岩体力学01-绪论

1、岩体力学 Rock MechanicsRock Mechanics 教材教材 沈明荣等，岩体力学，同济大学出版社，沈明荣等，岩体力学，同济大学出版社，20062006 参考书参考书 蔡美峰等，岩石力学与工程，科学出版社，蔡美峰等，岩石力学与工程，科学出版社， 20022002 徐志英，岩石力学（第三版），中国水利水电徐志英，岩石力学（第三版），中国水利水电 出版社，出版社，20052005 李世平等，岩石力学简明教程，中国矿业学院李世平等，岩石力学简明教程，中国矿业学院 出版社，出版社，19861986 教材与参考书教材与参考书 20012001年年5 5月月1 1日日2020点点3030分，

2、重庆武隆县发生了一起基分，重庆武隆县发生了一起基 岩滑坡，造成岩滑坡，造成7979人死亡，摧毁人死亡，摧毁9 9层楼房一幢。层楼房一幢。 20002000年年4 4月月6 6日武汉烽火村乔木湾发生地面塌陷，日武汉烽火村乔木湾发生地面塌陷，4 4小时内发生小时内发生 大小陷坑大小陷坑1919处，处，2 2栋楼房塌进陷坑，栋楼房塌进陷坑，1616栋楼房不同程度开裂、栋楼房不同程度开裂、 破损，为破损，为19771977年来武汉市内发生的年来武汉市内发生的6 6起塌陷中规模最大的一起塌陷中规模最大的一 次。次。 19801980年年6 6月月3 3日日5 5点点3535分，湖北远安盐池河磷矿发生岩崩

3、，摧毁分，湖北远安盐池河磷矿发生岩崩，摧毁 整个盐池河矿务局，死亡整个盐池河矿务局，死亡284284人。人。 19851985年年6 6月月1212日日3 3点点5252分，由于后部岩崩加载，导致新滩滑坡分，由于后部岩崩加载，导致新滩滑坡 复活。所幸的是由于预报准确，新滩镇全镇复活。所幸的是由于预报准确，新滩镇全镇13711371人全部安全人全部安全 转移。转移。 在兵书宝剑峡出口，新滩的对面是在兵书宝剑峡出口，新滩的对面是链子崖危岩体链子崖危岩体，近于直立，近于直立 的陡崖为与长江近乎平行的十几条裂缝所切割，导致岩体的陡崖为与长江近乎平行的十几条裂缝所切割，导致岩体 “摇摇欲坠摇摇欲坠”，对

4、长江航道构成严重威胁。，对长江航道构成严重威胁。 国 防 军 事 交 通 工 程 地 质 开 采 采 矿 工 程 水 利 工 程 土 木 工 程 各岩石各岩石( (体体) )工程中的问题常用岩体力学加以解决。工程中的问题常用岩体力学加以解决。 。 。 。 三峡工程三峡工程 如果有科学的利用和开发，地球可以成为我们生 活的美丽家园；如果不善加保护和利用，地球也 可以成为埋葬人类的坟墓。 地球表层为岩体、土体所覆盖，人类生活所依托地球表层为岩体、土体所覆盖，人类生活所依托 的几乎为地壳表层的岩土体。要想科学的利用、的几乎为地壳表层的岩土体。要想科学的利用、 开发、保护地球，必须首先掌握岩土体的性质

5、，开发、保护地球，必须首先掌握岩土体的性质， 尤其是它们的力学性质，因此就有了尤其是它们的力学性质，因此就有了 岩体力学和土力学 第一章 绪论 1.1.岩石岩石（RockRock） 是是经过地质作用而天然形成的经过地质作用而天然形成的( (一种或多种一种或多种) )矿矿 物集合体。物集合体。 岩石通常按照其成因可分为三类：岩浆岩、沉岩石通常按照其成因可分为三类：岩浆岩、沉 积岩和变质岩。不同成因类型岩石具有不同的积岩和变质岩。不同成因类型岩石具有不同的 物理力学性质。物理力学性质。 2.2.结构面结构面（Structural PlaneStructural Plane） 是指是指地质历史发展过

6、程中，在岩体内形成的具地质历史发展过程中，在岩体内形成的具 有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地质有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地质 界面或带界面或带。 3. 3.岩块岩块（Rock blockRock block或或RockRock） 指指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的 最小岩石单元体最小岩石单元体。 4. 4.岩体岩体（Rock MassRock Mass） 是在一定工程影响范围内的自然地质体，在地是在一定工程影响范围内的自然地质体，在地 质历史过程中形成，由岩块和结构面网络组成，质历史过程中形成，由岩块和结构面网络组成， 具有一定的结

