绪论岩石力学(张子兴)

绪论岩石力学(张子兴)第一页，共144页。岩体力学的定义与分支学科

岩体力学(RockmassMechanics)

是工程力学的一个分支/延伸学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型技术学科，也是力学、地质学与工程学之间的一门边缘学科。第二页，共144页。工程岩体力学——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力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)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务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩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。分支学科/方向第三页，共144页。研究内容与研究方法研究内容

岩体的地质特征岩块、结构面的力学性质岩体的力学性质岩体中天然应力岩体中重分布应力稳定性计算与评价工程处理与加固第四页，共144页。研究方法工程地质研究法

研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料

试验法

为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数

数学力学分析法

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性，为设计和施工提供定量依据

综合分析法

采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论

第五页，共144页。岩土工程的特点岩土是一种地质材料，它经受长期的地质构造作用，在一定的地质环境中形成一定的结构，显现出宽广和多变的材料响应范围。与一般工程材料相比，表现出：（1）结构上的不连续性、不均匀性和各向异性（2）物理力学性质上的非线性（3）随机性、模糊性和不确定性（4）地质条件和工程条件的复杂性（5）整个岩土工程系统的非线性第六页，共144页。固体力学与岩石力学传统的固体力学以应力为中心，通过一定边界条件下的外力根据本构关系来求解应力。岩体的本构方程复杂，边界条件很难确定。而且本构关系愈接近实际情况，所需的力学参数愈多，这又给测试增加了新的问题，所以要得到接近真实情况的应力困难重重。基于岩石力学参数的模糊性和不确定性，岩石工程形成了一整套独特的设计方法，把规划、概念设计、引导工程(pilotproject)、技术设计、施工、现场监测、反分析、修改设计、加固等阶段形成一个有机的系统工程。第七页，共144页。学科研究对象理论力学质点或刚体材料力学单个弹性杆件（杆、轴、梁）连续固体结构力学若干弹性杆件组成的杆件结构弹性力学弹性实体结构或板壳结构水力学不可压缩的连续流体（水）连续流体土力学天然的三相碎散堆积物碎散材料岩石力学天然的三相碎裂体裂隙体材料第八页，共144页。岩体力学的形成与发展形成历史1951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。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。1957年，第一本《岩石力学》专著出版。1959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。1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。第九页，共144页。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理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软岩的力学特性及其岩体力学问题水-岩-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。第十页，共144页。法国马尔帕塞（Malpasset）薄拱坝：坝高60m，坝基为片麻岩，1959年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。坝肩岩体裂隙和断层的强度不足是导致整个拱坝溃毁的关键因素。当应力变化范围为5MPa时，岩体渗透系数相差100倍。渗透系数的降低，反过来又极大地改变了岩体中的应力分布，使岩体中结构面上的水压力陡增，坝基岩体在过高的水压力作用下沿一个倾斜的软弱结构面产生滑动，导致溃坝。岩石工程事故

第十一页，共144页。岩石工程事故

意大利瓦依昂（Vaiont）双曲拱坝，坝高261.6米，坝基为断裂十分发育的灰岩。1963年10月9日夜晚，大坝上游左岸山体发生大滑坡，在一分多钟时间内大约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢过坝顶，致使下游的郎加朗市镇遭到了毁灭性的破坏，死亡3000余人。瓦依昂岩坡滑坡的二个断面第十二页，共144页。国际岩石力学与岩石工程发展动态

