为了能够比较不同试验中得到的结果，在进行岩石力学性质试验时，岩样的形状、尺寸及加工精度必须统一，试验过程和结果处理也必须一致。自1979年起，国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会（International Society for Rock Mechanics Commission on Standardization on Laboratory and Field Tests），就各种岩石力学试验方法提出了建议［57］。多年来，我国的煤炭、地质和水利等部门均对岩石力学试验作出了详细规定［58～63］，如对压缩试验而言，最常用的试样有两种，一是边长为5cm的立方体，主要用于单轴压缩；另一种是直径为50mm或54mm（与现场取得岩心的方法有关），长度为直径的2～3倍的圆柱体。对间接拉伸试验（Brazil test），则采用厚度为直径的1/2～1圆柱体。对岩样加工精度的一般要求是，端面不平整度误差最大不超过0.02mm，侧面不平整度不超过0.3mm等。不过，不同行业制订的规程也不尽相同，规程也不断进行修改［57，64］。

从岩块钻孔得到的圆柱经圆盘锯切割之后，必须对端面进行磨削。笔者的磨床具有2个平行的旋转砂轮，试样作往复运动时同时加工2个端面，砂轮通过手动进给。利用百分表测量试样的端面，表针指数变化不超过0.05mm，即不平整度小于0.05mm。由于加工设备的限制，这一精度难以改变（如果加工不够仔细还会稍大一些）。不过，各个规程对试样加工质量的要求不很相同。在研究岩样长度对单轴压缩强度的影响时，文献［65］比较了不同规程对岩样端面不平整度的要求。

《水利水电工程岩石试验规程》要求“试件两端面的不平整度允许偏差为±0.05mm”［60］，《煤与岩石物理力学性质测定方法》要求与此相同［61］，而《工程岩体试验方法标准》要求“试件两端面不平整度误差不得大于0.05mm”［62］，精度提高了一倍。《岩石物理力学性质试验规程》要求“（试件）两端面不平行度误差，最大不超过0.05mm；端面不平整度误差，最大不超过0.02mm”［63］。这似乎更为准确，因为即使试样两端面不平行度较大，只要端面本身具有较好的平面度，那么试验机球头的调整可以使压头与试样端部均匀接触，而不平整度是不能利用球头来调整的。国际岩石力学学会（简称ISRM）对单轴压缩试验建议方法草案称，“The ends of the specimen shall be flat to±0.01mm”［64］（其中文译稿［66］“试件两端必须加工至±0.001mm的平整度”，其中数字印刷有误，相差10倍），这与《岩石物理力学性质试验规程》要求相当。不过，现在在机械形位公差中，对平面之间的关系有平行度，对表面质量有粗糙度、波纹度及平面度等概念，并不使用“平整度”或“不平整度”这样的名称。

这些都是对标准长度试样而言的。不过，试样长度较小时压缩变形量也减小，端面加工质量的影响相对增大。因而部分长径比小于1的试样初期非线性变形显著，平均模量偏低。这对强度也有一定的影响。此外，还应根据达到应力峰值时需要的变形量大小确定试样端面的加工质量，如单轴压缩强度200MPa以上硬脆性的花岗岩，其试样加工质量显然应该高于强度40MPa的风化砂岩。

为岩体工程提供岩性参数的试验固然要完全遵循相关行业的试验规程，而进行岩石力学性质的试验研究时，可以根据具体情况适当调整，但必须理解规程的各项要求。

基于煤层压裂模拟的水饱和煤样单轴力学试验研究

成立于1898年的ASTM

International(美国试验与材料学会国际组织)是目前世界上最大的制定自愿性标准的组织。作为非赢利组织，ASTM

International为材料、产品、系统和服务的自愿性协商一致标准的制定和发布提供论坛。

ASTM

International的成员来自世界100多个国家，代表制造商、用户、消费者、政府和学术机构制订技术文件，这些技术文件是生产、管理、采购、以及制定法规与条例的基础。这些成员隶属于一个和多个委员会，每个委员会负责某个领域的项目，例如钢铁、石油、医疗器材、财务管理、消费产品以及许多其他标准。

