巖石力學(xué)的前景

1、巖石力學(xué)的發(fā)展1巖土工程失穩(wěn)的分叉和混沌研究巖土工程失穩(wěn)的研究是巖石力學(xué)研究的難點(diǎn)之一，雖然我國在研究巖土工程的穩(wěn)定性方面已有許多成功的實(shí)例，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論上的認(rèn)識，然而，隨著巖土工程的迅速發(fā)展和研究工作的不斷深入，人們?nèi)匀话l(fā)現(xiàn)了許多傳統(tǒng)理論難以解釋的現(xiàn)象和難以解決的困難，這些問題從理論到實(shí)踐均尚未徹底解決。例如，巖土工程失穩(wěn)與破壞的多樣性，非唯一性和隨機(jī)性;理論模型的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際相差很大;某些成功的實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)難以推廣等等。事實(shí)上, 巖土工程失穩(wěn)是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，通常伴隨著變形的非均勻性、非線性和大位移等特點(diǎn)，是一個高度非線性科學(xué)問題，迫使人們必須解決巖石材料穩(wěn)定性與唯一

2、性問題。因此，巖土工程失穩(wěn)的研究要取得突破性進(jìn)展，迫切需要引進(jìn)非線性科學(xué)研究的原理與方法。近年來，有關(guān)巖石破壞、失穩(wěn)的分叉與混沌研究，分叉和混沌理論在固體材料與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析的應(yīng)用不僅為在巖土力學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為巖土工程失穩(wěn)分析提供了全新的理論與方法。根據(jù)分叉和混沌理論， 巖土工程失穩(wěn)是一種分叉混沌現(xiàn)象，當(dāng)載荷達(dá)到某臨界點(diǎn)時，巖土工程系統(tǒng)的力學(xué)平衡控制微分方程的解不唯一;超過該臨界點(diǎn)后，可能出現(xiàn)多種分叉和混沌解。其結(jié)果與邊界條件、初始缺陷、幾何條件以及應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。如果出現(xiàn)不穩(wěn)定的解,則巖土工程就會出現(xiàn)局部剪切帶和裂隙帶破壞與失穩(wěn)或發(fā)生大變形屈服失穩(wěn)。此時臨界點(diǎn)就是極限載荷點(diǎn)。應(yīng)用分

3、叉和混沌理論不僅能正確解釋巖土工程失穩(wěn)與破壞形式的多樣性和非唯一性，而且還可以解釋對初始條件及其敏感的隨機(jī)性，即所謂的混沌現(xiàn)象，為巖土工程失穩(wěn)預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。2巖石計(jì)算力學(xué)的研究隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，巖石計(jì)算力學(xué)也得到迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了有限元、邊界元、離散元、剛體元、無限元、有限差分、微分流形法等數(shù)值模擬技術(shù)， 促進(jìn)了巖石力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，在巖土工程非線性分析中顯現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢，能處理許多傳統(tǒng)理論無能為力的工程問題，已成為方便、經(jīng)濟(jì)的分析工具和手段。巖石計(jì)算力學(xué)今后的研究與發(fā)展方向是：(1)巖石與巖土工程中非線性科學(xué)問題的數(shù)值分析，尤其是巖石與巖體破壞與失穩(wěn)的分叉、混沌數(shù)值模擬；(2)開展巖

4、石計(jì)算細(xì)觀力學(xué)的研究，模擬基于細(xì)觀分析的巖石變形、損傷、局部化至破壞與失穩(wěn)的過程；(3)研究高效數(shù)值計(jì)算方法與并行計(jì)算技術(shù)，開發(fā)新的數(shù)值模擬方法，包括巖土工程非線性大變形數(shù)值模擬；4)巖石數(shù)值計(jì)算的可視化方法研究，進(jìn)行巖土工程的計(jì)算機(jī)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以此達(dá)到生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工方案的優(yōu)化。3.巖石力學(xué)現(xiàn)狀3.1巖石力學(xué)的發(fā)展必須與工程實(shí)踐相結(jié)合對于這一個看來簡單的問題, 長期以來沒有得到很好的解決。主要表現(xiàn)之一是: 將現(xiàn)有國際學(xué)會名稱改為“國際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會”的動議, 一直存在爭論，直到今年才獲得共識, 予以通過。值得慶幸的是, 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會，從成立之時起, 就加上“工程”

