巖石力學緒論

1、ROCK MECHANICS巖石(ynsh)力學共四十三頁課程介紹(jisho)緒論共四十三頁0 課程(kchng)介紹0.1 課程性質(zhì)(xngzh)和任務(wù)性質(zhì)：土木工程專業(yè) 技術(shù)基礎(chǔ)必修課程任務(wù)：學習巖石的基本力學性質(zhì)、實驗研究方法、巖體的質(zhì)量評價方法及其分類理論、地應(yīng)力及其測量理論和方法、巖石的流變理論和強度理論。在此基礎(chǔ)上學習巖石地下工程和邊坡工程中巖體穩(wěn)定性的分析評價及加固處理理論和方法。先修課程：材料力學、理論力學、工程地質(zhì)學 等后續(xù)課程：隧道工程、地鐵工程、道路邊坡工程 等適用專業(yè)：土木工程共四十三頁0.2 課程教學基本要求1)課程重點：巖石的基本力學性質(zhì)及其實驗研究方法、巖體的質(zhì)

2、量評價及其分類理論方法、巖石地下工程、巖石邊坡工程。2)課程難點：節(jié)理(jil)面的力學性質(zhì)，巖體工程分析評價理論和方法。3)能力培養(yǎng)要求：巖石力學的實驗技能，巖石力學的研究方法，地下工程和邊坡工程中巖體穩(wěn)定性的分析評價及加固處理理論和方法。共四十三頁課程(kchng)資料教材(jioci)巖石力學徐志英主編，中國水利水電出版社，1985參考書巖石力學與工程蔡美峰主編，科學出版社，2002工程地質(zhì)學陸兆溱主編，水利電力出版社，1989巖體力學沈明榮主編，同濟大學出版社，1999巖體力學凌賢長主編，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002共四十三頁第一章 緒論(xln)1.1 巖石與巖體的界定什么是巖石？

3、1）狹義概念：材料2）廣義概念：巖體 天然地質(zhì)(dzh)體：地質(zhì)(dzh)結(jié)構(gòu)（巖塊+結(jié)構(gòu)面）、賦存條件（初始應(yīng)力、地下水、溫度場） 工程巖體（工程開挖和構(gòu)筑過程引起應(yīng)力變化） 3）復(fù)雜性：非連續(xù)性、非均勻性、各向異性、巖石塊體結(jié)構(gòu)的可移動性、大量的不確定性共四十三頁1.1 巖石(ynsh)與巖體的界定什么是巖石力學？1）材料的觀點： 【1966年，美國科學院 巖石力學委員會定義 】是研究巖石的力學性狀的一門理論和應(yīng)用科學(yngyng kxu)探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)2）巖體的觀點：【 1998年，中國科學院院士王思敬教授在中國巖石力學與工程大會上提出巖石力學新定義】是一門認識和

4、控制巖石系統(tǒng)的力學行為和工程功能的科學共四十三頁1.2 巖石力學的研究(ynji)任務(wù)、內(nèi)容與方法巖石力學的應(yīng)用范圍及主要研究問題？（1）工民建工程：高層建筑地基處理與加固技術(shù)；大型地下硐室、地下建筑空間設(shè)計、施工與加固理論技術(shù)；地面建筑物沉降、傾斜控制和糾偏技術(shù)； 山城或山坡及臨坡建筑物基礎(chǔ)滑坡監(jiān)測預(yù)報與防治技術(shù)。（2）水利水電工程：壩基及壩肩穩(wěn)定性，防滲加固理論和技術(shù)；有壓和無壓引水隧道設(shè)計、施工及加固理論技術(shù)；大跨度高邊墻地下廠房的圍巖穩(wěn)定及加固技術(shù)；高速水流沖刷的巖石力學問題；水庫誘發(fā)(yuf)地震的預(yù)報問題；庫岸穩(wěn)定及加固方法。（3）鐵道和公路建設(shè)工程：線路邊坡穩(wěn)定性分析；隧道設(shè)計和

5、施工技術(shù)；隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報及處理；高地應(yīng)力區(qū)的巖爆理論及處理；隧道入口施工技術(shù)及洞臉邊坡角的確定和加固措施；地鐵施工技術(shù)。共四十三頁1.2 巖石力學的研究任務(wù)、內(nèi)容(nirng)與方法巖石力學的應(yīng)用范圍及主要研究問題？（4）采礦工程：露天采礦(ci kung)邊坡設(shè)計及穩(wěn)定加固技術(shù)；井下開采中巷道和采場圍巖穩(wěn)定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題；采場穩(wěn)定性及開采優(yōu)化（采場結(jié)構(gòu)、開采順序、開挖步驟等）設(shè)計問題；礦井突水預(yù)測、預(yù)報及預(yù)處理理論和技術(shù)；巖爆、煤與瓦斯突出預(yù)測及預(yù)處理理論和技術(shù)；采空區(qū)處理及地面沉降問題；巖石破碎問題。（5）石油工程：巖石應(yīng)力與巖石滲透性；巖石力學與地

