岩体结构控制论

20世纪60年代谷德振、孙玉科教授提出了“岩体结构”概念，提供了将复杂的岩体抽象为科学的结构类型分类依据，也提出了岩体结构控制岩体稳定性的重要观点。谷德振教授著的《岩体工程地质力学基础》是这一观点的代表。经过长期实践和研究，著者于1984年进一步提出“岩体结构控制论”是岩体力学的基础理论，全面、系统地以“岩体结构控制论”为指导研究了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质的基本规律；提出岩体变形系由岩体材料变形和岩体结构变形共同贡献的，岩体破坏系由岩体材料破坏和岩体结构破坏控制的；岩体力学性质不仅决定于岩体材料力学的性质，而且受控于岩体结构力学效应及环境因素力学效应；提出了岩体可以划分为连续、碎裂、块裂及板裂四种力学介质，从而建立了完整的岩体结构力学体系。著者于1989年出版的《岩体结构力学》是这一理论体系的代表。

岩体结构力学是一个新的理论体系，它以岩体结构控制论为纲，并与力学与地质相结合。岩体结构力学是解决土木工程、矿山工程、国防工程建设中存在的岩体工程建筑的基础理论。随着人类向地下深部进军大趋势的到来，岩体工程类型愈来愈多，规模愈来愈大，其安全性和经济效益愈来愈受到关注，对岩体力学的需求愈来愈迫切。岩体力学已经受到国内外广泛重视，出版了许多专著、论文和教科书，但是工程界仍感到已有的岩体力学理论解决实际问题的能力很低。著者在前面已经指出过原因有两条：

（1）岩体力学研究与地质研究脱节，抽象成的岩体力学模型不符合岩体的地质实际；

（2）已有的岩体力学理论不能反映岩体力学的真实规律。已有的岩体力学理论是从材料力学和土力学移植过来的，实质上是连续介质力学理论，不符合岩体力学作用的地质实际。

岩体的地质实际是什么，经过多年研究，著者逐步认识到：岩体是经受过变形，遭.受过破坏，具有多种不连续结构的地质体。岩体力学是研究环境应力改变时经受过变形，遭受过破坏的岩体产生再变形、再破坏的规律、理论和应用技术的科学。这两个“再”字非常重要，是岩体力学的特点。这两个“再”字是严格地受岩体结构控制着，即岩体结构控制着岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质。著者于1978年提出岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础这一理论，1984年又提出，岩体结构控制论是岩体力学的基础理论。如图3-2所示，岩体结构控制论有两个层次：第一个层次是岩体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的控制，这是岩体结构力学基础理论，是岩体结构力学的核心。第二个层次是应用这三个基础理论作指导去解决岩体工程实际问题。显然岩体力学的核心理论是岩体结构控制论，解决岩体力学问题的基础方法是岩体结构分析方法和结构力学分析方法。下面是著者以岩体结构控制论为依据建立的岩体结构力学的具体理论。

图3-2岩体结构控制论框图

图3-3岩体材料变形图

1.关于岩体变形规律的理论

已经有不少人研究过岩体变形本构规律，但是，大多数研究结果是脱离岩体地质实际的。在解决岩体工程问题时，采用材料力学理论分析岩体变形，做出来的结果不好用。著者经过多年研究和实践，发现岩体变形是由岩体材料变形和岩体结构变形共同贡献的，即：

岩体变形（U）＝岩体材料变形（Um）＋岩体结构变形（Us）

如图3-3所示，岩体材料变形是由结构体弹性变形、结构体黏性变形、结构面闭合变形、结构面错动变形4种机制成分构成的。根据这一方案，作者对岩体材料变形进行了系统的研究，针对岩体地质特征的不同，给出了17种岩体材料变形模型和本构方程（孙广忠，1988）；同时对岩体结构变形规律也进行了基础性研究，提出了4种岩体结构变形本构规律，这就是沿软弱结构面滑移变形规律、软弱夹层挤出变形规律、块状结构体转动变形规律和板状结构体弯曲变形规律。这样著者为岩体变形分析提供了岩体结构力学理论基础。但是目前岩体变形分析大多还是把岩石材料变形当作岩体变形的全部。所以岩体变形理论分析结果与实际观测结果相差悬殊。著者在1986年曾对鲁布革电站地下厂房边墙变形进行过分析，设计时根据胡克法则计算得地下厂房边墙变形为0.19mm，而实际变形观测结果为22.5mm，相差达100倍以上。利用著者提出的板裂结构岩体力学理论计算得洞室边墙岩体结构变形达22.7mm，且岩体内部产生了开裂。这与实际观测结果十分相符。这表明仅用胡克法则分析岩体变形是不符合实际的，岩体变形分析必须考虑岩体结构变形。

