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巖體力學論文:采礦工程巖體力學教學改革初探

摘要：

本文針對采礦工程專業本科生專業基礎課《巖體力學》教學現狀存在的不足，提出了理論實踐并重、優化教學內容、革新教學方法、培養學生興趣、拓寬學生知識結構等為一體的優化改革方案，教學實踐表明，效果良好。

關鍵詞：

采礦工程；巖體力學；教學改革

一、《巖體力學》教學現狀

《巖體力學》作為采礦工程專業的一門重要的專業基礎課，其目的在于培養學生掌握巖石工程（井工開采、隧道、地下空間工程等）中一些力學現象的分析能力，使學生接受礦山開采和巖層控制基本理論和試驗技能的初步訓練，為學生學習專業課程及從事理論研究打下良好的基礎。《巖體力學》一般在先修課程（高等數學、彈性力學、材料力學、理論力學等）完成后開設，在學生學習本課程時，不僅可對先修課程進行系統回顧，又可有效運用前期基礎課程相關分析與計算方法分析宏觀工程問題；同時，該課程的學習可為《采礦學》、《礦山壓力與巖層控制》等主干專業課程的學習夯實理論基礎。但是，隨著科技水平的提高及分析方法的多元化，巖體力學所涉及研究范圍及方法日趨復雜，這也要求高校教師對巖體力學知識掌握更加，推陳出新，與時俱進。傳統教學過程中，有關《巖體力學》的教學多以課堂原理的講授，已不再適用于本科生的教育及行業人才培養的發展需求。因此，結合現有條件對該課程進行教學改革，適應工科專業發展方向，培養學生實踐與應用能力勢在必行。

二、《巖體力學》教學中存在的問題

對于采礦工程專業的學生，力學基礎相對較弱，即使之前已對相關基礎課程進行了學習，但由于前期多為應試型學習，且理論性較強，導致學生對于基礎知識的掌握多為“碎片式”，無法有效形成知識網絡，導致學生學習《巖體力學》時非常吃力。此時，若依然按照傳統教育模式采用灌輸式講授方法，則事倍功半。總結傳統教學方法下存在的主要問題如下：

1.學生基礎知識薄弱，易形成被動接受方式。《巖體力學》是對前期相關力學課程的延伸學習，若前期基礎力學知識及運算方法掌握不牢，將導致學生學習過程形成停頓感，由于課程邏輯性較強，一個知識點產生卡頓，學生對于后續知識的學習將產生被動接受的局面，學習效率低下。

2.教師課堂講授方法單一，不易于接受。資料顯示，目前非力學專業教師采用的《巖體力學》課件大同小異，均是對課本一些原理及方法的羅列，講授過程中多采用灌輸式，導致課堂教學環節枯燥乏味，缺乏與專業特點的聯系，學生不易參與其中，知識點也難以接受。

3.教學方法機械性較強，難以融會貫通。《巖體力學》主要采用的教學方法包括課堂講授與巖石力學實驗，對于實驗部分，一般由實驗老師授課，學生容易將理論知識的學習與實驗獨立開來，因此，實驗作為揭示巖體力學現象的一種有效手段，無法讓學生理解其獨特含義。

4.傳統理論講授過多，新型技術所占比例少。隨著科技發展，行業內涌現了大批巖體力學分析軟件，這些軟件借助于力學原理，在分析工程問題中得到了普遍推廣應用。高校教師分析巖體力學問題時，可充分利用新型技術，將問題分析方法多元化，輔助學生學習力學，又可拓寬學生知識面。

三、課程教學改革方法初探

近年來，隨著國家經濟的發展，我國逐漸躋身世界巖土工程大國，存在較大的發展空間。因此，對于工程類學生，掌握巖體力學分析方法及相關理論，為以后從事相關工作及科學研究鋪墊良好的基石至關重要。針對采礦工程專業《巖體力學》課程教學中存在的一些問題，初步提出了課程教學改革，具體包括以下幾個方面：

1.注重課堂效果，激發學生興趣。由于《巖體力學》內容相對枯燥，學生容易失去興趣，因此，教師在講授時應注重方法，提高課堂效果。講授內容時應充分結合本專業工程實例，循序漸進，讓學生理解所講知識的來龍去脈。如講授平面應變問題下巷道彈塑性分析時，可以具體教學實例進行切入，首先對彈性力學中平面問題進行回顧，進而對問題進行假設簡化，引入彈塑性力學知識對問題進行分析，不僅對前期所學知識進行了復習，同時應用于解決現場工程問題中去，事半功倍。

2.注重基礎，構建知識框架。采礦專業學生由于力學基礎相對薄弱，甚至對一些專業術語掌握都不夠，給課程后期學習帶來了極大的困難。因此，教師需注重基礎理論、基礎知識和基本技能的講授，講巖體力學中復雜的理論知識及工程實踐成果濃縮在有限的課時內。同時，注重課本知識的統籌規劃，強調基礎的同時，合理規劃授課內容，突出重點，構建知識框架，促使學生對知識內容形成一個宏觀的認識，利于融會貫通。

3.理論結合實踐，加強學習感知。《巖體力學》具有理論復雜和實踐性強的特點，理論復雜體現在不確定性上，實踐性強則因與工程實踐密不可分。巖石力學實驗則是連接理論知識與工程應用的橋梁，因此，在教學環節應注重對實驗的教學，同時，實驗應在授課教師與實驗教師共同參與下由學生獨立完成，提高學生的分析問題能力，調動學生獨立思考的積極性，培養學生應用創新能力。

4.做好通識教育，觸類旁通。巖體物理力學特性受外界條件及自身結構影響極大，不同行業接觸的巖體也存在較大的差異性，不同專業分析問題的角度不盡相同。因此，應結合專業特點，對講授內容突出側重點，例如，邊坡工程、地基工程及地下工程所涉及巖體力學問題求解方法存在較大差異，因此，非專業知識課簡單講授原理，專業知識則重點講授，做到觸類旁通。

5.創新教學方法，未雨綢繆。在《巖體力學》教學過程，可適當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，做到與時俱進，同時輔助學生理解一些復雜的原理，學生對于一些數值分析軟件的理解可為工作及深造后巖體力學問題的分析提供新的解決路徑，做到分析問題針對性強、操作應用快，理解容易，易于自身能力的提升。結合工科采礦類本科學生的實際特點，加強《巖體力學》課堂講授與工程應用的聯系，優化教學內容，革新教學方法，培養學生學習興趣，拓寬學生知識結構面，讓采礦專業學生掌握巖體力學問題中涉及相關理論及分析方法，綜合運用所學知識，在實際工程問題中找到突破口，提高授課效果，培養學生獨立發現問題及解決問題的能力，為學生后期工作及學習打下良好的基礎。以上具體方案，經過教學實踐，授課效果得到良好改善。

作者：王猛 單位：河南理工大學能源科學與工程學院

巖體力學論文:關于巖體力學參數水利水電工程論文

1一般方法

1．1巖石力學試驗法

(1)室內試驗。

通過鉆孔巖芯取樣，利用室內巖塊的單軸壓縮試驗確定巖石單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比。通過巖體的三軸壓縮試驗確定巖體的抗剪強度－凝聚力和摩擦角。通過巖體卸圍壓試驗研究巖體卸荷過程中的變形和能量變化特點，確定卸載時巖體的參數，如彈模、泊松比、凝聚力、摩擦角。

(2)現場試驗。

現場抗剪試驗獲得巖體、軟弱夾層、混凝土與巖石接觸面抗剪(斷)強度;現場變形試驗(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。還有現場聲波測試評價巖體完整性等。現場試驗是確定巖體強度參數最的方法，但由于通常不具備施作原位試驗的條件，而且試驗周期長、費用高，所以這種方法應用較少。試驗法是一種直接又的方法，可以較好反映巖石特性。室內試驗得到的是完整巖塊的特性參數，但存在“尺寸效應”。現場試驗受條件限制，試件制備難免受到擾動，試驗結果分散，不能直接采用。

1．2工程巖體分級法

工程巖體分級法主要有:國標《工程巖體分級標準》、水利水電工程勘察規范的壩基和圍巖工程地質分類法、巴頓的Q系統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價相結合，采用多參數綜合指標分級法給巖體進行評分和劃分巖體級別，根據巖體級別并結合經驗公式，給出巖體參數的范圍值。國標《工程巖體分級標準》選取巖石堅硬程度和巖體完整程度這兩個因素確定巖體基本質量，將影響巖體工程特性的因素如地下水、初始應力、結構面走向與工程軸線方位等作為修正因素，實現工程巖體的分級，并提供了各級別巖體物理力學參數表和結構面抗剪斷峰值強度表。《水利水電工程地質勘察規范》的附錄V提供了壩基巖體工程地質分類表，主要分類因素也是巖石堅硬程度和巖體完整程度，此外還有巖體縱波速度和鉆孔RQD值，并在附錄E中提供了壩基巖體抗剪斷(抗剪)強度參數及變形參數經驗值表和結構面抗剪斷(抗剪)強度參數經驗值表，用于規劃和可研階段。應注意該表的注明是參數僅限于硬質巖，軟質巖應根據軟化系數進行折減。

1．3工程地質類比法

工程地質類比法是利用大量已建工程的成功經驗確定擬建工程的設計參數，是工程地質研究的傳統方法之一。類比法是應用相似原理，要求主要的工程地質條件基本相同或相似，這其中最主要的是巖性和地層時代(或層位)，其余還有地質構造(巖體完整性)、風化狀態、應力條件、地下水等等。實際應用時應結合具體工程的地質條件，在類比、分析、判斷的基礎上提出合理參數。同時，在施工過程中，根據工程實際進展情況和出現的問題，特別是根據現場觀測結果，對設計進行必要的調整和修改。類比的資料可以參考《巖石力學參數手冊》、《巖基抗剪強度參數》、《工程地質手冊》、《水利水電工程地質手冊》，以及地區工程經驗(資料庫、數據庫)等等。類比法依靠地質師所掌握的工程實例資料和他對工程巖體的經驗判斷，人為因素比較大，有時僅僅通過少量個別因素相比較而得到的參數，其結果性較差。然而該方法簡單、方便、快捷，在中、小型水利水電工程中應用較多。

1．4反演分析法

反演分析法是利用現場所測得的位移等數值反求巖體力學參數，包括位移反分析、應力反分析、混合反分析等。其中位移反分析方法是根據現場實測的位移值，采用解析法、有限元等方法以及彈性、彈塑性等本構模型進行求解。位移反分析的方法主要分為兩類:直接逼近法和逆過程法。由于圍巖本構關系的復雜性，目前的逆過程方法的位移反分析研究計算大都采用了線彈性等假設，設巖體為均值各向同性，而天然巖體地質條件復雜，這樣與工程實際情況相去甚遠。反分析方法在邊坡穩定分析中應用較多。反分析時穩定系數取值為:蠕動擠壓階段宜采用1．00～1．05，初滑階段宜采用0．95～1．00。滑帶土抗剪強度(c，φ)參數反演分析的方法分為單參數反演和雙參數反演兩種。前者假定一個參數已知的前提下，反算另外一個參數，通常選擇對滑坡穩定性影響較敏感的作為未知參數。后者在反演中有兩個未知的參數，通常選擇兩個距主滑動面等距的剖面建立極限平衡方程求解，此外，還可以做參數的敏感性分析。

1．5人工神經網絡法及模糊數學預測法

人工神經網絡法是通過完成輸入與輸出問題的映射，自動建立復雜現象(系統)的模型并指出其控制規律。該方法考慮了影響巖石力學參數的各種定性因素，應用人工神經網絡進行訓練，隨著數據的積累不斷地對樣本集進行補充和完善，使參數取值結果不斷趨于合理。缺點是學習樣本的選取具有很大的主觀性。模糊數學預測法是考慮到影響巖體變形強度參數的相關因素模糊不確定性，根據經驗確定權重集及隸屬度，在此基礎上進行巖體力學參數預測。該方法實質就是把巖石與巖體力學指標之間的比例系數當作模糊子集，依據經驗進行模糊綜合評判確定一個模糊折減系數的問題，從定量上考慮影響力學參數的各種模糊因素，但在運用上不是很成熟，仍借助于經驗。

1．6其他方法

除上述方法外，還有一些其他方法可以用來確定巖體強度參數，如:計算機模擬、聲波測試技術、巖體分形分維理論、斷裂損傷力學、統計數學等方法。

2巖體力學參數綜合取值

巖體力學參數取值方法有很多，由于巖體的不連續性、各向異性和非均勻性等特有屬性以及巖體結構的復雜性，使各種取值方法存在局限性，至今還沒有一種令人滿意的取值方法。實際工作中應該綜合應用這些方法，互相驗證，取長補短。筆者基于上述巖體力學參數的取值方法，并結合工程的規模和地質條件的復雜程度，在滿足規程規范的前提下提出了巖體力學參數綜合取值方法。該方法針對地質條件簡單的小型工程、地質條件復雜的中型以上工程、重要的大型工程和參數敏感的工程分為以下3個層次。

(1)及時層次。

對于地質條件簡單的小型工程，或項目規劃、可研階段，可采用野外地質調查和鉆孔取樣室內抗壓試驗→進行巖體分級、查表→獲得抗剪強度和變形模量范圍值，通過相似工程類比，調整、修正取得地質建議值;或者采用RMR分類和Hoek－Brown經驗強度準則公式計算，參考類似工程修正后得到地質建議值。

(2)第二層次。

對于地質條件復雜的中型以上工程，如重力壩、拱壩，結構面影響壩基、壩肩穩定，初步設計階段應布置原位抗剪和變形試驗，參考類似工程，結合現場地質條件進行調整，必要時由地質、試驗和設計三方共同研究確定設計采用值。