ASTM标准数量庞大，主要提供材料、产品、系统和服务等领域的特性和性能标准，试验方法和程序标准。ASTM标准现分为16类，各类所包含的卷数不同，标准分卷管理，共有76卷。

其分类如下：第一部分：钢铁产品（共

8卷）；第二部分：有色金属产品（共5卷）；第三部分：金属材料试验方法及分析程序（共6卷）；第四部分：建筑材料（共12卷）；第五部分：石油产品、润滑剂及矿物燃料（共

6卷）；第六部分：油漆、相关涂料和芳香族化合物（共 4卷）；第七部分：纺织品（共 2卷）；第八部分：塑料（共

4卷）；第九部分：橡胶（共 2卷）；第十部分：电气绝缘体和电子产品（共

5卷）；第十一部分：水和环境技术（共5卷）；第十二部分：核能、太阳能和地热能（共2卷）；第十三部分：医疗设备和服务（共1卷）；第十四部分：通用测试方法和仪器仪表（共4卷）；第十五部分：通用工业产品、特殊化学制品和消耗材料（共9卷）；标准文件索引（共1卷）。

Intertek是权威的ASTM测试机构，全球43家认证实验室，出具最具资质的ASTM报告

ASTM D确实有很多标准的，是美国材料协会制定的，种类繁多，所以需要先确认下具体的标准号，才能确认测试项目及其他东西，SGS作为全球最大的第三方检测认证机构，可以给您提供最优质的测试服务，SGS中国官方网站 www.cn.sgs.com，SGS杭州站 www.sgshz.com.cn

岩石力学的形成与发展

颜志丰1 琚宜文1 侯泉林1 唐书恒2

(1.中国科学院研究生院地球科学学院 北京 100049 2.中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083)

摘要:为模拟研究煤储层水力压裂效果，对煤样进行了饱水条件下的常规单轴压缩试验和声发射测试。对结果进行分析表明:在常规单轴压缩条件下，煤在平行层面上其力学性质具有方向性差异，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多。煤样在垂直面割理方向弹性模量E随着单轴极限抗压强度σc的增加而增加，相关性较高，平行面割理方向弹性模量E随着抗压强度的增高而增高，但离散性较大。在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型。

关键词:单轴压缩试验 力学性质 各向异性 饱和含水率 割理

基金项目: 国家自然科学基金项目 ( No. 4103042240972131) 国家重点基础研究发展规划 ( 973) 课题( No. 2009CB219601) 国家科技重大专项课题 ( 2009ZX05039 － 003) 中国科学院战略性先导科技专项课题( XDA05030100) 河北工程大学博士基金课题。

作者简介: 颜志丰，1969 年生，男，河北邯郸人，博士后，长期从事能源地质和构造地质研究。Email: yanzf@ gucas. ac. cn。

Uniaxial Mechanical Test of Water-saturated Coal Samples in Order to Simulate Coal Seam Fracturing

YAN Zhifeng1JU Yiwen1HOU Quanlin1TANG Shuheng2

( 1. College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 2. School of Energy Resources，China University of Geosciences ( Beijing) ，Beijing 100083 China)

Abstract: In order to simulate effect of hydraulic fracturing in coal reservoir，conventional uniaxial compres- sion test and acoustic emission test on the water-saturated coal samples were hold. The results showed that the me- chanical properties in parallel to the level of coal have directional difference. Under the conditions of conventional uniaxial compression. The uniaxial limit compressive strength in direction parallel to the face cleat is much larger than it in the vertical，so is the elastic modulus. The elastic modulus of coal increased with the increasing of com- pressive strength，however it is higher correlation in the direction of vertical face cleat，but a larger dispersion in parallel. The complete stress-strain curve shape showed by deformation of coal samples under uniaxial compression can be roughly summarized as 3 types.

