目录

绪论

1岩石分级和聚类分析

1.1岩石分级的发展

1.1.1国际上的两个分级系统

1.1.2三个单项岩石分级和岩石三性综合分级

1.1.3岩石分级的发展问题

1.2聚类分析梗概及其基础知识

1.2.1聚类分析简介

1.2.2变量的类型

1.2.3距离

1.2.4相似系数

1.2.5聚类分析的方法

1.3系统聚类法

1.3.1基本步骤和八种系统聚类法

1.3.2统一的递推公式

1.3.3系统聚类法的实施步骤

1.3.4八种方法的比较

1.4动态分级法

1.4.1基本原理

1.4.2DT法的实施步骤

1.4.3DT法的分类函数DS

1.4.4DT法的特点

1.5模糊分级法

1.5.1模糊集

1.5.2模糊关系

1.5.3利用模糊等价关系的分类法（FSYS法）

1.5.4模糊动态分级法

1.5.5岩石分级模式的模糊识别

1.6分级判据的论证

1.6.1候选指标的相关分析

1.6.2变量的分类

1.6.3变量组合的可靠性分析

2岩石断裂力学和损伤理论基础

2.1断裂力学的基本概念

2.1.1断裂力学的形成和发展

2.1.2断裂力学的研究内容和分类

2.1.3裂纹的基本类型

2.2裂纹端部的应力、位移及应力强度因子

2.2.1I型裂纹

2.2.2Ⅱ型裂纹

2.2.3Ⅲ型裂纹

2.3应力强度因子的计算问题

2.3.1叠加原理的应用

2.3.2有限宽板有穿透直裂纹的情况

2.3.3无限体中有椭圆片裂纹和圆片裂纹的情况

2.3.4有限体有表面裂纹或埋藏裂纹的情况

2.3.5部分常用应力强度因子计算公式

2.4塑性区修正

2.4.1塑性区的形状和大小

2.4.2应力松弛对塑性区宽度的影响

2.4.3应力强度因子的修正

2.5线弹性断裂力学的基本理论

2.5.1英格利斯（Inglis）断裂理论

2.5.2格里菲斯能量理论及能量判据

2.5.2欧文（Irwin）断裂准则

2.6断裂韧度及其测试

2.6.1断裂韧度及其影响因素

2.6.2金属材料KIc的测试

2.6.3岩石断裂韧度KIc的测试

2.6.4对岩石断裂韧度测试问题的看法

2.7复合裂纹的断裂判据

2.7.1最大切向拉应力判据（MS判据）

2.7.2最大能量释放率判据（MG判据）

2.7.3最小应变能密度因子判据（S判据）

2.8岩石断裂力学的应用

2.8.1点荷载强度公式

2.8.2格里菲斯理论在岩石力学中的应用

2.8.3节理岩体强度的确定

2.9岩体的损伤模型

2.9.1损伤理论和岩体损伤

2.9.2损伤变量和有效应力

2.9.3应变等价原理

2.9.4岩体损伤变量的确定

3岩石的塑性和粘性理论

3.1材料的塑性及其试验结果分析

3.1.1塑性和塑性力学的基本假设

3.1.2金属材料的试验

3.1.3岩石类材料的试验

3.2应力状态和应变状态简述

3.2.1应力状态

3.2.2应变状态

3.2.3广义虎克定律的分解

3.3塑性本构关系

3.3.1屈服条件的函数形式和几何图形

3.3.2加载条件

3.3.3塑性本构方程

3.4简单弹塑性问题

3.4.1薄壁圆筒受拉伸与扭转的增量理论解

3.4.2厚壁圆筒受内外压力问题的弹塑性解答

3.5圆形巷道的弹塑性分析

3.5.1圆形巷道围岩弹塑性分析的传统解答

3.5.2体积应变不为零的圆形巷道围岩弹塑性位移解答

3.6岩石的粘弹性问题

3.6.1流变性的表达方式

3.6.2微分形式的流变模型

3.6.3一维流变模型的积分形式

4岩体工程的可靠性分析

4.1可靠性的概念

4.2极限状态方程式

4.3对随机变量的描述

4.4工程结构设计的数学模型

4.4.1安全系数法

4.4.2全分布概率法

4.5一次二阶矩法

4.5.1失效概率影响因素的分析

4.5.2中心点法

4.5.3验算点法

4.6可靠性分析在岩土工程中的应用

4.6.1锚索抗力统计参数对可靠度的影响

4.6.2粒状土强度的可靠性分析