2.关于岩体破坏规律的理论

很多人把这个问题作为岩石材料强度研究。实际上也是脱离岩体地质实际的。著者根据多年的研究和实践，发现岩体破坏也是受岩体结构控制的。在总结大量岩体破坏资料基础上发现岩体在其结构控制下，具有如表3-2所示的7种破坏机制：①张破裂；②剪破坏；③结构体滚动；④结构体沿结构面滑动；⑤倾倒破坏；⑥溃曲破坏；⑦弯折破坏。前2种为材料破坏，后5种为结构破坏和结构失稳。相应地给出了7种破坏判据，批判了用单一库仑莫尔破坏判据评价岩体力学破坏的片面性错误，建立了岩体破坏判据体系。这一论点得到了广泛的实践验证，碧口电站引水隧洞破坏实例分析清楚地说明了这个问题。该隧洞穿过的岩体为千枚岩，具板裂结构，设计时是用库仑莫尔准则进行了稳定性分析。结果认为可以挖成12.9m的引水洞，而施工时被破坏了。1985年作者发表了板裂介质岩体力学理论，原设计工程师倪国荣利用著者提出的板裂介质岩体力学理论重新进行分析，该洞是不稳定的。原分析结果的错误导致该工程长时间停工处理，给施工带来巨大困难。

表3-2岩体破坏机制表

3.关于岩体力学性质规律的理论

现行的岩体力学性质分析方法是岩体材料力学试验结果加经验折扣，没有理论。20世纪70年代中期，鲁尔大学教授约翰曾提出，岩体力学性质受岩体结构控制。因为他没有掌握岩体结构力学效应规律，因此没有解决这个问题。作者经过多年研究和实践，发现岩体力学性质结构效应可概括为3个法则：①爬坡角效应法则；②尺寸效应法则；③各向异性效应法则。考虑岩体力学性质时还必须考虑工程结构特点，这样才能得到比较符合实际的工程岩体力学性质。这一理论为岩体力学性质分析提供了理论基础。

4.岩体力学介质

通过岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的研究，著者发现岩体力学的基本规律的确是受岩体结构控制着，据此，提出岩体结构控制论是岩体力学的基础理论，不仅提出了岩体结构控制论是岩体力学基础理论的基本论点，而且运用这一基本理论建立了岩体结构力学理论体系。同时在应用方面也做了一些基础性研究。为了保证岩体力学分析的科学性和岩体力学模型选择的科学性，根据岩体变形和破坏机制以及地应力特点将岩体划分为如表3-3所示的连续介质、碎裂介质、块裂介质、板裂介质4种力学介质。对各类介质岩体力学分析方法进行了深入的研究，从而建立了完整的岩体结构力学体系；还以岩体结构控制论为指导，对岩体改造原理进行了基础性研究，使岩体结构力学理论更完善，更便于使用。

表3-3岩体力学介质分类

5.岩体结构力学定理

综合前人研究结果及著者的研究结果，1991年在岩体结构控制论的指导下著者将岩体结构力学核心内容归纳为如下5条，称为岩体结构力学的基本定理或者称为岩体力学的基本定理（孙广忠，1993）：

（1）岩体是经受过变形、遭受过破坏，由一定的岩石成分组成，具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体，岩体力学是研究环境应力改变时岩体产生再变形和再破坏规律、理论和应用的科学。

（2）岩体在结构面控制下，形成有自己独特的不连续结构，岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构对岩体力学的控制作用，远远大于岩石材料的控制作用。

（3）岩体结构控制论是岩体力学的基础理论，岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础，岩体结构分析方法和结构力学分析方法是岩体结构力学研究的基本方法。

（4）岩体赋存于一定的地质环境中，岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩石的力学性能。

（5）在岩体结构、岩石成分及环境应力条件控制下，岩体具有多种力学介质和力学模型，岩体力学是由多种介质力学构成的力学体系。