岩石力学的前景

1、岩石力学的发展1岩土工程失稳的分叉和混沌研究岩土工程失稳的研究是岩石力学研究的难点之一，虽然我国在研究岩土工程的稳定性方面已有许多成功的实例，积累了丰富的实践经验和理论上的认识，然而，随着岩土工程的迅速发展和研究工作的不断深入，人们仍然发现了许多传统理论难以解释的现象和难以解决的困难，这些问题从理论到实践均尚未彻底解决。例如，岩土工程失稳与破坏的多样性，非唯一性和随机性;理论模型的计算结果与工程实际相差很大;某些成功的实例与经验难以推广等等。事实上, 岩土工程失稳是一个相当复杂的过程，通常伴随着变形的非均匀性、非线性和大位移等特点，是一个高度非线性科学问题，迫使人们必须解决岩石材料稳定性与唯一

2、性问题。因此，岩土工程失稳的研究要取得突破性进展，迫切需要引进非线性科学研究的原理与方法。近年来，有关岩石破坏、失稳的分叉与混沌研究，分叉和混沌理论在固体材料与结构失稳分析的应用不仅为在岩土力学中的应用奠定了基础，也为岩土工程失稳分析提供了全新的理论与方法。根据分叉和混沌理论， 岩土工程失稳是一种分叉混沌现象，当载荷达到某临界点时，岩土工程系统的力学平衡控制微分方程的解不唯一;超过该临界点后，可能出现多种分叉和混沌解。其结果与边界条件、初始缺陷、几何条件以及应力状态密切相关。如果出现不稳定的解,则岩土工程就会出现局部剪切带和裂隙带破坏与失稳或发生大变形屈服失稳。此时临界点就是极限载荷点。应用分

3、叉和混沌理论不仅能正确解释岩土工程失稳与破坏形式的多样性和非唯一性，而且还可以解释对初始条件及其敏感的随机性，即所谓的混沌现象，为岩土工程失稳预测提供科学依据。2岩石计算力学的研究随着计算机技术的飞速发展，岩石计算力学也得到迅速的发展，出现了有限元、边界元、离散元、刚体元、无限元、有限差分、微分流形法等数值模拟技术， 促进了岩石力学学科的发展，在岩土工程非线性分析中显现出强大优势，能处理许多传统理论无能为力的工程问题，已成为方便、经济的分析工具和手段。岩石计算力学今后的研究与发展方向是：(1)岩石与岩土工程中非线性科学问题的数值分析，尤其是岩石与岩体破坏与失稳的分叉、混沌数值模拟；(2)开展岩

4、石计算细观力学的研究，模拟基于细观分析的岩石变形、损伤、局部化至破坏与失稳的过程；(3)研究高效数值计算方法与并行计算技术，开发新的数值模拟方法，包括岩土工程非线性大变形数值模拟；4)岩石数值计算的可视化方法研究，进行岩土工程的计算机仿真与计算机辅助设计，以此达到生产、设计、施工方案的优化。3.岩石力学现状3.1岩石力学的发展必须与工程实践相结合对于这一个看来简单的问题, 长期以来没有得到很好的解决。主要表现之一是: 将现有国际学会名称改为“国际岩石力学与岩石工程学会”的动议, 一直存在争论，直到今年才获得共识, 予以通过。值得庆幸的是, 中国岩石力学与工程学会，从成立之时起, 就加上“工程”

5、两字，始终坚持了正确的发展方向。3.2Internet带来巨大冲击未来的21世纪是信息社会, Internet是未来信息高速公路的雏型。目前全球已有150多个国家参予联网, 用户达7 000多万。预计到2 000年用户将超过5亿。Internet浪潮已经给人类社会带来大冲击，在岩石力学领域也不例外。国际岩石力学学会已进入了Internet系统, 并要求各成员国充分利用Internet资源进行更加快速、广泛的信息交流。3.3把环境保护放在重要地位地球环境日益恶化已成为世界性危机，世界都为创造一个良好的生存环境而努力。在这个大前提下，岩土工程建设绝非一个单纯技术问题，而是一项涉及到自然 经济社会的