Keyword: uniaxial compression testmechanical propertiesAnisotropysaturated water contentcleat

1 前言

煤层气是储存于煤层内的一种非常规天然气，其中CH4含量多数大于90%，是一种优质洁净的气体能源(单学军，2005)。我国煤层气资源十分丰富，根据新一轮全国煤层气资源评价结果，在全国19个主要含煤盆地，适合煤层气勘探的埋深300～2000m范围内，预测煤层气远景资源量为36.8万亿m3。煤层气主要是以吸附状态存在于煤层内，也有少量以游离状态存在于孔隙与裂缝中(SmithDM，1984)。就孔隙结构而言，煤的孔隙结构可分为裂缝性孔隙和基岩孔隙。人们又习惯地把煤岩中的内生裂缝系统称为割理。其中面割理连续性较好，是煤中的主要裂隙，端割理是基本上垂直于面割理的裂缝，只发育在两条面割理之间，把基岩分割成一些长斜方形的岩块体(李安启，2004)。

渗透率高的煤层产气量往往较高，而低渗透率的煤层产气量较低。水力压裂改造措施是国内外煤层气井增产的主要手段。而我国的煤层气储层普遍属于低渗透煤储层，研究表明:我国煤层渗透率大多小于50×10－3μm2(张群，2001)。因此，目前国内的煤层气井采用最广泛的完井方法是压裂完井，煤层和砂岩的岩性特征有很大的区别，压裂施工中裂缝在煤层中的扩展规律与在砂岩中的扩展规律也不相同，为了解煤层的压裂特征和压裂效果就需要对煤层压裂进行模拟研究，要进行模拟研究就需要研究煤岩的力学性质。

通过试验研究煤岩的力学性质，发现煤岩具有尺寸效应———即煤岩的尺寸对试验结果具有影响，Daniel和Moor在1907年就指出(DanielsJ，1907):小立方体的屈服强度高于大立方体，而且当底面积保持常数时，随着试块高度的增加，其屈服强度降低。研究过煤岩尺寸效应的还有Bunting(Bunting D.1911)。Hirt和Shakoor(Hirt A M，1992)，Med-hurst和Brown(MedhurstT P，BrownET.A，1998)，吴立新(1997)，刘宝琛(1998)，靳钟铭(1999)等。

由于单轴力学性质试验结果受尺寸、形状等因素制约，因此进行单轴岩石压缩试验时，对试验样品的加工有一定的要求，通常试件做成圆柱体，一般要求圆柱体直径48～54mm，高径比宜为2.0～2.5，试件端面光洁平整，两端面平行且垂直于轴线。

2 试验方法说明

在单轴压缩应力下，煤块产生纵向压缩和横向扩张，当应力达到某一量级时，岩块体积开始膨胀出现初裂，然后裂隙继续发展，最后导致破坏(闫立宏，2001)。为避免其他因素的影响，采用同一试样，粘贴应变片，在测试强度过程中同时用电阻应变仪测定变形值。

2.1 煤样制备和试验方法

实验煤样采自沁水盆地南部晋煤集团寺河煤矿3#煤层。煤样制备和试验方法参照中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程(SL264－2001)》(中华人民共和国水利部.2001)，以及国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会提供的《岩石力学试验建议方法》(郑雨天，1981)进行的。沿层面方向在大煤块上钻取直径为50mm，高为100mm的圆柱样，煤样轴向均平行煤岩层面。为研究平行面割理和垂直面割理方向煤岩力学性质的差异，制备了两组煤样。一组煤样平行面割理方向，样品数10个，编号DP1DP10另一组煤样垂直面割理方向，样品数10个，编号DC1DC10。试验前对煤样进行了饱水处理(48h以上)。单轴实验设备为WEP600微机控制屏显万能试验机。记录设备为30吨压力传感器，7V14程序控制记录仪。数据处理设备为联想杨天E4800计算机及相应的绘图机、打印机。试验工作进行前测试了煤样的物理性质，对试件进行了饱水处理。进行单轴压缩试验的煤样条件见表1。

表1 煤样条件

2.2 计算公式

单轴抗压强度计算公式:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:σc为煤岩单轴抗压强度，MPaPmax为煤岩试件最大破坏载荷，NA为试件受压面积，mm2。