一、国际岩石力学学会成立前（1962）的概况

美国美国军部工程兵团英国

国家煤炭局

美国垦务局伦敦大学帝国科学技术学院

卡罗拉多矿业学院(1874)法国

法国工业大学固体力学实验室

前苏联

全苏水工研究院

法国电力局

全苏矿山测量研究院

巴黎结构中心研究所

列宁格勒矿业学院

南非

南非采矿与冶金研究院(1894)莫斯科建筑工程学院

南非科学与工业研究委员会

德国

卡尔斯鲁大学

澳大利亚

联邦科学与工业研究组织(1926)奥地利

国际岩石力学研究所

日本

日本地质调查研究所

维也纳工业大学

土木工程研究院

瑞士

苏黎世工业大学

国际土力学与基础工程学会（ISSMFE）、国际工程地质协会（IAEG）、国际理论与应用力学联合会（IUTAM）

第十三页，共144页。二、国际岩石力学学会成立以后的进展

国际岩石力学学会（ISRM,InternationalSocietyforRockMechanics）是一个非政府、非赢利的国际学术组织，其主要目的是推动和促进国际间岩石力学与工程领域的合作和学术交流。它是在奥地利地质力学学会（OsterrichischeGeoellschaftfurGeomechanik,OGG）的基础上建立起来的。1962年10月，在L.Muller教授倡导下，成立了国际岩石力学学会。会上推选L.Muller教授担任第一届国际岩石力学学会主席。第1届大会—1966年9月在葡萄牙里斯本第2届大会—1970年9月在南斯拉夫贝尔格来德第3届大会—1974年9月在美国丹佛(Denver)第4届大会—1979年9月在瑞士蒙特诺(Montreux)第5届大会—1983年4月在澳大利亚墨尔本(Melburne)第6届大会—1987年9月在加拿大蒙特利尔(Montreal)第7届大会—1991年9月在德国阿亨(Aachen)第8届大会—1995年9月在日本东京(Tokyo)第9届大会—1999年8月在法国巴黎(Paris)第10届大会—2003年9月在南非Sandton

第十四页，共144页。自1967年以来，先后成立的专业委员会及工作委员会(ISRMCommission)有28个，它们是：

——隧道及其它永久洞室工况委员会（1972-1980）——工程实例委员会（1980-1988）——岩石及岩体分类委员会（1971-1989）——岩石力学信息委员会（1988-1991）——计算机程序委员会（1976-1987）——采矿工程高边坡设计委员会（1980-1983）——教育工作委员会（1988-）——水力致裂测量资料分析委员会（1983-1989）——编译出版委员会（1973-1979）——现场勘测技术建议方法委员会（1967-1975）——研究工作委员会（原名为最佳研究技术路线委员会）（1967-1987）——岩石可凿性（Boreability）、可切割性（Cuttability）及可钻性（Drillability）委员会（1980-1989）——硬岩地区岩爆委员会（1994-1999）——地下洞室岩石破坏机理委员会（1981-1991）第十五页，共144页。——岩石爆破粉碎委员会（1989-1999）——岩石灌浆委员会（1988-1995）——岩石节理委员会（1988-1992）——岩石力学尺寸效应委员会（1988-1995）——石油工程岩石性质委员会（1989-1995）——膨胀岩委员会（1978-1999）——岩石力学教学委员会（1967-1981）——构造稳定性和场地选择委员会（1988-1991）——名词、术语、符号及图示方法委员会（1967-1975）——实验方法委员会（原称试验室及野外试验方法标准化委员会）（1967-）——挤压岩石中的隧道工程委员会（1987-1999）——国际岩石力学会章程及有关细则（By-Laws）修改顾问委员会（1984-1987）——天然石质文物保护委员会（1996-）——地球物理在岩石工程中的应用委员会（1996-）第十六页，共144页。三、有关的国际兄弟组织国际岩石力学学会（ISRM）国际土力学与基础工程学会（ISSMFE,1997年更名为国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE)）国际工程地质和环境协会（IAEG）1973年共同建立了长期协作秘书处

（PermanentCo-ordinatingSecretariat,PCS）

国际大坝委员会（InternationalCommissiononLargeDams,ICOLD）国际地层力学局（InternationalBureauofStrataMechanics,IBSM）国际隧道协会（InternationalTunnellingAssociationITA）石油工程师学会（SocietyofPetroleumEngineers,SPE）世界采矿大会（WorldMiningCongress,WMC）第十七页，共144页。长江三峡水利工程黄河小浪底工程雅砻江上的二滩水电站黄河上游李家峡水电站第十八页，共144页。三峡水利枢纽工程2022/11/2719第十九页，共144页。金沙江溪洛渡水电站2022/11/2720第二十页，共144页。锦屏一级水电站2022/11/2721第二十一页，共144页。锦屏一级水电站地下厂房12022/11/2722第二十二页，共144页。锦屏一级水电站地下厂房22022/11/2723第二十三页，共144页。锦屏二级水电站超长引水隧洞2022/11/2724第二十四页，共144页。锦屏二级水电站2022/11/2725第二十五页，共144页。锦屏水电站世界级高边坡工程2022/11/2726第二十六页，共144页。龙滩水电站返回2022/11/2727第二十七页，共144页。在学科发展方面，继岩石力学界先驱陈宗基先生在岩石流变学，谷德振先生在岩体结构、岩体工程地质力学之后，近年来，我国学者在关键块体理论、不连续变形分析（DDA）、数值流形元方法（NMM）、岩石分形分维、智能岩石力学、软岩力学、岩石破坏过程分析（REPA）、卸荷岩石力学、岩石记忆与开挖理论、岩石力学非线性研究、岩石工程位移反分析方法等方面的研究都提出诸多创新的成果。