(3)第三層次。

對于重要的大型工程和參數敏感的工程，應做專門研究，除運用上述方法外，還應開展計算機模擬試驗、人工神經網絡法、模糊數學預測法等，慎重確定地質建議值。在施工階段可以利用監測資料進行反演分析，復核巖體穩定性，及時修改設計和施工方法，確保工程安全。總之，地質調查和巖石力學試驗是基礎，是巖體分級、經驗估算及數值模擬的前提，因此應重視野外及時手資料的收集，并注意取樣、試驗成果代表性問題，使地質建議值符合現場實際。

3應注意的問題

反思多年來我們所做的中小型水利水電工程勘察設計，在巖石力學參數取值方面應注意以下問題:

(1)在前期勘察時對設計意圖不甚了解

設計方案不十分明確，加之勘察周期短，對地質條件的調查和分析不夠深入，對試驗只是要求做常規的內容，以室內試驗為主，取樣數量不足，成果代表性差，使得方案比選時難以取舍。按照有關規范，“小型水電工程巖土參數(取值)可在現場簡易測試和必要的室內試驗的基礎上以類比為主。”“中型水電工程巖土測試以室內試驗為主，必要時可采用大型野外原位試驗。”對于拱壩和重力壩要特別注意，對影響壩基、壩肩穩定的巖土體及軟弱結構面可視需要開展原位試驗工作。尤其是軟巖和完整性差的巖石，軟弱結構面發育，且結構面對巖體穩定性不利，巖體穩定性的判別對工程影響很關鍵，這需要慎重研究，應在地質調查的基礎上，布置適當的原位試驗，并采取多種方法合理確定巖體力學參數。

(2)勘察報告中抗剪強度和變形參數僅僅根據室內巖石試驗查規范，與現場地質調查結合不緊密。

抗剪強度和變形參數是混凝土壩穩定計算最重要的參數，對工程安全和造價影響很大。然而規范給出的值范圍較大，勘察報告僅僅依據規范提供的參數表取值是遠遠不夠的。中等規模以上和地質條件復雜的工程應進一步開展分析論證工作，結合現場地質條件調查，在巖體分級基礎上，運用有關理論和經驗公式，例如霍克－布朗(Hoek－Brown)經驗強度準則公式等，并參考已建工程經驗取值，必要時與地質、試驗和設計專業共同會商，合理確定參數。

(3)在軟巖地區建混凝土壩要特別注意

如頁巖、千枚巖及白堊－第三系泥巖等，由于巖性軟弱，構造發育，巖體強度較低，工程安全裕度小，巖體力學參數取值對工程安全和經濟性影響大，甚至影響方案的成立。軟巖地區一般不適合建中、高混凝土壩，萬一要建，就應該投入一定的勘探和試驗工作量，慎重研究和分析論證，并留有一定安全裕度。

(4)應考慮定值計算與度問題。

實際勘察設計工作中，是由地質專業提供參數，設計人員進行計算。地質部門依據試驗成果，結合地質條件和個人經驗判斷，提出地質建議值。設計一般直接采用地質建議值進行計算。問題是設計計算方法與地質模型是否一致，地質參數的性或安全閾值是多少，即有多少安全儲備。近十幾年來國內外廣泛開展了重力壩度研究。結構性分析是以概率理論為基礎，采用極限狀態設計方法，以指標度量結構或工程的性，比定值法不考慮參數的偏差有明顯的優越之處。度計算需要提供與大壩有關的各類荷載、材料和地基強度的統計特征值(均值、標準差、變異系數等)及分布類型，對地質參數的離散性進行評價。

(5)試驗是基礎。

如何看待試驗成果，地質專業人員常常抱怨試驗參數不準，造成的原因有幾個方面，一是取樣的代表性問題，或者原位試驗選點問題，要考慮巖性、風化程度、構造等影響，對試驗點做專門設計和布置;又譬如有的砂巖與頁巖互層，頁巖巖芯破碎取樣困難，取樣只能做砂巖的抗壓強度試驗，成果偏大;傾斜巖層抗壓首先沿層面剪切破壞，成果偏小。二是試驗中的誤差，應采用數理統計法整理試驗成果，在充分論證的基礎上舍去不合理的離散值。對于原位抗剪試驗，要了解試驗點的巖性、構造、風化及地下水等因素對成果的影響。另外，試件制備時難免受到擾動，一般要求安排2組以上試驗，以便對比和分析。

(6)確定參數時要處理好主觀判斷與客觀評價的關系。

前述的巖體分級法、工程類比法及經驗判據法(強度準則公式)都屬于經驗法，其取值時的人為因素和個人經驗對結果影響很大，實際操作中應盡量避免人為因素干擾，從地質條件的客觀出發，分別按不同因素對參數進行修正，減少取值的隨意性。

(7)加強施工監測，利用監測資料進行“動態設計、信息化施工”。

由于工程地質條件的復雜性和不確定性，地質勘探、試驗、計算分析方法的局限性，我們對工程巖體性狀變化的認識有一定程度的不確定性。在施工中要加強巖體性狀的監測，及時分析和判斷，調整、修改設計和施工方法，以保障施工安全和工程安全。尤其是隧洞施工支護，要根據發現的新情況及時修改設計，即采取“動態設計、信息化施工”，既要確保工程安全，又不能造成浪費。

(8)利用已建工程進行類比確定巖體力學參數是我們常用的方法。

但是沒有一個工程的地質條件是相同的，而我們個人掌握的資料有限，每個人的經驗千差萬別，往往僅通過少量個別因素相比較而獲得參數，人為因素的干擾較大，其結果性較差。應多參考類似工程，并不斷積累工程經驗。多年來筆者所在單位在湖北省水利水電工程勘測設計中做了大量的巖體物理力學室內外試驗和原位測試，積累了豐富的實踐經驗。

4結論

(1)巖體力學參數的合理確定是水利水電工程中的一項基礎工作

直接關系到壩基、邊坡、地下洞室工程的安全性和經濟性。由于巖體具有不均勻性、不連續性和隨時間變化的特性，確定巖體力學參數是非常困難的。在研究了有關規程規范和各種取值方法特點的基礎上，針對工程的重要性程度和地質條件的復雜程度提出了巖體力學參數的綜合取值方法，分為地質條件簡單的小型工程、地質條件復雜的中型以上工程、重要的大型工程三個層次。針對具體的工程應當選擇合理的方法來確定巖體力學參數。水利水電工程巖體力學經驗參數綜合取值研究對水利水電工程壩基、邊坡、地下結構穩定性研究和計算具有重要理論意義和現實意義。

(2)中小型水利水電工程具有規模小、設計周期短、勘察試驗工作量有限的特點

在詳細地質調查和少量室內試驗的基礎上進行巖體分級，參考已建工程的成功經驗類比確定巖體力學參數是一種簡單、快捷而有效的方法。結合工程經驗指出了水利水電工程巖體力學參數取值時應該注意的問題，可以供相關的工程技術人員參考。

作者：陳漢寶 黃定強 彭義峰 熊友平 江妤 單位：湖北省水利水電規劃勘測設計院 中國地質大學武漢工程學院

巖體力學論文:采礦工程專業《巖體力學》課程教學改革初探

（河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

摘要：本文針對采礦工程專業本科生專業基礎課《巖體力學》教學現狀存在的不足，提出了理論實踐并重、優化教學內容、革新教學方法、培養學生興趣、拓寬學生知識結構等為一體的優化改革方案，教學實踐表明，效果良好。

關鍵詞：采礦工程；巖體力學；教學改革

一、《巖體力學》教學現狀

《巖體力學》作為采礦工程專業的一門重要的專業基礎課，其目的在于培養學生掌握巖石工程（井工開采、隧道、地下空間工程等）中一些力學現象的分析能力，使學生接受礦山開采和巖層控制基本理論和試驗技能的初步訓練，為學生學習專業課程及從事理論研究打下良好的基礎。《巖體力學》一般在先修課程（高等數學、彈性力學、材料力學、理論力學等）完成后開設，在學生學習本課程時，不僅可對先修課程進行系統回顧，又可有效運用前期基礎課程相關分析與計算方法分析宏觀工程問題；同時，該課程的學習可為《采礦學》、《礦山壓力與巖層控制》等主干專業課程的學習夯實理論基礎。但是，隨著科技水平的提高及分析方法的多元化，巖體力學所涉及研究范圍及方法日趨復雜，這也要求高校教師對巖體力學知識掌握更加，推陳出新，與時俱進。傳統教學過程中，有關《巖體力學》的教學多以課堂原理的講授，已不再適用于本科生的教育及行業人才培養的發展需求。因此，結合現有條件對該課程進行教學改革，適應工科專業發展方向，培養學生實踐與應用能力勢在必行。

二、《巖體力學》教學中存在的問題

對于采礦工程專業的學生，力學基礎相對較弱，即使之前已對相關基礎課程進行了學習，但由于前期多為應試型學習，且理論性較強，導致學生對于基礎知識的掌握多為“碎片式”，無法有效形成知識網絡，導致學生學習《巖體力學》時非常吃力。此時，若依然按照傳統教育模式采用灌輸式講授方法，則事倍功半。總結傳統教學方法下存在的主要問題如下：

1.學生基礎知識薄弱，易形成被動接受方式。《巖體力學》是對前期相關力學課程的延伸學習，若前期基礎力學知識及運算方法掌握不牢，將導致學生學習過程形成停頓感，由于課程邏輯性較強，一個知識點產生卡頓，學生對于后續知識的學習將產生被動接受的局面，學習效率低下。

2.教師課堂講授方法單一，不易于接受。資料顯示，目前非力學專業教師采用的《巖體力學》課件大同小異，均是對課本一些原理及方法的羅列，講授過程中多采用灌輸式，導致課堂教學環節枯燥乏味，缺乏與專業特點的聯系，學生不易參與其中，知識點也難以接受。

3.教學方法機械性較強，難以融會貫通。《巖體力學》主要采用的教學方法包括課堂講授與巖石力學實驗，對于實驗部分，一般由實驗老師授課，學生容易將理論知識的學習與實驗獨立開來，因此，實驗作為揭示巖體力學現象的一種有效手段，無法讓學生理解其獨特含義。

4.傳統理論講授過多，新型技術所占比例少。隨著科技發展，行業內涌現了大批巖體力學分析軟件，這些軟件借助于力學原理，在分析工程問題中得到了普遍推廣應用。高校教師分析巖體力學問題時，可充分利用新型技術，將問題分析方法多元化，輔助學生學習力學，又可拓寬學生知識面。

三、課程教學改革方法初探

近年來，隨著國家經濟的發展，我國逐漸躋身世界巖土工程大國，存在較大的發展空間。因此，對于工程類學生，掌握巖體力學分析方法及相關理論，為以后從事相關工作及科學研究鋪墊良好的基石至關重要。針對采礦工程專業《巖體力學》課程教學中存在的一些問題，初步提出了課程教學改革，具體包括以下幾個方面：

1.注重課堂效果，激發學生興趣。由于《巖體力學》內容相對枯燥，學生容易失去興趣，因此，教師在講授時應注重方法，提高課堂效果。講授內容時應充分結合本專業工程實例，循序漸進，讓學生理解所講知識的來龍去脈。如講授平面應變問題下巷道彈塑性分析時，可以具體教學實例進行切入，首先對彈性力學中平面問題進行回顧，進而對問題進行假設簡化，引入彈塑性力學知識對問題進行分析，不僅對前期所學知識進行了復習，同時應用于解決現場工程問題中去，事半功倍。

2.注重基礎，構建知識框架。采礦專業學生由于力學基礎相對薄弱，甚至對一些專業術語掌握都不夠，給課程后期學習帶來了極大的困難。因此，教師需注重基礎理論、基礎知識和基本技能的講授，講巖體力學中復雜的理論知識及工程實踐成果濃縮在有限的課時內。同時，注重課本知識的統籌規劃，強調基礎的同時，合理規劃授課內容，突出重點，構建知識框架，促使學生對知識內容形成一個宏觀的認識，利于融會貫通。

3.理論結合實踐，加強學習感知。《巖體力學》具有理論復雜和實踐性強的特點，理論復雜體現在不確定性上，實踐性強則因與工程實踐密不可分。巖石力學實驗則是連接理論知識與工程應用的橋梁，因此，在教學環節應注重對實驗的教學，同時，實驗應在授課教師與實驗教師共同參與下由學生獨立完成，提高學生的分析問題能力，調動學生獨立思考的積極性，培養W生應用創新能力。

4.做好通識教育，觸類旁通。巖體物理力學特性受外界條件及自身結構影響極大，不同行業接觸的巖體也存在較大的差異性，不同專業分析問題的角度不盡相同。因此，應結合專業特點，對講授內容突出側重點，例如，邊坡工程、地基工程及地下工程所涉及巖體力學問題求解方法存在較大差異，因此，非專業知識課簡單講授原理，專業知識則重點講授，做到觸類旁通。

5.創新教學方法，未雨綢繆。在《巖體力學》教學過程，可適當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，做到與時俱進，同時輔助學生理解一些復雜的原理，學生對于一些數值分析軟件的理解可為工作及深造后巖體力學問題的分析提供新的解決路徑，做到分析問題針對性強、操作應用快，理解容易，易于自身能力的提升。

結合工科采礦類本科學生的實際特點，加強《巖體力學》課堂講授與工程應用的聯系，優化教學內容，革新教學方法，培養學生學習興趣，拓寬學生知識結構面，讓采礦專業學生掌握巖體力學問題中涉及相關理論及分析方法，綜合運用所學知識，在實際工程問題中找到突破口，提高授課效果，培養學生獨立發現問題及解決問題的能力，為學生后期工作及學習打下良好的基礎。以上具體方案，經過教學實踐，授課效果得到良好改善。

