巖石力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用巖石力學(xué)作為一門(mén)研究巖石在各種力場(chǎng)作用下力學(xué)行為及其工程響應(yīng)的學(xué)科，其理論與實(shí)踐貫穿于資源開(kāi)發(fā)、能源工程、土木工程、水利水電等多個(gè)領(lǐng)域。深入理解巖石的基本力學(xué)特性，掌握其在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，對(duì)于保障工程安全、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提高施工效率具有不可替代的作用。本文將從巖石力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，系統(tǒng)闡述其核心概念、主要理論及工程應(yīng)用要點(diǎn)。一、巖石力學(xué)的基本認(rèn)知巖石力學(xué)的研究對(duì)象是自然界中的巖石及其在工程擾動(dòng)下的力學(xué)表現(xiàn)。與其他材料力學(xué)不同，巖石具有天然形成的復(fù)雜性、非均質(zhì)性和各向異性，其力學(xué)性質(zhì)不僅取決于礦物成分與結(jié)構(gòu)，還受到地質(zhì)構(gòu)造、賦存環(huán)境（應(yīng)力、溫度、地下水）等多因素的綜合影響。因此，巖石力學(xué)的研究需結(jié)合地質(zhì)學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與理論分析相結(jié)合的方法，揭示巖石的變形破壞機(jī)制與工程失穩(wěn)規(guī)律。（一）巖石的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特征巖石由礦物顆?；驇r屑通過(guò)膠結(jié)物連接而成，其結(jié)構(gòu)可分為宏觀結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)。宏觀上，巖石中存在的節(jié)理、裂隙、斷層等不連續(xù)面，是控制其力學(xué)行為的關(guān)鍵因素；微觀上，礦物顆粒的排列方式、晶粒大小及膠結(jié)程度，決定了巖石的基本物理力學(xué)屬性。例如，花崗巖因結(jié)晶顆粒粗大、結(jié)構(gòu)致密，通常表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度；而頁(yè)巖因?qū)永戆l(fā)育，其力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)明顯的各向異性。（二）巖石力學(xué)的研究范疇?zhēng)r石力學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)層面：一是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，如密度、孔隙率、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等基礎(chǔ)參數(shù)的測(cè)定；二是巖石在荷載作用下的變形與強(qiáng)度理論，涉及彈性、塑性、粘性及損傷力學(xué)等分析方法；三是工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，即結(jié)合具體工程條件，預(yù)測(cè)巖體在開(kāi)挖、支護(hù)等過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。二、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其測(cè)試結(jié)果直接影響工程方案的安全性與經(jīng)濟(jì)性。以下從物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)兩方面進(jìn)行闡述。（一）基本物理性質(zhì)1.密度與孔隙率密度反映巖石的密實(shí)程度，孔隙率則表征巖石內(nèi)部孔隙與裂隙的發(fā)育程度?？紫堵试礁?，巖石的強(qiáng)度通常越低，滲透性越好。例如，砂巖的孔隙率一般高于花崗巖，其力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低。2.吸水性與滲透性巖石的吸水性指其在水中吸收水分的能力，常用吸水率表示；滲透性則描述流體在巖石中流動(dòng)的難易程度。地下水的存在不僅會(huì)降低巖石的強(qiáng)度（軟化效應(yīng)），還可能通過(guò)孔隙水壓力改變巖體的應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)工程災(zāi)害（如滑坡、突水）。（二）主要力學(xué)性質(zhì)1.變形特性巖石在荷載作用下的變形可分為彈性變形、塑性變形與粘性變形。彈性變形在荷載卸除后可恢復(fù)，塑性變形則不可恢復(fù)，粘性變形與時(shí)間相關(guān)（如蠕變）。通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)可獲得巖石的彈性模量、泊松比等參數(shù)，用于工程變形計(jì)算。2.強(qiáng)度特性強(qiáng)度是巖石抵抗破壞的能力，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度。其中，抗壓強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度最低（通常僅為抗壓強(qiáng)度的十分之一左右），這也是巖石工程中拉伸破壞（如巖梁彎曲斷裂）較常見(jiàn)的原因?？辜魪?qiáng)度則與巖體的穩(wěn)定性密切相關(guān)，如邊坡滑動(dòng)、巷道片幫等失穩(wěn)模式均與剪切破壞有關(guān)。3.流變特性巖石的流變特性指其變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為蠕變與松弛。在長(zhǎng)期荷載作用下，即使應(yīng)力未達(dá)到瞬時(shí)強(qiáng)度，巖石也可能因累積變形而發(fā)生破壞，這一特性在軟巖工程（如鹽巖、泥巖）中尤為突出，需在設(shè)計(jì)中考慮時(shí)間效應(yīng)的影響。三、巖石力學(xué)的核心理論與分析方法巖石力學(xué)的理論體系建立在經(jīng)典力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合巖體的不連續(xù)性與各向異性特點(diǎn)，形成了多種分析模型。（一）強(qiáng)度理論強(qiáng)度理論用于判斷巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否發(fā)生破壞，常用的理論包括：莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論：基于剪切破壞準(zhǔn)則，認(rèn)為巖石的破壞是由于剪應(yīng)力達(dá)到某一極限值，同時(shí)考慮正應(yīng)力對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，廣泛應(yīng)用于巖土工程穩(wěn)定性分析。