D4 · 出版卷 20
岩石力学基础
应力、强度、不连续面与破坏模式
学习目标
完成本课后，学习者应能够区分应力、应变、强度和变形；分开完整岩石、不连续面与岩体行为；解释尺度、各向异性和有效应力；识别基本破坏模式；把分类和数值模型视作依赖证据的工具；并提出带有可检验假设的岩石力学问题。
应力、面力与约定
应力描述材料内部单位面积上的力。在一点处用张量 \boldsymbol{\sigma} 表示；法向为 \mathbf{n} 的平面上的面力为 \mathbf{t}=\boldsymbol{\sigma}\mathbf{n}，可分解为法向与剪切分量。必须说明符号约定、坐标轴，以及数值是总应力还是有效应力。
初始应力来自重力、构造历史、地形、孔隙压力和材料差异。开挖会重分布应力，形成集中、卸载和旋转。一个标量“应力水平”无法描述方向相关响应；测量与模型只覆盖有限体积，必须经过解释。
应变、变形与刚度
应变描述相对变形。简单线弹性理想化用刚度把应力和应变联系起来，但实际岩石可能非线性、各向异性、裂隙化、时效化且受损。变形可恢复、永久或局部化；开口位移可能同时包含材料响应、构造运动和测量参考变化。
刚度不等于强度。刚而脆的材料可在小应变下破坏，较弱但延性的系统可容纳位移。设计问题往往同时涉及承载和位移相容性。仪器量程与锚固也要匹配预期机制。
完整岩石、不连续面与岩体
完整岩石试验描述在特定加载、含水、方向和速率下制备试样的表现，不能直接等同岩体强度。节理、层理、片理、断层、脉体和蚀变把岩体分成块体，并引入粗糙度、充填、延续性、张开度和水效应。取芯还可能优先回收强块而漏掉弱层。
建立从矿物和试件、块体、台阶或开口、台阶组直至矿山尺度的尺度阶梯，并说明各尺度由哪些观测支持。属性场可按域和方向变化。不能因为薄弱层体积占比小，就把一条持续弱层平均掉。
强度与破坏包络
强度取决于围压、应力路径、方向、水、加载速率和损伤。简化摩擦—黏聚表达可写为 \tau=c+\sigma_n'\tan\phi，其中 \sigma_n' 为有效法向应力。这只是已校准范围内的模型，不是材料永久身份。拉伸、剪切、压碎、屈曲和剥落需要不同证据。
峰值、残余强度和剪胀影响破坏后行为。脆性岩石的起裂和损伤可早于峰值；粗糙不连续面可能调动高峰值阻力，随后随位移降低。参数必须对应决策涉及的位移和约束水平。
有效应力与水耦合
流体压力会降低连通面的有效法向应力，改变抗剪、变形和裂隙张开。简化关系为 \boldsymbol{\sigma}'=\boldsymbol{\sigma}-\alpha p\mathbf{I}，并须声明系数与假设。压力快速变化、非完全排水和多相条件可能需要更复杂处理。
疏干可能提高有效强度，却也可能增加沉降、建立新梯度或改变应力路径；补给或排水受堵则可能抬高边坡或开口周围压力。因此，地质力学和水文地质模型需要共享域、时间步和监测。
构造与应力控制的破坏模式
构造控制模式包括在几何允许时发生的平面滑动、楔体释放、倾倒和块体坠落；弱材料可发生圆弧或复合岩体破坏。地下应力模式包括剥落、板裂、挤压、矿柱屈服和动态破裂。多个机制可相互作用，也可随开挖推进而改变。
运动学可行不等于稳定；没有测到出露面组也不能证明安全。延续性、岩桥、水、约束、爆破损伤和支护都会影响行为。证据不足以区分时，应保留多个破坏假设。
作为沟通工具的分类系统
岩体分类把选定观测组合成类别或指数。在校准语境内，它能组织数据、支持经验比较和改善沟通，却不能自动生成支护、边坡角或采场尺寸。不同系统对构造、强度、水和应力的权重不同。
保存基础观测和计算版本，而不只保存类别。记录填图尺度、方向偏差、缺失数据和调整。分类须与机制分析、监测和专业判断共同使用。
试验与参数选择
从模型和决定倒推试验计划。选择能代表各域的试样与方向，适用时保持含水状态，记录制备和破坏。现场填图、指标试验、实验室试验、孔内观测、应力测量和反分析具有不同支持与偏差。
参数选择是一项带血缘的推断。报告分布、空间赋值、尺度调整、相关性和边界。尽可能用未参与选参的观测进行校准检查。没有可辩护证据链的精确输入是假精度。
模型、敏感性与验证
解析、经验、极限平衡、非连续和连续介质模型回答不同问题。运行前定义几何、边界条件、本构、初始状态、开挖顺序和输出验收。数值收敛只说明算法求解了方程，不能验证地质或力学模型。
采用简单校核、极限情况、网格或块体敏感性、参数范围和替代机制。把预测位移、损伤、荷载或破坏位置与正确尺度和时间的监测响应比较。通过受控反分析更新假设，不强迫模型拟合。
合成算例
一个 12 m 宽合成地下开口穿过完整坚硬岩石，接近一条 1.5 m 宽蚀变剪切走廊。走廊外完整岩样强度高，但走廊内定向岩芯回收差。只用完整岩石强度的模型预测位移很小，而填图发现近于平行壁面的黏土涂层构造，测压管还显示较高压力。
复核保留两个机制：沿持续构造块体滑移，以及蚀变走廊内屈服。要求针对性填图、含水敏感试验、压力监测和开挖顺序评估。当前模型只适用于完整域，不能从强试样直接推定支护。
练习与力学记录
为一个合成开口画出应力路径、两组不连续面和水压力，提出两种合理破坏模式及区分它们的观测。力学记录应包含目的、域、尺度、坐标与符号约定、几何、初始状态、参数来源、模型形式、敏感性、验证证据、限制和复核权限。
合格记录绝不能把分类数值自动变成设计，也不能把完整岩石强度作为没有说明的岩体属性。
来源
- 矿业与地压垮落，美国国家职业安全卫生研究所。
- 地下采矿岩体分类研讨会论文集，美国国家职业安全卫生研究所。
- 地压控制管理指南，西澳大利亚工作安全部门。
- 矿山法规配套指南，英国健康与安全执行机构。