岩石力學研究方法三位一體

『壹』 岩體力學的研究內容與方法

力學的研究內容：

（1）岩塊、岩體的地質特徵；

（2）岩石的物理、水理及熱學特性；

（3）岩塊的力學性質；

（4）結構面的力學性質；

（5）岩體的力學性質；

（6）岩體的天然應力分布規律；

（7）岩體工程問題：地基、邊坡、洞室岩體；

（8）岩體性質改善與加固。
岩體力學的研究方法：

（1）工程地質方法：研究岩塊、岩體的地質與結構特徵，為岩體力學研究提供地質資料和地質模型。分為：

a、岩礦鑒定：了解岩石的岩性、礦物成分及結構構造及成因環境。

b、地層、構造：了解岩體的地質成因、空間分布及各種結構面的發育情況，分析岩體構造變形及應力狀態。

c、賦水特性：了解岩體中水分的形成、賦存與運移規律。

（2）物理實驗方法：提供岩體的物理力學參數；評價岩體的變形和穩定性；岩石力學的變形與強度的機制。分為：室內岩石物理力學試驗；原位岩體力學試驗、監測；天然應力測量；工程岩體物理模型試驗。

（3）數學力學分析方法：建立岩體力學模型，採用適當的分析方法預測岩體在不同力場作用下的變形與穩定性。分為：

a、力學模型：本構關系、強度准則 剛體力學；彈性力學；彈塑性力學；斷裂力學；損傷力學；流變力學 等

b、分析方法：塊體極限平衡法；數值模擬法等 系統論；資訊理論；人工智慧專家系統；灰色系統等。

『貳』 工程地質學的發展及地質工程學的形成

地質工程學是工程地質學發展形成的新的分支學科，實際上是工程地質學和土木工程學的邊緣雜交學科。因此在研究地質工程學之前，有必要回顧一下工程地質學的發展。

工程地質學研究已經經歷了三個階段：

第一階段：20世紀60年代以前，以工程地質條件研究和質量評價為主要工作。一方面是對作為工程建築載體、工程建築材料、工程建築結構的地質體質量評價；另一個方面是對作為工程建築環境的地質環境質量評價，這階段的評價主要是定性的。在20世紀60年代末，世界各國大體同時都開始了工程建築中能否出現地質災害，或者說能否出現工程地質災害的成災條件研究，開始了成災預報研究工作。

第二階段：開始於20世紀60年代末，以開展地質體穩定性分析為特徵的工程地質災害預測預報研究階段。如谷德振教授在20世紀60年代末開始提出地基穩定性、邊坡穩定性、地下洞室穩定性評價研究課題；20世紀70年代他進一步提出地基穩定性、邊坡穩定性、地下洞室穩定性、山體穩定性、地殼穩定性評價研究五大課題，開始了工程地質研究的第二階段。當時研究內容主要是穩定性評價。實際上開始了工程地質預報研究工作。

第三階段：20世紀80年代以來出現了許多新技術（實際上60、70年代也零星地在做），「中國岩土錨固工程協會」和中國岩石力學與工程學會下成立了「岩石注漿與錨固工程分會」，大力開展不良地質條件改造。工程地質發展第三階段是以工程地質災害預測預報及地質災害防治、施工地質超前預報和地質體改造等主要課題為特徵的地質工程研究階段，明確地提出了地質監控施工法。地質監控施工法的核心就是超前地質預報和超前地質體改造，而超前地質預報和超前地質體改造正是工程地質工作進入第三階段的重要標志。這樣，今天的工程地質工作已經不僅僅作工程地質條件評價、各類地質工程穩定性評價或工程地質預報，而且還應該研究不良地質條件的改造及地質工程施工問題。今天已經有一些辦法能夠對不良的地質體進行改造，使之適應工程建築的要求。過去解決地質體不穩定的辦法主要是支護，不讓它失穩，這種做法現在看來是不夠的。今天可以進行地質體改造，使之滿足工程建築要求。地質體賦存環境也可以改造，改造後的地質體照樣可以建築工程，這樣工程地質就發展到以工程地質超前預報和地質體改造為核心的地質工程階段。

