“岩体力学”结构体系及教学方法探讨

【摘要】“岩体力学”是高等院校工程类专业的一门重要专业课，具有很强的理论性、综合性和实践性，对于从未接触过程相关工程实践的学生来说比较难以接受。根据本课程的特点及教学要求并结合多年来的工程实践经验，作者首先对课程的特点及教学内容结构体系进行了总体分析，从而加强学生对课程特点的认识和内容的掌握；其次，结合本课程的一个重要特点——实践性强，提出了相应的教学方法。

【关键词】“岩体力学”；实践性；结构体系；教学方法；探讨

【中图分类号】G642【文献标识码】B【文章编号】2095-3089(2012)04-0007-02

一、引言

“岩体力学”（有些学者也称为“岩石力学”）是地质、土木、建筑、交通、能源、水利水电等工科专业核心的专业课程之一,在上述专业的大学课程教育中占有非常重要的地位。尤其是近年来随着我国经济的快速发展，西部大开发、南水北调、高速铁路等项目的深入实施，大量的地质工程、岩土工程及地下工程建设广泛兴起，这一方面为岩土工程技术人员提供了施展才华的广阔空间，同时由于新问题、新技术层出不穷，因而也充满了前所未有的挑战。所以，当前的工程建设也对这方面的人才培养提出了更高的要求和期望，既要具备比较扎实的理论基础知识，又要有比较丰富的实践经验。高校作为人才培养的重要基地，更要担负起这一重要的历史使命。岩体力学作为一个在实践基础上发展起来的学科，不但有较强的理论性和系统性，而且更有着很强的实践性，这也是明显其区别于理论力学、材料力学及弹性力学等经典力学的一个重要特点，如黄明奎和刘开云都提出了实践环节在岩体力学教学中的重要性。从字面上理解，“岩体力学”包括“岩体”和“力学”两个词汇，通过前面对多门力学课程的学习，学生都已基本理解力学就是研究物体对外力的响应，包括内部响应（产生变形甚至破坏）及外部响应（产生运动），而岩体则是经过长期地质作用形成的复杂地质体，具有很强的地域性和个案性，因此明显不同于在材料力学中经常介绍的低碳钢等材料。因此，初学的学生都会明显感觉到岩体力学在理论上没有理论力学和弹性力学那么严谨，会出现很多的经验公式。所以在岩体力学的教学中一定要牢固地树立“实践性”这一根本特点，这样才能使学生更好、更快地掌握这门课程，进而灵活地运用于工程实践、服务于工程实践。 实践性强的特点应该贯穿在岩体力学教学的整个环节，具体地表现在教学手段和教学内容上分别为：在教学手段上应该充分安排一定的实践教学课时，让学生能够有机会接触到工程实践，比如让学生参观岩石标本，从感性上认识什么是岩石、结构面及岩体等，让学生去试验室亲自动手做一些岩石力学试验，去施工现场让学生见识一下什么是岩石隧道开挖、岩石边坡支护等，让学生自己动手做一个岩石工程设计等等，这样不但可以让学生增强感性认识，而且还可以激发他们的学习兴趣。另外在教学内容上，应该选择一本比较好的岩体力学教材，但是也决不能局限于教材。因为岩体力学从大的研究内容上来说基本是不会有太大变化的，主要就是研究岩体在外力作用下的变形与破坏机理，但是随着科学的发展，研究手段却会有很大的进展，如刚性试验机的出现使我们可以了解到岩石峰后的强度曲线、塑性及流变本构模型的提出可以使我们了解到岩石更为复杂的力学响应特征、有限元、离散元甚至流形元等数值方法的出现使我们更直观、方便地了解到岩石的变形及破坏过程，等等。下面就从岩体力学产生与发展的角度对其课程特点进行探讨，然后以黄醒春主编的《岩石力学》为例，从课程内容的结构体系上阐述其主要内容及其结构框架，最后在此基础上对其教学方法进行探讨。