6、复杂系统工程，必须从全国、以至全球的角度来考虑问题, 进行多学科的综合研究。与之有关的主要内容是： 国土的合理开发与综合整治； 地震、滑坡灾害的预测与防治； 地下水、地表水污染及地面沉降； 大坝、隧道、港口、高层建筑及城乡建设对环境的影响； 城市垃圾及工业废料处理； 采矿对环境的影响； 文物保护与修复。3.4放射性核废料处理是举世关注的难题目前, 全世界有30多个核能发电国家, 438座核电站。迄今为，人类一方面利用核能发电；另一方面还没有任何国家找到安全、永久储存核废料的办法。现阶段, 都力求利用深部岩石洞室(花岗岩、粘土岩、盐岩等)做为永久储存库。但是水的渗流、放射性核素的迁移、人类的活动

7、等均可能导致核泄漏。致使绝大部分发达国家停止兴建新的核电站,有的甚至立法不允许修建核电站。核废料处理已成为举世关注的岩石力学难题。除本国研究外，还广泛进行多国合作。研究内容涉及地球物理、地球化学以及热力学、流体力学、岩土力学的耦合及流变效应。所考虑的时间为一万年甚至更长。3.5研究重点日益转向地下在土地退化、人口爆炸、资源短缺、环境恶化、人类赖以生存的地球已不堪重负的严峻情况下，各国除采取综合性的政治、经济措施外，都日益重视地下空间和地下工程的开发利用。认为“ 19世纪是桥的世纪； 20世纪是高层建筑的世纪；未来的21世纪则是人类开发利用地下空间的世纪”。地下空间将作为新型国土资源造福于人类，

8、并从总体上称为“地下工业”。美国、日本等已建起地下城市。日本还计划在市中心地下50 150 m处修建地下飞机场作为城市交通枢纽。估计到21世纪末将有1 /3的人穴居地下。此外，在占地球2 /3面积的海洋下面，蕴藏着丰富的矿产资源, 将成为21世纪的地下开发重点。3.6在岩土工程领域值得注意的新技术最新技术有：(1)充分利用3S系统，所谓3S系统是指地球科学信息系统( GSIS)、遥感系统( RSS)及全球定位系统( GPS)。3S系统不但可用于宏观决策，而且可用于解决一些具体技术问题。如GPS系统已成功地应用于滑坡原位监测, 其垂直变位精度可达5 mm, 水平变位精度达2 mm。(2)在地下工

9、程建设中优先采用掘进机，在各国竞相修筑长大隧道的过程中，优先采用全断面隧道掘进机( TBM)已成为总的发展趋势。TBM具有快速、优质、安全、经济(从总体看)、有利于环境与劳动力保护的优点。不足之处在于对地质条件适应性较差。近代掘进机最大的特点是广泛使用电子技术对全部作业进行指导和控制，使工作条件始终处于最佳状态。当前, 最佳日进展可达144 m。为达到快速开挖的目的，地球物理CT超前勘探技术已得到成功的应用。(3)微型隧道技术发展迅速，微型隧道是一种小型隧道暗挖技术。开挖直径约为25 300 cm, 一次开挖长度可达600 m, 能适应各种地质条件。最主要的特点是可在闹市区或对环境要求极为严格

10、的地区，如高层建筑下、名胜古迹下、河道下安设管道。具有快速、精确、经济、安全的特点, 且可完全采用遥测、遥控自动化操作。近年来该项技术发展极为迅速, 仅在日本就有3 000多家企业从事微型隧道的开挖和管道铺设。(4) 热干岩发电技术日益到重视，开发利用高温热干岩的热能来发电已成为人们寻找新能源的重要途径。近年来，日本、美国、法国、德国等都在试验利用地下2 000 4 000 m的热干岩来发电。这是世界上最干净的能源，其能量相当于地球全部石油、天然气和煤炭蕴藏量的30倍。(5)其它新理论、新方法，近年来，在岩石力学领域学科交叉、渗透日益广泛, 许多新理论、新方法都不断得到应用，尤其是分形几何、随