弹性模量E、泊松比μ计算公式:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:E为试件弹性模量，GPaσc(50)为试件单轴抗压强度的50%，MPaεh(50)为σc(50)处对应的轴向压缩应变εd(50)为σc(50)处对应的径向拉伸应变μ为泊松比。

3 试验结果与分析

3.1 加载轴线方向对煤块的抗压强度σc和弹性模量有显著的影响。

试验结果数据见表2。从表中可以看出，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多，抗拉强度平均值高出2/3，而弹性模量更是高出一倍。这说明即使在平行煤的层面上其力学性质也具有方向性，不同方向上其值大小有显著差异。

表2 煤样单轴抗压强度试验结果

注:DP9沿裂隙面破裂，没有参与力学性质分析。

煤是沉积岩，小范围内同一煤分层在形成环境、形成时代上都是相同的，可以认为小范围内在平行煤的层面上，煤的组分、煤质等是均匀的，变化非常小，所以沿平面上力学性质的差异与煤质、组分等关系不大。推测其原因是由于在地史上受到构造应力的影响，构造应力具有方向性，在不同的方向上其大小不同，使煤在不同的方向上受到地应力作用的大小程度也不同，导致煤在不同方向上结构有所不同，从而表现出来在不同方向上力学性质的差异，在受力较大的方向上可能会表现出较大的强度。由于在构造力作用下沿最大主应力方向裂隙最容易发育，发育程度也应该较好，沿最小主应力方向上裂隙发育程度要差些。发育好的裂隙往往形成面割理，因而在平行面割理的方向上抗压强度和弹性模量都高，而在垂直面割理的方向上其值相对就会小些。

3.2 煤岩单轴极限抗压强度与其他性质之间的关系

由表2可知煤样的抗压强度离散性较大，影响因素是什么?煤的密度与含水状态对单轴抗压强度有什么影响?现分析如下:

图1a表示了极限抗压强度σc与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出，无论是C组、P组还是全部样品，随着饱和密度的增加，煤块的极限抗压强度都有增加的趋势，说明随着饱和密度的增加，抗压强度有增加的趋势。

图1 σc与其他性质之间的关系

图1b表示极限抗压强度σc与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出，C组样品随饱和吸水率的增加抗压强度有减少的趋势，而P组样品单轴抗压强度和饱和吸水率的相关性非常低，可以认为饱和吸水率对P组样品没有影响。由此可见，饱和吸水率的增高使垂直面割理方向的抗压强度降低，而对平行面割理方向的单轴极限抗压强度影响很小。

图1c表示单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴极限抗压强度σc与弹性模量E之间具有明显的正相关性，即垂直于面割理方向的单轴极限抗压强度随着弹性模量的增加而增加，P组样品具有不明显的线性正相关，即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与弹性模量E的增加而增加，但离散性较大。

图1d表示单轴极限抗压强度σc与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品单轴抗压强度与泊松比之间具有较明显的负相关关系，也就是说垂直于面割理的单轴抗压强度随着泊松比的增高而降低但是P组样品的相关性很低，即平行于面割理方向的单轴极限抗压强度σc与泊松比的变化无关。

3.3 弹性模量和其他性质之间的关系

图2a表示弹性模量E与泊松比μ之间的关系。从图中可以看出C组样品、P组样品及全部样品相关性均不明显。说明弹性模量与泊松比之间的变化互不影响。

图2 弹性模量E与其他性质之间的关系

图2b表示弹性模量E与饱和密度ρw之间的关系。从图中可以看出无论C组还是P组，样品弹性模量与饱和密度相关性非常弱，可以认为不相关。由此可见弹性模量不受饱和密度变化的影响。

图2c表示弹性模量E与饱和吸水率ωs之间的关系。从图中可以看出C组样品弹性模量与饱和吸水率相关性较高，呈明显的负相关关系但是P组样品的相关性却很低，几乎不相关。由于C组样品以垂直轴向的裂隙为主，在压力作用下煤样的变形等于煤岩本身的变形再加上水的变形，水是液体，在压力作用下很容易变形，在压力不变的情况下随着水含量的增加变形随之增大，而产生较大的轴向变形，导致C组的煤样随着含水量的增加弹性模量变小。而P组样品裂隙以平行轴向为主，尽管在饱水的情况下裂隙中完全充填了水，但由于水含量很少，承载压力的主要是煤岩本身，变形量也是由煤岩本身决定的，因此它与含水量关系不明显。