巖體力學論文:基于高職高專《巖體力學》課程建設改革的思考

摘要 通過對傳統的《巖體力學》課程建設的分析，根據教育部關于提高高等職業教育教學質量的要求，深刻認識到傳統教學中課程建設的不足，從人才培養目標的定位、理論與實踐的比例及對接關系、“雙師型”教師隊伍建設、教材學材的合理科學選用四個方面提出了適合高職高專的《巖體力學》課程建設的探索性方案。

關鍵詞 1巖體力學； 2頂崗實習； 3工學結合

1、高職高專人才培養目標對課程教學的要求

根據《教育部關于提高高等職業教育教學質量的若干意見》〔1〕，本著“工學結合、工學交替”，教學做合一的教學模式，人才培養要以就業為導向，突出實踐技能和職業技能的培養。課程安排本著知識由淺入深。循序漸進，先基礎后專業，在技能培養方面，將理論學習結合生產實踐，實行“做中學、做中教”，力爭實現實踐教學與崗位工作零距離對接。

《巖體力學》是水文與工程地質專業的理論基礎課，是力學的一個分支。主要研究不同受力條件（例如荷載、水流、溫度變化）下巖體應力、應變、破壞、穩定及加固規律的一門應用性學科，其研究目的是解決巖土、地質、環境、水工、能源、土木、水利、冶金、交通、礦業工程等建設中遇到的相關問題〔2〕。《巖體力學》已經廣泛應用于工程實踐中，帶來了巨大的社會經濟效益和工程實用價值。

2 、《巖體力學》傳統教學存在的問題

（1）從高職高專人才培養目標的定位上，很多教育工作者都很盲目，定位不甚至錯位；這樣的認識導致教師備課、講課、學生聽課等等環節都停留在對基礎知識的認知層面，即專業、專業課程內容、教學過程、學歷證書階段，沒有更加進一步的把職業、職業標準、生產過程、職業證書對接起來。

（2）理論內容偏重輕視了實踐環節，本門課程是具有悠久歷史的課程，在多年的教學中形成了比較完整科學合理的體系，但是這種教學方法比較適合教學研究型的教學，對于我們高職高專，已經顯得理論的比例過于繁重，實踐明顯不足，教師和學生都注重理論知識的學習，輕視動手能力的培養，大批出現的高分低能學生，課堂和生產嚴重脫節。所以在傳統的研究型的培養目標基礎上應做比較徹底的改革。

（3）教材適應性較差，傳統的研究型教學使一批又一批的教材偏于理論，輕于實踐，學生學習難度大，乏味，因而也沒有主動學習的積極性，對于高職高專的學生需要一套理論難度適中、夠用，實踐比例偏大的教材、學材和與之配套的影像資料等。

（4）教學經費的嚴重不足，由于在傳統的教學領域，一個教師、一根粉筆、一本書就可以完成一門課程，形成了填鴨式教學的模式，導致學生學習積極性極低。

（5）生產實踐教師的缺乏，切實加強教師隊伍建設。

現有的教師隊伍絕大部分從校門又走入校門，從理論中來又到理論中去了，更有甚者教材中的部分驗，教師根本就沒有接觸過，照本宣科，講起來乏味，聽起來不知所以然，嚴重影響了學生的學習積極性和學習效率。

（6）教學方法比較單一

3、《巖體力學》課程建設的重點、難點和解決方案

巖體力學課程涉及多個相關學科領域，其課程綜合性強、知識點多而雜、試驗項目與工程實際聯系緊密等特點，導致許多學生認為課程較難。所以采取有效的科學的教學方法引導學生盡快適應教學特點，并更好地掌握課程要求的知識技能是十分必要的。

課程建設的重點是對巖體的基本力學性質理清概念、明確試驗原理及數理統計方法；難點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條件下的穩定性。

解決方案如下

（1）培養目標上遵循教高[2000]2號《教育部關于加強高職高專教育人才培養工作的意見》精神，明確指出：高職高專教育是我國高等教育的重要組成部分，高職高專教育人才培養模式的基本特征是：以培養高等技術應用性專門人才為根本任務；以適應社會需要為目標、以培養技術應用能力為主線設計學生的知識、能力、素質結構和培養方案，畢業生應具有基礎理論知識適度、技術應用能力強、知識面較寬、素質高等特點。；以"應用"為主旨和特征構建課程和教學內容體系；實踐教學的主要目的是培養學生的技術應用能力，并在教學計劃中占有較大比重；"雙師型"教師隊伍建設是提高高職高專教育教學質量的關鍵；學校與社會用人部門結合、師生與實際勞動者結合、理論與實踐結合是人才培養的基本途徑。

（2）教學方法：課堂教學采用靈活多樣的教學手段和方法：巖體力學的特點是概念多理論上較難理，但與生產實際緊密相連，所以在教學過程中解精講重點、恰當復習、圖文并茂、穿插一些案例結合理論，利用學生求知、求趣、求新的心理引導學生在輕松環境中掌握理論知識。

《巖體力學》本身的特點和傳統的粉筆+黑板書寫速度慢，單一，呆板，信息量小的缺點，課堂教學適當結合多媒體手段，充分利用多媒體課件授課內容多、圖文并茂表現力豐富的優點，提高授課效率，調節學生聽課情緒，調動學生積極性。這樣就要求教師制作多媒體課件時 要投入大量的工作，準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、近期的工程現場視頻以及新工藝、新設備、新技術等資料，從而使學生關注本專業領域的新動態，培養學生獨立思考問題的能力，擴展學生的知識面。課堂上大量運用啟發式：巖體力學課程中很多都是有大量的統計得出來的，亦多為經驗公式，均有使用條件，在教學中強調經驗公式地方性、條件限制性致使我們在實踐中使用時，不能照抄照搬一定結合生產實際，再結合實例讓同學們去修改完善經驗公式，學生積極性會大大增強。多媒體教學是現代教學不可缺少的方式，充分利用好多媒體，讓多媒體真正多起來，ppt、錄像、動畫、網絡視頻等等。

（3）《巖體力學》課程建設改革中教材的使用與建設

學院教學改革以來，大力加強教材的建設，提倡教師根據現有學生的接受能力和基礎知識的掌握程度，編寫一些實用性強，靈活方便的學材，教學效果比較好。由于教材的編寫需要周期比較長，所以大多數落后于新的科技發展。為了讓學生能夠及時地接受新科技新技術，投入大量的人力進行學材的編寫，這樣使學生學習的內容和形式靈活多樣，能夠與新的科技成果，新的技術進步同步，效果顯著。

（4）切實加強“雙師型”教師隊伍建設

國務院印發了《關于加強教師隊伍建設的意見》，教育部配套制定了《職業學校兼職教師管理辦法》，為加強“雙師型”教師隊伍建設提供了制度保障。我們將進一步加強教師培養培訓工作，完善“雙師型”教師隊伍建設機制。希望學會在標準制定、基地建設、教師培訓等方面發揮更大的作用，扭轉“雙師型”教師缺乏的局面，為技術技能人才培養提供的有力支撐。

教育部副部長魯晰指出：中長期來看，產業加速轉型和高技術的技術型的人才匱乏的矛盾也非常突出。技術技能型有三種人，及時類是工程師，第二類是高級技工，第三類是高素質勞動者。”魯昕解釋說，之前的職業教育只講技能，隨著信息技術的發展和產業升級，技能需以技術為基礎。這就需要我們的教師隊伍率先技能化。招聘教師要求參加過生產、或讓現有的教師到生產單位參加實踐，并把這個工作量化，即要求教師必須每年參加一定量的生產才可以授課。

（5）《巖體力學》課程建設改革中的實踐教學建設

實踐性教學環節

A、加強課堂討論，提高學生學習興趣，由一個案例入手，例如三峽水利樞紐是開發和治理L江的一項關鍵性骨干工程，三峽工程區內共有各類崩塌、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，布置任務，同學們查閱資料，用巖體力學觀點去分析滑坡的地質特征與成因機制。課堂可以展開討論，教師總結邊坡穩定分析的要素，內容充實、方法靈活，自然會有顯著的效果的。

B、課堂實驗環節要嚴格執行巖土試驗的操作規程，《巖體力學》課程課內試驗共有5―8個試驗，學生在實驗教師的指導下要求在規定的時間內完成教學標準中要求的每個試驗的操作；并組織一年一度的巖土試驗競賽；組織力量強大教師團隊編寫配套的實驗教材《巖體力學實驗指導書》該指導書對于課程標準中規定的幾個試驗從原理、實驗設備和操作步驟都有具體、詳細的講解，規定了規范的實驗報告格式，為學生將來工作打下良好的基礎。

C、現場參觀和理論知識結合，促進學生從感性認識到理性認識的的飛躍。根據教學需要安排幾個施工現場：邊坡、洞室、巖體地基，讓學生認識這幾種工程巖體的地質、 地貌、應力等問題。參觀后要求學生編寫參觀體會和簡單的報告。

D、頂崗實習和畢業設計〔4〕，頂崗實習是堅持以就業為導向、創新“工學結合”人才培養模式，提高高素質技能型人才培養質量的重要環節。通過頂崗實習使學生能夠盡快將所學專業知識、崗位技能與生產實際相結合，實現在學期間與企業與崗位零距離對接，使學生樹立起職業理想，養成良好的職業道德，練就過硬的職業技能，從根本上提高人才培養質量，為確保頂崗實習各項任務的順利完成，提高實習質量我們需進一步加強頂崗實習的組織管理，嚴格按照頂崗實習的課程標準要求學生。在頂崗實習基礎上完成學習期間的畢業設計或畢業論文。使學生工作能力有進一步的提升。

結語：《巖體力學》課程是工程類專業的專業基礎課，此次《巖體力學》課程建設的改革符合《教育部關于提高高等職業教育教學質量的若干意見》要求的教學改革的發展趨勢，教學手段、教學方法比較先進，實踐教學能夠與實際生產緊密結合，通過這樣的改革能夠達到高職教育的五個對接：專業與產業對接，課程內容與職業標準對接，教學過程與生產過程對接，學歷證書與職業資格證書對接，職業教育與終身學習對接。使《巖體力學》課程的教學水平在高職高專教育中得到進一步的提升。

巖體力學論文:淺述巖體力學參數監測在隧道施工中的重要性

摘要:采用新奧法進行隧道工程施工時,設計單位只能根據監控單位和施工單位反饋的監控數據和隧道開挖揭露情況對設計的合理性進行宏觀判斷,隧道設計時應把力學計算和實際背景巖體力學參數相結合,才能更科學、經濟的按照新奧法的理念完成隧道工程的設計、施工。

0 引言

在現時的公路建設中,為滿足線型、車速、里程、生態環境等要求,隧道工程已被大量采用。建設環境的不可預知性是隧道工程較大的特點,在施工中,開挖的圍巖與設計不符的情況屢見不鮮。

鑒于此,新奧法(NATM)被流行地應用于隧道工程工作中。而施工監控量測則是新奧法施工方法中的重要工序之一。

施工監控量測是將施工過程中的圍巖穩定性、支護結構承載能力、初期補強及二次襯砌合理的施作時間、開挖揭露巖體的力學參數等情況反饋給設計與施工以達到優化設計參數、優化施工方案及施工工藝目的的工序。

1巖體力學參數的重要性及其在新奧法施工中的現狀

監控量測的內容在相關技術規范中已做了相關規定,著重于對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、結構及圍巖的應力、應變及位移大小量測等。由這些監控數據在指導施工中起到了很直觀、重要的作用。但是對巖體的力學參數測試包括抗壓強度、變形模量、黏聚力、內摩擦角、泊松比、圍巖完整性指數、應力強度比等沒有引起足夠的重視。只有在少數工程中對力學參數進行了監測。在進行隧道的圍巖基本質量分級和力學建模計算分析時,這些參數是必不可少的。

對于工程巖體這樣復雜多變的隧道工程,為了選擇一條正確的設計途徑,一方面要使經驗方法科學化;另一方面還要使設計中所進行的力學計算具有實際背景。

為了做到這點,現場的監控測試就應該提供更多的依據,這樣才能把力學計算和實際情況更好的結合。

現在的勘察設計單位都存在時間緊、任務重的問題,勘察單位不能對隧道的地質情況做詳細細致的勘察工作,而設計單位也只能根據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行設計。

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。在出現不相符時,設計單位只能根據監控單位和施工單位提供的資料進行設計變更。

變更時分兩種情況,及時種,設計偏弱,設計只能根據有限的資料進行一定的補強設計;第二種,設計偏強,實際工作中,此種情況一般未變更設計。

及時種情況,在實際工作中影響施工進度,有時還給工程留下隱患,甚至造成質量安全事故;第二種情況,使工程不能體現其經濟性,甚至造成不必要的浪費。要想隧道工程設計更加科學合理,設計方就必須要有足夠的資料作為設計的背景。在施工過程中,監控量測作為提供設計資料背景方,應該不僅要為設計方提供凈空變化、圍巖的蠕變趨勢、結構及圍巖的應力、應變及位移大小等作為宏觀判斷設計合理性的依據,還應提供更細致的巖體的力學參數為隧道的力學計算提供直觀依據,這樣才能更為科學、經濟的完成整個隧道的新奧法設計、施工。

2巖體力學參數測試和計算方法簡介

2.1 抗壓強度是指巖石單軸飽和抗壓強度(RC),按照抗壓強度試驗的試件的尺寸、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,逐級記錄荷載及應變值,并繪制應力與縱向應變和橫向應變曲線圖,按照R=計算其單軸抗壓強度,按照Eav=,μav=計算平均彈性模量、平均泊松比(σa,σb分別為曲線上直線段始點、終點應力值,εa-εb分別為σa,σb處縱向應變值,εda-εdb分別為σa,σb處橫向應變值)。

