岩石力学绪论

1、ROCK MECHANICS岩石(ynsh)力学共四十三页课程介绍(jisho)绪论共四十三页0 课程(kchng)介绍0.1 课程性质(xngzh)和任务性质：土木工程专业 技术基础必修课程任务：学习岩石的基本力学性质、实验研究方法、岩体的质量评价方法及其分类理论、地应力及其测量理论和方法、岩石的流变理论和强度理论。在此基础上学习岩石地下工程和边坡工程中岩体稳定性的分析评价及加固处理理论和方法。先修课程：材料力学、理论力学、工程地质学 等后续课程：隧道工程、地铁工程、道路边坡工程 等适用专业：土木工程共四十三页0.2 课程教学基本要求1)课程重点：岩石的基本力学性质及其实验研究方法、岩体的质

2、量评价及其分类理论方法、岩石地下工程、岩石边坡工程。2)课程难点：节理(jil)面的力学性质，岩体工程分析评价理论和方法。3)能力培养要求：岩石力学的实验技能，岩石力学的研究方法，地下工程和边坡工程中岩体稳定性的分析评价及加固处理理论和方法。共四十三页课程(kchng)资料教材(jioci)岩石力学徐志英主编，中国水利水电出版社，1985参考书岩石力学与工程蔡美峰主编，科学出版社，2002工程地质学陆兆溱主编，水利电力出版社，1989岩体力学沈明荣主编，同济大学出版社，1999岩体力学凌贤长主编，哈尔滨工业大学出版社，2002共四十三页第一章 绪论(xln)1.1 岩石与岩体的界定什么是岩石？

3、1）狭义概念：材料2）广义概念：岩体 天然地质(dzh)体：地质(dzh)结构（岩块+结构面）、赋存条件（初始应力、地下水、温度场） 工程岩体（工程开挖和构筑过程引起应力变化） 3）复杂性：非连续性、非均匀性、各向异性、岩石块体结构的可移动性、大量的不确定性共四十三页1.1 岩石(ynsh)与岩体的界定什么是岩石力学？1）材料的观点： 【1966年，美国科学院 岩石力学委员会定义 】是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学(yngyng kxu)探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应2）岩体的观点：【 1998年，中国科学院院士王思敬教授在中国岩石力学与工程大会上提出岩石力学新定义】是一门认识和

4、控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学共四十三页1.2 岩石力学的研究(ynji)任务、内容与方法岩石力学的应用范围及主要研究问题？（1）工民建工程：高层建筑地基处理与加固技术；大型地下硐室、地下建筑空间设计、施工与加固理论技术；地面建筑物沉降、倾斜控制和纠偏技术； 山城或山坡及临坡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术。（2）水利水电工程：坝基及坝肩稳定性，防渗加固理论和技术；有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术；大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术；高速水流冲刷的岩石力学问题；水库诱发(yuf)地震的预报问题；库岸稳定及加固方法。（3）铁道和公路建设工程：线路边坡稳定性分析；隧道设计和

5、施工技术；隧道施工中的地质超前预报及处理；高地应力区的岩爆理论及处理；隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施；地铁施工技术。共四十三页1.2 岩石力学的研究任务、内容(nirng)与方法岩石力学的应用范围及主要研究问题？（4）采矿工程：露天采矿(ci kung)边坡设计及稳定加固技术；井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题；采场稳定性及开采优化（采场结构、开采顺序、开挖步骤等）设计问题；矿井突水预测、预报及预处理理论和技术；岩爆、煤与瓦斯突出预测及预处理理论和技术；采空区处理及地面沉降问题；岩石破碎问题。（5）石油工程：岩石应力与岩石渗透性；岩石力学与地

6、球物理勘探综合研究；钻探技术与井壁稳定性；岩石力学与采油技术（水压致裂、水平钻孔）；油层压缩及地表沉陷；石油、天然气运输、储存工程及环境影响。（6）海洋勘探与开发工程。（7）核电：核废料地质处置技术。（8）地热资源开发：干热岩体水压致裂、水流控制。（9）地震预报中的岩石力学问题。地下工程（洞）、边坡过程（坡）、岩基工程（基）稳定性（分析与控制）共四十三页1.2 岩石力学(l xu)的研究任务、内容与方法岩石力学的研究内容（1）岩石与岩体的物理力学性质(xngzh)（2）地应力场（分布规律、测试理论与方法）（3）工程岩体的稳定性与岩石工程加固支护（4）岩石力学物理模拟、数值模拟、原位监测技术（5