4.6.3岩土工程设计的有关问题

5块体理论的基本原理

5.1块体理论及其基本假设

5.1.1问题的提出

5.1.2块体理论的基本假设

5.2块体和切割锥

5.2.1块体的类型及其定义

5.2.2岩体切割锥

5.3共点图案判断法

5.3.1块体和切割锥的表示方法

5.3.2共点图案判断法

5.4三维识别方法

5.4.1有限性定理

5.4.2判别块体有限的空间解析几何方法

5.4.3判别块体有限的赤平投影方法

5.4.4可动性定理

5.4.5关键块体的特征

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内容提要

本书从五个方面系统地介绍了岩石力学与工程的新理论和新方法。这五

个方面包括岩石分级和聚类分析、岩石断裂力学和损伤理论基础、岩石的塑

性和粘性理论、岩体工程的可靠性分析和块体理论的基本原理。书中精选的

实例可供解决岩石力学与工程的实际问题借鉴。本书可供从事土木、岩土、水

利、采矿、矿建、交通和国防等部门的工程技术人员和科研设计人员使用，也

可作为高等院校的教学用书。

【特征表理论】是概念结构理论之一，是有波纳等人提出的。特征表理论把概念的语义特征分解为定义性特征和特异性特征。定义性特征是定义一个概念所必须具备的，它相当于概念的本质特征。特异性特征是具有描述功能的特征，它相当于概念的非本质特征。

特征表理论认为，概念的结构由概念的定义性特征和整合这些特征的规则构成。这些规则也称概念规则，它包括肯定、否定、析取、条件等。概念的定义性特征和概念规则相互结合就形成了各种各样的概念。

例如：“鸟“的定义性特征为有羽毛、无齿有喙的动物，两个定义性特征的合取就构成了鸟的概念。

【评述】特征表理论重视概念规则在概念结构中的作用，其优点是可以很好的解释人工概念的研究，但还难以解释某些自然概念，因为有些自然概念的定义特征是非常难以确定的，因此这种概念的结构是难以用特征表理论来解释的。2100433B

一、现代西方林业经济理论发展流派

1．德国学者哈根和恩特雷斯等学者提出的“森林多效益永续经营理论”

从理论的影响力来看，哈根(Hargen)和恩特雷斯(Endres)的森林多效益永续经营理论(也称森林多效益理论，或森林多效益永续理论，或森林多效益永续利用理论)最为显著，被认为是现代林业经营的经典理论。1867年，奥托·冯·哈根提出：“经营国有林不能逃避公众利益应尽的义务，而且必须兼顾持久地满足对木材和其他林产品的需要和森林在其他方面的服务目标。”他还认为：国有林应作为全民族的财产，不仅为当代人提供尽可能多的成果，以满足人们对林产品和森林防护效益的需求，同时保证将来也能提供至少是相同甚至更多的成果。这就是森林多效益永续理论的早期思想。1905年，恩特雷斯认为森林生产不仅仅是经济效益，“对于森林的福利效益可理解为森林对气候、水和土壤，对防止自然灾害以及在卫生、伦理等方面对人类健康所施加的影响”。蒂特利希(Dieterich，1948)也对森林多种效益的永续经营与木材永续经营的差别做出了进一步的阐述：多种效益的永续不仅是木材、货币收入、盈利，还应有林副产品的利用，并涉及森林的各种效益。柯斯特勒尔(Kostler，1955，1967)在谈到永续利用的条件时指出，“永续性只有在生物健康的森林里才能得到保证，因此必须进行森林生物群落的核查。”泼洛赫曼(Plochmann，1982)也指出，“永续性的出发点不应该再是所生产的多种多样的物质、产量、效益的持续性、稳定性和平衡性，而应该是保持发挥效益的森林系统。”这些思想已将森林永续利用与森林生态系统的稳定和健康紧密联系在一起。在森林多种效益永续利用思想的影响下，2O世纪5O年代，德国政府批准了森林多种效益永续利用的林业政策，并于森林法(1975)中规定了森林经营的三大目标：经济效益、保持自然平衡和提供休憩场所(即现在所说的经济效益、生态效益和社会效益)。美国于60年代制定了森林多种效益经营的法规，前苏联、罗马尼亚等国也有相类似的举措。