事物的發展總是經過漸變到突變。人類的認識也是經過漸變到突變產生飛躍。人們對地質工程的認識也是經歷了這樣一個過程。在工程地質學發展的第二階段，工程地質工作者和岩土力學工作者在認識上已經孕育著地質工程的意識，提出地基穩定性、邊坡穩定性和地下洞室穩定性課題就意味著孕育著地質工程的意識。具有工程地質和岩土力學雙學科知識的工作者是這個認識的先覺者。有文字記載的則有1974年Hock E.和Bray J.W.發表了《ROCK SLOPE ENGINEERING》專著，明確地提出了「岩石邊坡工程」概念。首次把岩體邊坡作為工程來研究，他的主要工作也是在地質基礎上對邊坡進行岩體力學研究。Hock E.的岩體邊坡工程概念對工程地質學的發展和地質工程的形成具有很大的推動作用。1976年R.E.Goodman，發表了《METHOD OF GEOLOGICAL ENGI-NEERING IN DISCONTINUOUS ROCK》專著，首先使用了「地質工程（Geological Engi-neering）」術語，他提的地質工程方法實際上是岩體力學與工程地質相結合進行工程地質工作的方法。1983年著者在主持「大同煤礦堅硬頂板有控壓裂放頂理論和技術研究」課題中首次提出了岩體結構改造概念。1984年在第二屆全國工程地質大會上提出了岩體改造原理，同時提出了「工程地質、岩體力學和地質工程三位一體」開展工作的學術思想，在中國率先提出了「地質工程」命題。1986～1989年主持了「大秦線軍都山隧道快速施工地質超前預報」課題，並在這項工作中提出了以地質為基礎開展地質預報，其中包括超前預防，實際上深化了地質體改造理論，深化了地質工程概念，明確地提出了地質工程定義是「以地質體為工程結構，以地質體為建築材料，以地質環境為建築環境建築起來的一種特殊工程」。1990年10月著者應葛洲壩水電工程學院的邀請，在宜昌開辦了「工程地質與地質工程」講座，對著者關於地質工程的認識進行了系統的總結，1993年出版了《工程地質與地質工程》專著，這本書是著者對地質工程認識的一次升華，該書對地質工程定義、地質工程特性、工作內容、工作方法進行了系統的論述。1996年出版了《地質工程理論與實踐》一書，系統地論述了地質工程概念、定義、理論和方法，明確地提出了地質工程的基本原理是「地質控制論」，闡述了地質工程理論體系。

從20世紀90年代初開始，中國出現了地質工程公司，地質工程勘察設計院等機構，實際上已經出現了地質工程行業。1997年6月國務院學位委員會和國家教育委員會在聯合頒布的「授予博士、碩士學位和培養研究生的學科、專業目錄」里正式提出了地質工程學，現在地質工程已經不僅是一個行業，而且已經形成為一個學科了。一個學科的形成必須具備三個條件，這就是有特定的研究對象，有獨特的理論，有專門的技術手段。對地質工程學來說，這三者已經具備了。地質工程的研究對象是以地質體為工程結構，以地質體做建築材料，以地質環境作為建築環境的特殊工程建築；地質工程的基本原理是地質控制論；地質工程建築的專門技術：地質超前預報技術和地質體改造技術已經形成了。今天來說，地質工程學已經形成為一門獨立學科是客觀存在的。