6、球物理勘探綜合研究；鉆探技術(shù)與井壁穩(wěn)定性；巖石力學與采油技術(shù)（水壓致裂、水平鉆孔）；油層壓縮及地表沉陷；石油、天然氣運輸、儲存工程及環(huán)境影響。（6）海洋勘探與開發(fā)工程。（7）核電：核廢料地質(zhì)處置技術(shù)。（8）地熱資源開發(fā)：干熱巖體水壓致裂、水流控制。（9）地震預(yù)報中的巖石力學問題。地下工程（洞）、邊坡過程（坡）、巖基工程（基）穩(wěn)定性（分析與控制）共四十三頁1.2 巖石力學(l xu)的研究任務(wù)、內(nèi)容與方法巖石力學的研究內(nèi)容（1）巖石與巖體的物理力學性質(zhì)(xngzh)（2）地應(yīng)力場（分布規(guī)律、測試理論與方法）（3）工程巖體的穩(wěn)定性與巖石工程加固支護（4）巖石力學物理模擬、數(shù)值模擬、原位監(jiān)測技術(shù)（5

7、）巖石力學新理論、新方法、新技術(shù)研究方法主線： 基本原理分析試驗工程應(yīng)用監(jiān)測共四十三頁1.3 巖石(ynsh)力學與其它學科的交叉（1）地質(zhì)學科在巖石力學中的作用 與工程地質(zhì)學緊密聯(lián)系（2）力學學科在巖石力學中的作用 是力學學科的一個分支(fnzh)， 屬于固體力學范疇（3）科學試驗、測量學科在巖石力學中的作用（4）計算機學科在巖石力學中的作用共四十三頁（1）初始階段（19世紀末20世紀初）： 萌芽時期產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題。1912年瑞典地質(zhì)學家 海姆(A.Heim)提出了靜水壓力的理論：v= h =H。1926年蘇聯(lián)學者 金尼克(A.H.)基于彈性力學理論提出了只有垂直

8、壓力等于H，而水平壓力應(yīng)為H乘一個(y )側(cè)壓系數(shù)，即H。由于當時地下巖石工程埋藏深度不大，因而曾一度認為這些理論是正確的。但隨著開挖深度的增加，越來越多的人認識到上述理論是不準確的。 1.4 巖石(ynsh)力學發(fā)展簡史一、發(fā)展階段共四十三頁（2）經(jīng)驗理論階段(20世紀初30年代)： 經(jīng)驗散體地壓理論該階段出現(xiàn)了用材料力學和結(jié)構(gòu)力學的方法分析地下工程的支護問題。最有代表性的理論就是蘇聯(lián)學者 普羅托吉雅柯諾夫（.）提出的自然平衡拱學說，即普氏理論。太沙基（K.Terzahi）也提出相同的理論，只是(zhsh)他認為塌落拱的形狀是矩形，而不是拋物線型。普氏理論是相應(yīng)于當時的支護型式和施工水平發(fā)展

9、起來的。上述理論在一定歷史時期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用。1.4 巖石力學(l xu)發(fā)展簡史 一、發(fā)展階段共四十三頁（3）經(jīng)典(jngdin)理論階段（20世紀30年代60年代） 巖石力學學科形成的重要階段 彈性力學和塑性力學被引入巖石力學形成圍巖和支護共同作用的理論巖石力學形成了一門獨立的學科。在經(jīng)典理論發(fā)展階段，形成了兩大學(dxu)派 “連續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學理論”1.4 巖石力學發(fā)展簡史 一、發(fā)展階段共四十三頁經(jīng)典理論(lln)階段：連續(xù)介質(zhì)理論1.4 巖石(ynsh)力學發(fā)展簡史 一、發(fā)展階段連續(xù)介質(zhì)理論是以固體力學作為基礎(chǔ)，從材料的基本力學性質(zhì)出發(fā)來認識巖石工程的穩(wěn)定問題