德国的林业经营理论在世界各国中产生了很大的影响，第二次世界大战后，美国、瑞典、奥地利、日本、印度等国都采用森林多效益理论，制定新的林业发展战略，取得了很大进展。

2．美国克劳森和塞乔等学者提出的林业分工理论

进入2O世纪70年代，森林多效益理论受到了来自美国林业经济学家M:·克劳森和R·塞乔博士等人所提出的林业分工论的挑战。1975年，克劳森博士等人首先具体分析了森林特征与森林利用的关系，并全面地评估了不同森林的自然、经济潜力，迈开了林业分工论研究的第一步。他们认为，现代集约林业与现代化农业有一定的相似性，如果能通过林业的集约化经营来生产木材，森林的生产潜力应该是相当可观的。他们将上述观点概括为“森林多效益主导利用”经营思想，以区别于原有的“森林多效益”永续经营理论。到了7O年代后期，W·海蒂对林业分工论进一步进行了科学验证，他根据“效益标准”提出，不能不加区分地对所有林地进行相同的集约经营，而应该选择在优质林地上进行集约化经营，同时使优质林地的集约经营趋向单一化，实现经营目标的分工。他们认为，随着森林经营从当前的生物学标准向将来的市场效率标准转移，美国的森林不仅可以生产更多的木材，还能够提供更多的环境和游憩价值。他们还认为，原有的“森林永续利用”思想是发挥森林最佳经济效益的枷锁，按照这种思想所进行的林业经营活动大大限制了森林资源再生产的潜力，如果不摆脱这种思想的限制，就难以使林地和森林资源实现最佳的经济效益。

3．美国学者富兰克林提出的“新林业理论”

1985年，美国华盛顿大学J·F·富兰克林教授针对美国太平洋沿岸西北部成过熟林的经营提出新林业理论，旨在协调生产和保护之间的矛盾。新林业理论原则是突出森林潜在的生态价值，要求森林经营应尽可能模拟森林的自然再生产过程，保持成过熟林的天然遗产及结构特性。主张对森林的各种经营管理活动必须建立在对生态系统的维持和对生物多样性的保持上。该理论一经提出，立即震撼了美国林业界、新闻界和政界，许多林业专家认为，新林业理论是一种新的森林经营哲学，它避免了传统林业生产和纯粹自然保护者之间的矛盾，将生产和保护视为一体，找到了一条发展林业的合理道路。1989年和1990年，美国国会曾先后两次邀请富兰克林教授赴华盛顿参加众议院关于新林业的听证会，并提交了一项十分庞大的新林业综合计划。有人预言，新林业对美国林业的发展将产生深远的影响，很可能将彻底取代现行以伐木为主要目的的传统林业，创造出一条发挥森林生态效益、经济效益和社会效益的林业发展道路，将林业生产提高到一个新阶段。但事实证明，由于新林业理论的实践操作太过复杂，又仅适用于局部地区，因而未能成为处理全美林业的理论基础。

综观近半个世纪以来，西方国家林业经济学者对林业经营思想的讨论非常活跃，而且经常会产生一些新的认识和新的思路。这与时代发展及人们不断提高的生存的需求是不无关系的。—方面，日益恶化的环境与日渐富裕的生活形成鲜明的对比，使各国人民改善生态环境的愿望越来越强烈；另一方面，科学技术的进步使人们越来越清楚地认识到森林的巨大的多重功能，并且也有能力提高对森林的经营水平，以满足人们不断增长的对森林三大效益的需求。正是这样，在各种的经营思想的不断相互碰撞中，在各种经营理论被森林经营的不断检验后，人们的思路当前正慢慢统一在“可持续发展”的总体思路中，并体现在大多数国家的森林经营政策中，比如美国的“森林生态系统经营”、加拿大的“可持续林地管理”和德国的“近自然林业(生态林业)等。

目前，世界各国林学界正在对可持续发展思想指导下的森林可持续经营进行集中研究，以期找到一个适应本国国情的森林经营理论，以指导发展中的实践。

二、西方林业经济理论的特征

1．与一般经济理论不同，西方林业经济理论将如何保持和增加森林资源供给作为主要问题来研究

随着生产力的发展，各西方国家的社会产品供给能力逐渐增强，社会经济的发展约束条件逐渐由供给约束变为需求约束，由此决定西方经济的基础理论越来越重视研究需求问题，例如长期占据西方宏观经济主流理论地位的凯恩斯主义经济学从产生至今都是以需求问题作为研究重点的。但西方林业经济理论却是个例外，观察西方林业经济理论发展历程我们可以看到，无论是传统林业经济理论还是现代林业经济理论，都将如何保持和增加森林资源的供给作为主要问题来研究，而对于森林资源的需求问题，如森林采伐、运输、加工、销售等问题，由于矛盾并不尖锐，因此西方林业经济理论并没有对其进行太多关注。