7、）岩石力学新理论、新方法、新技术研究方法主线： 基本原理分析试验工程应用监测共四十三页1.3 岩石(ynsh)力学与其它学科的交叉（1）地质学科在岩石力学中的作用 与工程地质学紧密联系（2）力学学科在岩石力学中的作用 是力学学科的一个分支(fnzh)， 属于固体力学范畴（3）科学试验、测量学科在岩石力学中的作用（4）计算机学科在岩石力学中的作用共四十三页（1）初始阶段（19世纪末20世纪初）： 萌芽时期产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。1912年瑞典地质学家 海姆(A.Heim)提出了静水压力的理论：v= h =H。1926年苏联学者 金尼克(A.H.)基于弹性力学理论提出了只有垂直

8、压力等于H，而水平压力应为H乘一个(y )侧压系数，即H。由于当时地下岩石工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不准确的。 1.4 岩石(ynsh)力学发展简史一、发展阶段共四十三页（2）经验理论阶段(20世纪初30年代)： 经验散体地压理论该阶段出现了用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。最有代表性的理论就是苏联学者 普罗托吉雅柯诺夫（.）提出的自然平衡拱学说，即普氏理论。太沙基（K.Terzahi）也提出相同的理论，只是(zhsh)他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展

9、起来的。上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用。1.4 岩石力学(l xu)发展简史 一、发展阶段共四十三页（3）经典(jngdin)理论阶段（20世纪30年代60年代） 岩石力学学科形成的重要阶段 弹性力学和塑性力学被引入岩石力学形成围岩和支护共同作用的理论岩石力学形成了一门独立的学科。在经典理论发展阶段，形成了两大学(dxu)派 “连续介质理论”和“地质力学理论”1.4 岩石力学发展简史 一、发展阶段共四十三页经典理论(lln)阶段：连续介质理论1.4 岩石(ynsh)力学发展简史 一、发展阶段连续介质理论是以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质出发来认识岩石工程的稳定问题

10、。20世纪30年代，萨文（ . ）就用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计算分析岩石工程的围岩应力分布问题。20世纪50年代，鲁滨湟特（.）运用连续介质理论写出了求解岩石力学领域问题的系统著作。（弹塑性分析、流变模型）20世纪60年代，引入有限元、有限差分 等数值计算。强调地应力作用。连续介质理论存在的问题：1）边界加载远处的位移大，而开挖体内边缘位移小,没有考虑开挖支护施工过程力学效应。2）传统连续介质理论过分注重对岩石“材料”的研究，追求准而又准的“本构关系”。共四十三页经典理论阶段(jidun)：地质力学理论1.4 岩石力学(l xu)发展简史 一、发展阶段注重研究地层结构与力学和岩

11、石工程稳定性的关系。 20世纪20年代由德国人 克罗斯（H.Cloos）创立起来的。 观点：1）反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学的原理进行分析； 2）强调要重视对岩体节理、裂隙的研究，重视岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。 历届国际岩石力学大会1966.9葡萄牙里斯本（1）；1970.9贝尔格莱德（2）；1974.9美国丹佛（3）；1979.9瑞士盟特诺（4）我国第一次参加；1983澳大利亚墨尔本（5）2003.9南非约翰内斯堡（10）；2007.7葡萄牙Lisbon(11)；2011中国北京（12） 1951年6月在奥地利成立了以斯梯尼（J.Stini）和米勒(L.Mlle

12、r)为首的“地质力学研究组”，在萨尔茨堡举行了第一届地质力学讨论会，形成了“奥地利学派”。 1962年10月，在第13届地质力学讨论会上成立了国际岩石力学学会，米勒担任第一任主席。共四十三页 地质力学理论重要贡献： 1）必须了解地应力； 2）开挖后岩体的力学强度变化； 3）节理裂隙对岩石工程稳定性的影响； 4）重视岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测， 这是现代信息(xnx)岩石力学的雏形； 5）重视支护与围岩的共同作用，提出了著名的“新奥法”， 该方法特别符合现代岩石力学理论，至今仍被国内外广泛应用。地质力学理论缺陷： 1）是过分强调节理、裂隙的作用，过分依赖经验，而忽视理论的指导

13、作用。 2）该理论完全反对把岩体作为连续介质看待，也是不正确的和有害的，这种认识阻碍现代数学力学理论在岩石工程中的应用。经典理论(lln)阶段：地质力学理论1.4 岩石力学发展简史 一、发展阶段共四十三页（4）现代发展阶段（20世纪60年代现在）： 理论和实践的新进展阶段 现代岩石力学理论认为：岩石工程是一个“人地”系统，用系统论的方法来进行岩石力学与工程的研究。用更为复杂的多种多样的力学模型(mxng)来分析岩石力学问题，多学科交叉，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最新成果引入了岩石力学。从“材料”概念到“不连续介质概念”是现代岩石力学的第一步飞跃；引入电子计算机（快