11、机分析、模糊数学、灰色系统、专家系统、人工智能、突变论、信息论、耗散结构理论等发展都很迅速。4结论岩土工程的建设给岩石力学研究提出了许多挑战性的课题，同时也给岩石力学学科的发展带来了数不清的机遇，相邻基础学科最新成果为岩石力学的发展注入了新的生机与活力，未来岩石力学的研究也必将在不断的与数学、力学等学科的交叉融合中，使岩石力学理论研究水平得到不断的提高和完善，为解决重大岩土工程面临的问题提供强有力的理论工具。岩土工程失稳的研究是岩石力学研究的难点之一，虽然我国在研究岩土工程的稳定性方面已有许多成功的实例，积累了丰富的实践经验和理论上的认识，然而，随着岩土工程的迅速发展和研究工作的不断深入，人们

12、仍然发现了许多传统理论难以解释的现象和难以解决的困难，这些问题从理论到实践均尚未彻底解决。例如，岩土工程失稳与破坏的多样性，非唯一性和随机性;理论模型的计算结果与工程实际相差很大;某些成功的实例与经验难以推广等等。事实上, 岩土工程失稳是一个相当复杂的过程，通常伴随着变形的非均匀性、非线性和大位移等特点，是一个高度非线性科学问题，迫使人们必须解决岩石材料稳定性与唯一性问题。因此，岩土工程失稳的研究要取得突破性进展，迫切需要引进非线性科学研究的原理与方法。近年来，有关岩石破坏、失稳的分叉与混沌研究，分叉和混沌理论在固体材料与结构失稳分析的应用不仅为在岩土力学中的应用奠定了基础，也为岩土工程失稳分

13、析提供了全新的理论与方法。根据分叉和混沌理论， 岩土工程失稳是一种分叉混沌现象，当载荷达到某临界点时，岩土工程系统的力学平衡控制微分方程的解不唯一;超过该临界点后，可能出现多种分叉和混沌解。其结果与边界条件、初始缺陷、几何条件以及应力状态密切相关。如果出现不稳定的解,则岩土工程就会出现局部剪切带和裂隙带破坏与失稳或发生大变形屈服失稳。此时临界点就是极限载荷点。应用分叉和混沌理论不仅能正确解释岩土工程失稳与破坏形式的多样性和非唯一性，而且还可以解释对初始条件及其敏感的随机性，即所谓的混沌现象，为岩土工程失稳预测提供科学依据。2岩石计算力学的研究随着计算机技术的飞速发展，岩石计算力学也得到迅速的发

14、展，出现了有限元、边界元、离散元、刚体元、无限元、有限差分、微分流形法等数值模拟技术， 促进了岩石力学学科的发展，在岩土工程非线性分析中显现出强大优势，能处理许多传统理论无能为力的工程问题，已成为方便、经济的分析工具和手段。岩石计算力学今后的研究与发展方向是：(1)岩石与岩土工程中非线性科学问题的数值分析，尤其是岩石与岩体破坏与失稳的分叉、混沌数值模拟；(2)开展岩石计算细观力学的研究，模拟基于细观分析的岩石变形、损伤、局部化至破坏与失稳的过程；(3)研究高效数值计算方法与并行计算技术，开发新的数值模拟方法，包括岩土工程非线性大变形数值模拟；4)岩石数值计算的可视化方法研究，进行岩土工程的计算

