《统计岩体力学理论与应用（第二版）》系统介绍了作者提出的统计岩体力学理论和应用。理论部分主要包括岩体结构的几何概率统计理论、裂隙岩体的弹性应力-应变关系、裂隙岩体的强度与破坏概率理论、岩体水力学理论、岩体工程性质与岩体质量分级原理、裂隙岩体的全过程变形分析、高地应力岩体与岩爆机理分析，以及统计岩体力学对边坡和地下工程中若干理论问题分析。结合各部分理论问题，应用部分介绍了岩石强度的现场测试,岩体结构数据的现场采集及分析技术,工程岩体的结构、变形、强度和渗透性参数计算,以及岩体质量分级方法应用技术。

**章绪论
　　岩体力学是岩体工程地质学的重要组成部分。它运用数学与力学工具，把岩体工程地质问题的分析引向理论化和定量化。因此，岩体力学的发展深刻影响了工程地质学的理论发展进程。
　　目前，岩体力学主要研究六个基本问题：岩体结构理论、岩体变形理论、岩体强度理论、岩体水力学理论、岩体动力学理论和岩体地质环境分析理论。前五方面研究岩体的工程性质和力学行为，后一方面则涉及岩体的地质环境。
　　岩体工程性质和力学行为的研究是困扰了岩体力学理论界和工程界几十年的一个热门课题，也是制约工程岩体变形与稳定性计算可靠性的关键课题。
　　岩体力学理论研究的根本困难在于岩体结构的表述、结构面网络的力学效应与水力学效应，而岩体结构又是岩体力学行为的基础。事实上，单一结构面的性状决定了它的力学效应方式，而结构面网络特征决定了岩体结构的整体力学效应和水力学效应。
　　大量研究表明，岩体中结构面的分布具有统计的确定性特征。例如，我们熟知的结构面产状分布虽然具有随机性，但总可以找出其“优势产状”。这些“优势产状”正是由其形成时应力状态决定的*可能破裂方向。近期研究也表明，结构面大小、间距，隙宽及其表面形态等尺度参数无一不具有某种概率分布形式。岩体结构的这种性质必然导致其力学性质和水力学性质的统计确定性。因此，岩体力学应当是一种统计力学理论。这也是我们借鉴“统计物理学”思想方法研究岩体力学的原因。
　　我们知道，常温常压下岩体的变形与强度主要取决于岩体中的结构面。人们也逐步认识到，岩体结构面的变形与破坏本质上是一种断裂力学行为。沿各结构面的拉、压变形及剪切变形构成了岩体宏观变形的主体部分；结构面变形将在其边缘引起应力集中，导致裂纹扩展连通直至岩体整体破坏。岩体的动力学则更复杂一些，但本质上是结构面及其网络在动力作用下的变形与破坏。
　　综上，我们有理由认为，岩体力学应当是一门岩体的统计断裂力学，我们称之为统计岩体力学（statistical mechanics of rock masses，SMRM）。
　　统计岩体力学作为一套理论提出是近二十多年来的事（伍法权，1991；伍法权和姜柯，1992；伍法权等，1993，2022），但对其相关的研究工作则早已开始。本章将*先介绍围绕这一领域的理论与应用研究概况，阐明统计岩体力学的思想方法，并提出理论框架。
　　**节统计岩体力学的研究现状
　　统计岩体力学是在系统总结前人研究成果，吸取多门学科思想方法的基础上发展起来的。统计岩体力学理论赖以建立和发展的基础，包括岩石力学性质研究、结构面几何形态与力学性质的观测与实验研究、结构面网络统计理论与方法、岩石断裂力学、脆性断裂统计理论、岩体水力学理论、岩体动力学研究、连续介质力学与损伤理论、概率论与可靠性理论，以及岩石力学实验与岩体工程经验等。
　　一、岩石力学评述
　　岩石力学是20世纪中叶发展起来的一门新兴学科。由于岩石工程实践的需要，1951年在奥地利萨尔茨堡成立了国际上**个地区性的地质力学学会——奥地利地质力学学会。1962年，由该学会发起成立了国际岩石力学学会（International Society for Rock Mechanics，ISRM），宣示岩石力学学科的诞生。新中国岩石力学研究是从1958年开始的，长江葛洲坝、三峡工程、大冶露天铁矿、金川矿山等工程进行了大规模室内和现场岩石力学实验，研制出岩石静力和动力三轴仪等一批仪器设备，培养出一批骨干力量，有力促进了岩石力学研究。1979年，中国成立了国际岩石力学学会中国小组，1982年创办了《岩石力学与工程学报》，1985年组建了中国岩石力学与工程学会。几十年来，岩石力学不仅开展了系统深入的基础研究，也为大量岩体工程实践提供了理论支撑。
