岩石力学研究方法三位一体

‘壹’ 岩体力学的研究内容与方法

力学的研究内容：

（1）岩块、岩体的地质特征；

（2）岩石的物理、水理及热学特性；

（3）岩块的力学性质；

（4）结构面的力学性质；

（5）岩体的力学性质；

（6）岩体的天然应力分布规律；

（7）岩体工程问题：地基、边坡、洞室岩体；

（8）岩体性质改善与加固。
岩体力学的研究方法：

（1）工程地质方法：研究岩块、岩体的地质与结构特征，为岩体力学研究提供地质资料和地质模型。分为：

a、岩矿鉴定：了解岩石的岩性、矿物成分及结构构造及成因环境。

b、地层、构造：了解岩体的地质成因、空间分布及各种结构面的发育情况，分析岩体构造变形及应力状态。

c、赋水特性：了解岩体中水分的形成、赋存与运移规律。

（2）物理实验方法：提供岩体的物理力学参数；评价岩体的变形和稳定性；岩石力学的变形与强度的机制。分为：室内岩石物理力学试验；原位岩体力学试验、监测；天然应力测量；工程岩体物理模型试验。

（3）数学力学分析方法：建立岩体力学模型，采用适当的分析方法预测岩体在不同力场作用下的变形与稳定性。分为：

a、力学模型：本构关系、强度准则 刚体力学；弹性力学；弹塑性力学；断裂力学；损伤力学；流变力学 等

b、分析方法：块体极限平衡法；数值模拟法等 系统论；信息论；人工智能专家系统；灰色系统等。

‘贰’ 工程地质学的发展及地质工程学的形成

地质工程学是工程地质学发展形成的新的分支学科，实际上是工程地质学和土木工程学的边缘杂交学科。因此在研究地质工程学之前，有必要回顾一下工程地质学的发展。

工程地质学研究已经经历了三个阶段：

第一阶段：20世纪60年代以前，以工程地质条件研究和质量评价为主要工作。一方面是对作为工程建筑载体、工程建筑材料、工程建筑结构的地质体质量评价；另一个方面是对作为工程建筑环境的地质环境质量评价，这阶段的评价主要是定性的。在20世纪60年代末，世界各国大体同时都开始了工程建筑中能否出现地质灾害，或者说能否出现工程地质灾害的成灾条件研究，开始了成灾预报研究工作。

第二阶段：开始于20世纪60年代末，以开展地质体稳定性分析为特征的工程地质灾害预测预报研究阶段。如谷德振教授在20世纪60年代末开始提出地基稳定性、边坡稳定性、地下洞室稳定性评价研究课题；20世纪70年代他进一步提出地基稳定性、边坡稳定性、地下洞室稳定性、山体稳定性、地壳稳定性评价研究五大课题，开始了工程地质研究的第二阶段。当时研究内容主要是稳定性评价。实际上开始了工程地质预报研究工作。

第三阶段：20世纪80年代以来出现了许多新技术（实际上60、70年代也零星地在做），“中国岩土锚固工程协会”和中国岩石力学与工程学会下成立了“岩石注浆与锚固工程分会”，大力开展不良地质条件改造。工程地质发展第三阶段是以工程地质灾害预测预报及地质灾害防治、施工地质超前预报和地质体改造等主要课题为特征的地质工程研究阶段，明确地提出了地质监控施工法。地质监控施工法的核心就是超前地质预报和超前地质体改造，而超前地质预报和超前地质体改造正是工程地质工作进入第三阶段的重要标志。这样，今天的工程地质工作已经不仅仅作工程地质条件评价、各类地质工程稳定性评价或工程地质预报，而且还应该研究不良地质条件的改造及地质工程施工问题。今天已经有一些办法能够对不良的地质体进行改造，使之适应工程建筑的要求。过去解决地质体不稳定的办法主要是支护，不让它失稳，这种做法现在看来是不够的。今天可以进行地质体改造，使之满足工程建筑要求。地质体赋存环境也可以改造，改造后的地质体照样可以建筑工程，这样工程地质就发展到以工程地质超前预报和地质体改造为核心的地质工程阶段。