3.4 泊松比和其他性质之间的关系

由图3a中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和密度之间散点图均比较离散，相关性很低，也可以说它们不相关。

由图3b中可以看出C组样品、P组样品和全部样品的泊松比与饱和吸水率之间相关性很低，可以认为它们不相关。

3.5 煤岩单轴压缩全应力—应变曲线类型

岩石试件从开始受压一直到完全丧失其强度的整个应力应变曲线称为岩石的全应力应变曲线(重庆建筑工程学院，1979)。大量岩石单轴压缩实验表明，岩石在破坏以前的应力应变曲线的形状大体上是类似的，一般可分为压密、弹性变形和向塑性过渡直到破坏这三个阶段。

煤是一种固体可燃有机岩石，由于成煤物质的不同及聚煤环境的多样化，煤的岩石组分、结构特征比较复杂。因此，在单轴压缩条件下煤样变形破坏机制及表现出的全应力—应变曲线形态多种多样，大体可以概括为3种类型。

图3 泊松比μ与饱和吸水率ωs之间的关系

3.5.1 迸裂型

应力—应变曲线压密阶段不明显，加速非弹性变形阶段很短，曲线主要呈现表观线弹性变形阶段直线，直到发生破坏，见图4a。具有迸裂型全应力—应变曲线特征的煤样，通常均质性较好、强度较大、脆性较强，其抗压强度通常很高。煤样在整个压缩变形过程中，积聚了大量弹性应变能，而由于发生塑性变形而耗散的永久变形能相对较小。因此，当外部应力接近其极限强度而将要发生破坏时，煤岩内积聚的大量弹性应变能突然、猛烈地释放出来并发出较大声响，形成一个很高的声发射峰值。

图4 煤岩样品应力—应变关系曲线图

3.5.2 破裂型

应力较低时，出现曲折的压密阶段，当应力增加到一定值时，应力—应变曲线逐渐过渡为表观线弹性变形阶段最后变为加速非弹性变形阶段，直到发生破坏，见图4b。试件随荷载的增加，煤样受力结构逐渐发生变化，同时出现局部张性破坏，但整体仍保持完整，并在变形过程中也积聚了一定的弹性应变能。当外部应力接近其抗压强度，即煤岩发生加速变形时，煤岩中积聚的弹性应变能就突然释放，产生较高的声发射值，破坏时声发射强度又变得非常低。

3.5.3 稳定型

应力—应变曲线压密阶段不明显，表观线弹性变形阶段呈略微上凸的直线，加速非弹性变形阶段较长，见图4c。试件随荷载的增加，煤样受力结构逐渐发生变化，同时出现局部张性破坏，并在变形过程积聚的弹性应变能释放，形成振铃计数率峰值，随后振铃计数率迅速降低，并在加速非弹性变形阶段开始时出现新的振铃计数率峰值，接近破坏时又出现一次振铃计数率峰值。破坏时声发射强度又变得非常低。

4 结论

通过上面对沁水盆地寺河煤矿3号煤力学试验，可以得出如下结论:

(1)煤岩单轴抗压强度和弹性模量等力学性质在平行煤层的平面上具有方向性差异，平行面割理方向的单轴极限抗压强度要比垂直面割理方向的单轴极限抗压强度大得多，其弹性模量也大得多。

(2)煤的极限抗压强度σc随着饱和密度ρw的增加而增加极限抗压强度σc在垂直于面割理方向上随饱和吸水率ωs的增加而减少，而在平行面割理方向上与饱和吸水率无关单轴极限抗压强度σc随着弹性模量E的增加而增加，在垂直面割理方向上相关程度较高，在平行面割理方向上离散性较大。单轴极限抗压强度σc在垂直面割理方向上随着泊松比μ增加而减小，而在平行面割方向上与泊松比无关。