5、兩字，始終堅(jiān)持了正確的發(fā)展方向。3.2Internet帶來巨大沖擊未來的21世紀(jì)是信息社會, Internet是未來信息高速公路的雛型。目前全球已有150多個國家參予聯(lián)網(wǎng), 用戶達(dá)7 000多萬。預(yù)計(jì)到2 000年用戶將超過5億。Internet浪潮已經(jīng)給人類社會帶來大沖擊，在巖石力學(xué)領(lǐng)域也不例外。國際巖石力學(xué)學(xué)會已進(jìn)入了Internet系統(tǒng), 并要求各成員國充分利用Internet資源進(jìn)行更加快速、廣泛的信息交流。3.3把環(huán)境保護(hù)放在重要地位地球環(huán)境日益惡化已成為世界性危機(jī)，世界都為創(chuàng)造一個良好的生存環(huán)境而努力。在這個大前提下，巖土工程建設(shè)絕非一個單純技術(shù)問題，而是一項(xiàng)涉及到自然 經(jīng)濟(jì)社會的

6、復(fù)雜系統(tǒng)工程，必須從全國、以至全球的角度來考慮問題, 進(jìn)行多學(xué)科的綜合研究。與之有關(guān)的主要內(nèi)容是： 國土的合理開發(fā)與綜合整治； 地震、滑坡災(zāi)害的預(yù)測與防治； 地下水、地表水污染及地面沉降； 大壩、隧道、港口、高層建筑及城鄉(xiāng)建設(shè)對環(huán)境的影響； 城市垃圾及工業(yè)廢料處理； 采礦對環(huán)境的影響； 文物保護(hù)與修復(fù)。3.4放射性核廢料處理是舉世關(guān)注的難題目前, 全世界有30多個核能發(fā)電國家, 438座核電站。迄今為，人類一方面利用核能發(fā)電；另一方面還沒有任何國家找到安全、永久儲存核廢料的辦法?，F(xiàn)階段, 都力求利用深部巖石洞室(花崗巖、粘土巖、鹽巖等)做為永久儲存庫。但是水的滲流、放射性核素的遷移、人類的活動

7、等均可能導(dǎo)致核泄漏。致使絕大部分發(fā)達(dá)國家停止興建新的核電站,有的甚至立法不允許修建核電站。核廢料處理已成為舉世關(guān)注的巖石力學(xué)難題。除本國研究外，還廣泛進(jìn)行多國合作。研究內(nèi)容涉及地球物理、地球化學(xué)以及熱力學(xué)、流體力學(xué)、巖土力學(xué)的耦合及流變效應(yīng)。所考慮的時間為一萬年甚至更長。3.5研究重點(diǎn)日益轉(zhuǎn)向地下在土地退化、人口爆炸、資源短缺、環(huán)境惡化、人類賴以生存的地球已不堪重負(fù)的嚴(yán)峻情況下，各國除采取綜合性的政治、經(jīng)濟(jì)措施外，都日益重視地下空間和地下工程的開發(fā)利用。認(rèn)為“ 19世紀(jì)是橋的世紀(jì)； 20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)；未來的21世紀(jì)則是人類開發(fā)利用地下空間的世紀(jì)”。地下空間將作為新型國土資源造福于人類，

8、并從總體上稱為“地下工業(yè)”。美國、日本等已建起地下城市。日本還計(jì)劃在市中心地下50 150 m處修建地下飛機(jī)場作為城市交通樞紐。估計(jì)到21世紀(jì)末將有1 /3的人穴居地下。此外，在占地球2 /3面積的海洋下面，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源, 將成為21世紀(jì)的地下開發(fā)重點(diǎn)。3.6在巖土工程領(lǐng)域值得注意的新技術(shù)最新技術(shù)有：(1)充分利用3S系統(tǒng)，所謂3S系統(tǒng)是指地球科學(xué)信息系統(tǒng)( GSIS)、遙感系統(tǒng)( RSS)及全球定位系統(tǒng)( GPS)。3S系統(tǒng)不但可用于宏觀決策，而且可用于解決一些具體技術(shù)問題。如GPS系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于滑坡原位監(jiān)測, 其垂直變位精度可達(dá)5 mm, 水平變位精度達(dá)2 mm。(2)在地下工