　　现有的岩石力学大致有两种来源，一种来自于力学研究和土木、水利、建筑工程实践，较多从材料力学角度出发，相对注重力学理论的严谨与**理论运用，称为岩石力学；另一种来自于工程地质研究与实践，将岩体当做地质体开展研究，相对强调岩体的赋存环境、地质特性和结构力学效应，称为岩体力学，或岩体工程地质力学。
　　总体来看，无论是岩石力学还是岩体力学，都还是一门成长中的学科。目前，这门学科理论主要由两部分组成，一部分是引用的理论成果，如强度理论、边坡稳定性极限平衡分析理论、地下硐室围岩变形与围岩压力理论等；另一部分是试验测试规律及工程经验总结出来的模型，如结构面力学特性、岩体的变形特性与强度理论、岩体质量分级方法、地应力分布规律等。尽管这些理论和经验模型能够从不同侧面解释岩体大多数工程行为，但总觉得缺乏“灵魂支撑”，底气不足，各类工程计算相对粗略。这也是力学界至今仍不承认岩石力学是一门力学科学的原因之一。由此可见，岩石力学或岩体力学还有较大的发展空间，人们也期待形成一门较为系统而又严密的力学理论体系。
　　二、岩石力学性质研究
　　岩石组成了岩体的基质部分，它的力学特性在很大程度上决定了岩体的力学特性。岩石的力学性质主要包括：变形性质，按照弹性力学理论，通常采用弹性（或变形）模量（E）、泊松比（ν）等指标表示；强度性质，通常用单轴抗压强度（σc）、抗拉强度（σt），以及抗剪强度参数黏聚力（c，单位：MPa）、摩擦角（φ，单位：°）等指标表述。
　　岩石力学性质指标测试已经有很成熟的技术。岩石的变形模量、泊松比、单轴抗压强度一般可采用单轴压缩试验测定；在工程中，岩石的抗拉强度指标一般较少采用，需要时可采用直接拉伸试验或巴西圆盘劈裂试验测定；岩石的抗剪强度指标一般采用直剪试验、变角板试验、三轴压缩试验测得。
　　岩石的力学性质主要受岩石的成因、组成矿物、孔隙性与微结构、胶结状态等因素的影响，不同成因的岩石其力学性质差异性显著。岩力学性质强弱一般呈现如下顺序：火成岩>变质岩>沉积岩。受这些因素特别是微结构与胶结状态的影响，岩石的强度具有显著的分散性，且越坚硬的岩石，强度分散性越突出。
　　岩石的力学性质常常受岩石的含水率、温度、围压等环境因素的影响，表现出一定的变化性。受黏土矿物多寡的影响，一般碎屑沉积岩力学性质变化性强于变质岩和火成岩。
　　不同成因的岩石，力学性质与其微结构定向性密切相关，呈现出不同程度的各向异性。岩石力学性质的各向异性大致呈现如下规律：区域变质岩>沉积岩>火成岩。但是，由于岩体力学性质的各向异性主要受岩体结构面控制，工程中除特殊需要外，一般把岩石当作各向同性材料处理，忽略因微结构方向性带来的力学各向异性。
　　三、结构面几何形态研究
　　结构面几何形态是岩体力学性质和水力学性质研究的基础。较早注意到结构面几何形态对力学性质影响并做研究的是Patton（1966）。他把结构面的形态起伏理想化为规则的起伏角（i），并通过力学实验和理论分析将其计入结构面的摩擦角。
　　针对结构面几何形态的研究发现，结构面起伏状况可以用结构面粗糙度系数（joint roughness coefficient，JRC）描述。Barton和Choubey（1977）提出了确定JRC的10条标准剖面，并经国际岩石力学学会（ISRM）**而被广泛采用。深入研究发现，结构面力学性质存在尺寸效应，Barton等（1985）又提出了JRC的尺寸效应校正公式：
　　（1.1）
　　式中，L0和JRC0为结构面的采样尺寸与其对应的JRC值；L和JRC为结构面的实际尺寸和JRC校正值。