『叄』 從工程的觀點看，岩體力學的研究內容有哪幾個方面

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

『肆』 岩石力學的形成與發展

岩石力學是從工程建設中形成，與工程建設緊密聯系的一門新興邊緣性學科，其歷史短，發展迅速，但形成過程漫長。已知公元前 2 世紀，李冰利用岩體熱脹冷縮特性，採用火烤水淋法破裂岩體，開鑿都江堰寶瓶口、劈山修渠，這屬於岩石力學的萌芽。公元 1 世紀，我國勞動人民利用沖擊破碎法，開鑿深數百米的鹽井。歷代采礦，採用支護、回填、留柱等方法，以防岩體冒頂、偏幫、壓裂破碎等地壓現象，均屬岩石力學具體運用，不過是憑直觀經驗、尚無系統理念。西方經第三次產業革命後，資本主義生產迅速發展，在人類經濟建設活動中，岩石力學隨之誕生，1878 年海姆 (A. Heim) 提出深層岩體應力處於靜水應力狀態的假說。1926 年施米德 (H. Schmid) 運用海姆假說，結合岩體彈性概念，解決洞室圍岩應力分布。同期金尼克 (A. H. Диннику) 提出岩體中天然應力狀態的公式，普魯托吉雅克諾夫 (M. M. Прутоцняконов) 提出天然平衡拱理論，這些對岩石力學的探討、為這一新興學科提供了生長點。第二次世界大戰後，各國大量興建各項工程，面臨一系列科學技術問題，促進了岩石力學的蓬勃發展。在此時期，多以連續介質、均質彈塑性理論以及極限平衡理論為主要計算原理。在試驗方面，則以室內小試塊的物理力學試驗為主，但亦結合工程進行針對性的野外大型試驗。同一期間，繆勒 (L. Müller) 等歐洲學者，開展了緊密結合實際情況的研究工作，創建了著名岩石力學奧地利學派，於 1951 年在薩爾斯堡舉行以地質力學為主題的，第一次國際岩石力學討論會。

1957 年後，有關岩石力學著作不斷涌現，標志著一門完整體系的獨立新興學科的誕生與興起。在 1957 ～1965 年，拉布舍維奇 (V. Rabcewicz) 、繆勒、帕克 (F. Pacher) 等人在總結隧道工程的經驗基礎上，研究開發新奧地利隧道施工法，簡稱新奧法。該方法是基於岩石彈塑性理論，隧洞岩體動態觀測資料有關岩體自護能力的變形時效概念以及岩體工程地質態勢分類，以確定開挖工藝與支護方法。這是科學理念與經驗融合的高超工藝，在歐洲獲得成功運用並擴及世界各國，為岩石力學做出了很大的貢獻。

1962 年國際岩石力學學會成立。1966 年在里斯本召開了國際岩石力學學會第一次大會，基於馬爾帕塞拱壩潰決、瓦央水庫庫岸巨型大滑坡的災變教訓，提出須重視工程地質岩石力學的更新知識，創造岩石力學性能定型判據。岩石力學的更新理念，多是從隧洞施工實踐經驗中總結建立。壩與邊坡工程的岩石力學，亦藉助隧洞的成果同時發展。岩石力學的發展，從初期的單一因素，發展為多因素的權值分類法，後鎖定 1976 年權值分類標準的地質力學分類法，使設計所需岩石力學參數，由定性的經驗法向科學檢測的全面量化發展。早期的分類，有泰沙基 (K. Terzaghi) 於 1946 年提出的岩石載荷分類法，後為迪爾 (V. Deere) 等人修正，此法在美國地下工程中普遍運用近 50 年。考慮到岩體缺陷與損傷，對隧洞縱橫向跨度自穩時間長短的影響，拉弗爾 (H. Laffer) 於 1958 年提出支撐時間分類法，後由帕克等人修正，形成以地層態勢定性的新奧法分類，這是一種科學的經驗尺度方法，具科學理論基礎。1967 年迪爾以修正的岩心採取率，作岩石質量指標(RQD) 的分類，現已作為鑽孔岩心記錄標准參數，並成為後期岩體權值系統———RMR 系統與岩體質量指標定量分類的 Q-系統的基本元素。當無鑽孔岩心資料時，通過沿垂直與水平方向的節理線密度統計，按 1976 年普里斯特 (Priest) 公式求各個方向的 RQD 值。據此可評價大壩基礎及邊坡的岩體質量以及與其三維空間岩石質量的變化情況。1972 年威克漢姆 (G. Wickham) 等人，考慮了多參數權值系統的定量岩體分類，稱岩石結構權值分類法 (RSR) 是針對隧洞圍岩支護設計模式的岩體分類系統。這一分類法考慮了岩體強度類型與構造損傷程度的權值系統; 岩體結構面產狀要素與洞室施工結構相關性的權值系數; 地下水對前兩因素影響的權值系統; 所得三權值評價參數之和，即為 RSR 值。RSR 分類法是為隧洞選擇鋼柱支護的一種有效方法。根據洞探等所掌握隧洞岩體質量確定 RSR 的預計值，繪制該直徑隧洞在各典型地層段的支護需求草圖，在研究隧洞支護時，引入支柱率原則。此原則必須先求泰沙基的岩石載荷支柱間距，然後除以所使用支柱尺寸的理論支護間距，得載荷支柱間距與相應所需理論間距的百分比，使 RSR值與實際支護聯系起來，辛海 (Sinha) (1988) 指出 RSR 法是泰沙基法的一種改良，而非一種獨立系統。但 RSR 分類的主要貢獻是創建岩體權值系統概念。