格里菲斯強(qiáng)度理論：從微觀裂隙擴(kuò)展角度出發(fā)，認(rèn)為巖石的破壞源于內(nèi)部微裂紋尖端的應(yīng)力集中，適用于解釋脆性巖石的拉伸破壞現(xiàn)象。Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則：專門(mén)針對(duì)節(jié)理巖體的經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度公式，通過(guò)引入地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）來(lái)反映巖體結(jié)構(gòu)與完整性對(duì)強(qiáng)度的影響，在隧道工程、邊坡工程中應(yīng)用廣泛。（二）數(shù)值模擬方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為巖石力學(xué)研究的重要手段。常用的數(shù)值方法包括：有限元法（FEM）：適用于連續(xù)介質(zhì)的變形與應(yīng)力分析，可模擬巖石的彈性、塑性及損傷過(guò)程。離散元法（DEM）：通過(guò)模擬巖體中顆?；驂K體的接觸與運(yùn)動(dòng)，揭示節(jié)理巖體的破壞機(jī)制，在模擬巖爆、塌方等動(dòng)態(tài)失穩(wěn)問(wèn)題中具有優(yōu)勢(shì)。邊界元法（BEM）：僅需離散計(jì)算域邊界，計(jì)算效率高，適用于無(wú)限域或半無(wú)限域問(wèn)題（如地基與邊坡分析）。四、巖石力學(xué)的工程應(yīng)用巖石力學(xué)的理論與方法已廣泛應(yīng)用于各類巖土工程，其核心目標(biāo)是保障工程巖體的穩(wěn)定性。以下結(jié)合典型工程領(lǐng)域進(jìn)行說(shuō)明。（一）采礦工程在地下采礦中，巖石力學(xué)主要用于巷道與采場(chǎng)的穩(wěn)定性分析。例如，煤礦開(kāi)采中需根據(jù)煤層頂板的巖性與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方案（如錨桿、錨索支護(hù)），防止頂板垮落；金屬礦開(kāi)采則需考慮采空區(qū)圍巖的應(yīng)力分布，避免大規(guī)模巖移與地表塌陷。（二）土木工程與地下工程1.隧道與地下洞室隧道開(kāi)挖會(huì)引起周圍巖體的應(yīng)力重分布，可能導(dǎo)致巖爆、塌方等災(zāi)害。通過(guò)巖石力學(xué)分析，可優(yōu)化開(kāi)挖方法（如分步開(kāi)挖）與支護(hù)參數(shù)，確保施工安全。例如，在高地應(yīng)力區(qū)域的隧道設(shè)計(jì)中，常采用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)（如噴射混凝土+錨桿）以適應(yīng)巖體的變形。2.邊坡工程水利樞紐、露天礦邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是巖石力學(xué)的重要應(yīng)用方向。通過(guò)分析邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、軟弱夾層分布及地下水作用，采用極限平衡法或數(shù)值模擬預(yù)測(cè)邊坡的潛在滑動(dòng)模式，進(jìn)而制定加固措施（如抗滑樁、錨索格構(gòu)）。（三）能源與資源開(kāi)發(fā)工程1.油氣與頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)在頁(yè)巖氣開(kāi)采中，水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用依賴于巖石力學(xué)參數(shù)的精確測(cè)定。通過(guò)計(jì)算原地應(yīng)力、巖石脆性指數(shù)等，優(yōu)化壓裂液用量與排量，提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育程度，從而提升產(chǎn)氣效率。2.地?zé)峁こ痰責(zé)豳Y源開(kāi)發(fā)中，高溫高壓環(huán)境下的巖石力學(xué)特性（如熱膨脹、熱損傷）是關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。需評(píng)估熱儲(chǔ)層巖體在長(zhǎng)期熱循環(huán)作用下的穩(wěn)定性，防止井壁坍塌與熱流體泄漏。五、巖石力學(xué)研究的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)盡管巖石力學(xué)已形成較完善的理論體系，但面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件與工程需求，仍面臨諸多挑戰(zhàn)：一是天然巖體的非均質(zhì)性與各向異性難以精確表征；二是工程擾動(dòng)下巖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（如沖擊地壓、強(qiáng)震作用）機(jī)制尚不明確；三是多場(chǎng)耦合（應(yīng)力-滲流-溫度-化學(xué)）問(wèn)題的理論建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難度較大。未來(lái)，巖石力學(xué)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：1.精細(xì)化測(cè)試技術(shù)：開(kāi)發(fā)高精度的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（如光纖傳感、微震監(jiān)測(cè)），實(shí)現(xiàn)巖體力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取。2.智能化分析方法：結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)模型與工程穩(wěn)定性智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)。3.多場(chǎng)耦合理論深化：完善考慮化學(xué)腐蝕、微生物作用等因素的多場(chǎng)耦合力學(xué)模型，為深部資源開(kāi)發(fā)與核廢料處置等復(fù)雜工程提供理論支撐。六、結(jié)語(yǔ)巖石力學(xué)作為連接地質(zhì)學(xué)與工程實(shí)踐的橋梁，其理論與技術(shù)的進(jìn)步直接推動(dòng)著巖土工程的發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，需始終堅(jiān)持“從巖體中來(lái)，到巖體中去”的原則，即基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合工程特點(diǎn)選擇適宜的分析方法，避免理論與實(shí)踐脫節(jié)。同時(shí)，工程師應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到巖石力學(xué)