　　但是，结构面形态千变万化，很难用10条标准剖面完全表述，也无法用一个简单的数学关系式准确表达。因此，实际工作中多采用实测方法，发展了一些机械式、光电式和激光式测量方法（Patton，1966；杜时贵和潘别桐，1993;杜时贵等，2005；Ge et al.，2014；Bao et al.，2020）。
　　Turk和Dearman（1985）用实际测量得到的结构面的*线迹线长度（迹长）（lt）和直线迹长（ld），按下式计算结构面起伏角（i）:
　　（1.2）
　　这种方法综合考虑了结构面不同尺度的起伏，可称为上限起伏角。由i值可以求取JRC值。
　　类似地，王岐（1982）提出了用伸长率（R）确定JRC的方法：
　　（1.3）
　　通过与Barton标准剖面对比得出
　　（1.4）
　　Barton、Choubey和Bandis对长0.1m的200多组结构面测量得到如下关系：
　　（1.5）
　　式中，l为迹长；α为剖面的*大起伏尺度。
　　Turk等（1987）、James（1987）、谢和平等（1992）对分形理论确定JRC参数做了有益的工作，并得到如下经验关系式:
　　（1.6）
　　（1.7）
　　式中，D为结构面的形态分维数，一般有D=1-1.03；a、b为常数。
　　由上述可见，求取参数JRC是结构面几何形态研究的一个重要方向，其物理意义在于它可以反映结构面强度的力学效应。
　　四、结构面力学性质研究
　　结构面是岩体结构的基本单元，岩体结构的力学效应与水力学效应是以单个结构面的行为为基础的。
　　20世纪40年代，Terzaghi（1946）在《隧洞地质入门》一书中就考虑了软弱面对岩体稳定性的影响。此后，岩石力学界对结构面的地质特征、力学习性等逐步开展了研究。1974年，Müller编辑出版了《岩石力学》，提出了关于岩体结构面地质特征及工程意义的一系列观点，这是对当时的研究工作，特别是奥地利学派工作的一个总结。
　　20世纪70年代以来，岩石力学界通过大量实验室研究，获得了结构面法向压缩、剪切变形及剪切强度等多方面的成果。
　　1.结构面的变形性质
　　Goodman（1974）根据大量实验资料，提出了结构面法向闭合变形的如下经验关系：
　　（1.8）
　　式中，σ为结构面的法向应力；σi为结构面所受的初始应力；Δt为闭合量；t0为*大闭合差。
　　Bandis等（1983）的经验方程为
　　（1.9）
　　式中，a、b为常数。显然，当σ→∞时，ab→Δt（=t0）；当σ→0时，Δt→0，有a=1kni，kni为结构面初始法向刚度。结构面法向刚度（kn）为
　　（1.10）
　　并提出了t0和kni的确定方法。
　　孙广忠（1988）将结构面法向闭合变形*线用指数函数表示为（孙广忠和林文祝，1983）
　　（1.11）
　　式中，kn为法向压缩刚度；t0和t分别为无应力和任意应力下的隙宽。
　　对于结构面的剪切变形，Kulhaway（1975）提出了如下经验方程：
　　（1.12）
　　式中，τ为抗剪强度；Δs为剪切位移；m为初始剪切刚度（ksi）的倒数；n为*大抗剪强度（τmax）的倒数。
　　Barton和Choubey（1977）给出了剪切刚度（ks）的尺寸效应经验公式
　　（1.13）
　　式中，L为受剪切结构面的长度；JRC为结构面粗糙度系数；JCS为结构面壁面抗压强度；φR为结构面残余摩擦角。
　　2.结构面的抗剪强度
　　平直光滑结构面抗剪强度（τf）满足如下简单关系式：
　　（1.14）
　　式中，φb为结构面基本摩擦角，近于磨光平面上的值。
　　Patton（1966）用石膏模型实验研究了起伏角（i）为规则形状时的结构面摩擦角（φ），得到φ=φb+i，于是有
　　（1.15）
　　Barton等（1985）根据对JRC的研究和实验分析，得出结构面抗剪强度经验公式（Barton and Choubey，1977）
　　（1.16）
　　并与式（1.1）同时提出了结构面壁面抗压强度的尺寸效应修正公式
　　（1.17）
　　式中，JCS和JCS0

目录
**版序一
**版序二
第二版前言