事物的发展总是经过渐变到突变。人类的认识也是经过渐变到突变产生飞跃。人们对地质工程的认识也是经历了这样一个过程。在工程地质学发展的第二阶段，工程地质工作者和岩土力学工作者在认识上已经孕育着地质工程的意识，提出地基稳定性、边坡稳定性和地下洞室稳定性课题就意味着孕育着地质工程的意识。具有工程地质和岩土力学双学科知识的工作者是这个认识的先觉者。有文字记载的则有1974年Hock E.和Bray J.W.发表了《ROCK SLOPE ENGINEERING》专着，明确地提出了“岩石边坡工程”概念。首次把岩体边坡作为工程来研究，他的主要工作也是在地质基础上对边坡进行岩体力学研究。Hock E.的岩体边坡工程概念对工程地质学的发展和地质工程的形成具有很大的推动作用。1976年R.E.Goodman，发表了《METHOD OF GEOLOGICAL ENGI-NEERING IN DISCONTINUOUS ROCK》专着，首先使用了“地质工程（Geological Engi-neering）”术语，他提的地质工程方法实际上是岩体力学与工程地质相结合进行工程地质工作的方法。1983年着者在主持“大同煤矿坚硬顶板有控压裂放顶理论和技术研究”课题中首次提出了岩体结构改造概念。1984年在第二届全国工程地质大会上提出了岩体改造原理，同时提出了“工程地质、岩体力学和地质工程三位一体”开展工作的学术思想，在中国率先提出了“地质工程”命题。1986～1989年主持了“大秦线军都山隧道快速施工地质超前预报”课题，并在这项工作中提出了以地质为基础开展地质预报，其中包括超前预防，实际上深化了地质体改造理论，深化了地质工程概念，明确地提出了地质工程定义是“以地质体为工程结构，以地质体为建筑材料，以地质环境为建筑环境建筑起来的一种特殊工程”。1990年10月着者应葛洲坝水电工程学院的邀请，在宜昌开办了“工程地质与地质工程”讲座，对着者关于地质工程的认识进行了系统的总结，1993年出版了《工程地质与地质工程》专着，这本书是着者对地质工程认识的一次升华，该书对地质工程定义、地质工程特性、工作内容、工作方法进行了系统的论述。1996年出版了《地质工程理论与实践》一书，系统地论述了地质工程概念、定义、理论和方法，明确地提出了地质工程的基本原理是“地质控制论”，阐述了地质工程理论体系。

从20世纪90年代初开始，中国出现了地质工程公司，地质工程勘察设计院等机构，实际上已经出现了地质工程行业。1997年6月国务院学位委员会和国家教育委员会在联合颁布的“授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录”里正式提出了地质工程学，现在地质工程已经不仅是一个行业，而且已经形成为一个学科了。一个学科的形成必须具备三个条件，这就是有特定的研究对象，有独特的理论，有专门的技术手段。对地质工程学来说，这三者已经具备了。地质工程的研究对象是以地质体为工程结构，以地质体做建筑材料，以地质环境作为建筑环境的特殊工程建筑；地质工程的基本原理是地质控制论；地质工程建筑的专门技术：地质超前预报技术和地质体改造技术已经形成了。今天来说，地质工程学已经形成为一门独立学科是客观存在的。