15、机仿真与计算机辅助设计，以此达到生产、设计、施工方案的优化。3.岩石力学现状3.1岩石力学的发展必须与工程实践相结合对于这一个看来简单的问题, 长期以来没有得到很好的解决。主要表现之一是: 将现有国际学会名称改为“国际岩石力学与岩石工程学会”的动议, 一直存在争论，直到今年才获得共识, 予以通过。值得庆幸的是, 中国岩石力学与工程学会，从成立之时起, 就加上“工程”两字，始终坚持了正确的发展方向。3.2Internet带来巨大冲击未来的21世纪是信息社会, Internet是未来信息高速公路的雏型。目前全球已有150多个国家参予联网, 用户达7 000多万。预计到2 000年用户将超过5亿。I

16、nternet浪潮已经给人类社会带来大冲击，在岩石力学领域也不例外。国际岩石力学学会已进入了Internet系统, 并要求各成员国充分利用Internet资源进行更加快速、广泛的信息交流。3.3把环境保护放在重要地位地球环境日益恶化已成为世界性危机，世界都为创造一个良好的生存环境而努力。在这个大前提下，岩土工程建设绝非一个单纯技术问题，而是一项涉及到自然 经济社会的复杂系统工程，必须从全国、以至全球的角度来考虑问题, 进行多学科的综合研究。与之有关的主要内容是： 国土的合理开发与综合整治； 地震、滑坡灾害的预测与防治； 地下水、地表水污染及地面沉降； 大坝、隧道、港口、高层建筑及城乡建设对环境

17、的影响； 城市垃圾及工业废料处理； 采矿对环境的影响； 文物保护与修复。3.4放射性核废料处理是举世关注的难题目前, 全世界有30多个核能发电国家, 438座核电站。迄今为，人类一方面利用核能发电；另一方面还没有任何国家找到安全、永久储存核废料的办法。现阶段, 都力求利用深部岩石洞室(花岗岩、粘土岩、盐岩等)做为永久储存库。但是水的渗流、放射性核素的迁移、人类的活动等均可能导致核泄漏。致使绝大部分发达国家停止兴建新的核电站,有的甚至立法不允许修建核电站。核废料处理已成为举世关注的岩石力学难题。除本国研究外，还广泛进行多国合作。研究内容涉及地球物理、地球化学以及热力学、流体力学、岩土力学的耦合及

18、流变效应。所考虑的时间为一万年甚至更长。3.5研究重点日益转向地下在土地退化、人口爆炸、资源短缺、环境恶化、人类赖以生存的地球已不堪重负的严峻情况下，各国除采取综合性的政治、经济措施外，都日益重视地下空间和地下工程的开发利用。认为“ 19世纪是桥的世纪； 20世纪是高层建筑的世纪；未来的21世纪则是人类开发利用地下空间的世纪”。地下空间将作为新型国土资源造福于人类，并从总体上称为“地下工业”。美国、日本等已建起地下城市。日本还计划在市中心地下50 150 m处修建地下飞机场作为城市交通枢纽。估计到21世纪末将有1 /3的人穴居地下。此外，在占地球2 /3面积的海洋下面，蕴藏着丰富的矿产资源,

19、将成为21世纪的地下开发重点。3.6在岩土工程领域值得注意的新技术最新技术有：(1)充分利用3S系统，所谓3S系统是指地球科学信息系统( GSIS)、遥感系统( RSS)及全球定位系统( GPS)。3S系统不但可用于宏观决策，而且可用于解决一些具体技术问题。如GPS系统已成功地应用于滑坡原位监测, 其垂直变位精度可达5 mm, 水平变位精度达2 mm。(2)在地下工程建设中优先采用掘进机，在各国竞相修筑长大隧道的过程中，优先采用全断面隧道掘进机( TBM)已成为总的发展趋势。TBM具有快速、优质、安全、经济(从总体看)、有利于环境与劳动力保护的优点。不足之处在于对地质条件适应性较差。近代掘进机最大的特点是广泛使用电子技术对全部作业进行指导和控制，使工作条件始终处于最佳状态。当前, 最佳日进展可