(3)弹性模量E的变化不受泊松比变化的影响，同时也不受饱和密度的影响垂直面割理方向弹性模量随着饱和吸水率ωs的增加而减小，而平行面割理方向弹性模量与饱和吸水率无关。

(4)泊松比μ的变化既不受饱和密度变化的影响，也不受饱和吸水率ωs变化的影响。

(5)在单轴压缩条件下煤样变形破坏表现出的全应力—应变曲线形态大体可以概括为3种类型:①迸裂型②破裂型③稳定型。

参考文献

单学军，张士诚，李安启等.2005.煤层气井压裂裂缝扩展规律分析.天然气工业，25(1)，130～132

靳钟铭，宋选民，薛亚东等.1999.顶煤压裂的实验研究.煤炭学报，24(l)，29～33

李安启，姜海，陈彩虹.2004.我国煤层气井水力压裂的实践及煤层裂缝模型选择分析.天然气工业，24(5)，91～94

刘宝琛，张家生，杜奇中等.1998.岩石抗压强度的尺寸效应.岩石力学与工程学报，17(6)，611～614

吴立新.1997.煤岩强度机制及矿压红外探测基础实验研究.北京:中国矿业大学.

闫立宏，吴基文.2001.煤岩单轴压缩试验研究.矿业安全与环保，28(2)，14～16

张群，冯三利，杨锡禄.2001.试论我国煤层气的基本储层特点及开发策略.煤炭学报，26(3)，230～235

郑雨天等译.1981.国际岩石力学学会实验室和现场标准化委员会:岩石力学试验建议方法.北京:煤炭工业出版社

中华人民共和国水利部.2001.水利水电工程岩石试验规程(SL264～2001).北京:地质出版社

重庆建筑工程学院，同济大学编.1979.岩体力学.北京:中国建筑工业出版社

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Smith D M，Williams F L. Diffusional effects in the recovery of methane from coalbeds. SPE，1984: 529 ～ 535

岩石力学是从工程建设中形成，与工程建设紧密联系的一门新兴边缘性学科，其历史短，发展迅速，但形成过程漫长。已知公元前 2 世纪，李冰利用岩体热胀冷缩特性，采用火烤水淋法破裂岩体，开凿都江堰宝瓶口、劈山修渠，这属于岩石力学的萌芽。公元 1 世纪，我国劳动人民利用冲击破碎法，开凿深数百米的盐井。历代采矿，采用支护、回填、留柱等方法，以防岩体冒顶、偏帮、压裂破碎等地压现象，均属岩石力学具体运用，不过是凭直观经验、尚无系统理念。西方经第三次产业革命后，资本主义生产迅速发展，在人类经济建设活动中，岩石力学随之诞生，1878 年海姆 (A. Heim) 提出深层岩体应力处于静水应力状态的假说。1926 年施米德 (H. Schmid) 运用海姆假说，结合岩体弹性概念，解决洞室围岩应力分布。同期金尼克 (A. H. Диннику) 提出岩体中天然应力状态的公式，普鲁托吉雅克诺夫 (M. M. Прутоцняконов) 提出天然平衡拱理论，这些对岩石力学的探讨、为这一新兴学科提供了生长点。第二次世界大战后，各国大量兴建各项工程，面临一系列科学技术问题，促进了岩石力学的蓬勃发展。在此时期，多以连续介质、均质弹塑性理论以及极限平衡理论为主要计算原理。在试验方面，则以室内小试块的物理力学试验为主，但亦结合工程进行针对性的野外大型试验。同一期间，缪勒 (L. Müller) 等欧洲学者，开展了紧密结合实际情况的研究工作，创建了著名岩石力学奥地利学派，于 1951 年在萨尔斯堡举行以地质力学为主题的，第一次国际岩石力学讨论会。