10、。20世紀30年代，薩文（ . ）就用無限大平板孔附近應(yīng)力集中的彈性解析解來計算分析巖石工程的圍巖應(yīng)力分布問題。20世紀50年代，魯濱湟特（.）運用連續(xù)介質(zhì)理論寫出了求解巖石力學領(lǐng)域問題的系統(tǒng)著作。（彈塑性分析、流變模型）20世紀60年代，引入有限元、有限差分 等數(shù)值計算。強調(diào)地應(yīng)力作用。連續(xù)介質(zhì)理論存在的問題：1）邊界加載遠處的位移大，而開挖體內(nèi)邊緣位移小,沒有考慮開挖支護施工過程力學效應(yīng)。2）傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)理論過分注重對巖石“材料”的研究，追求準而又準的“本構(gòu)關(guān)系”。共四十三頁經(jīng)典理論階段(jidun)：地質(zhì)力學理論1.4 巖石力學(l xu)發(fā)展簡史 一、發(fā)展階段注重研究地層結(jié)構(gòu)與力學和巖

11、石工程穩(wěn)定性的關(guān)系。 20世紀20年代由德國人 克羅斯（H.Cloos）創(chuàng)立起來的。 觀點：1）反對把巖體當作連續(xù)介質(zhì)簡單地利用固體力學的原理進行分析； 2）強調(diào)要重視對巖體節(jié)理、裂隙的研究，重視巖體結(jié)構(gòu)面對巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用。 歷屆國際巖石力學大會1966.9葡萄牙里斯本（1）；1970.9貝爾格萊德（2）；1974.9美國丹佛（3）；1979.9瑞士盟特諾（4）我國第一次參加；1983澳大利亞墨爾本（5）2003.9南非約翰內(nèi)斯堡（10）；2007.7葡萄牙Lisbon(11)；2011中國北京（12） 1951年6月在奧地利成立了以斯梯尼（J.Stini）和米勒(L.Mlle

12、r)為首的“地質(zhì)力學研究組”，在薩爾茨堡舉行了第一屆地質(zhì)力學討論會，形成了“奧地利學派”。 1962年10月，在第13屆地質(zhì)力學討論會上成立了國際巖石力學學會，米勒擔任第一任主席。共四十三頁 地質(zhì)力學理論重要貢獻： 1）必須了解地應(yīng)力； 2）開挖后巖體的力學強度變化； 3）節(jié)理裂隙對巖石工程穩(wěn)定性的影響； 4）重視巖石工程施工過程中應(yīng)力、位移和穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測， 這是現(xiàn)代信息(xnx)巖石力學的雛形； 5）重視支護與圍巖的共同作用，提出了著名的“新奧法”， 該方法特別符合現(xiàn)代巖石力學理論，至今仍被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。地質(zhì)力學理論缺陷： 1）是過分強調(diào)節(jié)理、裂隙的作用，過分依賴經(jīng)驗，而忽視理論的指導(dǎo)

13、作用。 2）該理論完全反對把巖體作為連續(xù)介質(zhì)看待，也是不正確的和有害的，這種認識阻礙現(xiàn)代數(shù)學力學理論在巖石工程中的應(yīng)用。經(jīng)典理論(lln)階段：地質(zhì)力學理論1.4 巖石力學發(fā)展簡史 一、發(fā)展階段共四十三頁（4）現(xiàn)代發(fā)展階段（20世紀60年代現(xiàn)在）： 理論和實踐的新進展階段 現(xiàn)代巖石力學理論認為：巖石工程是一個“人地”系統(tǒng)，用系統(tǒng)論的方法來進行巖石力學與工程的研究。用更為復(fù)雜的多種多樣的力學模型(mxng)來分析巖石力學問題，多學科交叉，把力學、物理學、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學、現(xiàn)代信息技術(shù)等的最新成果引入了巖石力學。從“材料”概念到“不連續(xù)介質(zhì)概念”是現(xiàn)代巖石力學的第一步飛躍；引入電子計算機（快

14、速計算），進入計算力學階段是第二步飛躍；而非線性理論、不確定性理論和系統(tǒng)科學理論進入實用階段，則是巖石力學理論研究及工程應(yīng)用的第三步意義更為重大的飛躍。1.4 巖石力學發(fā)展(fzhn)簡史 一、發(fā)展階段共四十三頁巖石力學面臨的發(fā)展機遇1）我國大規(guī)模的基本建設(shè) 高層建筑、隧道橋梁、城市地鐵、其他基本設(shè)施等2）四大工程建設(shè) 三峽水電工程、南水北調(diào)工程、青藏鐵路工程、西氣東輸工程3）資源(zyun)開采 固體資源開采、液體資源開采、氣體資源開采4）海底隧道建設(shè) 渤海海底隧道、臺灣海峽海底隧道1.4 巖石力學(l xu)發(fā)展簡史共四十三頁巖石力學(l xu)的理論基礎(chǔ)仍主要源于固體力學(l xu)、流