陈宗基中国科学院院士中国岩石力学与工程学会第1、2届理事长第5届国际岩石力学学会副主席

谷德振中国科学院院士中国地质学会工程地质专业委员会第1届主任委员第二十八页，共144页。“6.5”期间，涉及到岩石力学方面的国家科技攻关项目为：

（1）地下工程快速施工1）水电站大型地下洞室围岩稳定和支护的研究2）地下洞室快速施工机械和施工技术的研究3）应用隧道掘进机加速地下工程施工的研究（2）复杂地基的勘测与处理技术研究1）复杂地基的工程地质研究与勘测技术2）复杂地基的基础处理设计与施工技术研究

第二十九页，共144页。“7.5”期间，涉及到的课题为：

（1）勘测新技术研究（2）岩体力学测试及高坝地基原位监测技术研究（3）高坝地基岩体稳定性评价及可利用岩体质量标准研究（4）高坝地基处理技术研究（5）煤与瓦斯突出地质灾害防治研究（6）煤矿突水地质灾害防治研究“7.5”期间专门就三峡工程单独列项进行攻关，涉及的课题有：（1）坝区及外围地壳稳定性研究（2）坝区高边坡和建基岩体工程问题研究（3）水库诱发地震研究（4）库岸稳定性研究（5）环境地质评价与预测（6）三峡工程高陡边坡开挖、加固技术研究。

第三十页，共144页。“8.5”国家重点科技攻关涉及的课题有：

（1）高边坡稳定及处理技术研究：

1）岩质高边坡稳定分析方法及软件系统①大型滑坡调查总结及相应的数据库②岩质高边坡失稳破坏机理及分析方法研究③岩体结构特征及力学特征研究④岩质高边坡稳定评价和分析设计的计算机软件综合系统

2）岩质高边坡开挖及加固措施研究①岩质高边坡开挖控制爆破及动力反应②预应力锚固技术③边坡施工合理顺序及综合加固处理的优化设计

3）岩质高边坡勘测及监测技术方法研究①摄影（像）析技术在边坡岩体结构研究中的应用②直接横波测井技术及其应用研究③层析成像技术在边坡岩体勘测中的应用④钻孔彩色电视孔壁成象系统及其应用研究⑤钻孔多点渗压测量及压模系统⑥近库坝段的安全监测技术研究⑦边坡监测数据处理系统预报软件及应用研究（2）高拱坝坝体、库水和坝基相互作用动、静力分析研究1）坝体渗流特性及拱座稳定分析研究2）安全监控标准及反馈分析理论第三十一页，共144页。（3）勘测关键技术及综合应用研究1）原位保真取芯技术研究2）“3000”系列测井仪的改造和原位密度的测试研究

3）岩体裂隙结构面的计算机处理系统4）高分辨率地震勘探技术方法研究5）岩溶勘测新技术6）地应力测试新方法（4）国家自然科学基金委员会于1989～1992年将《岩土与水工建筑相互作用》列为重大项目，该项目包括7个专题，与岩石力学有关的有3个。1）裂隙岩体力学特性与洞群施工力学研究2）加固后裂隙岩体力学特性及建基面准则研究3）裂隙岩体中水的运动与水工建筑物相互作用研究

第三十二页，共144页。“9.5”国家科技攻关涉及的课题为：（1）快速勘探技术的综合应用

1）遥感技术及其应用研究①遥感与地理信息系统技术集成及应用研究②深挖高边坡快速地质编录成图技术开发与应用研究③地下洞室围岩地质编录成图技术开发与应用研究2）综合物探技术研究及其应用①地震波CT技术及应用研究②钻孔彩色电视孔壁成像系统及应用研究③声波测井技术应用研究④高密度电法勘探研究

3）钻探新技术的开发及其应用①复杂地层安全快速钻进技术研究②钻孔岩芯定向技术研究③自振法抽水试验技术应用研究

4）工程地质综合分析技术的开发及其应用①工程地质综合分析系列软件研究②岩体物理力学特性及强度参数取值研究③软弱夹层力学特性参数研究第三十三页，共144页。（2）300m级高拱坝坝基稳定研究1）高拱坝抗滑稳定安全系数及岩体力学参数研究2）拱坝与地基整体失稳机理、分析方法及对策研究3）考虑暴雨入渗等因素拱坝坝基滑动可靠度分析方法研究（3）超大型地下洞室群合理布置及围岩稳定研究1）水库蓄水后地下洞室结构和围岩稳定与支护方式分析2）地下洞室群合理施工顺序研究3）地下洞室抗震稳定性研究（4）坝址及近岸滑坡体稳定性研究1）溪洛渡近坝滑坡体的稳定性分析和治理检测方案2）小湾坝前堆积体稳定与加固方案研究