1957 年后，有关岩石力学著作不断涌现，标志着一门完整体系的独立新兴学科的诞生与兴起。在 1957 ～1965 年，拉布舍维奇 (V. Rabcewicz) 、缪勒、帕克 (F. Pacher) 等人在总结隧道工程的经验基础上，研究开发新奥地利隧道施工法，简称新奥法。该方法是基于岩石弹塑性理论，隧洞岩体动态观测资料有关岩体自护能力的变形时效概念以及岩体工程地质态势分类，以确定开挖工艺与支护方法。这是科学理念与经验融合的高超工艺，在欧洲获得成功运用并扩及世界各国，为岩石力学做出了很大的贡献。

1962 年国际岩石力学学会成立。1966 年在里斯本召开了国际岩石力学学会第一次大会，基于马尔帕塞拱坝溃决、瓦央水库库岸巨型大滑坡的灾变教训，提出须重视工程地质岩石力学的更新知识，创造岩石力学性能定型判据。岩石力学的更新理念，多是从隧洞施工实践经验中总结建立。坝与边坡工程的岩石力学，亦借助隧洞的成果同时发展。岩石力学的发展，从初期的单一因素，发展为多因素的权值分类法，后锁定 1976 年权值分类标准的地质力学分类法，使设计所需岩石力学参数，由定性的经验法向科学检测的全面量化发展。早期的分类，有泰沙基 (K. Terzaghi) 于 1946 年提出的岩石载荷分类法，后为迪尔 (V. Deere) 等人修正，此法在美国地下工程中普遍运用近 50 年。考虑到岩体缺陷与损伤，对隧洞纵横向跨度自稳时间长短的影响，拉弗尔 (H. Laffer) 于 1958 年提出支撑时间分类法，后由帕克等人修正，形成以地层态势定性的新奥法分类，这是一种科学的经验尺度方法，具科学理论基础。1967 年迪尔以修正的岩心采取率，作岩石质量指标(RQD) 的分类，现已作为钻孔岩心记录标准参数，并成为后期岩体权值系统———RMR 系统与岩体质量指标定量分类的 Q-系统的基本元素。当无钻孔岩心资料时，通过沿垂直与水平方向的节理线密度统计，按 1976 年普里斯特 (Priest) 公式求各个方向的 RQD 值。据此可评价大坝基础及边坡的岩体质量以及与其三维空间岩石质量的变化情况。1972 年威克汉姆 (G. Wickham) 等人，考虑了多参数权值系统的定量岩体分类，称岩石结构权值分类法 (RSR) 是针对隧洞围岩支护设计模式的岩体分类系统。这一分类法考虑了岩体强度类型与构造损伤程度的权值系统岩体结构面产状要素与洞室施工结构相关性的权值系数地下水对前两因素影响的权值系统所得三权值评价参数之和，即为 RSR 值。RSR 分类法是为隧洞选择钢柱支护的一种有效方法。根据洞探等所掌握隧洞岩体质量确定 RSR 的预计值，绘制该直径隧洞在各典型地层段的支护需求草图，在研究隧洞支护时，引入支柱率原则。此原则必须先求泰沙基的岩石载荷支柱间距，然后除以所使用支柱尺寸的理论支护间距，得载荷支柱间距与相应所需理论间距的百分比，使 RSR值与实际支护联系起来，辛海 (Sinha) (1988) 指出 RSR 法是泰沙基法的一种改良，而非一种独立系统。但 RSR 分类的主要贡献是创建岩体权值系统概念。

上述岩体分类未能全面反映岩体的复杂构造与结构、结构面状态及其所处场势情况，随建设发展不断要求岩石力学探索更新的研究方法，所以 RMR 与 Q 系统对岩体分类定量评价方法相继产生，使岩石力学研究，起了较能符合和满足实际要求的质的转变与飞跃。