14、速计算），进入计算力学阶段是第二步飞跃；而非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用阶段，则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意义更为重大的飞跃。1.4 岩石力学发展(fzhn)简史 一、发展阶段共四十三页岩石力学面临的发展机遇1）我国大规模的基本建设 高层建筑、隧道桥梁、城市地铁、其他基本设施等2）四大工程建设 三峡水电工程、南水北调工程、青藏铁路工程、西气东输工程3）资源(zyun)开采 固体资源开采、液体资源开采、气体资源开采4）海底隧道建设 渤海海底隧道、台湾海峡海底隧道1.4 岩石力学(l xu)发展简史共四十三页岩石力学(l xu)的理论基础仍主要源于固体力学(l xu)、流

15、体力学(l xu)及土力学(l xu)，与土力学(l xu)相比，属于岩石力学(l xu)特有的理论和方法就太少了 有效应力原理固结理论(lln)土坡稳定分析土力学的特色理论和方法土体是多孔介质岩体是裂隙介质当土骨架的空隙为液相和气相所填满时，作用于骨架的有效应力为总应力与流体压力之差，从而有了“有效应力原理”；当液体和气体从空隙中排出，有效应力增大，土颗粒重新排列、骨架发生错动，因而空隙受到压缩，并伴随土体压缩变形和强度的提高 ？二、岩石力学研究的三视角共四十三页1 mFracture zonesGrain boundaries & microcracks Natural fractures

16、1 mm共四十三页 岩体在地质历史时期曾经受过复杂的内外动力地质作用，岩体中发育了各种地质构造形迹(xn j)。岩体作为地质体，无一例外地打上了地质建造和地质改造的烙印;岩体的基本组份可以用结构面和结构体进行表征，结构面的发育程度和组合关系决定了岩体结构类型;岩体总是与一定的物理地质环境相联系。因而地应力场、地下水渗流场及地温场是岩体主要的赋存环境岩体是经过地质作用改造过的，由结构面和结构体所组成并具有一定结构特征的，赋存于物理(wl)地质环境中的地质体。定义：共四十三页不连续（discontinuous）非均匀(jnyn)（inhomogeneous）各向异性（anisotropic）非弹性

17、（notelastic）岩体是具有DIANE物理(wl)力学特性的裂隙介质岩体的上述性质取决于岩体复杂的地质特征，而且在特定的赋存环境和工程作用下发生演化共四十三页岩体是工程利用和改造的对象，并通过工程作用使岩体的变形(bin xng)和强度特性、渗透特性满足人类工程需求 强烈的工程作用大强度爆破开挖大规模锚固支护大幅度库水变化大范围防渗排水岩体工程(gngchng)性质共四十三页地质(dzh)特征揭示岩体的成因、组成(z chn)、赋存环境和演化历史力学特性揭示岩体应力传播、变形、强度和破坏机理和规律工程性质体现了工程的客观要求及岩体对工程的适应能力岩体地质特征是物质基础，岩体力学特性是科学

18、问题，而岩体工程性质是研究目标目标必须明确，基础必须扎实，原理必须正确共四十三页三、重大工程中的岩石(ynsh)力学问题岩石(ynsh)力学三峡库区滑坡灾害及防治问题复杂高陡边坡稳定分析与加固治理问题地下洞室及围岩的稳定性问题共四十三页2003年7月13日 三峡库区沙镇溪发生千将坪滑坡(hup)，致使24人失踪。千将坪滑坡(hup)发生在强降雨（2003年6月21日7月11日，沙镇溪地区总降雨量为162.7mm）及三峡水库第一期135m高程蓄水一个月后发生的高速滑坡。 共四十三页滑坡(hup)壁滑坡(hup)周界共四十三页滑坡的三维极限(jxin)平衡稳定分析WHU-Slope3D（软登号：2009SR046981） Slope3D软件号：2009SR046981，编录(binl)水工设计手册（第二版）作为边坡稳定分析推荐使用软件已应用于锦屏一级、大岗山、古树包、平庄露天矿等20多个水电工程边坡、库区滑坡和矿山边坡共四十三页滑坡(hup)的不连续变形分析及运动全过程模拟不连续变形(bin xng)分析软件软登号2007SR07988共四十三页锦屏(jn pn)一级高边坡复杂高陡边坡稳定分析与加固治理(zhl)问题共四十三页2. 边坡工程(gngchng)的现状锦屏(jn pn)一级高边坡河流演化与地形地貌1885m(坝高30