2.2 黏聚力、內摩擦角可由原位試驗得到。

2.3 圍巖完整性指數可以由KV=求得,縱波、橫波速度可以用巖石超聲波參數測定儀、縱橫波換能器測得。

2.4 應力強度比可由Sm=式計算得到,σmax為巖體的較大主應力。

3結論及改善建議

逐步的優化設計、施工參數,使隧道工程建設經濟、科學、安全的完成,使新奧法施工廣泛應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,在設計中其作用還未得到更好體現。

要想新奧法中的監控量測結果更好地反饋于設計,巖體的力學參數的監測在監控量測中的重要性就必須得到體現。

巖體的力學參數的監測在隧道施工監控量測中很少實施,原因是隧道工程實施的相關人員未意識到此項工作的重要性。為了新奧法能更好的應用到隧道設計、施工生產中去,相關人員應對此項工作的作用給予足夠的重視,配備相應的人員和設備來完成此項工作。

巖體力學論文:巖體力學本科教學改革探討

摘要：為適應當前勘察、土木、地質、石油等行業對相關專業本科畢業生的高要求，本文基于巖體力學的特點，詳細分析了當前我國巖體力學本科教學的現狀以及進行改革的必要性。在此基礎上，從教學內容、試驗環節、教學方法等方面提出了初步的改革措施。以期通過這些措施，提高巖體力學本科教學質量，培養適應社會發展和時代要求的復合型人才。

關鍵詞：巖體力學;教學內容;試驗教學;數值仿真;教學方法

巖體力學是土木工程、石油工程、地下工程、水利水電工程、地質工程、采礦工程、勘查技術與工程等專業本科生的重要專業基礎課之一，是研究巖體在外界因素（荷載、水、溫度等）作用下的應力、變形、破壞、穩定性與加固的學科，理論基礎廣泛，涉及地質學、固體力學、流體力學、計算數學、地球物理學等學科知識[1，2]。通過這門課程的學習，學生能夠建立起有關巖體力學的基本理論體系以及相應的工程概念（如強度理論、工程巖體分類、穩定性分析），為后面的相關專業課（如基礎工程、鉆探工藝學、計算巖土力學、礦山壓力與巖層控制）提供必要的知識儲備，也為畢業后從事建筑、勘探、采礦、采油等相關工作奠定必備的理論基礎。隨著我國社會經濟的快速發展，大量的巖土工程廣泛興起，復雜的巖體力學問題不斷涌現，從而對高校培養的相關專業人才的綜合能力提出了更高的要求：不僅要具有扎實的專業基礎知識，還要有一定的分析和解決現場實際問題的能力[3]。

作為人才培育的主要基地，高校在巖土工程人才培養過程中，在培養模式以及相關的各類軟硬件條件等方面已經遠遠跟不上社會發展的步伐及社會對復合型人才的需求[4]。因此，針對當今社會的實際需求，如何安排好巖體力學教學，培養合格的本科生，成為擺在各大高校相關教師面前的重要問題。

一、巖體力學教學改革的必要性

巖體在形成與存在過程中，長期遭受著復雜的建造與改造地質作用，最終變成一種被大量不同類型與規模的斷層、節理、層理、片理、裂隙等結構面切割包圍而成的材料，具有非均質、非連續、各向異性的特點。同時，巖體還賦存于復雜的天然應力狀態和地下水中。這些使工程巖體的力學行為極其復雜，通常呈高度非線性。巖體力學問題大多是病態的、不確定的、多尺度的，很難找到一種解析或數值算法進行地求解[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）的設計計算分析極為復雜，目前實際工作中，仍通過以工程經驗、現場試驗與監測為主，理論指導為輔來完成。可以說，巖體力學還很年輕，知識體系還不夠完善，許多理論尚不成熟，自身發展速度遠遠落后于工程實踐的要求。

隨著中國能源、交通、水利、國防、城市建設等事業的發展，巖體工程建設越來越多，規模也越來越大，這些給巖體力學帶來了新的機遇與挑戰，也對相關從業人員提出了更高的要求。然而，作為培養高級人才的搖籃，高校在巖體力學本科教學方面還存在很多問題，比如教材陳舊、內容落后、試驗教學不足、理論與實際脫節嚴重、課堂教學方法落后、教學手段單一，在很大程度上影響了本科生在實際工作中解決復雜問題的能力和創新能力。因此，開展巖體力學本科教學改革是十分必要的。通過教學改革，旨在既提高相關從業人員的基本素質與實踐能力，又為培養高層次復合型人才打下堅實的理論基礎。

二、巖體力學本科教學改革的主要內容

筆者認為巖體力學本科教學改革應從多方面著手：與時俱進地優化教學內容，以實際工程為教學案例密切聯系實際，增加室內試驗與數值仿真等試驗教學環節，改革教學方法，從而探索滿足當今社會快速發展條件下的巖體工程建設需求的復合型人才培育的教學方法。

（一）優化教學內容

目前國內高校巖體力學本科課程無統一教材，教學內容由任課教師自己掌握。相關教材也比較多，如沈明榮與陳建峰主編的《巖體力學》（2006），劉佑榮與唐輝明主編的《巖體力學》（2009），陳海波等主編的《巖體力學》（第2版，2013）以及陽軍生與陽生權主編的《巖體力學》（2008）。各教材在基礎理論方面的表述基本上是一致的，只是在工程應用方面側重點有所不同。筆者認為各任課教師應根據其校本專業特點，依據教學大綱與學時安排，以一本教材為主、多本教材為輔的方針授課，在講授巖體力學基本原理與知識的基礎上，以實際工程進行案例教學，并適當向學生介紹當前的新概念、新技術、新方法等發展動態與學科前沿，提升學生的學習興趣，拓寬學生的知識面。

本校地質工程專業（巖土鉆掘方向）的巖體力學本科課程，根據國家學科組指定的教學大綱，編制授課計劃，結合本專業的特色與發展需要，對大綱進行了適當調整與修改。教材以教育部地質工程教學指導分委會推薦的劉佑榮與唐輝明主編的《巖體力學》為主，以《Fundamentals of rock mechanics》、《巖石力學與工程》、《巖石力學與石油工程》、《鉆井巖石力學》、《礦山巖石力學》等相關教材為輔，刪除其他相關課程的重復性內容，同時補充隧道鉆掘、地下工程支護、工民建勘察、大陸科學鉆探以及石油鉆井等方面的工程實例，根據本校本專業本科教學計劃40學時左右的內容進行編輯，在滿足本專業學生對巖體力學認知與掌握的需求的同時，實現專業基礎知識扎實、知識面寬的復合型人才培養要求。

（二）增加試驗教學環節

試驗是巖體力學教學的重要環節，但是限于學時、設備、經費等原因，在本科教學過程中一般只能有選擇地讓學生動手做幾種相關室內試驗，難以很好地培養學生的動手能力，因此，增加試驗教學環節勢在必行。筆者認為可以從如下三個方面來解決這個問題：

1.通過與相關試驗室相關人員協調，在課余時間借用試驗，開展相關巖體力學試驗，從而盡可能多地鍛煉學生的實際動手能力;在不影響試驗室正常運行的前提下，將學生劃分多批次，參觀有關科研項目的巖體力學試驗過程，以實現盡可能多地感性認識巖體力學課堂上講授的理論知識。

2.通過鼓勵和指導本科生積極參與所在院系教師的相關科研項目、科技報告會項目、大學生創新基金項目等活動，在項目中實際運用巖體力學知識，進一步鍛煉學生認識、分析與處理巖體力學問題的能力。

3.充分利用計算機仿真技術[6]，采用數值仿真手段彌補試驗場地和設備的不足[7，8]，并初步培養學生運用數值模擬與理論相結合的方法，分析邊坡穩定性、地下隧道與礦山開采圍巖變形、地基巖體穩定性、井壁穩定性等實際工程問題。

通過以上措施實現室內試驗與數值仿真試驗教學環節的增加，使本科生在實踐中體會所學知識，找到自己的不足，增強對巖體力學的理解與掌握，鍛煉動手能力，提高分析問題、解決問題的能力與創新能力。

（三）改革教學方法

目前以多媒體電子課件為主、黑板板書為輔的教學方式已被廣泛應用于高校教學中。巖體力學是一門理論性與實踐性均很強的學科，教師應針對此特點開展教學活動。但是，限于學時、安全等原因，任課教師通常無法帶學生到現場進行實地參觀講解。為了加強理論與實踐的相接軌，就需要充分利用電子課件能夠圖文并茂、聲像俱佳的優勢，形象生動地向學生傳遞工程現場信息，從而彌補實踐的不足。

對于理論方面，采用傳統的板書教學方法補充多媒體教學，對重點、難點公式用板書一步步推導，便于學生理解與記憶。增加課上與學生互動環節，如讓學生回憶上堂課內容，多多就知識點提問，增加課堂作業環節，添加學生分組演講報告環節。增加課下與學生互動，如建立QQ群、微信朋友圈，在上面經常行業近期動態的圖片、新聞、視頻，發表小課題引導學生討論，以及邀請學生參加自己的科研項目。改革考核方式，總成績既包括期末閉卷考試成績，又包括平時表現、試驗報告、文獻綜述報告等。

通過以上種種手段，更好地調動學生的學習積極性，更好地培養學生的學習能力與解決問題的能力，更加公平地評價學生的課業表現。

三、結語

巖體力學內容豐富、知識復雜，給本科教學帶來了挑戰與機遇。筆者針對目前巖體力學本科教學方面的不足，從教學內容、試驗環節、教學方法等方面提出了初步的改革措施。以期通過這些改革，既能促進學生更好地掌握巖體力學的基礎知識與技能，又能培養學生的創新能力與實踐能力，為國家培養滿足行業需求的復合型人才。

巖體力學論文:基于顆粒流方法的節理巖體力學參數量化

摘 要：節理巖體的力學參數是與巖體相關的地下工程設計的主要依據。區別于實驗室完整巖塊，現場原巖中結構面的存在顯著弱化了巖體的強度，為地下工程設計帶來了一定的不確定性。為解決此問題，本論文擬采用基于顆粒流的數值模擬方法，為節理巖體的力學參數量化提供一種新思路。

關鍵詞：顆粒流;巖體力學;模型參數

1 概述

顆粒流是近年來興起的主要應用于硬巖的數值模擬新方法。區別于現有的連續性數值模型，顆粒流以不可破壞圓形顆粒作為基本單元，通過顆粒之間的粘結來顯式模擬完整巖塊的脆性破壞。當顆粒之間的拉應力超過顆粒粘結的拉強度時，裂紋被標記為拉破壞，反之當顆粒之間的剪應力超過粘結的剪強度時，裂紋被標記為剪破壞。通過這種簡單的接觸關系，顆粒流方法可以再現巖塊在壓縮或者拉伸狀態下的裂紋擴展模式。顆粒流方法通過顆粒之間的微觀接觸來控制模型的宏觀破壞模式，模型的宏觀力學參數是通過不斷校對這些微觀接觸參數來實現的。

2 顆粒流模型

本論文采用的實驗室完整巖塊的力學參數來源于灰巖，包括峰值強度：122MPa，彈性模量：80.0GPa，泊松比：0.25。圖1顯示了不包含任何節理的顆粒流模型，用于初始的顆粒接觸微觀參數校對，其中三個測量圓用于監測模型在單軸壓縮過程中的應力應變變化。然后建立三個包含結構面的節理巖體顆粒流模型;每個模型包含三組節理，其中主節理組1的傾向為0度，主節理組2的傾向為90度，兩組主節理的產狀設置為相同;次節理組3設置為與兩組主節理同時垂直。為了描述方便，本論文以主節理的傾角作為標識：R-30、R-60、R-90分別表示模型中主節理的傾角為30、60、90度。各組節理的平均直徑均設置為0.5m。

3 模型解譯

本論文主要考慮節理巖體在單軸壓縮狀態下的力學參數，包括巖體的峰值單軸抗壓強度和彈性模量。由于工程巖體的尺寸在大多數情況下不適合現場原位試驗，目前這兩個力學參數主要通過經驗或者半經驗方法估算，這樣不可避免地會產生適應性不足的問題。本論文介紹的顆粒流方法從數值模型的角度提供了一種新思路。通過一系列針對圖1中完整巖塊模型的單軸壓縮試驗，最終校對的顆粒流模型微觀參數如表1所示。完整巖塊在單軸壓縮過程中的應力應變曲線如圖2所示，從中可以確認基于表1的微觀參數所得結果符合第2節列出的灰巖力學參數。表1同時提供了結構面的力學參數。

圖2 完整巖塊單軸壓縮應力應變曲線

圖3顯示了節理巖體數值模型的單軸壓縮應力應變曲線，這些節理巖體的峰值強度和彈性模量也標注于該圖中。數值模擬的結果顯示節理巖體的峰值強度明顯受到結構面產狀的控制。巖體強度隨主節理的傾角變化顯示出典型的U型特點，即當節理傾角從15度增加到45度時，巖體強度從47.1MPa減小到24.5MPa，然后逐漸增大到52.0MPa（主節理傾角90度）。強度的U型變化可以從節理巖體的破壞模式來分析（完整巖塊控制和結構面控制）。根據簡單力學分析，當結構面的摩擦系數大于結構面的傾角時，沿結構面的完整巖塊剪切破壞會被阻止。這種條件下節理巖體的破壞主要由節理間的完整巖塊控制，考慮到巖塊的強度遠大于結構面的剪切強度，當節理巖體的破壞是結構面控制時，巖體峰值強度會偏小。