第三十四页，共144页。中国岩石力学与岩石工程发展前景展望

岩石力学研究由局限的岩体走向解决山体和地体等大范围、大尺度的工程和资源开发问题。岩石力学由研究单一的固体不连续材料向多场耦合和多相运动研究发展。岩石力学从单纯的地球内动力驱动或外动力驱动模型向内外动力耦合作用模型的转变。

岩石力学从工程岩体稳定性研究向极端灾害的非线性动力过程的预测及防治进军。

从常规的岩石开挖的失稳防治到新型大规模暴力攻击的防护，以及人地关系的协调。

新途径:多重综合集成（MultipleMeta-synthetics）（1）多源知识的综合集成经验、推理、测量（2）多种手段的综合集成以力学为主，与地学、物理、化学等学科交叉结合（3）多尺度的综合集成微观、细观、宏观及宇观

新方向

第三十五页，共144页。孙钧第3届理事长第8届国际岩石力学学会副主席厦门海底隧道王思敬第4届理事长中国岩石力学与工程世纪成就与展望谢和平第5届副理事长灾害环境下重大工程安全性的基础研究进展钱七虎第5届理事长第10届国际岩石力学学会副主席非线性岩石力学的新进展——深部岩石力学的若干关键问题第三十六页，共144页。郑颖人第5届理事边坡岩体与支护结构的共同作用葛修润第5届名誉理事单轴压缩下岩石疲劳强度不可逆变形发展规律的研究宋振骐第5届常务理事煤矿重大事故预测与控制的动力信息基础顾金才第5届副理事长预应力锚索加固机理与设计计算方法研究第三十七页，共144页。冯夏庭研究员2011-2015：国际岩石力学学会主席何满潮，中国科学院院士

2015-2019VicePresidentatLarge2022/11/27第三十八页，共144页。第1章绪论SatelliteImageofHongKong第三十九页，共144页。第1章绪论

WesternHongKongIslandLow-lyingareaofKowloon第四十页，共144页。HongKongIsland第四十一页，共144页。第1章绪论

ExcavationforQuarry第四十二页，共144页。第1章绪论

LargereclamationplatforminwestKowloon第四十三页，共144页。Largecutslopecloselyadjacentbuildings1976第四十四页，共144页。196419721972第四十五页，共144页。香港1900年建市，1977年成立土力工程署港岛1972PoShan滑坡(~20,000m3)(67死、20伤)PoShanRoadConduitRoadNotewellRoad第四十六页，共144页。Early1972滑坡前June1972滑坡后第四十七页，共144页。On13Aug.1995,amajorlandslideof26,000m3tookplaceatthehillsideaboveShumWanRoadandcausedthecollapseofa30mlongsectionofNamLongShanRoad.ThedebriscrossedSWR,damagedthreeshipyardsandafactory,resultedtwofatalitiesandinjuredfiveotherpeople.1992第四十八页，共144页。GroundAnchorsCribRetainingWall第四十九页，共144页。ScaffoldingonSlopes第五十页，共144页。StoneFacing第五十一页，共144页。重庆主城区距三峡坝址603.7KM，是座“山城”，主要分布侏罗系泥岩，降雨充沛，崩塌、滑坡、泥石流频发，给经济建设和人发生命财产造成严重危害，据国土资源部门的初步调查，城市规划区内有崩滑体201处，主要沿江呈多个带状集中分布，其中长江沿岸5个地带，嘉陵江沿岸8个带。目前已对其中18个重大或有危险的危岩和崩滑体进行了详细的勘察，实施了部分防治工程，城市地质灾害得到了有效控制。港渝两地地形地质条件山地和丘陵亚热带季风气候，雨量充沛人工切坡第五十二页，共144页。

在主城区现状土地利用结构中，居住用地所占比重较大，为38.23%；绿地和城市道路所占比重较小，分别为4.32%和9.60%。重庆主城区用地结构特征第五十三页，共144页。长江大桥从4车道拓宽为8车道第五十四页，共144页。第五十五页，共144页。重庆长江大桥南桥头有双孔隧道1座，长311米，每孔隧道为单向二车道。1980年7月1日，南桥头隧道与长江大桥同时完工，隧道口与长江大桥南桥相距约80米。