‘叁’ 从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面

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

‘肆’ 岩石力学的形成与发展

岩石力学是从工程建设中形成，与工程建设紧密联系的一门新兴边缘性学科，其历史短，发展迅速，但形成过程漫长。已知公元前 2 世纪，李冰利用岩体热胀冷缩特性，采用火烤水淋法破裂岩体，开凿都江堰宝瓶口、劈山修渠，这属于岩石力学的萌芽。公元 1 世纪，我国劳动人民利用冲击破碎法，开凿深数百米的盐井。历代采矿，采用支护、回填、留柱等方法，以防岩体冒顶、偏帮、压裂破碎等地压现象，均属岩石力学具体运用，不过是凭直观经验、尚无系统理念。西方经第三次产业革命后，资本主义生产迅速发展，在人类经济建设活动中，岩石力学随之诞生，1878 年海姆 (A. Heim) 提出深层岩体应力处于静水应力状态的假说。1926 年施米德 (H. Schmid) 运用海姆假说，结合岩体弹性概念，解决洞室围岩应力分布。同期金尼克 (A. H. Диннику) 提出岩体中天然应力状态的公式，普鲁托吉雅克诺夫 (M. M. Прутоцняконов) 提出天然平衡拱理论，这些对岩石力学的探讨、为这一新兴学科提供了生长点。第二次世界大战后，各国大量兴建各项工程，面临一系列科学技术问题，促进了岩石力学的蓬勃发展。在此时期，多以连续介质、均质弹塑性理论以及极限平衡理论为主要计算原理。在试验方面，则以室内小试块的物理力学试验为主，但亦结合工程进行针对性的野外大型试验。同一期间，缪勒 (L. Müller) 等欧洲学者，开展了紧密结合实际情况的研究工作，创建了着名岩石力学奥地利学派，于 1951 年在萨尔斯堡举行以地质力学为主题的，第一次国际岩石力学讨论会。

1957 年后，有关岩石力学着作不断涌现，标志着一门完整体系的独立新兴学科的诞生与兴起。在 1957 ～1965 年，拉布舍维奇 (V. Rabcewicz) 、缪勒、帕克 (F. Pacher) 等人在总结隧道工程的经验基础上，研究开发新奥地利隧道施工法，简称新奥法。该方法是基于岩石弹塑性理论，隧洞岩体动态观测资料有关岩体自护能力的变形时效概念以及岩体工程地质态势分类，以确定开挖工艺与支护方法。这是科学理念与经验融合的高超工艺，在欧洲获得成功运用并扩及世界各国，为岩石力学做出了很大的贡献。

1962 年国际岩石力学学会成立。1966 年在里斯本召开了国际岩石力学学会第一次大会，基于马尔帕塞拱坝溃决、瓦央水库库岸巨型大滑坡的灾变教训，提出须重视工程地质岩石力学的更新知识，创造岩石力学性能定型判据。岩石力学的更新理念，多是从隧洞施工实践经验中总结建立。坝与边坡工程的岩石力学，亦借助隧洞的成果同时发展。岩石力学的发展，从初期的单一因素，发展为多因素的权值分类法，后锁定 1976 年权值分类标准的地质力学分类法，使设计所需岩石力学参数，由定性的经验法向科学检测的全面量化发展。早期的分类，有泰沙基 (K. Terzaghi) 于 1946 年提出的岩石载荷分类法，后为迪尔 (V. Deere) 等人修正，此法在美国地下工程中普遍运用近 50 年。考虑到岩体缺陷与损伤，对隧洞纵横向跨度自稳时间长短的影响，拉弗尔 (H. Laffer) 于 1958 年提出支撑时间分类法，后由帕克等人修正，形成以地层态势定性的新奥法分类，这是一种科学的经验尺度方法，具科学理论基础。1967 年迪尔以修正的岩心采取率，作岩石质量指标(RQD) 的分类，现已作为钻孔岩心记录标准参数，并成为后期岩体权值系统———RMR 系统与岩体质量指标定量分类的 Q-系统的基本元素。当无钻孔岩心资料时，通过沿垂直与水平方向的节理线密度统计，按 1976 年普里斯特 (Priest) 公式求各个方向的 RQD 值。据此可评价大坝基础及边坡的岩体质量以及与其三维空间岩石质量的变化情况。1972 年威克汉姆 (G. Wickham) 等人，考虑了多参数权值系统的定量岩体分类，称岩石结构权值分类法 (RSR) 是针对隧洞围岩支护设计模式的岩体分类系统。这一分类法考虑了岩体强度类型与构造损伤程度的权值系统; 岩体结构面产状要素与洞室施工结构相关性的权值系数; 地下水对前两因素影响的权值系统; 所得三权值评价参数之和，即为 RSR 值。RSR 分类法是为隧洞选择钢柱支护的一种有效方法。根据洞探等所掌握隧洞岩体质量确定 RSR 的预计值，绘制该直径隧洞在各典型地层段的支护需求草图，在研究隧洞支护时，引入支柱率原则。此原则必须先求泰沙基的岩石载荷支柱间距，然后除以所使用支柱尺寸的理论支护间距，得载荷支柱间距与相应所需理论间距的百分比，使 RSR值与实际支护联系起来，辛海 (Sinha) (1988) 指出 RSR 法是泰沙基法的一种改良，而非一种独立系统。但 RSR 分类的主要贡献是创建岩体权值系统概念。