節理巖體的彈性模量呈現出與峰值強度類似的U型變化特征（圖3）。當主節理傾角從15度增加到90度時，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，由于結構面的剛度小于完整巖塊的剛度，當巖體的破壞是結構面控制型時，節理巖體的彈性模量偏小，反之，節理巖體的模量偏大。

4 結論

本論文展示了應用顆粒流量化節理巖體的力學參數的新型數值模擬方法。通過作用于完整巖塊模型的單軸壓縮試驗，本論文首先校對了顆粒之間的微觀參數，然后通過一系列不同結構面分布的節理巖體模型，本論文確認節理巖體的峰值單軸抗壓強度呈現出典型的U型變化，即當巖體所含節理有利于巖塊的剪切滑移時，節理巖體的強度顯著減小;而當節理不利于巖塊的剪切錯動時，節理巖體的強度更多地受到巖體中完整巖塊控制，強度顯著上升。節理巖體的彈性模量呈現出與強度相同的變化規律。本論文為量化節理巖體的力學參數提供了額外的途徑，論文結論可以作為地下巖體工程設計的參考。

巖體力學論文:巖體力學發展史與新技術展望的綜述

摘要：本文闡述巖土力學發展歷史和概貌，巖體力學的基本研究內容和研究方法，以及當今巖土力學發展存在的問題，對巖石力學研究提出的更高一個層次的要求，使巖石力學面臨許多前所未有的問題和挑戰，急需解決和提高巖石力學理論和方法的研究水平，以適應工程實踐的需要。

關鍵詞：巖土力學，發展，新技術，展望

引言巖體力學是近展起來的一門新興學科和邊緣學科，應用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質、地下工程等眾多的與巖石工程相關的工程領域，一方面它是上述工程領域的理論基礎，另一方面正是上述領域實踐促使了巖體力學的誕生與發展，作為地球科學的一個重要組成部分面臨一系列新的機遇和挑戰。

一、巖體力學的發展歷史和概貌

（1）初始階段（19世紀末～20世紀初）

這是巖石力學的萌芽時期，產生了初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題。海姆提出了靜水壓力的理論認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態，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）經驗理論階段（20世紀初～20世紀30年代）

該階段出現了根據生產經驗提出的地壓理論，并開始用材料力學和結構力學的方法分析地下工程的支護問題，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說，即普氏理論，該理論認為，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， 只是他認為塌落拱形狀是矩形，而不是拋物線型。普氏理論是相應于當時的支護型式和施工水平發展起來的，進一步說圍巖和支護之間并不安全是荷載和結構的關系問題，在很多情況下圍巖和支護形成一個共同承載系統，維持巖石工程的穩定最根本的還是發揮圍巖的作用，盡管如此，上述理論在一定的歷史時期和一定條件下還是發揮了一定作用的。

（3）經典理論階段（20世紀30年代～20世紀60年代）

巖石力學學科形成的重要階段，彈性力學和塑性力學被引入巖石力學，確立了一些經典計算公式，形成圍巖和支護共同作用的理論，巖體工程技術問題的解決，這些都說明巖石力學發展到該階段已完成為一門獨立的學科。在經典理論發展過程階段，形成了“連續介質理論”和“地質力學理論”兩大學派。早在20世紀30年代，薩文就用無限大平板孔附近應力集中的彈性解析來計算分析巖石工程的圍巖應力分布問題，20世紀50年代，魯濱湟特運用連續介質理論寫出了求解巖石力學領域問題的系統著作，同時，開始有人用彈塑性理論研究圍巖的穩定問題，導出著名的芬納-塔羅勃公式和卡斯特納公式，塞拉塔用流變模型進行了隧峒圍巖的粘彈性分析。

20世紀60年代，運用早期的有限差分和有限元等數值分析方法，出現了考慮實際開挖空間和巖體節理、裂隙的圍巖和支護共同作用的彈性或彈塑性計算解，使運用圍巖和支護共同作用原理進行實際巖石工程的計算分析和設計變得普通，促進了中國早期的地應力測量工作的開展。

地質力學理論注重研究地層結構和力學性質與巖石工程穩定性的關系，由德國人克羅斯創立起來的，理論反對把巖體當作連續介質簡單地利用固體力學的原理進行巖石力學特性的分析，強調重視對巖體節理、裂隙的研究和結巖石工程穩定性的影響和控制作用，1951年在及時屆地質力學討論會，形成“地質力學研究組”并廣泛應用于巖石工程。

（4）現展階段（20世紀60年代～現在）

此階段是巖石力學理論和實踐的新進展階段，其主要特點是用更為復雜的多種多樣的力學模型來分析巖石力學問題，把力學、物理學、系統工程、現代數理科學、現代信息技術等的近期成果引入巖石力學，20世紀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，巖體的地質結構和賦存狀況到重視。20世紀70年代開始出現用于巖石工程隱定性計算的數值計算方法，主要是有限元法，20世紀80年代數值計算方法發展很快，有限元、邊界元及混合模型得到廣泛應用，成為巖石力學材料分析計算的主要手段，20世紀90年代數值分析終于在巖石力學和工程學科中扎根，巖石力學專家和數學家合作創造成一系列計算原理和方法。20世紀80年代和90年代，巖石工程三維信息系統、人工智能、神經網絡、專家系統、工程決策支持系統等迅速發展起來，并得到普遍的重視和應用。20世紀90年代現代數理科學的滲透是非線性科學在巖石力學中的重要應用。

智能巖石力學涉及人工智能、神經網絡、遺傳算法、模糊數學、非線性科學、系統科學、固體力學和巖石工程等許多領域。

二、巖體力學的基本研究內容和研究方法

巖石力學服務對象的廣泛性和研究對象的復雜性，對任何巖石工程領域來講，下列基本內容是首要進行研究的。

（1）工程巖體的穩定性包括：1）各類工程巖體在開挖荷載作用下的應力、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）各類工程巖體的穩定性分析與評價等。

（2）巖石的基本力學性質包括：1)巖塊在各種力學作用下的變形和強度特征以及力學指標參數；2）影響巖石力學性質的主要因素，包括加載條件、溫度、濕度等；3）巖石的變形破壞機理及其破壞判據。

（3）巖石的物理、水理與熱力學性質。

（4）結構面力學性質內容包括：1）結構面在法向壓應力及剪應力作用下的變形參數及其確定；2）結構面剪切強度特征及其測試技術和方法。

（5）巖體力學性質包括：1）巖體變形與強度特征及其原位測試技術與方法，2）巖體力學參數的弱化處理與經驗估計；3）影響巖體力學性質的主要因素；4）巖體中地下水的賦存、運移規律及巖體的水力學特征。

（6）地應力分布規律及巖體規律及其測量理論與方法

（7）巖石、巖體的地質特征，內容包括：1）巖石的物質組成和結構特征；2）結構面特征及其對巖體力學性質的影響；3）巖體結構及其力學特征；4）巖體工程分類。

（8）巖石工程穩定性維護技術包括巖體性質的改善與加固技術等。

（9）各種新技術、新方法與新理論在巖石力學中的應用。

（10）工程巖體的模型、模擬試驗以及原位監測技術，模型試驗包括數值模型模擬、物理模擬等。

根據所采用的研究手段或所依據的基礎理論所屬學科領域的不同，巖石力學的研究方法可大概歸納以下四種：

（1）工程地質研究方法；（2）科學實驗方法；（3）數學力學分析方法；（4）整體綜合分析方法。

三、巖體力學研究的主要問題

主要研究的問題有以下幾種：

（1）水利水電工程；（2）采礦工程；（3）鐵道和公路建設工程；（4）土木建筑工程；（5）海洋勘探與開發工程。以上只是一些主要方面，隨著巖石工程建設的發展，還會有新問題的不斷提出。

四、巖體力學與工程發展趨勢和前景展望

國際上巖石力學與巖石工程研究的近期趨勢：

(l)巖石工程對環境的影響越來越受到重視，這是同全球的環境保護意識增強離不開的。

(2)對巖石或巖體的力學和水力學特性與溫度場、應力場等相關場的耦合問題的研究越來越多，不再是對簡單環境下單一巖石力學性質的研究。

(3)對巖石力學特性及巖石工程的數值方法和數據模擬的研究一直是長盛不衰的。

(4)巖石或巖體特有的節理裂隙對其力學性質的影響的研究越來越深入和細致。

(5)原位測試及勘探。水壓致裂及三維裂紋勘探受到重視，聲發射致裂研究裂縫擴展及強度的破壞。

(6)越來越重視巖石力學的研究成果在實際工程中的應用。

(7)高科技在巖石力學與巖石工程中的應用開始嶄露頭角。

以下五個方面的問題應成為我們的主攻方向。

（1）巖體力學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問題。

（2）巖體力學由研究單一的固體不連續材料向多場耦合和多相運動研究發展。

（3）巖體力學從單純的地球內動力驅動或外動力驅動模型向內外動力耦合作用模型的轉變。

（4）巖體力學從工程巖體穩定性研究向極端災害的非線性動力過程的預測及防治進軍。

（5）從常規的巖石開挖的失穩防治到新型大規模暴力攻擊的防護，以及人地關系的協調。

這些問題都是對巖石力學提出的更高的要求，使巖石力學面臨許多前所未有的問題和挑戰，急需發展和提高巖石力學理論和方法的研究水平，以適應工程實踐的需要。

巖體力學論文:深部開采巖體力學研究的現狀

摘 要：在深部開采工程中產生的巖石力學問題是目前國內外采礦及巖石力學界研究的焦點，“三高一擾動”的復雜環境，是深部開采面臨的挑戰性、高難度課題。雖然目前對于深部開采工程的研究已經取得了部分成果，但對深層次、注重個案、側重技術的基礎研究重視仍然不夠。今后主要研究方向應集中在深部巖石力學基本特性、深部開采工程穩定性控制、深部開采地表環境損傷控制以及深部厚煤層綜放開采基礎理論研究等方面。

關鍵詞：深部開采；巖石力學；三高一擾動

深部開采巖石力學，主要是指在進行深部資源開采過程中引發的與巷道工程及采場工程有關的巖石力學問題。目前，對能源的需求逐步增加，開采強度也不斷加大，這些都造成了淺部資源的日益減少，因而國內外的礦山都相繼進入深部資源開采狀態。而開采深度的不斷增加，工程災害也隨之增多，這對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特點

1.1 開采環境

深部開采和淺部開采最明顯的區別在于深部巖石所處的特殊環境，也就是“三高一擾動”的復雜力學環境。“三高”主要是指高地溫、高地應力和高巖溶水壓。“一擾動”主要是指強烈的開采擾動。當進入深部開采后，巖體呈現塑性狀態，即由各向不等壓的原巖應力引起的壓、剪應力超過巖石的強度，并且對巖石造成破壞。

1.2 力學行為特性

深部巖石的“三高一擾動”復雜環境，對深部巖體的組織結構、基本行為特征和工程響應產生根本性的影響。主要表現在深部巖體動力響應的突變性，深部巖體應力場的復雜性，深部巖體的大變形和強流變性，深部巖體的脆性一延性轉化，深部巖體開挖巖溶突水的瞬時性等五個方面。

2 深部開采工程中的巖石力學問題

目前對于深部開采工程的研究已經取得了一系列成果，但是對于側重技術、注重個案的深層次基礎研究始終沒有得到足夠的重視。深部開采“三高一擾動”的復雜力學環境，使深部巖石力學行為及其深部災害的特征與淺部開采明顯不同，因而在淺部開采基礎上建立的傳統理論不能適應現在的研究環境。

2.1 強度確定

深部開采時地應力水平比較高，因而工程開挖后的工程巖體在高圍壓作用下，一個或兩個方向上應力狀態的改變所表現出的強度變化并不是簡單的表現在受拉或受壓，而是復雜的拉壓復合狀態，即徑向產生卸載，同時切向產生加載。所以深部開采時工程巖體的強度不能單純用巖塊強度來確定，必須建立符合深部開采特點的工程巖體拉壓復合強度確定理論。

2.2 設計理論

深部開采時，由于工程圍巖所表現出的非線性力學特性，在穩定性控制設計時不能采用簡單的一次線性設計，因而必須建立采用二次以至多次非線性大變形力學穩定性控制設計理論。

2.3 穩定性控制理論

在深部開采環境下，工程開挖后工程圍巖就會有不同程度的破壞，必須采用二次支護甚至多次支護才能夠實現工程穩定性。因此，原有的穩定性控制理論不能適合新的環境，必須建立適合深部開采工程的二次（支護）穩定性控制理論。

3 今后研究重點

隨著我國國民經濟的提高和科學技術的發展，在復雜地質條件下一些長深鐵路、公路隧道的修建，有了許多深部開采事故的預防應用，并由此發展了先進的科學技術和理論。我們認為對巖石力學問題，今后主要研究方向應集中在對深部巖石力學基本特性、深部開采工程穩定性控制、深部開采地表環境損傷控制和深部厚煤層綜放開采基礎理論研究等方面。

3.1 “深部”的概念及其分類體系

目前國內外對深部工程中所引發的巖石力學問題研究十分重視，但是在“深部”、“深部工程”等一系列概念上的差異較大，這些對該領域理論與技術研究的發展及交流有一定影響。因而，對“深部”的概念、分類體系以及評價指標進行科學的定義，是推動深部巖體力學的基礎理論研究的當務之急。

3.2 深部巖石力學的基本特性研究

深部工程的“三高一擾動”復雜環境，使得深部巖體的組織結構、基本行為特征和工程響應都發生了根本性的變化，同時也導致深部開采中災變事故的多發性和突發性。因而，深部資源開采面臨的核心科學問題正是采掘擾動表現出來的特殊力學行為。其中的深部高應力場成因以及多個應力場的耦合作用狀態研究、深部復雜應力狀態下巖體拉壓復合強度確定方法及其災變機理更是今后研究的重點。