第五十六页，共144页。第五十七页，共144页。第五十八页，共144页。第五十九页，共144页。第六十页，共144页。第六十一页，共144页。第六十二页，共144页。第六十三页，共144页。第六十四页，共144页。垮方压住了半个车道

隔离牌被砸得支离破碎第六十五页，共144页。第六十六页，共144页。第六十七页，共144页。第1章绪论§1.1

岩石与岩体的基本概念1.1.1岩石和岩体岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。第1章绪论

texturestructure这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系。矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。第六十八页，共144页。第1章绪论

自然元素矿物2022/11/2769第六十九页，共144页。第1章绪论

硫化物矿物第七十页，共144页。第1章绪论

氧化物和氢氧化物矿物赤铁矿磁铁矿第七十一页，共144页。第1章绪论

硫酸盐矿物第七十二页，共144页。第1章绪论

碳酸盐矿物第七十三页，共144页。第1章绪论

硅酸盐矿物第七十四页，共144页。第1章绪论

硅酸盐矿物第七十五页，共144页。第1章绪论

矿物分类：矿物分类：自然元素矿物自然元素矿物如金，金刚石、石墨、硫磺、铜、银、汞如金，金刚石、石墨、硫磺、铜、银、汞卤化物矿物卤化物矿物如石盐、钾盐、萤石等如石盐、钾盐、萤石等硫化物矿物硫化物矿物黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、雄黄等黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、雄黄等氧化物和氢氧化物矿物氧化物和氢氧化物矿物如赤铁矿、磁铁矿、石英等如赤铁矿、磁铁矿、石英等硫酸盐矿物硫酸盐矿物石膏、芒硝、重晶石等石膏、芒硝、重晶石等碳酸盐矿物碳酸盐矿物如方解石、孔雀石如方解石、孔雀石硅酸盐矿物硅酸盐矿物如云母、长石、角闪石、辉石、橄榄石等如云母、长石、角闪石、辉石、橄榄石等其中其中硅酸盐矿物种类繁多，约占已知矿物种数的硅酸盐矿物种类繁多，约占已知矿物种数的1/41/4，占地壳总，占地壳总重量的重量的85%85%，最常见的就是，最常见的就是长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石等几种。等几种。第七十六页，共144页。第1章绪论

形成矿物的地质作用火成作用岩浆矿物热液矿物火山矿物沉积作用

风化矿物

沉积矿物变质作用热变质矿物区域变质矿物第七十七页，共144页。第1章绪论

岩浆矿物：矿物可形成由岩浆冷凝后直接结晶而成。由于地壳深处温度很高，压力很大，那里的物质已经成为熔融状态，这种高温熔融的物质就是岩浆。当岩浆受到地壳运动的影响，侵入到地壳上部，压力慢慢减少，温度渐渐降低，矿物就按其熔点高低顺序而结晶，形成如橄榄石、金刚石、辉石、长石等矿物。

热液矿物：随着岩浆的温度不断下降，大量的水蒸气产生液化，成为热水溶液，在这种热液里溶解有各种各样有用的矿物组成，从而可以形成各种各样的矿物，如锡石、石英等。火山矿物：而当地下的岩浆如果遇到地壳某处裂隙，压力减小，便会沿裂隙上升，也就是人们常说的火山爆发，世界上有许多著名的山如日本富士山、长白山等就是火山喷发形成的。在火山喷发时，火山口及周围可能形成火山矿物，如硫磺、沸石、蛋白石等。

火成作用第七十八页，共144页。第1章绪论

风化矿物：在自然界，无论岩石和矿石多么坚硬，风吹雨淋，受热膨胀，遇冷收缩，天长日久，最后整块岩石都会发生碎裂，变成大大小小的碎块。这些碎块继续受侵蚀，当其中易溶物质被水溶解带走，难溶物质残留下来，就形成了表生矿物，如黄铁矿就变成了褐铁矿，黄铜矿变成了孔雀石、蓝铜矿。沉积矿物：由风化作用形成的碎块，除残留原地外，主要被流水搬运走，经过河水搬运，海水的冲刷和淘洗，比较重的矿物和坚硬、稳定的矿物聚集在一起，形成了一些有经济价值的矿物，如金刚石、金、锡石等的砂矿。而被流水溶解带走的物质，当它们进入内陆湖泊或封闭的海湾以后，水分不断蒸发，溶液达到过饱和时，就可以结晶沉淀下来形成盐类矿物，如石盐、石膏、硬石膏、方解石。沉积作用第七十九页，共144页。第1章绪论