7、构并赋存于一定的天然应力状态具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态 和地下水等地质环境中和地下水等地质环境中。 5. 5.岩石与岩体的关系岩石与岩体的关系 岩石是岩石是完整的块体（又完整的块体（又 称岩块），其中可包含称岩块），其中可包含 细微的结构面和孔隙，细微的结构面和孔隙， 是组成岩体的基本单元是组成岩体的基本单元； 岩体是岩体是由岩块组成的包由岩块组成的包 含了宏观结构面的地质含了宏观结构面的地质 体体。 岩体的强度远低于岩块；岩体的强度远低于岩块； 岩石岩石( (体体) )工程稳定性主工程稳定性主 要取决于岩体强度。要取决于岩体强度。 * 6. 6.岩体与工程的关系岩体与工程的关系

8、 1.1.定义定义 岩体力学岩体力学(Rock mass Mechanics)(Rock mass Mechanics)是一门介于地学是一门介于地学 与力学两门学科之间的边缘学科，与力学两门学科之间的边缘学科，是研究岩石是研究岩石 和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地 下水等）发生变化后作出响应的一门力学分支下水等）发生变化后作出响应的一门力学分支 学科。学科。是一门应用型基础学科。是一门应用型基础学科。 又称又称岩石力学岩石力学(Rock Mechanics)(Rock Mechanics) 国际岩石力学学会（国际岩石力学学会（ISRMISRM）

9、中国岩石力学与工程学会（中国岩石力学与工程学会（CSRMECSRME） 2.分支学科 工程岩体力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的为各类建筑工程及采矿工程等服务的 岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应 力以及在这种应力场作用下工程岩体力以及在这种应力场作用下工程岩体( (如边坡岩体、地如边坡岩体、地 基岩体和地下洞室围岩等基岩体和地下洞室围岩等) )的变形和稳定性。的变形和稳定性。 构造岩体力学为构造地质学、找矿及地震预报等服为构造地质学、找矿及地震预报等服 务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩

10、体的变形与断 裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规 律以及与时间效应有关的流变特征。律以及与时间效应有关的流变特征。 破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体 力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动 力学特性。力学特性。 3.学科属性与特点 （1 1）学科属性）学科属性 属于固体力学的范畴属于固体力学的范畴 岩石力学又是固体力学与地学交叉渗透而形成的边岩石力学又是固体力学与地学交叉渗透而形成的边 缘科学缘科学 （2 2）岩体力学的特点）岩体力学的特点

11、 岩石自然特征取决于其成因及后期地质作用岩石自然特征取决于其成因及后期地质作用 岩体的力学性能取决于岩石的力学性质和不连续面岩体的力学性能取决于岩石的力学性质和不连续面 的数量和性质。一般受控于不连续面；但有时又较的数量和性质。一般受控于不连续面；但有时又较 多地取决于岩石本身的性质多地取决于岩石本身的性质 岩体力学是解决岩石工程技术问题的理论基础岩体力学是解决岩石工程技术问题的理论基础 1 1、岩体的力学特性、岩体的力学特性 （1 1）不连续性）不连续性结构面切割结构面切割 （2 2）各向异性）各向异性结构面的方向性结构面的方向性 （3 3）不均匀性）不均匀性结构面的分布、结构体的大小结构面

12、的分布、结构体的大小 （4 4）赋存地质因子的特性）赋存地质因子的特性地下水、温度、气地下水、温度、气 体、地应力场、地质遗迹（如褶皱等）等体、地应力场、地质遗迹（如褶皱等）等 2.2.岩体力学的研究任务岩体力学的研究任务 （1 1）基础理论）基础理论 力学模型与本构规律；连续介质与不连续介质力学原理；变形力学模型与本构规律；连续介质与不连续介质力学原理；变形 、破坏等机理及力学原理；力学计算、破坏等机理及力学原理；力学计算 （2 2）试验研究）试验研究 室内、现场试验的力学原理、内容与方法；模拟试验；荷载作室内、现场试验的力学原理、内容与方法；模拟试验；荷载作 用下的力学响应；力学性质指标的