上述岩体分类未能全面反映岩体的复杂构造与结构、结构面状态及其所处场势情况，随建设发展不断要求岩石力学探索更新的研究方法，所以 RMR 与 Q 系统对岩体分类定量评价方法相继产生，使岩石力学研究，起了较能符合和满足实际要求的质的转变与飞跃。

RMR 系统 分 类 称 岩 体 权 值 系 统 分 类， 亦 称 地 质 力 学 分 类， 是 比 尼 沃 斯 基(T. Bieniawski) 1973 年提出，并在后期应用中获得很大改进。该分类考虑了岩石的单轴抗压强度; 岩体质量指标; 损伤破裂面间距; 破裂结构面条件; 水文地质条件五个参数的分级权值、加上结构空间展布与建筑物实施的相关影响所作的调整权值、由权值总数定出岩体等级，由岩体等级确定地下洞室岩体黏聚力强度 (抗拉张破坏强度) 、岩体内摩擦角及岩体平均支承时间。第六项为调整参数权值，具较具体的针对性，可在地下工程、坝基与边坡工程中运用。1980 年霍克-布朗 (Hock-Brown) 用 RMR 分类，确定岩体破坏时应力强度的理论公式。式中将岩体受力变化程度和其内摩擦角、建立与 RMR 在受扰动与未受扰动情况下的关系式。由于 RMR 中的参数权值已经多次修正，霍克提出，当 RMR ﹥18 则采用 1976 年的规定，将 RMR76称为 GSI 地质力学指标分类。并据以求出岩体的抗压抗拉强度与 φ、c 值; 岩体的变形模量、则依据 RMR≈57 为界，分别采用比尼沃斯基与塞拉芬提出的相应公式求解。于是则形成建筑物基础设计所需岩体力学参数选取的工程系统。在对岩石边坡稳定性评估方面，1985 年罗曼娜 (Romana) 根据野外资料，认识到岩石边坡稳定性，受不连续面力学特性控制、受结构面空间展布与边坡关系的影响，提出RMR 系统中不连续面产状与边坡关系之参数改正的阶乘方法，删去原 RMR 系统中结构面方向改正因素，添加开挖方法改正权值，经修正成为 SMR 法，使 RMR 分类法适用于岩石边坡，包括软弱岩体、严重节理化岩体边坡稳定性的初步评估。这是对边坡地质灾害研究的重要贡献。综上所述，RMR 分类法提出，经发展中创新修正，已日臻完善。但 RMR 分类法忽视了三个重要性质，即各种节理粗糙度、充填节理的抗剪强度、地下洞室中岩石本身的荷载。1974 年巴顿 (N. Barton) 根据几百个工程实例，用 RMR 分类法优点，改进其缺陷与不足，提出隧洞围岩岩体质量指标分类法、Q--系统法。其使用岩石质量; 节理组数; 节理粗糙度值; 节理蚀变度值; 节理含水折减系数; 应力折减系数六个参数值。形成岩石质量与节理组数的商，代表岩石块体的状态; 节理粗糙度与节理蚀变度的商，代表块体间剪切强度指标; 节理含水折减系数与应力折减系数的商，是表述有效应力状态。三个商值之积即为 Q 值。由 Q 指标与工程总结建立的关系式，求围岩顶拱压力及 Q 与等效尺度之间的关系，确定合适的支护措施，并建立 Q 与 RMR 之间的关系式。Q 系统是一种定量分类系统，是促进隧洞支护设计的工程系统，在 Q 系统中，巴顿等人认为: 节理组数、糙度、蚀变度三个参数，比起节理方向来说起更重要作用，节理糙度与蚀变度，是指最不合适的节理，暗示了方向。当包含节理方向时，Q 分类就会显得通用程度不够，为避免复杂化，防止局限，使研究者主要精力集中于几个重要指标上。