上述岩體分類未能全面反映岩體的復雜構造與結構、結構面狀態及其所處場勢情況，隨建設發展不斷要求岩石力學探索更新的研究方法，所以 RMR 與 Q 系統對岩體分類定量評價方法相繼產生，使岩石力學研究，起了較能符合和滿足實際要求的質的轉變與飛躍。

RMR 系統 分 類 稱 岩 體 權 值 系 統 分 類， 亦 稱 地 質 力 學 分 類， 是 比 尼 沃 斯 基(T. Bieniawski) 1973 年提出，並在後期應用中獲得很大改進。該分類考慮了岩石的單軸抗壓強度; 岩體質量指標; 損傷破裂面間距; 破裂結構面條件; 水文地質條件五個參數的分級權值、加上結構空間展布與建築物實施的相關影響所作的調整權值、由權值總數定出岩體等級，由岩體等級確定地下洞室岩體黏聚力強度 (抗拉張破壞強度) 、岩體內摩擦角及岩體平均支承時間。第六項為調整參數權值，具較具體的針對性，可在地下工程、壩基與邊坡工程中運用。1980 年霍克-布朗 (Hock-Brown) 用 RMR 分類，確定岩體破壞時應力強度的理論公式。式中將岩體受力變化程度和其內摩擦角、建立與 RMR 在受擾動與未受擾動情況下的關系式。由於 RMR 中的參數權值已經多次修正，霍克提出，當 RMR ﹥18 則採用 1976 年的規定，將 RMR76稱為 GSI 地質力學指標分類。並據以求出岩體的抗壓抗拉強度與 φ、c 值; 岩體的變形模量、則依據 RMR≈57 為界，分別採用比尼沃斯基與塞拉芬提出的相應公式求解。於是則形成建築物基礎設計所需岩體力學參數選取的工程系統。在對岩石邊坡穩定性評估方面，1985 年羅曼娜 (Romana) 根據野外資料，認識到岩石邊坡穩定性，受不連續面力學特性控制、受結構面空間展布與邊坡關系的影響，提出RMR 系統中不連續面產狀與邊坡關系之參數改正的階乘方法，刪去原 RMR 系統中結構面方向改正因素，添加開挖方法改正權值，經修正成為 SMR 法，使 RMR 分類法適用於岩石邊坡，包括軟弱岩體、嚴重節理化岩體邊坡穩定性的初步評估。這是對邊坡地質災害研究的重要貢獻。綜上所述，RMR 分類法提出，經發展中創新修正，已日臻完善。但 RMR 分類法忽視了三個重要性質，即各種節理粗糙度、充填節理的抗剪強度、地下洞室中岩石本身的荷載。1974 年巴頓 (N. Barton) 根據幾百個工程實例，用 RMR 分類法優點，改進其缺陷與不足，提出隧洞圍岩岩體質量指標分類法、Q--系統法。其使用岩石質量; 節理組數; 節理粗糙度值; 節理蝕變度值; 節理含水折減系數; 應力折減系數六個參數值。形成岩石質量與節理組數的商，代表岩石塊體的狀態; 節理粗糙度與節理蝕變度的商，代表塊體間剪切強度指標; 節理含水折減系數與應力折減系數的商，是表述有效應力狀態。三個商值之積即為 Q 值。由 Q 指標與工程總結建立的關系式，求圍岩頂拱壓力及 Q 與等效尺度之間的關系，確定合適的支護措施，並建立 Q 與 RMR 之間的關系式。Q 系統是一種定量分類系統，是促進隧洞支護設計的工程系統，在 Q 系統中，巴頓等人認為: 節理組數、糙度、蝕變度三個參數，比起節理方向來說起更重要作用，節理糙度與蝕變度，是指最不合適的節理，暗示了方向。當包含節理方向時，Q 分類就會顯得通用程度不夠，為避免復雜化，防止局限，使研究者主要精力集中於幾個重要指標上。

