展

[摘要]本文描述了中國(guó)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(wèn)題的一些現(xiàn)狀和特征。對(duì)于巖石力學(xué)的發(fā)展給出了簡(jiǎn)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(shuō)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(wèn)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(wèn)題越來(lái)越需要應(yīng)用巖體力學(xué)的問(wèn)題來(lái)完成設(shè)計(jì)和施工。近幾十年來(lái)，盡管國(guó)內(nèi)的工程規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷加大，我國(guó)巖石工作者經(jīng)過(guò)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(duì)本文的編寫提供了豐富的資料。但是從總體上看，與國(guó)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(lái)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(guó)巖體力學(xué)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

在新中國(guó)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?cè)鴦?chuàng)造過(guò)世界矚目的工程建設(shè)，如長(zhǎng)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(duì)起步較晚的。在中華人民共和國(guó)成立之后，我國(guó)充分發(fā)揮社會(huì)主義制度的優(yōu)越性，對(duì)巖體力學(xué)中的一些前沿課題，在全國(guó)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(guó)的科技人員仍然發(fā)揮自強(qiáng)不息的愛(ài)國(guó)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(guó)的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(guó)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(lái)，我國(guó)陸續(xù)在全國(guó)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(guó)煤炭學(xué)會(huì)巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)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(guó)的巖體力學(xué)的水平。

3　我國(guó)巖體力學(xué)面臨的問(wèn)題

隨著取得成就的同時(shí)，面臨的問(wèn)題也逐漸突出而來(lái)。經(jīng)過(guò)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)核心問(wèn)題。這三個(gè)核心問(wèn)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)核心問(wèn)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(guò)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(guó)在處理這些非確定性的問(wèn)題上沒(méi)有形成系統(tǒng)的系數(shù)，對(duì)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(duì)工程的問(wèn)題解決上，因素的增多表示著變數(shù)的增多。研究對(duì)象的多種因素相互作用，極大地增強(qiáng)了問(wèn)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(wèn)題需要極大的數(shù)據(jù)庫(kù)資料和數(shù)據(jù)運(yùn)算。有人說(shuō)：“巖石力學(xué)是數(shù)學(xué)力學(xué)游戲，解決不了工程問(wèn)題”。這是便是極其不對(duì)的。

4　我國(guó)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(duì)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(wèn)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(lái)越強(qiáng)的數(shù)值法將不斷長(zhǎng)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(wèn)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(lái)其簡(jiǎn)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(wèn)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(yǔ)

筆者相信隨著我國(guó)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(guó)特色的社會(huì)主義道路，發(fā)展中國(guó)特色的工業(yè)化道路，我們振興中華的理想會(huì)越來(lái)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(lái)巖體力學(xué)新時(shí)代的來(lái)臨，能為祖國(guó)的工業(yè)大力發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

巖體力學(xué)論文:巖體力學(xué)在工程中的應(yīng)用

【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(lái)越緊密, 必將會(huì)推動(dòng)工程建設(shè)的不斷深入. 本文簡(jiǎn)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， 對(duì)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(wèn)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(wèn)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(duì)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(duì)巖體產(chǎn)狀的處理方式來(lái)分析的. 而從巖體的力學(xué)性質(zhì)角度來(lái)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(lái)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(lái)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(duì)于自適應(yīng)本構(gòu)模型來(lái)說(shuō), 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(wèn)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(guò)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(lái)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(duì)巖體力學(xué)及實(shí)際工程的影響

無(wú)論什么巖體力學(xué)理論, 都是基于巖體本身的性狀來(lái)模擬的. 而對(duì)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)^(guò)程測(cè)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(cè)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(cè)試技術(shù)等.

4 地應(yīng)力――巖體工程一個(gè)重要影響因素

對(duì)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(wú)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(lái)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(duì)有壓隧洞圍巖穩(wěn)定有利.

總之, 巖體的地應(yīng)力狀態(tài), 對(duì)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, 較地預(yù)測(cè)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(duì)巖體力學(xué)的要求越來(lái)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(wèn)題的解決提供了先進(jìn)的理論與手段.有限元法、無(wú)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(yíng)等方面的許多問(wèn)題亟待解決,巖體力學(xué)的發(fā)展與完善必須重視對(duì)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(chǎng)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(shì).