在岩体分类法演进至对岩体宏观力学参数达定量化确定时，室内外试验技术，已满足高精度要求，这些现有野外地应力的压磁法、应力解除法测试、占孔水压致裂法的应力研究、平洞全断面径向千斤顶压法、水压法的岩体宏观变形模量测试、野外大三轴试验、流变试验、抗剪抗切试验以及动力法电法的探测等。关于不同粗糙度结构面的抗剪强度，在佩顿 (F. Patton) 对剪胀角研究的基础上，巴顿考虑了结构面糙度与其表面抗压强度，提出在不同应力条件下的抗剪强度公式。为配合岩体分类与抗剪强度野外定量研究，进行了野外相关物理力学性要求的快速测定。如施米特锤法、结构面糙度测量等。室内有全息性三轴试验、抗风化效应试验、结构面影响强度、变形试验、地质体模拟试验等。随电子计算机发展、数值分析法迅速发展与完善，从有限元、边界元、离散元发展为自适应有限元、仿真模拟等。但其成果决定于参数的正确及物理模型与实际的一致。

‘伍’ 蛇绿岩套的三层结构（上、中、下）

其实蛇绿岩套就是蛇绿岩（ophiolite）。一组由蛇纹石化超镁铁岩、基性侵入杂岩和基性熔岩以及海相沉积物构成的岩套。（在地史学中这个就是“三位一体”，是寻找古缝合线的依据，就想前面两位说的“海洋遗”一样。）

它是一种变质岩，蛇绿岩成因一般解释为由洋中脊海底扩张作用而形成的大洋岩石圈的侵位形成。蛇绿岩与大洋岩石圈的演化有密切的关系,因此研究蛇绿岩的组成、成分及成因是了解大洋岩石圈结构、变化及动力学的主要途径。（简单地说蛇绿岩就是由于两个板块碰撞的时候下面的岩浆的温度很高而导致了碰撞接触带的发生了变质而形成的。）

蛇绿岩的代表层序自下而上是：橄榄岩、辉长岩、席状基性岩墙和基性熔岩以及海相沉积物，其中橄榄岩和辉长岩在层序上可以重复多次。蛇绿岩一般是灰绿色，其中普遍伴生的蛇纹石。

现在研究蛇绿岩的地质学家比较多，因为它很好的证实以前地球的形状。

由于我现在是中国地质大学（武汉）的大三的地质学学生，了解的只有这些，希望对你有所帮助。

‘陆’ 岩石力学的研究内容

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

‘柒’ 岩石力学与构造应力场研究

岩石力学与构造应力场研究包括地形变场、断层位移场、构造应力场和岩石力学性质,三“场”与岩石力学性质密切相关。因此测量地应力同时必须研究所处部位的岩石力学性质,否则是无法对比,这在过去已经付出过代价和教训。同时由于地应力在位错、形变中最灵敏,表现最突出,所以主抓地应力测量预测预报地震就成为关键。

地震地质预测预报地震,是采用岩石力学与构造应力场的核心技术,通过地形变场、断层位移场、构造应力场和岩石力学性质综合研究,获得较为全面的认识和最佳预报效果。下面将依次对现今地形变场、现今断层位移场、现今构造应力场及岩石力学与构造应力场综合研究进行讨论。