2．无论是在生态环境较好还是在生态问题出现的条件下，西方林业经济理论始终非常重视林业的经济效益

在西方林业经济理论发展的每个阶段，都将林业经济效益最大化作为林业经济理论和实践所追求的主要目标(或主要目标之一)。奥地利的林业经济理论特征非常鲜明，例如奥地利农林部长Molterer在其文章“展望森林的未来”(1996年6月)中认为，森林的“经济利用是实现森林生态效益的前提”。这位部长还指出，农林混合企业里，森林应成为收入的支柱，为企业建立稳定持续的收入来源。奥地利农林部林业司长Ger PardMannsberger1996年6月也撰文指出，10-15年前，奥地利经营森林很少谈生态问题，而目前，森林经营的经济问题“令人痛心地被排斥到次要地位。1998年1O月，奥地利召开农林主大会，强调应视森林资源为农民重要的收入来源。

在这种重视发挥林业经济效益思想的指导下，奥地利的林业建设取得了巨大成就，据1992-1996年奥地利森林资源清查结果显示，该国的森林覆盖率已达46．8%，与1961年相比，森林覆盖率提高了2．8%，森林面积增加了23．3万hm2 ，达到了396万hm2 。1961-1996年的林木蓄积量从7．80亿m3 上升为9．88亿m3 ，提高了26．6%。在奥地利，林业及以森林为主要依托的旅游业都是国民经济的支柱产业。长期以来，奥地利旅游业在外贸平衡中占据首位，1996年奥地利旅游业出超231亿奥地利先令，木材产品以出超201亿奥地利先令在外贸平衡中居第三位。1997年，奥地利木材产品进出口净超233亿奥地利先令，成为第一创汇大户。

3．现代西方林业经济理论既尊重林业生产过程中自然规律的作用，也遵循林业生产过程中的效率原则

近代西方国家在各自工业化进程中对森林资源的过度利用导致了自然生态和经济发展等方面的一系列问题，从而促使西方林业经济理论越来越重视自然规律的作用，并力图在尊重自然规律的基础上，实现以最低的成本实现林业生态、经济和社会效益的最优。例如前面提到的林业分工理论就探讨了如何按气候和地理条件进行林业生产布局，并如何实现对商品林的集约经营问题。在林业效率原则的指导下，新西兰在短短几十年的时间里，营造了110万hm2 的人工林，年供材1000万左右，实现了占有林地面积14%的人工林提供占全国木材产量95%的林业生产奇迹，从而使一个缺材国一跃成为木材自给有余并能大量出口的木材生产。尊重自然规律并遵从效率原则的林业生产理念对于实现我国林业生产方式由粗放型向集约型转变具有很强的指导意义，也为我国林业发展描绘了一个比较乐观的前景：如果措施得当，建立集约型的林业，我国的林业问题就不会再是一个备受众人“追究和责难的问题，而是一个通过努力可以解决的问题。

当前西方林业经济理论正处于积累和发展时期，随着林业实践的发展和人们对林业经济规律认识的不断深入，林业经济理论也相应处于不断的发展变化状态之中。总体来说，西方林业经济理论主要研究的是林业生产力范畴的问题，主要目标是协调林业经济效益与生态效益之间的关系，虽然西方林业经济理论也注重通过税收制度和补贴制度等制度手段来实现林业经济绩效的提高，但对于林业产权制度与林业经济绩效的关系，西方林业经济理论并未给予太多关注。这大概有两个原因，一是西方主流经济理论对制度给予特别关注只是在近些年来发生的事，二是他们认为自己国家的林业产权制度安排已经比较合理，其林业经济绩效已经实现了帕累托最优，从而没有必要再进行林权制度改革。

三、西方林业经济理论对我国林业经济理论与实践的启示

1．当前我国的林权改革应该借鉴西方国家的林权制度

现代西方林业经济理论主要研究的是如何发展林业生产力问题，而对本国的林权制度安排并未提出异议。西方国家的林业发展绩效也普遍比较好。所以，从理论和实践层面都说明西方国家的林权制度安排是比较合理的。反观我国林业，理论界逐渐统一了认识，认为提高我国林业绩效的关键措施是改革我国的林权制度，相关决策部门的负责人也将注意力和工作重点集中到了林权改革中来。