**版前言
**章 绪论 1
**节 统计岩体力学的研究现状 2
第二节 统计岩体力学的思想方法 15
第三节 本书的基本内容 17
第二章 岩体与地质环境 23
**节 岩石成因与力学特性 24
第二节 岩体结构与力学性能 29
第三节 岩体结构与渗透特性 35
第四节 岩体性质与气候环境 39
第五节 岩体性质与宏观地貌特征 41
第三章 岩石与结构面力学性质便捷测试 47
**节 岩石强度的点荷载试验原理 48
第二节 岩石弹性参数的点荷载测试计算 54
第三节 点荷载岩石力学参数尺寸效应的讨论 57
第四节 岩石与结构面力学参数便捷测试的其他方法 60
第五节 “背包实验室”的测试结果与检验 62
第六节 岩石强度的Weibull理论 66
第四章 岩体结构的几何概率理论 73
**节 岩体结构数据的测量方法 74
第二节 结构面产状 80
第三节 结构面迹长与半径 85
第四节 结构面间距与密度 93
第五节 结构面粗糙度 96
第六节 结构面隙宽 98
第七节 岩体结构的几何概率表述 102
第八节 岩体结构面网络的随机模拟 122
第九节 结构面识别采集与三维网络模拟应用 126
第五章 岩体的应力-应变关系理论 131
**节 裂隙岩体连续等效的概念 132
第二节 裂隙岩体应力-应变关系的平面问题模型 133
第三节 埋藏结构面上的应力 139
第四节 岩体的三维应力-应变关系 141
第五节 关于系数k与h的讨论 149
第六节 岩体变形参数讨论 153
第七节 等效应力 161
第八节 岩体变形的结构面刚度模型 163
第九节 变形参数的计算与检验 166
第十节 岩体本构关系的损伤理论 171
第十一节 裂隙岩体本构关系的结构张量法 175
第六章 岩体的强度理论 179
**节 岩体的破坏判据与破坏概率 180
第二节 岩体库仑强度的主应力形式 187
第三节 岩体的库仑抗剪强度 195
第四节 强度理论的校验与应用 200
第五节 SMRM强度与Hoek-Brown强度比较204
第七章 岩体水力学理论 211
**节 **的单裂隙水力特征 212
第二节 岩体的渗透张量 215
第三节 岩体渗透系数的立方率与尺寸效应 218
第四节 渗流场与应力场的耦合作用 220
第五节 Oda渗透张量法 223
第八章 岩体变形过程分析 229
**节 岩体变形过程分析的基本思想 230
第二节 岩体的轴向压缩本构模型 231
第三节 岩体的压密变形与轴向压缩变形233
第四节 岩体的峰后变形行为 235
第九章 岩体质量分级 239
**节 常用的岩体质量分级方法240
第二节 工程岩体质量分级的SMRM方法 247
第三节 各类工程岩体质量分级方法的比较 251
第十章 高地应力岩体与岩爆 257
**节 地应力估算 258
第二节 高应力岩体性态与应变能 261
第三节 岩爆机理 265
第四节 岩爆判据 269
第十一章 工程岩体的主动加固 279
**节 岩体自稳潜力 280
第二节 岩体主动加固基本原理 284
第三节 岩体主动加固技术 287
第十二章 统计岩体力学计算平台与数值分析 291
**节 工程岩体数字化的概念 292
第二节 岩体参数计算平台解析 294
第三节 SMRM工程岩体数值模拟模块 321
第十三章 岩体边坡工程应用 331
**节 边坡稳定性地质判断 332
第二节 边坡岩体卸荷变形 337
第三节 边坡岩体的倾倒变形 348
第四节 边坡岩体渗透性特征 353
第五节 边坡地震动力响应 358
第六节 边坡岩体的主动加固363
第十四章 岩体地下工程应用 369
**节 地下空间围岩应力场特征 370
第二节 圆形硐室围岩非对称变形分析377
第三节 地下硐室的非对称围岩压力381
第四节 地下空间围岩非对称大变形的主动控制386
第五节 地下工程岩爆防护 389
第六节 TBM掘进速率与隧道围岩变形竞争与控制 393
参考文献 396