9、程建設(shè)中優(yōu)先采用掘進(jìn)機(jī)，在各國競相修筑長大隧道的過程中，優(yōu)先采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)( TBM)已成為總的發(fā)展趨勢。TBM具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)(從總體看)、有利于環(huán)境與勞動力保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。不足之處在于對地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。近代掘進(jìn)機(jī)最大的特點(diǎn)是廣泛使用電子技術(shù)對全部作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)和控制，使工作條件始終處于最佳狀態(tài)。當(dāng)前, 最佳日進(jìn)展可達(dá)144 m。為達(dá)到快速開挖的目的，地球物理CT超前勘探技術(shù)已得到成功的應(yīng)用。(3)微型隧道技術(shù)發(fā)展迅速，微型隧道是一種小型隧道暗挖技術(shù)。開挖直徑約為25 300 cm, 一次開挖長度可達(dá)600 m, 能適應(yīng)各種地質(zhì)條件。最主要的特點(diǎn)是可在鬧市區(qū)或?qū)Νh(huán)境要求極為嚴(yán)格

10、的地區(qū)，如高層建筑下、名勝古跡下、河道下安設(shè)管道。具有快速、精確、經(jīng)濟(jì)、安全的特點(diǎn), 且可完全采用遙測、遙控自動化操作。近年來該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展極為迅速, 僅在日本就有3 000多家企業(yè)從事微型隧道的開挖和管道鋪設(shè)。(4) 熱干巖發(fā)電技術(shù)日益到重視，開發(fā)利用高溫?zé)岣蓭r的熱能來發(fā)電已成為人們尋找新能源的重要途徑。近年來，日本、美國、法國、德國等都在試驗(yàn)利用地下2 000 4 000 m的熱干巖來發(fā)電。這是世界上最干凈的能源，其能量相當(dāng)于地球全部石油、天然氣和煤炭蘊(yùn)藏量的30倍。(5)其它新理論、新方法，近年來，在巖石力學(xué)領(lǐng)域?qū)W科交叉、滲透日益廣泛, 許多新理論、新方法都不斷得到應(yīng)用，尤其是分形幾何、隨

11、機(jī)分析、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、人工智能、突變論、信息論、耗散結(jié)構(gòu)理論等發(fā)展都很迅速。4結(jié)論巖土工程的建設(shè)給巖石力學(xué)研究提出了許多挑戰(zhàn)性的課題，同時也給巖石力學(xué)學(xué)科的發(fā)展帶來了數(shù)不清的機(jī)遇，相鄰基礎(chǔ)學(xué)科最新成果為巖石力學(xué)的發(fā)展注入了新的生機(jī)與活力，未來巖石力學(xué)的研究也必將在不斷的與數(shù)學(xué)、力學(xué)等學(xué)科的交叉融合中，使巖石力學(xué)理論研究水平得到不斷的提高和完善，為解決重大巖土工程面臨的問題提供強(qiáng)有力的理論工具。巖土工程失穩(wěn)的研究是巖石力學(xué)研究的難點(diǎn)之一，雖然我國在研究巖土工程的穩(wěn)定性方面已有許多成功的實(shí)例，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論上的認(rèn)識，然而，隨著巖土工程的迅速發(fā)展和研究工作的不斷深入，人們

