岩石力学-第一章

1、2020/9/24,1,.,第一章 绪论,1.1岩石力学定义 岩石力学的学科性质 新兴学科 边缘学科 应用性和实践性很强的应用基础学科 岩石力学应用范围 与岩石工程相关的工程领域 岩石力学定义 研究岩石的力学性状（behaviour）的一门理论科学，同时也是应用科学； 是力学的一个分支； 研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应；,2020/9/24,2,.,建议的定义 由于岩石力学性质不确定性和复杂性 岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。 研究岩石力学的目的 地下工程事故中，约1/31/2是由于支护不当或支护不及时造成的； 井巷工程成本中，支护及维护费用约占4060

2、%； 目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降低维护成本，减少支护事故。,2020/9/24,3,.,1.2岩石力学的发展和概貌 初级阶段（19世纪末20世纪初） 海姆净水压力假说 朗金假说 金尼克假说 经验理论阶段（20世纪初20世纪30年代） 普氏理论 太沙基理论 经典理论阶段 连续介质理论 不足：忽视地应力的作用 忽视施工过程（时变性） 过于追求“精确”,2020/9/24,4,.,地质力学理论 不足：过分强调节理、裂隙作用 过分依赖经验、忽视理论 现代发展阶段(20世纪60年代现在) 复杂多样的力学模型； 各种理论、方法的应用，特别是非线性理论的应用； 建立了自己的分析原理和计算方

3、法 损伤力学 离散元 DDA法 流形法 扰动状态概念理论 不确定性分析研究方法和理论体系 系统科学,2020/9/24,5,.,1.3岩石力学的研究范畴和内容、研究方法 研究范畴和内容 岩体的地质力学模型及其特征 岩石与岩体的物理力学性质 研究岩体起始应力状态以获取地下结构及围岩稳定性分析所必须的外荷载条件 岩体中开挖卸载引起岩体应力状态的重分布及围岩应力集中的计算理论、计算方法，围岩稳定性的评价、预测以及由此引起的支护原理、支护方式、方法，支护结构体系的设计计算理论和方法 施工工艺、施工方法、施工过程对岩体工程稳定性的影响及其优化,2020/9/24,6,.,岩石力学在岩体工程中的应用 地下

4、硐室围岩的稳定性研究 应力分布 围岩变形 围岩压力 围岩加固 岩坡的稳定性研究 稳定性 应力分布、变形和破坏 岩坡的失稳 岩基的稳定性研究 应力 变形 承载力 稳定性,2020/9/24,7,.,研究方法 工程地质研究方法 科学实验方法 数学力学分析方法 力学模型 分析方法 数值分析方法 模糊聚类和概率分析 模拟分析 整体综合分析方法 采用多种方法并考虑多种因素 采用确定性分析方法与不确定性研究方法,2020/9/24,8,.,1.4 地下工程的特点 岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容(剪胀)现象等； 地下工程是先受力(原岩应力)，后挖洞(开巷)； 深埋巷道属于

5、无限城问题，影响圈内自重可以忽略； 大部分较长巷道可作为平面应变问题处理； 围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移； 地下工程结构容许超负荷时具有可缩性； 地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力； 几何不稳定结构在地下可以是稳定的；,2020/9/24,9,.,1.5 影响因素与约定 影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 矿物：地壳中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相互结合的情况； 构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系； 约定 岩石为不分“岩体”和“岩块”时的统称； 岩体=岩块+弱面 岩体中由弱面分割包

6、围的即是岩块；,10,.,主要参考书,1 岩石力学与工程，蔡美峰主编，科学出版社，2002 2 高等岩石力学，周维垣主编，中国水利水电出版社，1990 3 岩石力学基础，张清、杜静编著，中国铁道出版社，1997 4 岩石力学简明教程，李世平等编北京：煤炭 工业出版社，1996 5 岩体力学，沈明荣主编上海：同济大学出版社，1999 6 矿山岩体力学，高延法、张庆松编著，中国矿业大学出版社，2000 7 岩石力学基础教程，侯公羽 主编，机械工业出版社，2011、1 8 Engineering Rock Mechanics，上、下卷（中译本）J.A. Hudson; J.P. Harrison 著

7、，冯夏庭等译，科学出版社，2009 9 岩体力学性质，李先炜 编，煤炭工业出版社，1990,11,.,12,.,13,.,14,.,（1）国际岩石力学与采矿科学（International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences）主编：Zimmeman，名誉主编： Hudson；Pergamon出版社和Elsevier Science出版社出版；SCI、EI收录 （2）岩石力学与岩石工程（Rock Mechanics and Rock Engineering）主编：Kovari和Einstein；SpringerVerlag出版; SCI、E

8、I收录 （3）岩石力学与工程学报中国岩石力学与工程学会主办，科学出版社出版； EI收录 （4）岩土力学中科院武汉岩土力学研究所主办； EI收录 （5）岩土工程学报中国土木工程学会主办； EI收录 （6）地下空间与工程学报中国岩石力学与工程学会、重庆大学办；,国内、外有关岩石力学的主要杂志,15,.,1.6 岩土的成因类型及其工程地质特征,地壳 地球，赤道半径（6378.140km），两极半径（6356.779km）。 大约有70.8%的面积海域，有29.2的面积为陆地。 由地壳、地幔、地核组成。,地球内部构造,1-地壳；2-地幔；3-地核；4-液态外部地核；5-固态内部地核；6-软流圈；7-岩