二、课程特点及结构体系分析

2.1 课程特点。 岩体力学是运用力学原理和方法来研究岩体的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学，即研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学。目前其主要有两种不同的发展方向：一是从力学的一般原理出发，考虑岩体的特殊力学性质，运用逻辑演绎的方法进行研究，这通常称为理论岩体力学；二是从经验出发，在大量实践的基础上归纳出对工程问题有指导意义的规律，这通常称为工程岩体力学。因此，岩体力学既是一门理论学科，也是一门实践性很强的工程学科，它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且也是力学和地学相结合的一门应用型基础学科。 岩体力学的研究对象是各类岩体，由于岩体是一种经过漫长而复杂的地质作用而形成的地质材料，具有很强的个案性和地域性，因此对其物理力学性质的了解，远比其他各类工程材料困难，而岩体力学服务的各类岩土工程，如边坡工程、地基工程、隧道工程等既以天然岩体为岩体结构材料，又以天然岩体为建筑材料，同时以岩体所处的环境为建筑环境，而这环境包括岩体结构和岩体构造、地下水、气象、地温等是随着时间推移处于不断变化之中的。因此，对岩体物理力学性质的认识显然比其他工程材料更重要。现在有不少学者提出了“岩体结构”的观点，认为岩体是由岩石和结构面组成的有机结构，这比早期的“岩石力学”观点前进了一大步，该观点的提出也正是基于大量的岩体工程实践而得出的，这也充分说明了岩体力学是一门实践性很强的学科，其很多的研究课题及新观点都是从实践中总结出来的，同时又必须经过大量的实践检验。

2.2 课程结构体系分析。

下面对岩体力学课程的结构体系进行分析，进而对其教学方法进行探讨。“岩体力学”的主要内容结构如图1所示。由图1可以看出，岩体力学的研究内容、研究方法与研究流程和我们已经学过的土力学基本类似，这主要是由于二者的研究对象都是地质体，并且土体从某种意义上来说就是岩石，它是由岩石风化而来的，粘结力很低的岩石。所以二者研究内容上都是首先对介质本身的物理性质进行研究，研究其组成成分、结构特征及分类方法等。然后是研究工程上最为关切的三个主要问题，即强度、变形及渗透性。岩体与土体的一个重要区别是岩体含有明显的节理面，所以一般属于非连续介质，而土体颗粒之间的差别相对较小，所以土体一般可以认为是连续介质。在研究方法上，二者都是采用理论分析、试验研究和数值计算三种方法，其中理论分析都是采用弹性理论或弹塑性理论进行研究，采用试验研究主要是由于岩体和土体都是经过长期的地质演化发展而来的地质体，所以其物理力学性质有很大的变异性，因此在确定其物理力学性质时一定要采用试验的方法，尤其是对于重要的岩土工程，我国现行的规范都明确要求要根据现场试验结果进行设计。数值方法是近年来针对岩土体的复杂性而提出的，目前应用最多的有限元法，而有限元法也是弹性力学中的一部分内容。所以，由前面的阐述可以看出，岩体力学和土力学在研究方法上有很多的相似之处，而且它们的研究都是以弹性力学或弹塑性力学为基础。另外岩体力学与土力学区别的另外一个重要方面就是对地应力的研究，由于土体都处于地球的表层，所以其地应力主要就是指自重应力，因此土体中的地应力就比较简单。而岩体则不仅仅出现在地表，而且还更多地出现在地球深部，那么随着埋深的增加，岩体内不仅仅存在着自重应力，更重要的还有构造应力，而且随着埋深的增加，构造应力在地应力中占的比重也会越来越大。那么对于深部岩体工程如深部采矿、深部石油开采的设计与施工就必须要考虑到地应力的影响。另外在岩体工程稳定性分析方法上，除了土力学中常用的方法如工程类比法、地质力学分析法、刚体极限平衡及弹塑性有限元法以外，在岩体力学中还引入了赤平投影法，这也主要是由于岩体中存在结构面的原因。