在岩體分類法演進至對岩體宏觀力學參數達定量化確定時，室內外試驗技術，已滿足高精度要求，這些現有野外地應力的壓磁法、應力解除法測試、占孔水壓致裂法的應力研究、平洞全斷面徑向千斤頂壓法、水壓法的岩體宏觀變形模量測試、野外大三軸試驗、流變試驗、抗剪抗切試驗以及動力法電法的探測等。關於不同粗糙度結構面的抗剪強度，在佩頓 (F. Patton) 對剪脹角研究的基礎上，巴頓考慮了結構面糙度與其表面抗壓強度，提出在不同應力條件下的抗剪強度公式。為配合岩體分類與抗剪強度野外定量研究，進行了野外相關物理力學性要求的快速測定。如施米特錘法、結構面糙度測量等。室內有全息性三軸試驗、抗風化效應試驗、結構面影響強度、變形試驗、地質體模擬試驗等。隨電子計算機發展、數值分析法迅速發展與完善，從有限元、邊界元、離散元發展為自適應有限元、模擬模擬等。但其成果決定於參數的正確及物理模型與實際的一致。

『伍』 蛇綠岩套的三層結構（上、中、下）

其實蛇綠岩套就是蛇綠岩（ophiolite）。一組由蛇紋石化超鎂鐵岩、基性侵入雜岩和基性熔岩以及海相沉積物構成的岩套。（在地史學中這個就是「三位一體」，是尋找古縫合線的依據，就想前面兩位說的「海洋遺」一樣。）

它是一種變質岩，蛇綠岩成因一般解釋為由洋中脊海底擴張作用而形成的大洋岩石圈的侵位形成。蛇綠岩與大洋岩石圈的演化有密切的關系,因此研究蛇綠岩的組成、成分及成因是了解大洋岩石圈結構、變化及動力學的主要途徑。（簡單地說蛇綠岩就是由於兩個板塊碰撞的時候下面的岩漿的溫度很高而導致了碰撞接觸帶的發生了變質而形成的。）

蛇綠岩的代表層序自下而上是：橄欖岩、輝長岩、席狀基性岩牆和基性熔岩以及海相沉積物，其中橄欖岩和輝長岩在層序上可以重復多次。蛇綠岩一般是灰綠色，其中普遍伴生的蛇紋石。