9、石圈,16,.,（1）内力地质作用：动力来自地球本身，并主要发生在地球内部，按其作用方式可分为四种： 构造运动：指地壳的机械运动；发生水平方向构造运动常使岩层受到挤压产生褶皱，或使岩层拉张而破裂；垂直方向构造运动使地壳发生上升或下降，如青藏高原近数百万年以来隆升。 岩浆作用：指岩浆沿地壳软弱破裂地带上升造成火山喷发形成火山岩或是在地下深处冷凝形成侵入岩的过程。 变质作用：指构造运动与岩浆作用过程中，使原有岩石受温度、压力和化学性质活泼的流体作用，在固体状态下发生物质成分和特征改变，转变成新的岩石。 地震：接近地球表面岩层中构造运动以弹性波形式释放应变能而引起地壳的快速颤动和震动。,物理地质作用

10、,17,.,（2）外力地质作用 风化作用：暴露于地表的岩石，在温度变化以及水、二氧化碳、氧气及生物等因素的长期作用下，发生化学分解和机械破碎。 剥蚀作用：河水、海水、湖水、冰川及风等在其运动过程中对地表岩石造成破坏，破坏产物随其运动而搬走，例如海岸、河岸因受海浪和流水的撞击、冲刷而发生后退；斜坡剥蚀作用是斜坡物质在重力以及其它外力因素作用下产生滑动和崩塌，又称块体运动。 搬运作用：风化与剥蚀造成的破坏产物被搬运到它处。 沉积作用：搬运物在适宜场所堆积。 固结成岩作用：刚堆积的物质是松散多孔的并富含水分，被后来的沉积物覆盖埋藏后，在重压下排出水分，孔隙减小并被胶结，松散堆积物渐变为坚硬的岩石，即

11、沉积岩。,物理地质作用,18,.,(a),(b),(c),(d),(a),(f),(g),(h),(i),(e),矿物的基本概念,矿物形态 (a)食盐晶体 (b)石英晶体 (c)金刚石晶体 (d)绿柱石聚形晶体 (e)石榴子石聚形晶体 (f)板钛矿聚形晶体 (g)红柱石放射状集合体 (h)方解石钟乳状集合体 (i )玛瑙晶腺,19,.,岩石硬度 通常采用摩氏硬度，选十种矿物为标准，最软是一度，最硬十度。 这十种矿物由软到硬依次为： l-滑石； 2-石膏；3-方解石；4-萤石；5-磷灰石； 6-正长石；7-石英；8-黄玉； 9-刚玉；10-金刚石； 岩石密度 矿物密度变化幅度很大，矿物的密度分为

12、轻、中等和重三级，重的如方铅矿(7.47.6)，感到很重。大多数矿物密度中等，介于2.54之间。,矿物的基本概念,20,.,解理、断口解理是指矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，裂开的光滑平面称为解理面。 极完全解理：极易裂开成薄片，解理面大而完整、平滑光亮，如云母。 完全解理：常沿解理方向开裂成小块，解理面平整光亮，如方解石。 中等解理：既有解理面，又有断口，如正长石。 不完全解理：常出现断口，解理面很难出现，如磷灰石。,（a）石盐的立方体完全解理,（b）石英的贝壳状断口,矿物的基本概念,21,.,常见主要造岩矿物 自然界产出的矿物，已知有3000种左右。对于形成岩石具有普遍意义

13、的矿物，即主要造岩矿物则不过数十种。常见矿物就其化学成分而言，绝大多数为硅酸盐，其余为氧化物、硫化物、卤化物、碳酸盐和硫酸盐等。 如： 黄铁矿，石英，方解石，白云石，石膏，橄榄，石辉石，正长石，白云石，白云母，高岭石，蒙脱石,矿物的基本概念,22,.,常见岩石和矿物,安山质凝灰岩,角砾岩,流纹岩,流纹岩,23,.,片麻岩,礁灰岩,玄武岩,浮石,常见岩石和矿物,24,.,白云母,方解石,黑云母,黄铁矿,常见岩石和矿物,25,.,黄铜矿,石英,石墨,石盐,常见岩石和矿物,26,.,石膏,萤石,辉锑矿,自然硫,常见岩石和矿物,27,.,岩浆岩、沉积岩和变质岩的地质特征表,28,.,沉积岩的构造,层理

14、的基本形态 a-水平层理 b-斜层理 c-交错层理,根据交错层理确定岩层的顶面和底面层理构造,递变层理,29,.,岩层形态,a-顶面 b-底面 1-板状岩层 2-变厚变薄 3-尖灭 4-透镜体,波痕与泥裂构造,波痕及其印模,泥裂的示意立体图,30,.,常见的岩浆岩 花岗岩，闪长岩，辉长岩，流纹岩，安山岩，玄武岩，辉绿岩 常见的沉积岩 （1）碎屑岩类 火山碎屑岩：火山集块岩、火山角砾岩及凝灰岩 沉积碎屑岩：砾岩及角砾石、砂岩、粉砂岩 （2）粘土岩类：页岩 、泥岩 （3）化学及生物化学岩类：石灰岩、白云岩 常见的变质岩 （1）片理状岩类：片麻岩、片岩、千枚岩 （2）块状岩类：大理岩、石英岩,31,.,岩石的工程地质性质包括物理性质和力学性质两个主要方面，它们的一些常用指标，可供分析和评价岩石工程地质性质时参考。,1. 岩石的工程性质,2. 影响岩石的工程性质的因素 包括矿物成分、结构、构造、水、风化等因素。,岩石的工程地质性质,.,32,岩层的地质年代有两种表示方法： （1）绝对地质年代 （2）相对地质年代,地质年代单位与相对应的地层单位表,地质年代及其划分,