热变质矿物：由于岩浆向上侵入，岩浆的热能对其周围的岩石和矿物产生了作用，使它们发生变化（最为常见的是石灰岩经过热变质作用变质为大理岩），进而在接触部位形成许多新的矿物组合。常有热变质矿物石榴子石、红柱石、透闪石、阳起石、堇青石等。区域变质矿物：当地壳发生强烈运动，尤其是板块边缘的运动，造成大规模地壳的升降、褶皱和断裂。使原来岩石和矿物所处的环境发生变化。当岩石上的压力足以把矿物中的水分挤压出来，且产生岩石中矿物晶体重新组构所需的能量时，就形成一系列密度更大、更坚硬的矿物，如蓝晶石、石榴石、十字石等矿物。变质作用第八十页，共144页。第1章绪论沉积岩：强度不稳定，各向异性变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关岩浆岩：强度高、均质性好岩石是天然产出的具一定结构构造的矿物集合体，是构成地壳和上地幔的物质基础。按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。例如，石灰岩是由方解石组成的集合体；花岗岩是由石英、长石、云母等多种矿物组成的集合体；砾岩是由岩石碎屑所组成的集合体。岩石分类第八十一页，共144页。第1章绪论

岩浆岩(magmaticrock)

成因类型：由地下深处的高温高压熔融的岩浆以侵入(intrusive)或喷出(effusive)方式直接冷凝而成。它主要构成了深部地壳和上地幔，约占整个地壳的65%。第八十二页，共144页。岩浆岩的产状第1章绪论

第八十三页，共144页。volcano第1章绪论

第八十四页，共144页。花岗岩的矿物成分岩浆岩物质成分

主要是硅酸盐矿物，还有一部分金属硫化物、氧化物及挥发性物质。按SiO2含量分为：基性岩浆和酸性岩浆等;按矿物成分分为：硅铝矿物和铁镁矿物。

第1章绪论

第八十五页，共144页。岩浆岩的结构(texture)

指组成岩石的矿物结晶程度、晶粒大小、形状及组合关系。可反映岩浆冷凝时的物理环境。按矿物结晶程度分为：全晶质——是深成侵入岩结构特征半晶质——是浅成侵入岩结构特征非晶质——是喷出岩结构特征按晶粒大小分为：粗晶、中晶、细晶、微晶按晶粒相对大小分为：等粒、不等粒、斑状第1章绪论

第八十六页，共144页。岩浆岩的构造(structure)

指矿物在岩石中的排列和充填方式。常见构造：

流纹状构造气孔和杏仁状构造块状构造第1章绪论

第八十七页，共144页。花岗闪长岩玄武岩第1章绪论

第八十八页，共144页。第1章绪论

火成岩命名原则第八十九页，共144页。第1章绪论

花岗岩闪长岩辉绿岩玄武岩云英岩流纹岩第九十页，共144页。第1章绪论公园里的花岗岩装饰第九十一页，共144页。第1章绪论

沉积岩(sedimentaryrock)成因：地表岩石破坏搬运沉积硬结成岩物质组成：

岩石碎屑黏土矿物化学沉积矿物有机质及生物残骸第九十二页，共144页。第1章绪论

河流的侵蚀亚马逊河流域第九十三页，共144页。第1章绪论

地下水的潜蚀第九十四页，共144页。第1章绪论

湖泊海洋的冲蚀第九十五页，共144页。第1章绪论

风的吹蚀第九十六页，共144页。第1章绪论

冰川的刨蚀第九十七页，共144页。外动力地质作用特点第1章绪论第九十八页，共144页。沉积岩的结构

碎屑结构

泥质结构结晶结构生物结构第1章绪论

第九十九页，共144页。沉积岩的构造层理构造(stratification)（水平层理、波状层理、斜层理等）层面构造(beddingplane)（雨痕、泥裂等）(a)(b)(c)(d)沉积岩的层理类型(a)水平层理；(b)交错层理；(c)单斜层理；(d)透镜体及尖灭层第1章绪论

第一百页，共144页。碎屑岩的胶结物：硅质——强度高铁质——易氧化钙质——易溶解泥质——易软化胶结类型：基底式胶结(a)孔隙式胶结(b)接触式胶结(c)