13、统计分析；试验设备与技术用下的力学响应；力学性质指标的统计分析；试验设备与技术 （3 3）实际应用）实际应用 分析、解决岩体工程实际问题分析、解决岩体工程实际问题 （4 4）监测预测）监测预测 量测应力、应变、蠕变、断裂、损伤、承载力、稳定性等及随量测应力、应变、蠕变、断裂、损伤、承载力、稳定性等及随 时间的变化；预测力学数据时间的变化；预测力学数据 3.3.岩体力学的研究内容岩体力学的研究内容 （1 1）岩体的地质力学模型及其特征研究）岩体的地质力学模型及其特征研究 岩石与岩体的地质特征及分类岩石与岩体的地质特征及分类 结构面的空间分布规律及其地质概化模型结构面的空间分布规律及其地质概化模型

14、 岩体在自重应力、构造应力、工程应力作用岩体在自重应力、构造应力、工程应力作用 下的力学响应及其对岩体力学特性的影响下的力学响应及其对岩体力学特性的影响 各类赋存地质因子的相互耦合作用各类赋存地质因子的相互耦合作用 （2 2）岩石与岩体的物理力学性质研究）岩石与岩体的物理力学性质研究 物理性质、力学性质物理性质、力学性质 通过室内、现场试验研究岩石与结构面的力通过室内、现场试验研究岩石与结构面的力 学特性及其本构关系学特性及其本构关系 物理、力学性质参数的试验测定物理、力学性质参数的试验测定 试验方法与试验技术试验方法与试验技术 荷载作用下岩石与岩体力学特性的变化规律荷载作用下岩石与岩体力学特

15、性的变化规律 （3 3）各类工程中的应用）各类工程中的应用 地下硐室围岩的稳定性地下硐室围岩的稳定性 岩石地基的稳定性岩石地基的稳定性 岩石边坡的稳定性岩石边坡的稳定性 监测与预测预报监测与预测预报 岩体力学的新理论、新方法岩体力学的新理论、新方法 工程地质研究法工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学 的进一步研究提供地质模型和地质资料的进一步研究提供地质模型和地质资料 试验法试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理 力学参数；模拟与验证岩体工程力学参数；模拟与验证岩体工程 数学力学分

16、析法数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的通过建立岩体力学模型和利用适当的 分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定 性，为设计和施工提供定量依据性，为设计和施工提供定量依据 综合分析法综合分析法 采用多种方法考虑各种因素采用多种方法考虑各种因素( (包括工程的、包括工程的、 地质的及施工的等地质的及施工的等) )进行综合分析和综合评价，得出符进行综合分析和综合评价，得出符 合实际情况的正确结论合实际情况的正确结论 地地 质质 调调 查查 工工 程程 地地 质质 分分 区区 岩岩 体体 结结 构构 的的 划划 分分 岩岩 石石 岩岩

17、 体体 力力 学学 性性 质质 室室 内、内、 现现 场场 试试 验验 岩体赋存条件分析岩体赋存条件分析 初始应力场初始应力场 结构面几何特结构面几何特 征征 介质的模型化介质的模型化 物理物理 数学数学 计算计算 经典解析法经典解析法 数值计算法数值计算法 分类、确定岩体的质量、等级分类、确定岩体的质量、等级 模拟试验模拟试验 物理模拟物理模拟 相似模拟相似模拟 经验判据经验判据 正演、反演正演、反演 岩岩 体体 工工 程程 设设 计计 加加 固固 措措 施施 施施 工工 长长 期期 监监 测测 岩体力学研究步骤：岩体力学研究步骤： 边坡岩体地质特征（边坡岩体地质特征（地层、地层、 岩性、结

18、构面特征及分岩性、结构面特征及分 布、地下水等布、地下水等） 岩块、结构面力学性岩块、结构面力学性 质（室内试验：求变质（室内试验：求变 形、强度参数）形、强度参数） 应力条件（建筑物作应力条件（建筑物作 用力、天然应力、水用力、天然应力、水 压力、地震力等）压力、地震力等） 地质模型建立地质模型建立 （平、剖面图）（平、剖面图） 岩体力学性质，力学参数（现场试岩体力学性质，力学参数（现场试 验、模拟试验）验、模拟试验） 开挖后的重分布应开挖后的重分布应 力、大小力、大小 力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理.） 稳定