現在研究蛇綠岩的地質學家比較多，因為它很好的證實以前地球的形狀。

由於我現在是中國地質大學（武漢）的大三的地質學學生，了解的只有這些，希望對你有所幫助。

『陸』 岩石力學的研究內容

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

『柒』 岩石力學與構造應力場研究

岩石力學與構造應力場研究包括地形變場、斷層位移場、構造應力場和岩石力學性質,三「場」與岩石力學性質密切相關。因此測量地應力同時必須研究所處部位的岩石力學性質,否則是無法對比,這在過去已經付出過代價和教訓。同時由於地應力在位錯、形變中最靈敏,表現最突出,所以主抓地應力測量預測預報地震就成為關鍵。

地震地質預測預報地震,是採用岩石力學與構造應力場的核心技術,通過地形變場、斷層位移場、構造應力場和岩石力學性質綜合研究,獲得較為全面的認識和最佳預報效果。下面將依次對現今地形變場、現今斷層位移場、現今構造應力場及岩石力學與構造應力場綜合研究進行討論。

(一)現今地形變場研究

20世紀60年代,隨著我國地震研究工作的進展,現今地殼形變研究不斷取得進展,首先採用重復大地精密水準測量資料,結合地質構造編繪現今構造地形變圖,其次是重復三角測量成果的使用,均取得較好成果。

1.大地重復水準測量與現今地殼形變圖

1969年孫葉編制1953～1972年華北區域構造形變圖(圖4-6),顯示現今褶皺軸向與主要活動斷裂均呈北北東向展布,現今以新華夏系活動為主^[10]。

圖4-6 華北地區(1953～1972年)構造形變圖

2.重復大地三角測量與水平形變圖

過去採用經緯儀進行重復大地三角測量,精度偏低,沒有得到推廣使用,現在採用激光測距儀,提高了精度,必將獲得更好的效果(圖4-7)。

圖4-7 北京地區底面膨脹分布圖^[35]

3.全球衛星定位系統(GPS)與地形變圖

近年來全球衛星定位系統(GPS)在我國地質工作中已經獲得了廣泛使用(圖4-8)。

圖4-8 中國大陸地殼GPS運動速度圖

1976年唐山大震(7.8級)前後,地殼水平形變發生反向變化(圖4-9)。

(二)現今斷層位移場研究

1.現今斷層位移的宏觀調查

1931年新疆富蘊地震,地處乾旱地區,發震斷裂帶迄今保存完好(圖4-10)。

2.現今局部斷層位移場

這是採用地應力測量轉換成局部斷層位移場的實例。沿著北京八寶山斷裂帶煤嶺弧形斷裂,布設地應力解除測量孔,配合模擬實驗,反演斷裂各處的扭動方向及位移量,並配合燕山期岩組分析研究最大主壓應力方向,顯示其與現今應力方向協調一致(圖4-11)。

3.區域現今斷層位移場

李四光在預測唐灤大震以後,在京、津、唐區域布設19個斷層位移活動監測站,主要監測目標是:①各個方向斷裂的現今活動狀態;②現今斷層位移活動是否顯示新華夏系現今活動方式;③東西向斷層是否仍在活動。經過6～8年的連續監測,上述三個問題均得到證實,各個方向的斷層均在規律性年周期性活動基礎上,作趨勢性位移活動,特別是東西向斷裂也在現今活動,區域性現今斷層位移場經模擬實驗證實處於新華夏系活動方式,即南北邊界為反扭加力狀態,這對唐灤大震預測是極大的支持和證實,所以在李四光臨終遺言中講的十分肯定,就可以理解了(圖4-12)。

4.大震前後斷層位移的反向活動

大震前後斷層位移均作反向活動,這是普遍的現象,例如1976年唐山大震,從河北豐潤—唐山—曾家灣的大地水準路線復測資料也明顯反映了地殼升降的反向活動,反向的位置就是大震的地點(圖4-13)。它與大震前後震中斷層的彈性回跳現象也都吻合一致。

圖4-9 1976年唐山大地震前後地殼水平形變矢量方向變化圖[36]

圖4-10 新疆富蘊地震(1931年)發震斷裂平面圖(A)與剖面活動分析圖(B)^[36]