3.3 深部開采工程的穩定性研究

深部開采工程的穩定性問題是研究圍巖在開采破壞后與支護系統相互作用所達到的二次穩定問題。在深部條件下的工作面回采所形成的采動應力場與巷道掘進形成的開挖應力場相互耦合疊加，這些形成了復雜的三維應力場。同時，采動應力的分布與回采空間動態、多維的時空規律以及支承壓力區的范圍和峰值應力等也將產生很大變化。因此，應該結合深部巖體的非線性力學特性研究，在對深部采場以及巷道圍巖采動的應力時空分布規律的深入分析基礎上，探討深部開采采場及巷道一體化的穩定性非線性力學控制對策。

3.4 深部工程災害的發生機理以及控制對策的研究

在深部條件下，“三高一擾動”環境使深部巖體的基本行為特征、組織結構和工程響應發生了根本性的變化，這同時導致了深部開采中災變事故的多發性和突發性。因而，研究巖體在地下水、瓦斯、高地應力、溫度等作用下的穩定與非穩定變形，破壞狀態以及轉化機理、條件和規律，探索深部多相介質、多場耦合的作用下工程災害頻度和強度等特征，這些對揭示深部工程災害的誘發機理和成災過程，并對相應的災害提出預測方法及控制對策具有重要意義。

在“三高一擾動”特殊地質力學的環境下，傳統的理論、方法和技術已經部分或全部失效。因此，對深部開采工程巖石力學基礎理論研究的大力開展，能夠對深部資源開發提供的理論基礎，并為我國經濟的可持續發展和國家安全戰略的實施提供有效的能源和資源保障。

巖體力學論文:12081工作面煤巖體力學特性與電鏡分析及底板特性測試

摘 要：為更好的服務生產，保障12081工作面回采順利，并探索一套能夠指導類似工作面的技術，我們在12081工作面進行工業性試驗，對煤巖體力學特性與電鏡進行分析并對底板特性進行測試。

關鍵詞：煤巖體 力學特性 電鏡分析 底板特性 測試

為更好的服務生產，保障12081工作面回采順利，并探索一套能夠指導類似工作面的技術，我們在12081工作面進行工業性試驗，對煤巖體力學特性與電鏡進行分析并對底板特性進行測試。

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，煤質以低灰、發熱量特高熱值、特低硫、特低氯、低磷為主要特征，為一級含砷煤。煤灰屬較高軟化和較高流動溫度灰。二1煤中無煙煤和貧煤可做為動力用煤和民用燃料。開采煤層煤質特征見表1。12081工作面煤體電鏡分析見圖1。

二1煤煤類有無煙煤和貧煤，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，可見鱗片狀。

塊煤為金剛—— 玻璃光澤，貝殼狀、參差狀斷口，內生裂隙發育，可見鏡煤條帶，莫氏硬度2～3度。粉、粒狀煤污手、質軟，煤芯疏松易碎。二1煤層相對真密度為1.49t/m3，相對視密度為1.45t/m3。

與底板特性測試的結果相吻合。說明煤體軟而且酥，極易風化。工作面可見底板煤層浸水后，踩上去似泥窩一樣把礦工靴陷進去。

2 12081工作面頂板和底板巖體力學性能與電鏡分析

二1煤直接頂板多為砂質泥巖和泥巖，砂質泥巖為深灰色薄層及中厚層狀，裂隙不發育。泥巖多為深灰色塊狀。也有砂巖為灰白色，一般致密堅硬，裂隙不發育。有偽頂，巖性為泥巖及炭質泥巖，厚度0.43～0.95m。

從電鏡圖可見，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；頂板巖體的界面就像堅硬的實木裂口一樣，處于相互嵌合的狀態。

綜上所述，12081工作面即二1煤層直接頂板，為砂質泥巖和泥巖，巖石抗壓強度較高，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工作面底板比壓測點分布，如圖3所示，在工作面每測區距煤壁1～4m之間建測點，共建16個測點。按照上述計算方法計算每個測點的對應數值，并繪出底板比壓特性曲線圖譜。

圖3中編號：左起及時為數字是指，按照距離槽頭的距離排序的序號；第二位數字是指，1代表用采用BPN型內注式靜壓比壓儀測定底板實體煤層的比壓，2采用DZD40-A底板比壓儀測定底板表層煤層的比壓。一位數字是與井下記錄的聯系，沒有具體含義。空心曲線代表底板比壓。當底板比壓儀的底模尺寸大于的油缸內徑時，因為折算后的值小，如空心曲線所示。

4 結論

為掌握12081工作面支柱與底板的相互作用現狀，必須測量和研究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密度，增強支護系統的剛度。對指導和加強回采工作面底板管理工作，搞好安全生產有重要意義。

巖體力學論文:“巖體力學”結構體系及教學方法探討

【摘要】“巖體力學”是高等院校工程類專業的一門重要專業課，具有很強的理論性、綜合性和實踐性，對于從未接觸過程相關工程實踐的學生來說比較難以接受。根據本課程的特點及教學要求并結合多年來的工程實踐經驗，作者首先對課程的特點及教學內容結構體系進行了總體分析，從而加強學生對課程特點的認識和內容的掌握；其次，結合本課程的一個重要特點——實踐性強，提出了相應的教學方法。

【關鍵詞】“巖體力學”；實踐性；結構體系；教學方法；探討

一、引言

“巖體力學”（有些學者也稱為“巖石力學”）是地質、土木、建筑、交通、能源、水利水電等工科專業核心的專業課程之一,在上述專業的大學課程教育中占有非常重要的地位。尤其是近年來隨著我國經濟的快速發展，西部大開發、南水北調、高速鐵路等項目的深入實施，大量的地質工程、巖土工程及地下工程建設廣泛興起，這一方面為巖土工程技術人員提供了施展才華的廣闊空間，同時由于新問題、新技術層出不窮，因而也充滿了前所未有的挑戰。所以，當前的工程建設也對這方面的人才培養提出了更高的要求和期望，既要具備比較扎實的理論基礎知識，又要有比較豐富的實踐經驗。高校作為人才培養的重要基地，更要擔負起這一重要的歷史使命。巖體力學作為一個在實踐基礎上發展起來的學科，不但有較強的理論性和系統性，而且更有著很強的實踐性，這也是明顯其區別于理論力學、材料力學及彈性力學等經典力學的一個重要特點，如黃明奎和劉開云都提出了實踐環節在巖體力學教學中的重要性。從字面上理解，“巖體力學”包括“巖體”和“力學”兩個詞匯，通過前面對多門力學課程的學習，學生都已基本理解力學就是研究物體對外力的響應，包括內部響應（產生變形甚至破壞）及外部響應（產生運動），而巖體則是經過長期地質作用形成的復雜地質體，具有很強的地域性和個案性，因此明顯不同于在材料力學中經常介紹的低碳鋼等材料。因此，初學的學生都會明顯感覺到巖體力學在理論上沒有理論力學和彈性力學那么嚴謹，會出現很多的經驗公式。所以在巖體力學的教學中一定要牢固地樹立“實踐性”這一根本特點，這樣才能使學生更好、更快地掌握這門課程，進而靈活地運用于工程實踐、服務于工程實踐。 實踐性強的特點應該貫穿在巖體力學教學的整個環節，具體地表現在教學手段和教學內容上分別為：在教學手段上應該充分安排一定的實踐教學課時，讓學生能夠有機會接觸到工程實踐，比如讓學生參觀巖石標本，從感性上認識什么是巖石、結構面及巖體等，讓學生去試驗室親自動手做一些巖石力學試驗，去施工現場讓學生見識一下什么是巖石隧道開挖、巖石邊坡支護等，讓學生自己動手做一個巖石工程設計等等，這樣不但可以讓學生增強感性認識，而且還可以激發他們的學習興趣。另外在教學內容上，應該選擇一本比較好的巖體力學教材，但是也決不能局限于教材。因為巖體力學從大的研究內容上來說基本是不會有太大變化的，主要就是研究巖體在外力作用下的變形與破壞機理，但是隨著科學的發展，研究手段卻會有很大的進展，如剛性試驗機的出現使我們可以了解到巖石峰后的強度曲線、塑性及流變本構模型的提出可以使我們了解到巖石更為復雜的力學響應特征、有限元、離散元甚至流形元等數值方法的出現使我們更直觀、方便地了解到巖石的變形及破壞過程，等等。下面就從巖體力學產生與發展的角度對其課程特點進行探討，然后以黃醒春主編的《巖石力學》為例，從課程內容的結構體系上闡述其主要內容及其結構框架，在此基礎上對其教學方法進行探討。

二、課程特點及結構體系分析

2.1 課程特點。 巖體力學是運用力學原理和方法來研究巖體的力學以及與力學有關現象的一門新興科學，即研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規律的理論及其實際應用的科學。目前其主要有兩種不同的發展方向：一是從力學的一般原理出發，考慮巖體的特殊力學性質，運用邏輯演繹的方法進行研究，這通常稱為理論巖體力學；二是從經驗出發，在大量實踐的基礎上歸納出對工程問題有指導意義的規律，這通常稱為工程巖體力學。因此，巖體力學既是一門理論學科，也是一門實踐性很強的工程學科，它不僅與國民經濟基礎建設、資源開發、環境保護、減災防災有密切聯系，具有重要的實用價值，而且也是力學和地學相結合的一門應用型基礎學科。 巖體力學的研究對象是各類巖體，由于巖體是一種經過漫長而復雜的地質作用而形成的地質材料，具有很強的個案性和地域性，因此對其物理力學性質的了解，遠比其他各類工程材料困難，而巖體力學服務的各類巖土工程，如邊坡工程、地基工程、隧道工程等既以天然巖體為巖體結構材料，又以天然巖體為建筑材料，同時以巖體所處的環境為建筑環境，而這環境包括巖體結構和巖體構造、地下水、氣象、地溫等是隨著時間推移處于不斷變化之中的。因此，對巖體物理力學性質的認識顯然比其他工程材料更重要。現在有不少學者提出了“巖體結構”的觀點，認為巖體是由巖石和結構面組成的有機結構，這比早期的“巖石力學”觀點前進了一大步，該觀點的提出也正是基于大量的巖體工程實踐而得出的，這也充分說明了巖體力學是一門實踐性很強的學科，其很多的研究課題及新觀點都是從實踐中總結出來的，同時又必須經過大量的實踐檢驗。

2.2 課程結構體系分析。

下面對巖體力學課程的結構體系進行分析，進而對其教學方法進行探討。“巖體力學”的主要內容結構如圖1所示。由圖1可以看出，巖體力學的研究內容、研究方法與研究流程和我們已經學過的土力學基本類似，這主要是由于二者的研究對象都是地質體，并且土體從某種意義上來說就是巖石，它是由巖石風化而來的，粘結力很低的巖石。所以二者研究內容上都是首先對介質本身的物理性質進行研究，研究其組成成分、結構特征及分類方法等。然后是研究工程上最為關切的三個主要問題，即強度、變形及滲透性。巖體與土體的一個重要區別是巖體含有明顯的節理面，所以一般屬于非連續介質，而土體顆粒之間的差別相對較小，所以土體一般可以認為是連續介質。在研究方法上，二者都是采用理論分析、試驗研究和數值計算三種方法，其中理論分析都是采用彈性理論或彈塑性理論進行研究，采用試驗研究主要是由于巖體和土體都是經過長期的地質演化發展而來的地質體，所以其物理力學性質有很大的變異性，因此在確定其物理力學性質時一定要采用試驗的方法，尤其是對于重要的巖土工程，我國現行的規范都明確要求要根據現場試驗結果進行設計。數值方法是近年來針對巖土體的復雜性而提出的，目前應用最多的有限元法，而有限元法也是彈性力學中的一部分內容。所以，由前面的闡述可以看出，巖體力學和土力學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或彈塑性力學為基礎。另外巖體力學與土力學區別的另外一個重要方面就是對地應力的研究，由于土體都處于地球的表層，所以其地應力主要就是指自重應力，因此土體中的地應力就比較簡單。而巖體則不僅僅出現在地表，而且還更多地出現在地球深部，那么隨著埋深的增加，巖體內不僅僅存在著自重應力，更重要的還有構造應力，而且隨著埋深的增加，構造應力在地應力中占的比重也會越來越大。那么對于深部巖體工程如深部采礦、深部石油開采的設計與施工就必須要考慮到地應力的影響。另外在巖體工程穩定性分析方法上，除了土力學中常用的方法如工程類比法、地質力學分析法、剛體極限平衡及彈塑性有限元法以外，在巖體力學中還引入了赤平投影法，這也主要是由于巖體中存在結構面的原因。

巖體力學論文:淺談我國巖體力學問題的現狀和發展

[摘要]本文描述了中國巖石力學在土木工程、地質工程、采礦工程、水利工程、交通工程等的領域出現的應用，同時應用所學的巖體力學知識探討和處理這類問題的一些現狀和特征。對于巖石力學的發展給出了簡單設想。

[關鍵詞]巖石力學　現狀　發展

1　巖體力學的時代背景

巖體力學是介于地學與力學兩門學科之間的邊緣學科，雖然說不是一門系統的學科，但其能解決傳統的土力學不能解決的巖石問題，因此它在各種工程的領域都有廣泛的應用。隨著現階段的礦山開采的智能化和集成化，處理巖體的問題越來越需要應用巖體力學的問題來完成設計和施工。近幾十年來，盡管國內的工程規模和復雜程度的不斷加大，我國巖石工作者經過不懈努力，已經累積了在復雜地質條件下修建多種巖石工程的豐富經驗。使得巖體力學的研究工作有了飛速的發展。這為筆者對本文的編寫提供了豐富的資料。但是從總體上看，與國際先進水平相比，尚有一定的差距。尤其在綜合運用研究成果，并將成果轉化為生產力產生效益這一方面，尚嫌不足。并且不少巖體力學出來的新科研成果，未能充分應用于工程實踐中去，發揮出更大的效益。