19、性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元.） 综合评价综合评价工程设计要求工程设计要求 工程设计工程设计处理方案或修改处理方案或修改 角角 施工施工 安全系数安全系数 稳定、合理稳定、合理不稳定、不合理不稳定、不合理 工工 程程 地地 质质 研研 究究 方方 法法 试试 验验 法法 数学、数学、 力学力学 分析分析 法法 综合综合 评价评价 法法 1. 1.与地质学的关系与地质学的关系 岩体力学与地质尤其与工程地质关系密切。与工程有关的岩石或岩体力学与地质尤其与工程地质关系密切。与工程有关的岩石或 岩体处于一定的地质环境中，岩石或岩体的力学性状受地质环境岩体

20、处于一定的地质环境中，岩石或岩体的力学性状受地质环境 的制约和影响，岩石或岩体的力学特性的宏观判断离不开工程地的制约和影响，岩石或岩体的力学特性的宏观判断离不开工程地 质条件的认识。质条件的认识。 世界上很多岩体工程的失事，大都是由于对工程地质条件、岩体世界上很多岩体工程的失事，大都是由于对工程地质条件、岩体 条件的判断失误所造成的，如意大利瓦依昂水库的滑坡。条件的判断失误所造成的，如意大利瓦依昂水库的滑坡。 从事工程地质工作也需要有岩石力学的基本理论和知识来指导，从事工程地质工作也需要有岩石力学的基本理论和知识来指导， 使工程地质更好地为工程建设服务。使工程地质更好地为工程建设服务。 2.

21、2.与其它学科的关系与其它学科的关系 岩石力学与数学、物理、理论力学、材料力学、弹性力学、塑性岩石力学与数学、物理、理论力学、材料力学、弹性力学、塑性 力学、流变理论等关系很密切，需要用到这些方面的理论和知识力学、流变理论等关系很密切，需要用到这些方面的理论和知识 。 1. 1.形成历史形成历史 19511951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了 独具一格的奥地利学派。独具一格的奥地利学派。 同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。 19561956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。年，美国召开了第一次岩石

22、力学讨论会。 19571957年，第一本年，第一本岩石力学岩石力学专著出版。专著出版。 19591959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者 的关注和研究。的关注和研究。岩石力学演变为岩体力学岩石力学演变为岩体力学 19621962年，成立国际岩石力学学会年，成立国际岩石力学学会(ISRM)(ISRM)。 19661966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本 召开。召开。 2. 2.发展动态发展动态 岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机 理问题

23、理问题 裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题 岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题 软岩的力学特性及其岩体力学问题软岩的力学特性及其岩体力学问题 水水- -岩岩- -应力耦合作用及岩体工程稳定性问题应力耦合作用及岩体工程稳定性问题 高地应力岩体力学问题高地应力岩体力学问题 岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术 岩体动力学、水力学与热力学问题岩体动力学、水力学与热力学问题 岩体流变与长期强度问题岩体流变与长期强度问题 岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。岩体工程计

24、算机辅助设计与图像自动生成处理。 3. 3.岩体力学主要学派介绍岩体力学主要学派介绍 （1 1）“奥地利学派奥地利学派”（SalzburgSalzburg学派）简介：学派）简介： 代表人物：代表人物：J.StiniJ.Stini、L.MllerL.Mller 观点：观点： 岩石与岩体严格区分，岩体是不连续介质，不能简单地利用固岩石与岩体严格区分，岩体是不连续介质，不能简单地利用固 体力学来研究，而必须考虑节理、裂隙、断层等地质结构构造体力学来研究，而必须考虑节理、裂隙、断层等地质结构构造 以及地下水的作用；以及地下水的作用； 岩体的变形不是岩石的变形，而是岩块移动所致；岩体的变形不是岩石的变形

25、，而是岩块移动所致； 岩体的力学性质应通过现场试验而不是小岩块试验获得；岩体的力学性质应通过现场试验而不是小岩块试验获得； 工程地质人员应进行定量的地质描述，对岩体的结构面如断层、工程地质人员应进行定量的地质描述，对岩体的结构面如断层、 节理和裂隙等进行观测和考察，研究它们的作用及其对岩体力节理和裂隙等进行观测和考察，研究它们的作用及其对岩体力 学性质的影响，既要提供定性的概念，还应提供用于实际计算学性质的影响，既要提供定性的概念，还应提供用于实际计算 的定量数据。的定量数据。 成果：成果： 19511951年在奥地利的年在奥地利的SalzburgSalzburg发起和举办了以岩体力学发起和举办了以岩体力学 为主题的国际研讨会，为把工程地质与力学相结合，为主题的国际