圖4-11 北京八寶山斷裂帶煤嶺弧形地段局部斷層位移場分析圖

圖4-12 京津地區復合斷層位移場實測與分析圖

圖4-13 河北豐潤-曾家灣水準路線高程式差剖面圖^[36]

(三)現今構造應力場研究

1.地應力絕對值測量

(1)地應力解除測量法

地應力絕對值解除測量法是可信度最高的測量方法之一,基本原理是應力計加力以後與岩體中構造應力密切聯系在一起,套芯解除的同時使岩體中地應力切斷,圖4-14為解除工作程序示意圖,其中圖4-14D為解除過程中的地應力曲線變化情況。同樣解除9個以上不同方向的應力計,可用最小二乘法准確地計算地應力的方向、大小等。應力計種類很多,如壓磁電感法、應變法等等^{[16,18,26-28]}。

(2)水壓致裂法

是利用鑽孔中完整岩心段,密封、用水加壓使之裂開反演地應力絕對值,開裂方向表示水平最大主應力方向。優點可以進行深孔測量,缺點對岩體原有的微裂隙(隱裂隙)可能帶來干擾等(圖4-15)。

2.地應力相對值測量

相對地應力測量主要用於連續監測,目的為地震預報服務以及其他工程建築的地應力變化情況服務,實際情況即圖4-14(3)中不再進行解除,而進行連續記錄,如圖4-16所示的時間變化曲線,過去地震預報者即分析曲線變化特徵,進行地震三要素的判斷。有時報對了,有時則不成,而且歷經20多年預報,成功率較低,在20%～30%之間徘徊,或者沒有顯著的改進和提高^{[19,20-22,26-28]}。

3.地應力測量工作的回顧與問題的分析討論

自20世紀60年代至今,世界地應力研究工作不斷取得進步與發展。我們地質力學工作者的地應力研究也在不同戰線上取得進展,同時也發現了一些重大問題^[20,22]。

圖4-14 鑽孔構造應力解除測量工作程序示意圖

圖4-15 水壓致裂地應力測量原理方法圖^[28]

圖4-16 1975年海城地震的地應力相對值變化曲線圖^[36]

(四)岩石力學與構造應力場研究

岩石力學與現今構造應力場研究包括現今地形變場、現今斷層位移場、現今構造應力場、內動力地質災害場的研究等,當然它們都離不開介質條件(岩石力學性質)的配合研究。

我們在總結華北區域、京津塘地區的現今地形變場、現今斷層位移場、現今構造應力場與地震災害場的經驗基礎上,初步制定了岩石力學與構造應力場研究步驟程序,可以分為九個步驟(表4-2):

表4-2 岩石力學與構造應力場研究的基本程序步驟說明表

通過上述岩石力學與構造應力場的實測與研究,已經為捕捉大震預報創造條件,為攻破地震預報難關創造條件,為部署大震監測台站網路提供了基礎。

『捌』 岩石力學性質的試驗研究

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

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

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

圖1-1 大理岩常規三軸壓縮全程曲線

曲線上數字是圍壓，單位MPa

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

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

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

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

圖1-2 中間主應力對白雲岩試樣強度和變形的影響

最小主應力σ₃=125MPa，曲線上數字是中間主應力σ₂，單位：MPa

圖1-3 岩石試樣單軸壓縮的全程曲線^［20］

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

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

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

圖1-4 伺服試驗機上得到的煤試樣單軸壓縮過程

a—試驗的全過程；b—局部的放大圖

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

『玖』 勘查技術與工程 和 地質工程怎麼區別 哪個更有優勢一些

勘查技術與工程，簡稱物探，這個專業對數學要求很高，學起來不容易理解，就業面也窄一些
地質工程是近年來新型的專業，應用很廣，因此就業面也很廣，個人認為地質工程更具優勢~

『拾』 岩石力學的研究方法

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