但对于我国林业产权制度的具体形式，理论界和决策部门还在讨论之中，在这种情况下，借鉴西方国家林权制度设计的经验，无疑会使我国的林权改革少走弯路。

2．林权调整和林业经济实践中一定要重视体现和保护广大林农的林业经济利益

马克思曾经说过，人们追求和奋斗的一切，都同他们的利益相关。林业具有很强的经济功能，能为人们提供生产和生活不可或缺的原材料和产品，私人投资于林业生产经营活动，其目的是为了获得更多的私人利益，如果其私人利益目标不能实现，再动听的宣传教育和再强硬的政策管制也难以取得良好的效果。私人投资于林业生产，不但能增进其私人利益，而且可以增进经济社会整体福利；不但能够提高森林资源的经济效益，而且能够提高森林资源的生态效益和社会效益，是公私两利的事情。因此，合理的林业产权设置应该能够保障林业经营主体的合法权益，应该能够对其林业生产活动产生有效激励。当前大多数西方国家的私有林数量都占本国森林资源总量的6O%以上，呈现出国有林以实现生态效益为主、经济效益为辅，私有林以实现经济效益为主、生态效益为辅的，林业产权制度与林业发展要求相适应的合理格局。我国的林权改革也应该寻找公有制的多种实现形式，充分发挥林权制度对林业发展的促进作用。

3．要尊重林业再生产的自然规律和重视实现林业的生态效益；要尊重经济规律和重视实现林业的经济效益

林业自身的二重性特征决定了林业既具有生态功能，又具有很强的经济功能，因此要求我们在森林经营时既要尊重林业再生产的自然规律，同时要尊重林业经济规律，才能实现林业经营的总体效益最优。无论是西方的“森林多效益永续经营”理论、还是“林业分工论”，拟或“新林业理论”，都没有将林业的生态效益实现与经济效益实现对立起来，在二者之间作非此即彼式的选择。而是同时尊重支配林业生产的自然规律和经济规律，兼顾林业生产的生态效益和经济效益。西方国家的这种林业经营理念是非常值得我们学习的。

随着我国经济的快速发展和人民生活的不断改善，尤其在跨入新世纪以后，我国进入了全面建设小康社会、加快推进社会主义现代化建设的新的发展阶段，社会对生态环境的关注已达到前所未有的高度，改善生态环境日渐成为社会对林业的主导需求。林业正经历着一场极其深刻的历史性变革。这个历史性变革是以木材生产为主转变到以生态建设为主、为核心，同时，加速实现由以采伐天然林为主向以采伐人工林为主、由毁林开荒向退耕还林、由无偿使用森林生态效益向有偿使用森林生态效益、由部门办林业向社会办林业的重要转变。但在以生态建设为主的林业发展进程中，同样要重视提高林业的经济效益，因为木材作为当今四大原材料(木材、钢材、水泥、塑料)中唯一可再生的生物资源，是国民经济建设的主要生产资料和人民群众不可缺少的生活资料。

当前由于我国经济的快速增长，对以木材为主的林产品需求越来越大，但木材的供给能力却十分有限，供需矛盾尖锐。据测算，2005年和2015年，我国的木材供给能力分别为1．69×108m3 和1．95×108m3 ，供求缺口分别为0．6×108m3 ～O．7×108m3 和1．4×108m3 ～1．5×108m3 。一旦国内商品林资源供应木材和通过进口木材形成的供给能力不足，严重影响到国民经济的发展的话，势必对林业生态建设造成巨大的压力，进而影响我国林业发展战略的实现。因此，在我国的林业建设发展过程中要防止对过去单纯注重林业经济效益这一倾向矫枉过正，走向单纯注重林业生态效益，却忽略林业经济效益这一极端，而是要实现林业多效益综合并举。2100433B

沉淀理论自由沉淀理论

悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀, 颗粒沉淀轨迹呈直线。沉淀过程中,颗粒的物理性质不变。发生在沉砂池中。

沉淀理论分析的假定

1、颗粒为球形

2、沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变

3、颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他颗粒影响

4、静水中悬浮颗粒开始沉淀时, 因受重力作用产生加速运动,经过很短的时间后,颗粒的重力与水对其产生的阻力平衡时, 颗粒即等速下沉2100433B