岩体结构控制论
岩体结构力学是以岩体结构控制论为基础，结合力学和地质学而形成的一个新的理论体系。岩体结构力学是土木工程、矿山工程和国防工程建设中解决岩体工程建设问题的基础理论。随着人类向地下深处进军大趋势的到来，岩体工程的种类越来越多，规模越来越大，其安全性和经济效益越来越受到重视，对岩体力学的需求也越来越迫切。岩石力学在国内外受到了广泛的关注，出版了许多专著、论文和教材，但工程界仍然觉得现有的岩石力学理论解决实际问题的能力较低。作者指出有两个原因:
(1)岩石力学研究与地质研究脱节，抽象的岩石力学模型不符合岩体地质实际；
(2)现有的岩石力学理论不能反映岩石力学的真实规律。现有的岩石力学理论是从材料力学和土力学移植过来的，本质上是一种连续介质力学理论，不符合岩石力学的地质实际。
岩体的地质现实是怎样的？经过多年的研究，笔者逐渐认识到，岩体是一个具有各种不连续结构的地质体，是变形的、受力的、破碎的、不良的。岩石力学是研究环境应力变化时，岩体发生变形破坏的规律、理论和应用技术的科学。这两个“在”字很重要，是岩石力学的特点。这两个“在”字是严格受岩体结构控制的，即岩体结构控制着岩体的变形、破坏和力学性质。1978作者提出了岩体结构的力学效应是岩体力学的力学基础的理论，1984提出了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、破坏和力学性质的控制，这是岩体结构力学的基础理论和核心。第二个层次是应用这三个基本理论作为指导，解决岩体工程中的实际问题。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本方法是岩体结构分析法和结构力学分析法。以下是作者在岩体结构控制论的基础上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.岩体变形规律理论
许多人研究了岩体的变形本构规律，但大多数研究成果脱离了岩体的地质实际。在解决岩体工程问题时，用材料力学的理论来分析岩体变形，结果不好用。经过多年的研究和实践，作者发现岩体的变形是由岩体材料的变形和岩体结构的变形共同作用的，即:
地质工程原理
如图3-3所示，岩体材料的变形由四个机制分量组成:结构的弹性变形、结构的粘性变形、结构面的闭合变形和结构面的位错变形。根据这一方案，作者系统地研究了岩体材料的变形，并根据岩体的不同地质特征给出了17种变形模型和本构方程(孙广忠，1988)。同时还研究了岩体结构的变形规律，提出了岩体结构的四种变形本构规律，即沿软弱结构面的滑动变形规律、软弱夹层的挤压变形规律、块体结构的旋转变形规律和板块结构的弯曲变形规律。这样，作者为岩体变形分析提供了岩体结构力学的理论基础。然而，目前的岩体变形分析大多将岩石材料的变形视为岩体的整体变形。因此，岩体变形的理论分析结果与实际观测结果相差很大。在1986中，作者对鲁布革电站地下厂房侧墙变形进行了分析。根据虎克定律，地下厂房侧墙变形为0.19mm，而实际观测结果为22.5mm，相差100多倍。根据作者提出的板裂岩体力学理论，计算出洞室边墙岩体变形达到22.7mm，岩体出现裂缝。这与实际观察结果非常一致。这说明仅用虎克定律分析岩体变形是不现实的，岩体变形分析必须考虑岩体结构变形。
2.岩体破坏规律理论
很多人把这个问题看成是岩石材料的强度研究。实际上也脱离了岩体的地质现实。根据多年的研究和实践，作者发现岩体的破坏也受岩体结构的控制。在总结大量岩体破坏资料的基础上，发现在其结构控制下，岩体有7种破坏机制，如表3-2所示:①拉伸断裂；②剪切破坏；(3)结构轧制；④构造沿结构面滑动；⑤倾倒损害；⑥屈曲破坏；⑦弯曲失效。前两种是材料失效，后五种是结构失效和结构失稳。据此给出了7个破坏准则，批判了用单一库仑摩尔破坏准则评价岩体力学破坏的片面性错误，建立了岩体破坏准则体系。这一论点在实践中得到了广泛的验证，对碧口电站引水隧洞破坏的分析清楚地说明了这一问题。隧道穿越的岩体为千枚岩，具有板状裂隙结构。设计过程中采用库仑摩尔准则进行稳定性分析。结果表明，12.9m的导流洞是可以开挖的，但在施工过程中遭到破坏。1985年作者发表了板裂介质岩体力学理论，原设计工程师倪用作者提出的板裂介质岩体力学理论重新分析，发现该溶洞不稳定。原分析结果的错误导致工程长期停工，给施工带来很大困难。
表3-2岩体破坏机制表
3.岩石力学性质规律理论。
目前岩体力学性质的分析方法是岩体材料的力学试验结果加上经验折扣，没有理论。20世纪70年代中期，鲁尔大学教授约翰提出，岩体的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的规律，所以没有解决这个问题。经过多年的研究和实践，作者发现岩体力学性质的结构效应可以概括为三个规律:①爬角效应规律；(2)尺寸效应规则；③各向异性效应法则。在考虑岩体力学性质时，还必须考虑工程结构的特点，这样才能得到更符合实际的工程岩体力学性质。该理论为岩体力学特性的分析提供了理论基础。
4.岩石力学介质
作者通过对岩体变形、岩体破坏和岩体力学性质规律的研究，发现岩体力学的基本规律确实是受岩体结构控制的。相应地，岩体结构控制论是岩体力学的基础理论，它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，而且运用这一基础理论建立了岩体结构力学的理论体系。同时，在应用方面做了一些基础研究。为保证岩体力学分析的科学性和岩体力学模型的科学性，根据岩体变形破坏机理和地应力特征，将岩体分为连续介质、裂隙介质、块体裂隙介质和板状裂隙介质四种力学介质，如表3-3所示。深入研究了各种介质岩体的力学分析方法，建立了完整的岩体结构力学体系。以岩体结构控制论为指导，研究岩体转化原理，使岩体结构力学理论更加完善，使用更加方便。
表3-3岩体力学介质分类
5.岩体结构力学定理
基于前人的研究成果和笔者的研究成果，在1991岩体结构控制论的指导下，笔者将岩体结构力学的核心内容归纳为以下五项，称为岩体结构力学基本定理或岩体力学基本定理(孙广忠，1993):
岩体(1)是经过变形破坏，由一定的岩石成分组成，具有一定的结构，存在于一定地质环境中的地质体。岩体力学是研究环境应力变化时，岩体重新变形和重新破坏的规律、理论和应用的科学。
(2)岩体在结构面的控制下具有自己独特的不连续结构，岩体结构控制着岩体的变形、破坏和力学性质。岩体结构对岩体力学的控制作用远大于岩石材料。
(3)岩体结构控制论是岩体力学的基础理论，岩体结构的力学效应是岩体力学的力学基础，岩体结构和结构力学的分析方法是岩体结构力学研究的基本方法。
(4)岩体存在于一定的地质环境中，岩体赋存的环境条件可以改变岩体结构的力学效应和岩体的力学性质。
(5)在岩体结构、岩石成分和环境应力条件的控制下，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组成的力学体系。