(一)现今地形变场研究

20世纪60年代,随着我国地震研究工作的进展,现今地壳形变研究不断取得进展,首先采用重复大地精密水准测量资料,结合地质构造编绘现今构造地形变图,其次是重复三角测量成果的使用,均取得较好成果。

1.大地重复水准测量与现今地壳形变图

1969年孙叶编制1953～1972年华北区域构造形变图(图4-6),显示现今褶皱轴向与主要活动断裂均呈北北东向展布,现今以新华夏系活动为主^[10]。

图4-6 华北地区(1953～1972年)构造形变图

2.重复大地三角测量与水平形变图

过去采用经纬仪进行重复大地三角测量,精度偏低,没有得到推广使用,现在采用激光测距仪,提高了精度,必将获得更好的效果(图4-7)。

图4-7 北京地区底面膨胀分布图^[35]

3.全球卫星定位系统(GPS)与地形变图

近年来全球卫星定位系统(GPS)在我国地质工作中已经获得了广泛使用(图4-8)。

图4-8 中国大陆地壳GPS运动速度图

1976年唐山大震(7.8级)前后,地壳水平形变发生反向变化(图4-9)。

(二)现今断层位移场研究

1.现今断层位移的宏观调查

1931年新疆富蕴地震,地处干旱地区,发震断裂带迄今保存完好(图4-10)。

2.现今局部断层位移场

这是采用地应力测量转换成局部断层位移场的实例。沿着北京八宝山断裂带煤岭弧形断裂,布设地应力解除测量孔,配合模拟实验,反演断裂各处的扭动方向及位移量,并配合燕山期岩组分析研究最大主压应力方向,显示其与现今应力方向协调一致(图4-11)。

3.区域现今断层位移场

李四光在预测唐滦大震以后,在京、津、唐区域布设19个断层位移活动监测站,主要监测目标是:①各个方向断裂的现今活动状态;②现今断层位移活动是否显示新华夏系现今活动方式;③东西向断层是否仍在活动。经过6～8年的连续监测,上述三个问题均得到证实,各个方向的断层均在规律性年周期性活动基础上,作趋势性位移活动,特别是东西向断裂也在现今活动,区域性现今断层位移场经模拟实验证实处于新华夏系活动方式,即南北边界为反扭加力状态,这对唐滦大震预测是极大的支持和证实,所以在李四光临终遗言中讲的十分肯定,就可以理解了(图4-12)。

4.大震前后断层位移的反向活动

大震前后断层位移均作反向活动,这是普遍的现象,例如1976年唐山大震,从河北丰润—唐山—曾家湾的大地水准路线复测资料也明显反映了地壳升降的反向活动,反向的位置就是大震的地点(图4-13)。它与大震前后震中断层的弹性回跳现象也都吻合一致。

图4-9 1976年唐山大地震前后地壳水平形变矢量方向变化图[36]

图4-10 新疆富蕴地震(1931年)发震断裂平面图(A)与剖面活动分析图(B)^[36]

图4-11 北京八宝山断裂带煤岭弧形地段局部断层位移场分析图

图4-12 京津地区复合断层位移场实测与分析图

图4-13 河北丰润-曾家湾水准路线高程式差剖面图^[36]

(三)现今构造应力场研究

1.地应力绝对值测量

(1)地应力解除测量法

地应力绝对值解除测量法是可信度最高的测量方法之一,基本原理是应力计加力以后与岩体中构造应力密切联系在一起,套芯解除的同时使岩体中地应力切断,图4-14为解除工作程序示意图,其中图4-14D为解除过程中的地应力曲线变化情况。同样解除9个以上不同方向的应力计,可用最小二乘法准确地计算地应力的方向、大小等。应力计种类很多,如压磁电感法、应变法等等^{[16,18,26-28]}。