15、體力學(l xu)及土力學(l xu)，與土力學(l xu)相比，屬于巖石力學(l xu)特有的理論和方法就太少了 有效應(yīng)力原理固結(jié)理論(lln)土坡穩(wěn)定分析土力學的特色理論和方法土體是多孔介質(zhì)巖體是裂隙介質(zhì)當土骨架的空隙為液相和氣相所填滿時，作用于骨架的有效應(yīng)力為總應(yīng)力與流體壓力之差，從而有了“有效應(yīng)力原理”；當液體和氣體從空隙中排出，有效應(yīng)力增大，土顆粒重新排列、骨架發(fā)生錯動，因而空隙受到壓縮，并伴隨土體壓縮變形和強度的提高 ？二、巖石力學研究的三視角共四十三頁1 mFracture zonesGrain boundaries & microcracks Natural fractures

16、1 mm共四十三頁 巖體在地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)受過復(fù)雜的內(nèi)外動力地質(zhì)作用，巖體中發(fā)育了各種地質(zhì)構(gòu)造形跡(xn j)。巖體作為地質(zhì)體，無一例外地打上了地質(zhì)建造和地質(zhì)改造的烙印;巖體的基本組份可以用結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體進行表征，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合關(guān)系決定了巖體結(jié)構(gòu)類型;巖體總是與一定的物理地質(zhì)環(huán)境相聯(lián)系。因而地應(yīng)力場、地下水滲流場及地溫場是巖體主要的賦存環(huán)境巖體是經(jīng)過地質(zhì)作用改造過的，由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體所組成并具有一定結(jié)構(gòu)特征的，賦存于物理(wl)地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。定義：共四十三頁不連續(xù)（discontinuous）非均勻(jnyn)（inhomogeneous）各向異性（anisotropic）非彈性

17、（notelastic）巖體是具有DIANE物理(wl)力學特性的裂隙介質(zhì)巖體的上述性質(zhì)取決于巖體復(fù)雜的地質(zhì)特征，而且在特定的賦存環(huán)境和工程作用下發(fā)生演化共四十三頁巖體是工程利用和改造的對象，并通過工程作用使巖體的變形(bin xng)和強度特性、滲透特性滿足人類工程需求 強烈的工程作用大強度爆破開挖大規(guī)模錨固支護大幅度庫水變化大范圍防滲排水巖體工程(gngchng)性質(zhì)共四十三頁地質(zhì)(dzh)特征揭示巖體的成因、組成(z chn)、賦存環(huán)境和演化歷史力學特性揭示巖體應(yīng)力傳播、變形、強度和破壞機理和規(guī)律工程性質(zhì)體現(xiàn)了工程的客觀要求及巖體對工程的適應(yīng)能力巖體地質(zhì)特征是物質(zhì)基礎(chǔ)，巖體力學特性是科學

18、問題，而巖體工程性質(zhì)是研究目標目標必須明確，基礎(chǔ)必須扎實，原理必須正確共四十三頁三、重大工程中的巖石(ynsh)力學問題巖石(ynsh)力學三峽庫區(qū)滑坡災(zāi)害及防治問題復(fù)雜高陡邊坡穩(wěn)定分析與加固治理問題地下洞室及圍巖的穩(wěn)定性問題共四十三頁2003年7月13日 三峽庫區(qū)沙鎮(zhèn)溪發(fā)生千將坪滑坡(hup)，致使24人失蹤。千將坪滑坡(hup)發(fā)生在強降雨（2003年6月21日7月11日，沙鎮(zhèn)溪地區(qū)總降雨量為162.7mm）及三峽水庫第一期135m高程蓄水一個月后發(fā)生的高速滑坡。 共四十三頁滑坡(hup)壁滑坡(hup)周界共四十三頁滑坡的三維極限(jxin)平衡穩(wěn)定分析WHU-Slope3D（軟登號：2009SR046981） Slope3D軟件號：2009SR046981，編錄(binl)水工設(shè)計手冊（第二版）作為邊坡穩(wěn)定分析推薦使用軟件已應(yīng)用于錦屏一級、大崗山、古樹包、平莊露天礦等20多個水電工程邊坡、庫區(qū)滑坡和礦山邊坡共四十三頁滑坡(hup)的不連續(xù)變形分析及運動全過程模擬不連續(xù)變形(bin xng)分析軟件軟登號2007SR07988共四十三頁錦屏(jn pn)一級高邊坡復(fù)雜高陡邊坡穩(wěn)定分析與加固治理(zhl)問題共四十三頁2. 邊坡工程(gngchng)的現(xiàn)狀錦屏(jn pn)一級高邊坡河流演化與地形地貌1885m(壩高30