(a)(b)(c)碎屑岩的胶结类型第1章绪论

第一百零一页，共144页。沉积岩的分类碎屑岩、黏土岩、化学沉积岩、生物化学岩第1章绪论

第一百零二页，共144页。第1章绪论

角砾岩煤泥炭白云质微晶灰岩页岩凝灰砂岩第一百零三页，共144页。第1章绪论

砂页岩硅质灰岩第一百零四页，共144页。第1章绪论

变质岩(metamorphicrock)成因：岩石受地壳运动及岩浆入侵的高温高压作用和化学成分的加入，改变原结构构造而形成。从地表向下16公里范围内火成岩和变质岩的体积占95%。变质作用类型：接触变质作用、动力变质作用、区域变质作用第一百零五页，共144页。

物质组成：除原有矿物外，特有变质矿物

结构：变余结构、变晶结构、压碎结构构造：片状构造、片麻状构造、千枚状构造板状构造、块状构造。第1章绪论

第一百零六页，共144页。第1章绪论变质作用(metamorphism)

第一百零七页，共144页。第1章绪论

蓝田玉（蛇纹石化大理岩）大理岩和田玉（变质角闪石岩）第一百零八页，共144页。第1章绪论

千枚岩黑云母片麻岩蛇纹石大理岩蛇纹岩云母片岩角闪岩第一百零九页，共144页。花岗片麻岩大理岩第1章绪论

第一百一十页，共144页。第1章绪论

变质岩的矿物成分，既决定于原岩性质，还与变质作用的性质、强度密切相关，因此变质岩具有自己的矿物成分特点，又和火成岩、沉积岩有一定联系，且比它们更复杂多样。主要造岩矿物在三大类岩石中分布情况列入下表：主要在岩浆岩

中出现的矿物主要在沉积岩

中出现的矿物主要在变质岩

中出现的矿物三大类岩石

均有的矿物鳞石英

歪长石

白榴石

方钠石

黝方石

蓝方石

玄武角闪石等蛋白石

玉髓

水铝石

粘土矿物

海绿石

盐类矿物

卤化物矿物刚玉，石墨

红柱石，蓝晶石，矽线石

叶腊石，十字石，堇青石

硬绿泥石，硬玉，浊沸石

方柱石，钠云母，绢云母

帘石类，葡萄石，硬柱石

绿纤石，钙铝榴石

符山石，绿泥石，阳起石

蓝闪石，滑石，蛇纹石

直闪石，硅镁石，透闪石

钙镁橄榄石，钙铁辉石

蔷薇辉石，硅灰石

石英

碱性长石

斜长石类

白云母，黑云母

角闪石，辉石

橄榄石

磁铁矿

钛铁矿

磷灰石

锆石

金红石

榍石

碳酸盐矿物

第一百一十一页，共144页。第1章绪论

三大类岩石特征对比表第一百一十二页，共144页。岩石的工程性质评述

岩浆岩深成侵入岩具结晶结构，晶粒粗大均匀，力学强度高。一般是良好的建筑地基和天然建筑石材。但由于多种矿物结晶组成，抗风化能力较差。浅成侵入岩特别是脉状岩体穿插于不同的岩石中，易蚀变风化，使其强度降低、透水性增大。喷出岩若具有气孔构造、流纹构造及发育有原生裂隙，透水性较大。多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基均一性和稳定性影响大。第1章绪论

第一百一十三页，共144页。沉积岩火山碎屑岩由细小火山灰组成，水理性质差。沉积碎屑岩受胶结物成分和胶结类型影响显著。黏土岩浸水后易软化和泥化，还可能有膨胀性。对工程极为不利，但可作隔水层和防渗层。化学岩和生物化学岩具不同程度的可溶性，易渗漏。第1章绪论

第一百一十四页，共144页。

变质岩

工程性质与其原岩密切相关。动力变质岩的力学强度和抗水性均较差。片理构造使岩石具有各向异性特征。第1章绪论

第一百一十五页，共144页。三大类岩石具有不同的形成条件和环境，而岩石形成所需的环境条件又会随着地质作用的进行不断地发生变化。

第1章绪论

三大岩类物质循环第一百一十六页，共144页。第1章绪论

第一百一十七页，共144页。第1章绪论

岩石循环转化示意图第一百一十八页，共144页。岩体（Rockmass）是指工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体。岩体经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹，例如不整合、褶皱、断层、层理、节理、劈理等不连续面。

第1章绪论

岩石与岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石强度。

岩石（Rock）试件是由钻孔中获取的岩芯或是在工程范围内用爆破以及其他方法所获得的岩石碎块经加工而制成的，这种所采集的标本或岩芯仅仅是在自然地质体中的岩石小块，称为岩块。我们平时所称的岩石，在一定程度上都是指岩块，于是这两个概念也就不严格加以区分了。因为岩块是不包含有显著弱面的较均质的岩石块体，所以通常把它作为连续介质及均质体来看待。

