岩石力学已经成为了一门力学理论分支学科(这里先把土力学的提法抛开,不过,下文的论述完全适用于土力学问题),构成了诸如土木工程、矿业工程、地质工程等等工程学科的基础理论知识之一。然而,岩石力学理论体系的完备性仍值得怀疑。换句话说,通向岩石力学理论体系完备性的研究现状值得怀疑。
作为一个理论系统,首先应明确其研究对象与方法之间的有机联系。毫无疑义,岩石力学的研究对象是岩石(完整岩块)或岩体(包含非连续面的岩石组合体)。姑且不谈有点复杂的岩体,就说这岩石吧。问题的出现涉及到岩石中的构造缺陷及客观存在的不均匀性当如何模型化描述?是的,像其它形式的介质力学理论一样,可以利用诸多简化假设来解决这方面的问题。那么,所有这些简化和假设有证据证明它们是正确的吗?或者说基本正确的吗?显然没有(微小变形例外)。一个连对象都无法正确把握的理论系统(有点像某些国家的体制),它合理吗?它有效吗?
由此看来,站在固体力学一般性理论的肩膀上使岩石力学理论获得新的发展只能是一种设想。构建新的理论体系已成为不可回避的事实。
就岩石变形行为而言,尺度效应是一个十分显著的基本现象。这一基本现象说明了什么呢?是的,它所反映的应该是一个集体事件。参与这个集体事件个体数量的多寡是尺度效应的直观联系。之于此,Goodman的块体理论得到了广泛的认可,并发展了以DDA为代表性的所谓块体理论分析方法。然而,问题远非如此简单。集体是如何容忍个体行为的发挥?个体行为又是如何从集体行为中脱颖而出的?这不是仅依靠宏观统计就能描述的。如果说块体理论在介质几何构型方面有所突破,那么它所衔接的力学理论体系却还停留在原地。块体理论之所以有其过人之处,就在于它把岩石或者岩体介质的描述转化到了一个复杂结构系统的范畴。在结构系统中,短板理论有了生长的土壤。然而,对于工程岩体,块体构造可以依据地质勘探资料人为设计;对于岩石这样看似完整的块体,子块又该如何划分呢?
即使给定的介质可以明确其块体描述,由同种介质构造的不同个体之间的某些差异应当如何得到体现?也许,针对不同个体的独立描述是一种解决办法。这种解决办法看似权宜之计,但却打开了一扇通向新思路的窗户。试想,我们抛弃所谓的一般方程,直接从第一性原理出发,针对逐个个体,应该可以建立一般性理论分析过程。这些分析过程所形成的理论体系比较繁琐,却不失其闭合性。这是否是一个值得考虑的发展方向呢?
问题的要点不止于此。如果停留于上述思路,块体描述所面临的压力将是巨大的,其困难也将是不言而喻的。由此说来,问题的核心还得回转到物理力学的范畴。我们不妨再回到岩石的变形现象上来,不难发现时间效应也是一个十分显著的基本现象。这个基本现象表明,岩石力学理论应该在动力学而不是停留在静力学范畴才更为符合工程问题的特征。就目前的认识而言,可以认为块体内部的变形响应符合静力学系统简化条件,而块体间的相互作用应使用动力学描述,形成一个尺度相关的嵌套分析概念。动力学行为与短板关联,静力学行为与连续介质力学行为关联。对于一个能上升到独立结构系统概念上的集合体,短板的数量应该是有限多个(这个判断是立足于局部剪切带形成及发展现象的推断)。于是,短板理论可以浮出水面。这是否意味着连续介质的变形响应与短板行为的耦合可以构建更符合实际的岩石力学理论系统?
剩下的问题是短板该如何处理?摩尔——库仑准则似乎对此提供了某种提示,在这里内摩擦是一个相当有效的描述。在物理学或者力学理论中,我们应该已经注意到,一个物体只有足以克服静摩擦时才得以运动。那么,在克服静摩擦之前,物体的接触面到底发生了些什么呢?另外,静摩擦和动摩擦的摩擦系数是不一样的。从静摩擦到动摩擦是或者从动摩擦到静摩擦,二者是如何转换的?由此可见,这里所谓的短板控制着介质的整体行为性态,对应于达到最大静摩擦时的介质行为,当然也符合克服最大静摩擦后的峰后区行为特征(动摩擦)。这样一来,我们不必再去关注块体的具体构型,因为只需短板的特征参数就能对问题作完整描述。同时,连续介质分析也不需要作块体划分。从而,完全逃离的块体理论中的许多困难。
研究对象与方法的有机结合应该是岩石力学理论良好完备性追求的必经之路。针对其中的困惑,这里提出了一个构想。问题是,这一构想是否合理?它又是否真实可行?
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