2　我國巖體力學的發展歷史和現狀

在新中國成立前，巖體力學研究基本上屬于空白的。盡管我們的祖先們曾創造過世界矚目的工程建設，如長城和岷江都江堰。但是巖體力學作為一門單獨的學科進行研究還是相對起步較晚的。在中華人民共和國成立之后，我國充分發揮社會主義制度的優越性，對巖體力學中的一些前沿課題，在全國范圍內組織力量進行了一系列的科技攻關。即便是在期間，巖體力學業的研究工作遭受到極大的干擾，我國的科技人員仍然發揮自強不息的愛國主義精神，在很多的重點水電工程(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。并且在總結了一系列的成功的經驗與失敗的教訓后，我國的科研工作者解決了像葛洲壩和三峽壩區以及秦山核電站等重大的巖石施工的建設項目。這些成就都使得巖體力學的研究工作取得了重大成果。

在取得重大的實踐成功的基礎上，我國在巖體力學的理論的研究進行了系統的的集成。自1978年以來，我國陸續在全國性的學會上成立了專門巖體力學的研究機構。如中國煤炭學會巖石力學專業委員會、中國水利學會巖土力學專業委員會等。并成立了相應的專門期刊。

這些的工作和成就，大大提高了我國的巖體力學的水平。

3　我國巖體力學面臨的問題

隨著取得成就的同時，面臨的問題也逐漸突出而來。經過許多學者的總結現階段大致分三點。

①巖體力學的理論與技術研究中的有3個核心問題。這三個核心問題是：時間不可逆，多層次了系統與非線性，以及不確定的原始數值(初值)。上述3個核心問題構成了非確定性研究的必要性，但是，在生產實踐中的經驗告訴我們，開挖過程中存在著兩種穩定狀態：一種是穩定的，可以做出決定性的決策。另一種是不穩定的，具有不穩定性或明顯的危險表征。這就構成了研究方法的復雜性。而我國在處理這些非確定性的問題上沒有形成系統的系數，對生產設計存在著一些不穩定因素。

②西部開發首先面臨著的生存發展基礎的建設，即基礎設施和生態環境的建設。而西部地區環境惡劣而且巖體脆弱。環境如沙澳戈壁，凍土災害，黃土侵蝕般惡劣，地質作用活躍，環境災害頻繁，基礎工程建設極為艱難，風險度高。巖體力學的理論數據在這些環境上的應用還顯得不足。

③現階段的工程的規模巨大，在處理上是巖體力學的系統與系統動力學的多種集成或多重綜合集成，因此在面對工程的問題解決上，因素的增多表示著變數的增多。研究對象的多種因素相互作用，極大地增強了問題的不確定性和非線性。這就要求我們科學研究者處理程問題需要極大的數據庫資料和數據運算。有人說：“巖石力學是數學力學游戲，解決不了工程問題”。這是便是極其不對的。

4　我國巖體力學發展的新途徑和新方法

隨著科技的不斷攀升，生產的智能化將是時代的主題。綜合智能分析方法及其在巖石力學與工程中的采用是將要攻關的課題。智能科學與巖體力學的結合將把巖體力學推向新的領域。這是對全球化的工業發展的必然要求，也是興旺之路。

在這些課題中，一些學者前輩提出的人工智能(專家系統)和人工神經網絡或智能采礦學以及處理巖石力學智能化問題，都是智能化的體現。

智能化發展的同時，必然的要應用新的數值方法。隨著電子計算機科學的速猛發展，作為巖石力學分析的重要內容的數值方法，功能越來越強的數值法將不斷長進。比如孫鈞博士提出的幾種有前景的新的數值方法：1半解析元法2分形塊體力學法3非連續變形分析(DDA)法4非線性大變形問題有限差分((FLAC)法5流形元法。這些新型的數值方法已經在許多的設計中體現出來其簡捷的特點了。如實踐已證明，半解析元法適應性強而應用范圍廣，可用于分析非勻質、變剛度、非線性，特別是多維問題由于采用了解析函數而能以收到降維的效果。在計算工作量和程序前、后處理方面都會有很大程度的節約。

結語

筆者相信隨著我國社會經濟向新的戰略目標邁進，堅持走中國特色的社會主義道路，發展中國特色的工業化道路，我們振興中華的理想會越來越顯出光輝，希望年輕的巖體力學將會隨著我們這些年輕科研工作者的不懈努力迎來巖體力學新時代的來臨，能為祖國的工業大力發展做出貢獻。

巖體力學論文:巖體力學在工程中的應用

【摘要】隨著巖體力學學科的不斷完善和發展，它與工程實踐的聯系越來越緊密, 必將會推動工程建設的不斷深入. 本文簡要介紹了巖體力學的發展情況, 然后從學科知識應用于實際的工程的步驟, 闡述了當前的進展并付以工程實例和新的理論， 對今后巖體力學在工程實踐中的運用進行了展望.

【關鍵詞】巖體力學; 工程實踐; 分析方法；試驗手段

前言

巖體力學作為巖土工程三大基礎學科(巖體力學、土力學、基礎工程學) 之一, 在工程設計和施工中, 巖體力學問題往往具有決定性的作用. 因此, 巖體力學的發展直接關系到工程開發的深度和廣度.

1 巖體力學的發展

巖體力學的發展經歷了如下幾個階段:(一) 連續介質巖石力學階段. (二) 裂隙巖體力學階段. (三) 巖體結構力學階段. (四) 地質工程巖體力學階段.而今的巖體力學與地質研究工作密切相關, 必須是多學科協同操作, 方能有所作為. 因此巖體力學的發展進入地質工程巖體力學階段.

2 巖體力學的幾種模型

要解決具體的巖體工程問題都得建立相應的模型. 等效連續介質模型與不連續介質模型是巖體力學中并存的兩大模型 , 兩者均反映了巖體的不連續性, 但對巖體的不連續性的處理方式是不一樣的.

等效連續介質模型與不連續介質模型是從對巖體產狀的處理方式來分析的. 而從巖體的力學性質角度來看, 則需要建立力學模型, 即本構關系. 巖體的力學性質可以用彈性、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、彈塑粘性等來表示.

值得注意的是, 出現了一種巖體的自適應本構模型. 其中的巖體本構關系表達不借用傳統的數學公式和力學基本定律, 而是靠神經網絡的自組織、自學習和自適應功能直接從離散的試驗數據中提取和存貯巖體行為的知識來實現.

巖體的本構關系實質上就是應力狀態和應變狀態的關系. 對于自適應本構模型來說, 輸入層可以是部分應力分量和部分應變分量, 而輸出層也可以是另一部分應力分量和另一部分應變分量. 輸入和輸出什么要根據已有的知識而定, 同時也要考慮用這一模型解決的問題.

自適應本構模型的輸入與輸出模式之間的非線性關系是通過網絡的連接權值表達的, 因此, 它可以表示線性和非線性本構模型; 自適應本構模型有自學習功能, 因此, 隨著知識的積累, 它的可能性和適用性將越來越高; 巖土的應變軟化本構模型的建立, 一直未有突破性進展, 自適應本構模型將為這一領域的開拓提供有效手段.

3 試驗手段更新對巖體力學及實際工程的影響

無論什么巖體力學理論, 都是基于巖體本身的性狀來模擬的. 而對于巖體的性質研究有賴于實際工程的積累和試驗手段的更新. 如本構模型的研究要求進行巖石的應力應變全過程測試, 裂隙巖體在拉應力狀態下的開裂機理分析要求進行巖體斷裂韌度測試, 邊坡巖體卸荷帶范圍劃分及巖體性質“弱化”程度研究要求采用聲波等綜合測試技術等.

4 地應力――巖體工程一個重要影響因素

對于巖體力學與具體工程的結合, 除了考慮巖體本身的力學性質與產狀外, 另一個無法忽略的因素是地應力.

地應力是各種作用和各種起源的力, 它主要由自重應力和構造應力組成, 有時還存在流體應力和溫差應力等. 地應力狀態與巖體穩定性關系極大, 它不僅是決定巖體穩定性的重要因素,而且直接影響各類巖體工程的設計和施工.

越來越多的資料表明, 在巖體高應力區, 地表和地下工程施工期間所進行的巖體開挖, 常常能在巖體中引起一系列與開挖卸荷回彈和應力釋放相聯系的變形和破壞現象, 使工程巖體失穩.

當然, 地應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力時, 對有壓隧洞圍巖穩定有利.

總之, 巖體的地應力狀態, 對工程建設有著重要的意義. 為了合理利用巖體地應力的有利方面,根據巖體地應力狀態, 在可能的范圍內合理地調整地下洞室軸線、壩軸線以及人工邊坡走向, 較地預測巖體中重分布應力和巖體變形, 正確地選擇加固巖體的工程措施.

5 計算機技術在巖體力學中的應用

隨著對巖體力學的要求越來越高, 現代計算機的飛速發展為巖體力學的進一步發展提供了有力的平臺. 同時, 其它各學科的發展也為巖體力學的發展起到了促進作用. 為巖體力學問題的解決提供了先進的理論與手段.有限元法、無單元法、邊界元法、人工神經網絡、遺傳算法以及一系列的程序設計為巖體力學問題的解決和掌握提供了便利, 如: 本文第二節提到的基于BP 網絡的自適應本構模型就是一個很好的例子.

6 巖體力學參數的確定

在巖石力學的研究和發展過程中, 其難題之一是工程巖體的力學參數的合理確定. 該原因涉及到工程巖體的連續性問題, 即一方面人們認為工程巖體是非連續性介質, 另一方面所用的力學理論又屬于連續介質力學, 這是一個棘手的矛盾. 要想合理的確定工程巖體力學參數, 首先要解決上述矛盾.建立工程巖體連續性的概化方法. 該方法不僅適用于微觀力學和細觀力學介質的連續性判別, 也適合于宏觀工程巖體的連續性問題. 在此基礎上, 提出的工程巖體力學參數確定方法, 即根據室內完整巖塊實驗參數, 結合野外工程巖體結構特點進行計算機數值模擬實驗, 從而確定工程巖體力學參數的新方法, 它展示了新理論、新方法的廣闊應用前景.

7 巖體力學的展望

當今, 巖體工程中的各種課題如工程選址、設計、施工及運營等方面的許多問題亟待解決,巖體力學的發展與完善必須重視對眾多已建巖體工程實例的分析與歸納總結, 加強現場判斷研究,并逐步建立便于推廣應用的切合實際的專家系統. 巖體力學在工程上應用的經驗總結及專家系統建立將是本學科一個重要的研究方向.

今后, 巖體工程進一步發展, 必然要求數值分析迅速發展. 但應指出, 數值分析方法的發展,一方面要求計算技術的發展, 另一方面要求大規模的實驗提供數值分析的發展基礎. 加強學科滲透; 促進理論更新, 這是今后應用科學發展的一個趨勢.

總之, 隨著人們對巖體認識的不斷深入以及其它學科手段的進步, 巖體力學將不斷完善; 同時, 也將推動人們的工程實踐的不斷深化。

巖體力學論文:地下水滲流對巖體力學性質的影響

【摘要】針對地下水通過物理、化學和力學作用于巖石并引起巖石破壞的特點，分析了巖石水損傷機理，從總體上深化了對水―巖作用機理的認識。

【關鍵詞】地下水；巖體；作用機理

引言

作為影響巖體力學性質的一個活躍因素，水對巖石強度、彈性模量等方面作用的研究越來越受到人們的重視0。然而，水對巖石作用機理的研究是真正關系到能否解決以上諸多問題的關鍵所在。

1 機理分析

地下水是一種重要的地質營力，它與巖體之間的相互作用，一方面改變著巖體的物理、化學及力學性質，另一方面也改變著地下水的物理、力學性質及化學組分。運動著的地下水對巖體產生三種作用，即物理的、化學的和力學的作用0。

1.1 地下水對巖體的物理作用

這種作用主要是由巖石中的結合水產生的，結合水是由于礦物對水分子的吸附力超過了重力而被束縛在礦物表面的水，水分子運動主要受礦物表面勢能的控制，這種水在礦物表面形成一層水膜，產生下述幾種作用：

潤滑作用0。由可溶鹽、膠體礦物連結成的巖石，當有水浸入時，可溶鹽溶解，膠體水解，使原有的連結變成水膠連結，導致礦物顆粒間連結力減弱，摩擦力減低。這個過程在斜坡受降水入滲使得地下水位上升到滑動面以上時尤其顯著。潤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其吸引力作用將礦物顆粒拉近、接緊，起連結作用，這種作用對于被土填充的結構面的力學性質的影響很明顯0 。由于巖體結構面中充填物隨含水量的變化，發生由固態向塑態直至液態的弱化效應，使巖體的力學性能降低，粘土質巖石尤甚0。此外，當硬巖斷層破碎帶中含有大量粘土質填充物時需注意這種作用[6]。

結合水的強化作用0。處于非飽和帶的巖體，其中的地下水是結合水，處于負壓狀態，按照有效應力原理，非飽和巖體中的有效應力大于巖體的總應力，從而增強了巖體的強度。

凍融作用0。孔隙、微裂隙中的水在凍融時的脹縮作用對巖石力學強度破壞很大。這種作用我國北方應特別注意。

水楔作用0。當有水分子補充到礦物顆粒靠得很近的礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙擠入。這種現象稱水楔作用。飽水巖石在受力過程中，水楔作用的影響更大，巖石強度的降低也較多。