(2)水压致裂法

是利用钻孔中完整岩心段,密封、用水加压使之裂开反演地应力绝对值,开裂方向表示水平最大主应力方向。优点可以进行深孔测量,缺点对岩体原有的微裂隙(隐裂隙)可能带来干扰等(图4-15)。

2.地应力相对值测量

相对地应力测量主要用于连续监测,目的为地震预报服务以及其他工程建筑的地应力变化情况服务,实际情况即图4-14(3)中不再进行解除,而进行连续记录,如图4-16所示的时间变化曲线,过去地震预报者即分析曲线变化特征,进行地震三要素的判断。有时报对了,有时则不成,而且历经20多年预报,成功率较低,在20%～30%之间徘徊,或者没有显着的改进和提高^{[19,20-22,26-28]}。

3.地应力测量工作的回顾与问题的分析讨论

自20世纪60年代至今,世界地应力研究工作不断取得进步与发展。我们地质力学工作者的地应力研究也在不同战线上取得进展,同时也发现了一些重大问题^[20,22]。

图4-14 钻孔构造应力解除测量工作程序示意图

图4-15 水压致裂地应力测量原理方法图^[28]

图4-16 1975年海城地震的地应力相对值变化曲线图^[36]

(四)岩石力学与构造应力场研究

岩石力学与现今构造应力场研究包括现今地形变场、现今断层位移场、现今构造应力场、内动力地质灾害场的研究等,当然它们都离不开介质条件(岩石力学性质)的配合研究。

我们在总结华北区域、京津塘地区的现今地形变场、现今断层位移场、现今构造应力场与地震灾害场的经验基础上,初步制定了岩石力学与构造应力场研究步骤程序,可以分为九个步骤(表4-2):

表4-2 岩石力学与构造应力场研究的基本程序步骤说明表

通过上述岩石力学与构造应力场的实测与研究,已经为捕捉大震预报创造条件,为攻破地震预报难关创造条件,为部署大震监测台站网络提供了基础。

‘捌’ 岩石力学性质的试验研究

理论源于实践，并需要得到实践的检验。试验是一切科学研究的基础，岩石力学的研究也是从试验开始的，尽管古代有关的试验记录尚未发现，但数千年前埃及和希腊人在修建金字塔及寺庙时，已确实考虑到岩石的强度问题^［3］。秦昭王（公元前306～前251年）时李冰父子修建的都江堰，西汉楚襄王刘注（公元前128～前116年）的墓室——徐州龟山汉墓，隋开皇大业（公元581～618年）年间李春修建的赵州桥，1230年建成的英国Wells 大教堂等，都是古代岩体工程的杰出代表，显示了古代人民对岩石力学性质的良好理解。时至今日，利用Google等搜索工具，不难在INTERNET上得到相关图片和文字介绍。当然，没有成功的古代工程也为数不少。正如文献［4］所说，All of the earlier activity was，of course，concted without the benefit of modern knowledge.In some case the projects were successful，often dramatically so；but，in other case，we know that they were unsuccessful.Many cathedrals were not so fortunate as that at Wells and collapsed ring or shortly after construction。

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

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

图1-1 大理岩常规三轴压缩全程曲线

曲线上数字是围压，单位MPa

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

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

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

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

图1-2 中间主应力对白云岩试样强度和变形的影响

最小主应力σ₃=125MPa，曲线上数字是中间主应力σ₂，单位：MPa

图1-3 岩石试样单轴压缩的全程曲线^［20］

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

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

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

图1-4 伺服试验机上得到的煤试样单轴压缩过程

a—试验的全过程；b—局部的放大图

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

‘玖’ 勘查技术与工程 和 地质工程怎么区别 哪个更有优势一些

勘查技术与工程，简称物探，这个专业对数学要求很高，学起来不容易理解，就业面也窄一些
地质工程是近年来新型的专业，应用很广，因此就业面也很广，个人认为地质工程更具优势~

‘拾’ 岩石力学的研究方法

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