第一百一十九页，共144页。1.1.2岩体结构岩体结构包括两个基本要素，结构面和结构体。结构面即岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的。被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。不同类型的岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式称为岩体结构。

第1章绪论

第一百二十页，共144页。第1章绪论岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。第一百二十一页，共144页。第1章绪论

①不连续；②各向异性；③不均匀性；④岩块单元的可移动性；⑤地质因子特性（水、气、热、初应力）。岩体的力学特征

rockmassstructurestructuralplanestructuralelement岩体=岩块+结构面岩体结构面岩块不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面岩体结构面岩块不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面第一百二十二页，共144页。岩体结构类型岩体地质类型主要结构体形式结构面发育情况工程地质评价块状结构厚层沉积岩火成侵入岩火山岩变质岩

块状柱状节理为主岩体在整体上强度较高，变形特征接近于均质弹性各向同性体，作为坝基及地下工程洞体具有良好的工程地质条件，在坝肩及边坡条件虽也属良好，但要注意不利于岩体稳定的平缓节理镶嵌结构火成侵入岩非沉积变质岩菱形锥形节理比较发育有小断层错动带岩体在整体上强度仍高，但不连续性较为显著，在坝基经局部处理后仍为良好地基；在边坡过陡时易以崩塌形式出现，不易构成大滑坡体；在地下工程，若跨度不大，塌方事故很少碎裂结构构造破坏强烈岩体碎块状节理、断层及断层破碎带交叉劈理发育岩体完整性破坏较大，强度受断层及软弱结构面控制，并易受地下水作用影响，岩体稳定性较差，在坝基要求对规模较大断层进行处理，一般可做固结灌浆；在边坡有时出现较大的塌方；在地下矿坑开采中易产生塌方、冒顶，要求支护紧跟；对永久性地下工程要求衬砌层状结构薄层沉积岩沉积变质岩板状楔形层理、片理节理比较发育岩体呈层状，接近均一的各向异性介质，作为坝基、坝肩、边坡及地下洞体的岩体稳定与岩层产状关系密切，一般陡立的较为稳定，而平缓的较差。倾向不同时也有很大差异，要结合工程具体考虑，但这类岩体在坝肩、坝基及边坡较易出现破坏事故层状碎块结构较强烈褶皱及破碎的层状岩体碎块状楔形层理、片理、节理、断层层间错动面发育岩体完整性差，整体强度低，软弱结构面发育，易受地下水不良作用影响，稳定性很差，不宜选作高混凝土坝、坝基、坝肩；边坡设计角较低，地下工程施工中常遇塌方，永久性工程要求加厚衬砌散体结构断层破碎带风化破碎带鳞片状碎屑状颗粒状断层破碎带，风化带及次生结构面岩体强度遭到极大破坏，接近松散介质，稳定性最差，在坝基及人工边坡上要作清基处理，在地下工程进出口处也应进行适当处理岩体结构类型及其特征

表1-1

第1章绪论

第一百二十三页，共144页。§1.2

岩石力学的应用范围

（1）土木建筑工程高层建筑地基处理与加固技术大型地下峒室、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

第1章绪论

第一百二十四页，共144页。§1.2

岩石力学的应用范围

（2）铁道和公路建设工程线路边坡稳定性分析隧道设计和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

第1章绪论第一百二十五页，共144页。§1.2

岩石力学的应用范围

（3）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地震的预报问题库岸稳定及加固方法

第1章绪论

第一百二十六页，共144页。§1.2

岩石力学的应用范围

（4）采矿工程露天采矿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

第1章绪论

第一百二十七页，共144页。§1.2

岩石力学的应用范围

（5）石油工程岩石应力与岩石渗透性岩石力学与地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）油层压缩及地面沉降石油、天然气运输、储存工程及环境影响第1章绪论

第一百二十八页，共144页。§1.2

岩石力学的应用范围

（6）海洋勘探与开发工程（7）核电站建设中核废料处理技术（8）地层热能资源开发技术问题（9）地震预报中的岩石力学问题

第1章绪论

第一百二十九页，共144页。中国西部大开发四大工程

青藏铁路：青藏铁路是目前世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，全长1118公里，其中550多公里穿越多年冻土地段，将经历十分复杂的气候环境和地理环境。青藏铁路总投资360亿元，于2001年6月29日开工。西气东输：天然气管道直径为1118毫米，长达4167公里，穿越长江、黄河、淮河，横穿中国大陆10个省区市，