以上幾種作用都是與巖石中結合水有關，而巖石含結合水的多少主要和礦物的親水性（由粘土質礦物含量決定）有關。水對巖石的上述幾種作用往往是其中幾種同時發生。且絕大多數都降低了巖體的力學性能。根據實驗研究，對于多孔隙的砂巖，飽水后的彈性模量甚至降低到了干燥時的1/3。Colback和Wiid對石英質頁巖和石英質砂巖的研究，飽水抗壓強度僅為干燥時抗壓強度的50%0。

巖石試件的含水量也顯著影響巖石的抗壓強度指標值，含水量越大，強度指標值越低。水對巖石強度的影響通常以軟化系數0。

1.2 地下水對巖體的化學作用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程。通常富含Ca或Mg離子的地下淡水在流經富含Na離子的土體時，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，使得巖土體的結構改變，從而影響巖土體的力學性質。

溶解作用和溶蝕作用。天然的大氣降水在經過滲入土壤帶、包氣帶或滲濾帶時，溶解了大量的氣體，彌補了地下水的弱酸性，增強了地下水的侵蝕性。這些具有侵蝕性的地下水對可溶性巖石如石灰巖（CaCO3）、白云巖（CaMgCO3）、石膏（CaSO4）、巖鹽（NaCl）以及鉀鹽（KCl）等產生溶蝕作用，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，使巖石的結構發生微觀、細觀及宏觀的改變，減小巖土體的內聚力。

水解作用。水解作用是地下水與巖土體（實質上是巖土物質中的離子）之間發生的一種反應，該反應一方面改變著地下水的PH值，另一方面也使巖土體物質發生改變，從而影響巖土體的力學性質。

氧化還原作用。氧化還原作用是一個電子從轉移到另一個原子的化學反應。地下水和巖土體之間常發生的氧化過程有：硫化物的氧化過程產生Fe2O3和H2SO4，碳酸鹽巖的溶蝕產生了CO2。地下水與巖土體之間發生的氧化還原作用，既改變著巖土體中的礦物組成，又改變著地下水的化學組分及侵蝕性，從而影響巖土體的力學性質。

以上地下水對巖土體產生的各種化學作用大多是同時發生的，一般地說化學作用進行的速度很慢。地下水對巖土體產生的化學作用主要是改變巖土體的礦物組成，改變其結構性而影響巖土體的力學性能。

1.3 地下水對巖體的力學作用0

巖石中的自由水不受礦物表面吸著力控制，其運動主要受重力作用控制，它對巖石力學性質的影響主要表現在孔隙水壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。

地下水對巖體的力學作用主要通過孔隙靜水壓力和孔隙動水壓力作用對巖體的力學性質施加影響。前者減小巖體的有效應力而降低巖體的強度；后者對巖體產生切向的推力以降低巖體的抗剪強度。孔隙和微裂隙中含有重力水的巖石突然受載而水來不及排出時，巖石孔隙或裂隙中將產生高孔隙水壓，減小了顆粒之間的壓應力，從而降低了巖石的抗剪強度，甚至使巖石的微裂隙端部處于受拉狀態從而破壞巖石的連結。地下水在松散破碎巖體及軟弱夾層中運動時對土顆粒施加一體積力，可將巖石中可溶物質溶解帶走，在孔隙動水壓力的作用下可使巖體中的細顆粒物質產生移動，甚至被攜出巖體之外，從而使巖石強度大為降低，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，極易出現溶蝕作用，當水力梯度很大時，對于孔隙度大，連結差的巖石易產生潛蝕作用；在巖體裂隙或斷層中的地下水對裂隙壁施加兩種力，一是垂直于裂隙壁的空隙靜水壓力（面力），該力使裂隙產生垂向變形；二是平行于裂隙壁的空隙動水壓力（面力），該力使裂隙產生切向變形。具體同時還應當指出，除了上述幾種作用外，還有一些作用值得我們去研究，如日本學者中龍之進等人的實驗研究發現了磨光了的花崗巖表面濕潤狀態時比干燥狀態時內摩擦角高的罕見現象。此外，還曾發現，當正應力增加到一定數值時，沿濕潤狀態的花崗巖磨光面進行剪切，會發生劇烈的粘滑。對于上述現象，目前還不能充分合理地闡明它們的機制。

2 工程實例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，其情況就錯綜復雜，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，而且可精細地識別水在巖體中多方面的具體影響。為此，我們以實例開道，以便得到真實的啟示。

實例一――平莊西露天煤礦。它的第16次滑坡，滑體長395m，寬181m，高41m。滑坡體積為4.212×105m3，主要巖性為砂頁巖和頁巖，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，形成一條長約300m的積水區，它浸泡著軟弱巖層。采用SARMA法進行穩定性演算時，在有水的情況下，其安全系數為K=1.15～1.21；如邊坡處于疏干狀態時，其安全系數為K=1.50～1.56。

實例二――哈密三道嶺露天礦。侏羅紀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；浸水后不久發出“絲絲”的聲音，2小時內即崩解成糊狀，實質上是泥化，就談不上有太大的強度。顯而易見，有些巖石對水的敏感性很強，像這樣的情況，在煤系地層中屢見不鮮。

3 結論

通過上述實例以及大量工程實際表明，水對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、化學及力學性質，另一方面也改變著地下水的物理、力學性質及化學組分，有時對巖石的破壞起著決定性的作用，所以，重視地下水滲流對巖體力學性質的影響的研究是很有意義的。

巖體力學論文:離散單元法在巖體力學中的應用

摘要：巖體是一種地質材料，巖體的力學性質具有各向異性，高度非均質，不連續性等特點。為了解決工程中遇到的巖體力學問題，數值模擬是巖體力學中常用的手段。由于巖體中存在大量節理面，基于非連續介質理論的離散單元法更加適合于巖體力學。本文主要介紹了離散元法塊體元的基本原理，以及其在巖石力學中應用范圍和應用過程中的典型問題。，提出一些個人見解。

關鍵詞：離散元，非連續介質，巖體力學，數值模擬

一．引言

當前，我國正處在一個基礎建設的繁盛時期，在水利水電，核電，礦山，隧道，地下工程等各領域都會遇到地質環境復雜的巖石力學問題。為了解決工程中遇到的問題，對于巖體的力學性質有一個較為的把握，數值模擬是一個廣泛應用的方法。

巖土力學中常用的數值計算方法可以分為兩大類。一類基于連續介質的理論。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，應用極為廣泛。連續介質方法對于處理斷層、節理、裂隙這樣的不連續結構面具有一定的局限性，只能處理為數不多的不連續結構面，例如，在有限元中，巖體中的節理被看作是特殊的節理單元[2]；在有限差分中，巖體中的節理被看作滑移面；在有限元與邊界元的耦合中，巖體中的節理被看作是邊界面單元。在這些方法中，對于節理的處理都是小數量、小位移的，因此，對多結構面的不連續介質不適合用連續介質方法模擬，而應采用非連續介質方法進行模擬。于是離散單元法應運而生。

離散單元法是Cundall 于1971年提出的[3]。該法將結構面切割的巖體視為復雜的塊體的集合體，允許各個塊體平移或者轉動，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點，塊和塊之間的相互作用在角和面上有接觸，角點可以有較大的位移。在某些情況下如滑坡或冒頂時，巖塊可以滑動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中的應用。

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、節理、裂隙等結構面切割而成的一個個剛性或者可變形塊體，塊體與塊體之間通過角、面或者邊進行接觸，塊體可以平移、轉動或者變形，節理面可以被壓縮、分離、滑動，所有塊體鑲嵌排列，在某一時刻當給定塊體一個外力或者邊界位移約束，各個塊體在外界的干擾下就會產生力和力矩的作用，由牛頓第二定律可以得到各個塊體的加速度，然后對時間進行積分，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發生調整，這樣又會產生力和力矩的作用，如此循環，直到所有塊體達到一種平衡狀態或者處于某種運動狀態之下。因此，離散單元法比較適合于模擬節理系統在準靜態或者動態下的變形過程。

2.基本方程[4]：

從力學分析角度上離散元對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控制，按圍繞各剛性塊體形心的力平衡和力矩平衡來滿足。

a.運動方程：每一個單元在任意時刻都應當滿足牛頓第二定律

b.本構方程：從材料本構關系上看，離散元法避開了復雜的本構關系推導，采用在剛性塊體間設置不同種類彈簧和阻尼(法向剛度和阻尼、切向剛度和阻尼)來反映材料的應力-位移關系。

c.幾何方程：相對于有限元，從幾何方程上看，各剛性塊體間不再位移連續，而是允許大變形和斷裂分開，可以模擬巖體不連續結構面的滑移與開裂。其位移聯系為剛性塊體間各接觸點的相對速度關系。

在塊體離散元中，假設塊體為剛體，這樣單元間法向和切向的相對位移的大小就反映了材料的變形和相互作用，這反映了材料在發生變形情況下的幾何關系。巖體應力水平較低的情況下，這種假設是合理的。

上述的運動方程、本構方程以及幾何方程構成了離散元法的基本方程。對于材料的塑性和破壞可以通過單元間連接元件進行模擬, 即可以用單元間彈簧的斷裂來模擬材料的局部破壞或通過限制彈簧的變形和改變彈簧剛度來模擬材料的塑性行為[4]。

三．適用范圍

歸納起來，離散單元法適用于節理巖體的應力分析，其適用范圍為[1]：采礦工程、露天和地下的開挖設計、地震工程、隧道工程、地下核廢料處理系統

四．發展趨勢

離散單元計算方法仍屬于“發展中”方法，該方法在工程中應用遠不如有限單元法等方法廣泛。從前面所述典型問題可以看出，離散單元法若想在巖體力學中推廣應用，還有很多問題需要解決。

1.離散元理論的研究

從總體上來看,利用離散元法計算工程問題的應用文章占絕大多數, 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密性的先天不足。有人說離散元法是經驗計算。理論基礎的欠缺在塊體元模型中尤為明顯, 運動、受力、變形這三大要素都有假設或者簡化[4]。離散元理論和算法有待于進一步研究。

接觸力學模型與塊體力學計算結果有直接聯系，在離散元中，塊體之間的接觸是通過彈簧來實現的.目前廣泛采用的彈簧方法還不能滿足計算精度的要求，且人為因素多。建立更切合實際、人為干擾因素少或沒有的接觸力學模型也是今后研究的一個重要內容。

節理的確定也是經過統計分析處理的，這也是不真實的，在這些假定前提下，模擬的結果有可能偏離實際很大，因此，如何合理地確定離散元中相關參數，如何盡可能地反應真實節理在巖體中的位置和作用，這些都需要理論上的完善。

加強離散元相關理論的研究，可以保持其在模擬散體介質整體力學行為和力學演化方面的優勢，可以有效地反應模擬介質地應力和應變狀態，使其建立的模型滿足幾何、物理、受力和過程仿真的原則。另外，還應加強數值模擬結果與試驗結果的比較。從中尋找離散元方法的不足，對其有針對性地進行改進。

2.與其它數值方法的耦合

有限元法、邊界元法等數值方法基于連續性假設適合于解決連續介質問題, 而離散單元法適合于界面弱連接的非連續介質問題或連續體到非連續體轉化的材料損傷破壞問題。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地結合起來, 便能充分發揮各自的長處, 可以極大地擴大該數值方法的范圍。對于離散元和有限元等其他數值方法的耦合計算問題，已經有很多人進行了研究探索。離散元能否與其他數值方法如無網格方法等新興算法進行耦合也是一個有價值的嘗試。

3.多相多場耦合

隨著淺部資源的逐漸減少和枯竭,礦產資源地下開采的深度越來越大。同時,地下工程建設如復雜地質條件下的核廢物料堆放、地下水電站、地下廠房等的建設及深部豐富地熱資源的開發利用,迫切需要展開對深部巖體力學問題的研究。由于深部巖體多處于高地應力、高溫度和高滲透壓即多場、多相介質耦合作用,因此,深部多相介質、多場耦合作用及其災害發生機理與防治成為當前研究的重點之一。由于該問題的復雜性和非線性,有學者認為離散元法將成為解決深部復雜節理巖體中多相多場耦合作用問題的一種有效工具。

五．存在問題

1.在塊體離散元中，依據節理、斷層等結構面將巖體切割成單元。要想真實反映巖體的地質特征，就要有詳細的統計資料（節理的走向、傾向、傾角、間距等），然而實際中要詳細的統計這些地質資料，工作量是巨大的。實際中對節理幾何信息的簡化處理，可能導致誤差。這是一個問題。

2.在離散元中，對于塊體有不同的假設方法。1種方法是把結構面切割的塊體處理成剛體，變形和破壞只沿結構面發生；還有方法把塊體假設為可變形體，巖塊、結構面同時可以發生不連續的變形和破壞。具體選擇應視所面對的問題而定。比如如果研究對象是地表或近地表工程的塊體穩定問題，在堅硬巖石條件下，如果巖石的變形相對結構面的變形可以忽略，塊體可以處理成剛體，就沒有必要太多地考究塊體的力學參數，重點應該分析結構面的變形和強度特征。而若是在高地應力條件下，巖塊變形不能忽視，再假設巖塊為剛體就有問題了。

3.無論是離散單元法，還是有限元，邊界元，有限差分都是很好的工具。針對不同的情況，要選擇不同的工具。比如，假如受小型結構面切割的大面積塊體可以處理成連續介質，巖塊的變形處于主要地位，結構面的變形處于次要地位，就可以應用有限元方法來模擬。

在巖土力學中，應用數值方法計算十分普遍。然而在實際工程中，數值模擬的結果指導工程實踐的作用還很有限，很多情況下，還是依靠工程人員的經驗來解決工程問題。究其原因，往往問題不在數值方法本身。巖體參數的合理選擇是很大的問題。