總之, 隨著人們對(duì)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。

巖體力學(xué)論文:地下水滲流對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響

【摘要】針對(duì)地下水通過(guò)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(duì)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(duì)巖石強(qiáng)度、彈性模量等方面作用的研究越來(lái)越受到人們的重視0。然而，水對(duì)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(wèn)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(yíng)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(duì)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(duì)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(duì)水分子的吸附力超過(guò)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(shì)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(rùn)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(guò)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(rùn)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(guò)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(duì)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(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度破壞很大。這種作用我國(guó)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)石英質(zhì)頁(yè)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(duì)巖石強(qiáng)度的影響通常以軟化系數(shù)0。

1.2 地下水對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)程有：硫化物的氧化過(guò)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(duì)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(shuō)化學(xué)作用進(jìn)行的速度很慢。地下水對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)巖體的力學(xué)作用主要通過(guò)孔隙靜水壓力和孔隙動(dòng)水壓力作用對(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(duì)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(duì)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(rùn)狀態(tài)時(shí)比干燥狀態(tài)時(shí)內(nèi)摩擦角高的罕見(jiàn)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(rùn)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(duì)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(guò)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(zhǎng)395m，寬181m，高41m。滑坡體積為4.212×105m3，主要巖性為砂頁(yè)巖和頁(yè)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(zhǎng)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(jiàn)，有些巖石對(duì)水的敏感性很強(qiáng)，像這樣的情況，在煤系地層中屢見(jiàn)不鮮。

3 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)例以及大量工程實(shí)際表明，水對(duì)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(duì)巖石的破壞起著決定性的作用，所以，重視地下水滲流對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響的研究是很有意義的。

巖體力學(xué)論文:離散單元法在巖體力學(xué)中的應(yīng)用

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(wèn)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(guò)程中的典型問(wèn)題。，提出一些個(gè)人見(jiàn)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(guó)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(wèn)題。為了解決工程中遇到的問(wèn)題，對(duì)于巖體的力學(xué)性質(zhì)有一個(gè)較為的把握，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(duì)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(duì)于節(jié)理的處理都是小數(shù)量、小位移的，因此，對(duì)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(guò)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(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，就可以依次求出塊體的速度、位移，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(guò)程。

2.基本方程[4]：

從力學(xué)分析角度上離散元對(duì)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(lái)控制，按圍繞各剛性塊體形心的力平衡和力矩平衡來(lái)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(lái)反映材料的應(yīng)力-位移關(guān)系。

c.幾何方程：相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于材料的塑性和破壞可以通過(guò)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(lái)模擬材料的局部破壞或通過(guò)限制彈簧的變形和改變彈簧剛度來(lái)模擬材料的塑性行為[4]。

三．適用范圍

歸納起來(lái)，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(shì)

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(wèn)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(wèn)題需要解決。

1.離散元理論的研究

從總體上來(lái)看,利用離散元法計(jì)算工程問(wèn)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(shuō)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(jiǎn)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(guò)彈簧來(lái)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(méi)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(guò)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(shì)，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(guò)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(duì)其有針對(duì)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(wèn)題, 而離散單元法適合于界面弱連接的非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題或連續(xù)體到非連續(xù)體轉(zhuǎn)化的材料損傷破壞問(wèn)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(lái), 便能充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處, 可以極大地?cái)U(kuò)大該數(shù)值方法的范圍。對(duì)于離散元和有限元等其他數(shù)值方法的耦合計(jì)算問(wèn)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(wú)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(chǎng)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(lái)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(duì)深部巖體力學(xué)問(wèn)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(chǎng)、多相介質(zhì)耦合作用,因此,深部多相介質(zhì)、多場(chǎng)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(wèn)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(chǎng)耦合作用問(wèn)題的一種有效工具。

五．存在問(wèn)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(duì)節(jié)理幾何信息的簡(jiǎn)化處理，可能導(dǎo)致誤差。這是一個(gè)問(wèn)題。

2.在離散元中，對(duì)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(duì)的問(wèn)題而定。比如如果研究對(duì)象是地表或近地表工程的塊體穩(wěn)定問(wèn)題，在堅(jiān)硬巖石條件下，如果巖石的變形相對(duì)結(jié)構(gòu)面的變形可以忽略，塊體可以處理成剛體，就沒(méi)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(wèn)題了。

3.無(wú)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(duì)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(lái)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(lái)解決工程問(wèn)題。究其原因，往往問(wèn)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(wèn)題。