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摘 要：岩土力学与岩土工程学科以正确认知、描述、评价和预测岩土体的力学性质和行为,确保复杂环境下工程岩土体的变形、强度和稳定性满足工程需求为主要任务.它服务于不同的工程领域,如土木建筑、水利水电、市政工程、交通、铁路、水运、海洋、石油、采矿、环境、军事工程等领域.本文将主要探讨矿业工程建设中的几个岩土力学问题.
关 键 词：矿业工程岩土力学问题
由于我国特定的地质条件、环境条件以及工程规模,大规模工程建设面临诸多发达国家未曾有过的技术难题,对工程设计、施工和运行提出了严峻挑战,即如何在恶劣的地质环境条件下进行优化设计,并避免因不当的工程措施引起岩土工程灾害,达到“安全可靠、经济合理、技术可行、环境友好、运行高效”的工程目标.这就需要阐明岩土体及其赋存的地质环境与工程之问的相互作用机理,需要考虑各种因素对岩土体变形和稳定的影响,如荷载的多维性、荷载随时间的变化、循环荷载、振动荷载,地层条件和边界形状的复杂性,岩土体结构的复杂性,岩土饱和度变化,岩土与结构的相互作用等,从而为采取合理的工程控制措施提供科学依据[1].
1.矿业工程建设中岩土力学分析的意义
尽管岩土力学与工程学科发展迅速,但由于岩土体及其赋存环境的复杂性,并限于目前的研究手段和发展水平,各类工程领域的岩土工程灾害时有发生,如大型滑坡、大体积塌方、大面积沉降、大范围渗透破坏、突水、突泥及突气等,造成重大人员伤亡和经济损失.岩土工程灾害事故难以遏制的关键问题在于人们对这些灾害的发生机理缺乏深入研究,尚无有效指导这些灾害预测和防治的系统理论和方法.这就需要岩土力学与工程的理论指导和技术支持,特别需要揭示灾害发生的岩土地质特征与赋存环境、诱发条件、孕育演化的动力学过程、致灾机理,建立岩土工程灾害孕育演化过程的时空预测和动态调控理论,正确评估灾害风险并进行合理控制,为岩土工程灾害防治提供理论和技术支撑[2].
总之,岩土力学与岩土工程以其科学问题的基础性、应用领域的广泛性、多学科的交叉性、学科体系的拓展性,已经成为相关工程学科发展的基础性学科.该学科的发展水平和研究深度,事关众多工程建设的安全、质量和效益,事关国民经济、社会发展及生态环境等国计民生.因而,岩土力学与岩土工程在众多学科中具有重要的不可或缺的战略地位.大量工程建设急需岩土力学与工程学科快速发展,实现理论上的重大突破、技术上的重大创新,促进国家经济建设及社会可持续发展.
2.矿业工程建设中岩土力学分析的主要内容
关于位移、应变和应力的规定是常见的工程力学方面的规定.在这种规定下,如果力和位移的分量是沿坐标轴的正方向,则取为正.拉伸正应变和拉伸正应力取为正.如果截面外法线方向相对于坐标原点向外,则单元割离体截面上剪应力正方向亦向外,反之亦然.岩体中天然应力状态和由开挖活动产生的应力状态普遍是压缩状态.如果遵循通常的工程力学方面关于应力的规定,与岩石中的应力和应变有关的所有数值运算操作将包含负值.尽管这并不会引起概念上的困难,但为了计算方便和更为精确,宜于采用岩石力学中应力和应力分析的如下规定：
①沿坐标轴正方向作用的力和位移分量为正；②收缩正应变取为正；③压缩正应力取为正；④若截面内法线相对于坐标原点向内指,则截面上剪应力方向相对于坐标原点向内为正,反之亦然.
岩石和岩体,无论是干燥的还是饱和的,在大多数工程荷载作用下,均表现为弹性体或近似弹性体.
岩石特别是岩体内部,必然有节理、裂隙、结构面、软弱夹层等.这些结构厮、软弱夹层,其物质成分、微观结构、力学性质都比较复杂,其力学性质可能属于非线性弹性、弹塑性或粘弹性等.对于结构面和软弱夹层而言,它们含水情况是否饱和,作用力方向和结构面、软弱夹层的展布方向是垂直还是平行或者倾斜,影响很大、差异明显、工程效果大不相同.由于岩石、岩体本构关系的多样性、复杂性及不确定性,这里只研究岩石、岩体作为弹性体、近似弹性体的情况.
岩土材料的非弹性行为有更深层次的原因.这些年来虽然没有很成熟的理论,但是有关的努力却一直没有停止.近年来,类脆性材料（包括岩石、混凝土）的断裂与塑性耦合理论开始在混凝土的力学分析中崭露头角.该理论认为,混凝土结构的最终破坏是在局部产生裂纹以后的事,所以,混凝土结构的塑性屈服条件应该和断裂联系起来.而混凝土的断裂属于类脆性断裂,裂纹尖端没有脆性金属裂纹尖端那样的高度的应力集中.宏观裂纹前方,有一个所谓的“损伤过程区”存在,断裂过程发生在过程区内,而随后的宏观裂纹表面将发生摩擦滑动,即塑性变形[3].
3.矿业工程建设中的几个岩土力学问题分析
首先,岩土力学本质上是一门应用力学学科分支,其本构理论、渗流及多相流运动理论、THM多场耦合理论、稳定分析和动力分析理论等,均广泛汲取了固体力学、流体力学、动力学与控制等各力学分支学科的理论成果.分形理论、突变理论、协同学理论、混沌动力学理论、耗散结构理论、重整化群理论等非线性科学在岩土力学中获得了成功的应用.其次,20世纪60年代以来,随着计算机技术及数值模拟技术的迅猛发展,计算力学逐步成为一门独立学科分支,并迅速渗透到岩土力学与岩土工程学科,为解决复杂岩土力学及岩土工程问题提供了高效的手段、方法和途径.再者,各类室内外实验技术、现场监测技术以及控制爆破开挖、预应力锚索锚杆加固支护、高压固结灌浆、大吨位振动碾压机械、TBM掘进机械等施工技术、设备和工艺的发展.
对于岩土工程问题,由于地质作用,自然岩土体中贮存有大量的节理、断层、软夹层、层面等不连续界面,使岩土体成为较复杂的结构体.对此类问题,在岩土力学有限元计算中,就必须采用一类特殊单元进行模拟.由于岩土工程的开挖使开挖边界裸露,这些边界点（如地下巷道的周边）原来处于一定的初始（原始）应力状态,开挖使这些边界点的应力“释放”,从而引起围岩应力场和位移场的重新分布.模拟这一开挖效果目前普遍采用Dancan提出的“反转应力释放法”.
结论
通过对矿业工程建设中的几个岩土力学问题的研究,为正确认识岩土体、合理利用和改造岩土体提供了技术支撑,使岩土体物理力学特性、工程优化设计与评价、地质灾害控制与防治等研究建立在更坚实的理论和技术基础上,从而深化了学科基础研究的深度,拓展了学科工程应用的范围.