12、仍然發(fā)現(xiàn)了許多傳統(tǒng)理論難以解釋的現(xiàn)象和難以解決的困難，這些問題從理論到實(shí)踐均尚未徹底解決。例如，巖土工程失穩(wěn)與破壞的多樣性，非唯一性和隨機(jī)性;理論模型的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際相差很大;某些成功的實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)難以推廣等等。事實(shí)上, 巖土工程失穩(wěn)是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，通常伴隨著變形的非均勻性、非線性和大位移等特點(diǎn)，是一個高度非線性科學(xué)問題，迫使人們必須解決巖石材料穩(wěn)定性與唯一性問題。因此，巖土工程失穩(wěn)的研究要取得突破性進(jìn)展，迫切需要引進(jìn)非線性科學(xué)研究的原理與方法。近年來，有關(guān)巖石破壞、失穩(wěn)的分叉與混沌研究，分叉和混沌理論在固體材料與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析的應(yīng)用不僅為在巖土力學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為巖土工程失穩(wěn)分

13、析提供了全新的理論與方法。根據(jù)分叉和混沌理論， 巖土工程失穩(wěn)是一種分叉混沌現(xiàn)象，當(dāng)載荷達(dá)到某臨界點(diǎn)時，巖土工程系統(tǒng)的力學(xué)平衡控制微分方程的解不唯一;超過該臨界點(diǎn)后，可能出現(xiàn)多種分叉和混沌解。其結(jié)果與邊界條件、初始缺陷、幾何條件以及應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。如果出現(xiàn)不穩(wěn)定的解,則巖土工程就會出現(xiàn)局部剪切帶和裂隙帶破壞與失穩(wěn)或發(fā)生大變形屈服失穩(wěn)。此時臨界點(diǎn)就是極限載荷點(diǎn)。應(yīng)用分叉和混沌理論不僅能正確解釋巖土工程失穩(wěn)與破壞形式的多樣性和非唯一性，而且還可以解釋對初始條件及其敏感的隨機(jī)性，即所謂的混沌現(xiàn)象，為巖土工程失穩(wěn)預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。2巖石計(jì)算力學(xué)的研究隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，巖石計(jì)算力學(xué)也得到迅速的發(fā)

14、展，出現(xiàn)了有限元、邊界元、離散元、剛體元、無限元、有限差分、微分流形法等數(shù)值模擬技術(shù)， 促進(jìn)了巖石力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，在巖土工程非線性分析中顯現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢，能處理許多傳統(tǒng)理論無能為力的工程問題，已成為方便、經(jīng)濟(jì)的分析工具和手段。巖石計(jì)算力學(xué)今后的研究與發(fā)展方向是：(1)巖石與巖土工程中非線性科學(xué)問題的數(shù)值分析，尤其是巖石與巖體破壞與失穩(wěn)的分叉、混沌數(shù)值模擬；(2)開展巖石計(jì)算細(xì)觀力學(xué)的研究，模擬基于細(xì)觀分析的巖石變形、損傷、局部化至破壞與失穩(wěn)的過程；(3)研究高效數(shù)值計(jì)算方法與并行計(jì)算技術(shù)，開發(fā)新的數(shù)值模擬方法，包括巖土工程非線性大變形數(shù)值模擬；4)巖石數(shù)值計(jì)算的可視化方法研究，進(jìn)行巖土工程的計(jì)算

15、機(jī)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以此達(dá)到生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工方案的優(yōu)化。3.巖石力學(xué)現(xiàn)狀3.1巖石力學(xué)的發(fā)展必須與工程實(shí)踐相結(jié)合對于這一個看來簡單的問題, 長期以來沒有得到很好的解決。主要表現(xiàn)之一是: 將現(xiàn)有國際學(xué)會名稱改為“國際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會”的動議, 一直存在爭論，直到今年才獲得共識, 予以通過。值得慶幸的是, 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會，從成立之時起, 就加上“工程”兩字，始終堅(jiān)持了正確的發(fā)展方向。3.2Internet帶來巨大沖擊未來的21世紀(jì)是信息社會, Internet是未來信息高速公路的雛型。目前全球已有150多個國家參予聯(lián)網(wǎng), 用戶達(dá)7 000多萬。預(yù)計(jì)到2 000年用戶將超過5億。I