RMR 系统 分 类 称 岩 体 权 值 系 统 分 类， 亦 称 地 质 力 学 分 类， 是 比 尼 沃 斯 基(T. Bieniawski) 1973 年提出，并在后期应用中获得很大改进。该分类考虑了岩石的单轴抗压强度岩体质量指标损伤破裂面间距破裂结构面条件水文地质条件五个参数的分级权值、加上结构空间展布与建筑物实施的相关影响所作的调整权值、由权值总数定出岩体等级，由岩体等级确定地下洞室岩体黏聚力强度 (抗拉张破坏强度) 、岩体内摩擦角及岩体平均支承时间。第六项为调整参数权值，具较具体的针对性，可在地下工程、坝基与边坡工程中运用。1980 年霍克-布朗 (Hock-Brown) 用 RMR 分类，确定岩体破坏时应力强度的理论公式。式中将岩体受力变化程度和其内摩擦角、建立与 RMR 在受扰动与未受扰动情况下的关系式。由于 RMR 中的参数权值已经多次修正，霍克提出，当 RMR ﹥18 则采用 1976 年的规定，将 RMR76称为 GSI 地质力学指标分类。并据以求出岩体的抗压抗拉强度与 φ、c 值岩体的变形模量、则依据 RMR≈57 为界，分别采用比尼沃斯基与塞拉芬提出的相应公式求解。于是则形成建筑物基础设计所需岩体力学参数选取的工程系统。在对岩石边坡稳定性评估方面，1985 年罗曼娜 (Romana) 根据野外资料，认识到岩石边坡稳定性，受不连续面力学特性控制、受结构面空间展布与边坡关系的影响，提出RMR 系统中不连续面产状与边坡关系之参数改正的阶乘方法，删去原 RMR 系统中结构面方向改正因素，添加开挖方法改正权值，经修正成为 SMR 法，使 RMR 分类法适用于岩石边坡，包括软弱岩体、严重节理化岩体边坡稳定性的初步评估。这是对边坡地质灾害研究的重要贡献。综上所述，RMR 分类法提出，经发展中创新修正，已日臻完善。但 RMR 分类法忽视了三个重要性质，即各种节理粗糙度、充填节理的抗剪强度、地下洞室中岩石本身的荷载。1974 年巴顿 (N. Barton) 根据几百个工程实例，用 RMR 分类法优点，改进其缺陷与不足，提出隧洞围岩岩体质量指标分类法、Q--系统法。其使用岩石质量节理组数节理粗糙度值节理蚀变度值节理含水折减系数应力折减系数六个参数值。形成岩石质量与节理组数的商，代表岩石块体的状态节理粗糙度与节理蚀变度的商，代表块体间剪切强度指标节理含水折减系数与应力折减系数的商，是表述有效应力状态。三个商值之积即为 Q 值。由 Q 指标与工程总结建立的关系式，求围岩顶拱压力及 Q 与等效尺度之间的关系，确定合适的支护措施，并建立 Q 与 RMR 之间的关系式。Q 系统是一种定量分类系统，是促进隧洞支护设计的工程系统，在 Q 系统中，巴顿等人认为: 节理组数、糙度、蚀变度三个参数，比起节理方向来说起更重要作用，节理糙度与蚀变度，是指最不合适的节理，暗示了方向。当包含节理方向时，Q 分类就会显得通用程度不够，为避免复杂化，防止局限，使研究者主要精力集中于几个重要指标上。

在岩体分类法演进至对岩体宏观力学参数达定量化确定时，室内外试验技术，已满足高精度要求，这些现有野外地应力的压磁法、应力解除法测试、占孔水压致裂法的应力研究、平洞全断面径向千斤顶压法、水压法的岩体宏观变形模量测试、野外大三轴试验、流变试验、抗剪抗切试验以及动力法电法的探测等。关于不同粗糙度结构面的抗剪强度，在佩顿 (F. Patton) 对剪胀角研究的基础上，巴顿考虑了结构面糙度与其表面抗压强度，提出在不同应力条件下的抗剪强度公式。为配合岩体分类与抗剪强度野外定量研究，进行了野外相关物理力学性要求的快速测定。如施米特锤法、结构面糙度测量等。室内有全息性三轴试验、抗风化效应试验、结构面影响强度、变形试验、地质体模拟试验等。随电子计算机发展、数值分析法迅速发展与完善，从有限元、边界元、离散元发展为自适应有限元、仿真模拟等。但其成果决定于参数的正确及物理模型与实际的一致。

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