16、nternet浪潮已經(jīng)給人類社會帶來大沖擊，在巖石力學(xué)領(lǐng)域也不例外。國際巖石力學(xué)學(xué)會已進(jìn)入了Internet系統(tǒng), 并要求各成員國充分利用Internet資源進(jìn)行更加快速、廣泛的信息交流。3.3把環(huán)境保護(hù)放在重要地位地球環(huán)境日益惡化已成為世界性危機(jī)，世界都為創(chuàng)造一個良好的生存環(huán)境而努力。在這個大前提下，巖土工程建設(shè)絕非一個單純技術(shù)問題，而是一項(xiàng)涉及到自然 經(jīng)濟(jì)社會的復(fù)雜系統(tǒng)工程，必須從全國、以至全球的角度來考慮問題, 進(jìn)行多學(xué)科的綜合研究。與之有關(guān)的主要內(nèi)容是： 國土的合理開發(fā)與綜合整治； 地震、滑坡災(zāi)害的預(yù)測與防治； 地下水、地表水污染及地面沉降； 大壩、隧道、港口、高層建筑及城鄉(xiāng)建設(shè)對環(huán)境

17、的影響； 城市垃圾及工業(yè)廢料處理； 采礦對環(huán)境的影響； 文物保護(hù)與修復(fù)。3.4放射性核廢料處理是舉世關(guān)注的難題目前, 全世界有30多個核能發(fā)電國家, 438座核電站。迄今為，人類一方面利用核能發(fā)電；另一方面還沒有任何國家找到安全、永久儲存核廢料的辦法?，F(xiàn)階段, 都力求利用深部巖石洞室(花崗巖、粘土巖、鹽巖等)做為永久儲存庫。但是水的滲流、放射性核素的遷移、人類的活動等均可能導(dǎo)致核泄漏。致使絕大部分發(fā)達(dá)國家停止興建新的核電站,有的甚至立法不允許修建核電站。核廢料處理已成為舉世關(guān)注的巖石力學(xué)難題。除本國研究外，還廣泛進(jìn)行多國合作。研究內(nèi)容涉及地球物理、地球化學(xué)以及熱力學(xué)、流體力學(xué)、巖土力學(xué)的耦合及

18、流變效應(yīng)。所考慮的時間為一萬年甚至更長。3.5研究重點(diǎn)日益轉(zhuǎn)向地下在土地退化、人口爆炸、資源短缺、環(huán)境惡化、人類賴以生存的地球已不堪重負(fù)的嚴(yán)峻情況下，各國除采取綜合性的政治、經(jīng)濟(jì)措施外，都日益重視地下空間和地下工程的開發(fā)利用。認(rèn)為“ 19世紀(jì)是橋的世紀(jì)； 20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)；未來的21世紀(jì)則是人類開發(fā)利用地下空間的世紀(jì)”。地下空間將作為新型國土資源造福于人類，并從總體上稱為“地下工業(yè)”。美國、日本等已建起地下城市。日本還計(jì)劃在市中心地下50 150 m處修建地下飛機(jī)場作為城市交通樞紐。估計(jì)到21世紀(jì)末將有1 /3的人穴居地下。此外，在占地球2 /3面積的海洋下面，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源,

19、將成為21世紀(jì)的地下開發(fā)重點(diǎn)。3.6在巖土工程領(lǐng)域值得注意的新技術(shù)最新技術(shù)有：(1)充分利用3S系統(tǒng)，所謂3S系統(tǒng)是指地球科學(xué)信息系統(tǒng)( GSIS)、遙感系統(tǒng)( RSS)及全球定位系統(tǒng)( GPS)。3S系統(tǒng)不但可用于宏觀決策，而且可用于解決一些具體技術(shù)問題。如GPS系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于滑坡原位監(jiān)測, 其垂直變位精度可達(dá)5 mm, 水平變位精度達(dá)2 mm。(2)在地下工程建設(shè)中優(yōu)先采用掘進(jìn)機(jī)，在各國競相修筑長大隧道的過程中，優(yōu)先采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)( TBM)已成為總的發(fā)展趨勢。TBM具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)(從總體看)、有利于環(huán)境與勞動力保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。不足之處在于對地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。近代掘進(jìn)機(jī)最大的特點(diǎn)是廣泛使用電子技術(shù)對全部作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)和控制，使工作條件始終處于最佳狀態(tài)。當(dāng)前, 最佳日進(jìn)展可