巖石力學(xué)第一講緒論

巖石力學(xué)ROCKMECHANICS

教材：中國(guó)水利水電出版社張振營(yíng)主編成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院

主講教師：汪家林

班級(jí)：2001級(jí)03301~03305班專業(yè)：土木工程課程學(xué)習(xí)的目的、任務(wù)與基本要求掌握巖石力學(xué)的基本概念掌握巖石力學(xué)研究的基本原理熟悉巖石力學(xué)的相關(guān)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法掌握巖石力學(xué)的基本理論與計(jì)算方法理解巖石力學(xué)在工程實(shí)踐中的基本應(yīng)用情況了解本課程與其它專業(yè)課之間的關(guān)系教學(xué)安排總課時(shí)：33學(xué)時(shí)+4學(xué)時(shí)試驗(yàn)其中：巖石力學(xué)授課：33學(xué)時(shí)，第7周3學(xué)時(shí)從8周開(kāi)始繼續(xù)教學(xué)~12周結(jié)束。

由于帶實(shí)習(xí)，可能會(huì)提前。

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)：4學(xué)時(shí)復(fù)習(xí)、答疑：平時(shí)考試：12月1日以后安排。一、關(guān)于力學(xué)的基本知識(shí)力的概念、特征、作用效果與分類力學(xué)概念與分類及研究對(duì)象彈性力學(xué)的基本假定力學(xué)發(fā)展與工程實(shí)踐力學(xué)的研究方法關(guān)于力學(xué)的基本知識(shí)11、力的概念：物體之間的相互作用。2、力的基本特征：力具有：物質(zhì)性、相互性、矢量性、獨(dú)立性。3、力的作用效果：①改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

②使物體產(chǎn)生形變4、力的分類：按性質(zhì)分：重力、彈力、摩擦力、分子力、電磁力、核力等按效果分：動(dòng)力、阻力、壓力、支持力、回復(fù)力、向心力等按方式分：場(chǎng)力（萬(wàn)有引力、電磁力）、接觸力（如摩擦力）按分布分：體積力（如重力）、表面力（分布力、集中力）按對(duì)象分：內(nèi)力、外力總體分為：萬(wàn)有引力：物體具有質(zhì)量而產(chǎn)生的相互作用（如重力）電磁力：電荷之間的相互作用（彈力、摩擦力等）強(qiáng)相互作用、弱相互作用關(guān)于力學(xué)的基本知識(shí)25、力學(xué)：研究物體在力的作用下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和形變規(guī)律的科學(xué)。按物質(zhì)形態(tài)大體可分為：固體力學(xué)、流體力學(xué)（含液體、氣體）按研究領(lǐng)域可細(xì)分為若干種類，小到基本粒子，大到天體。6、巖石力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)：巖石力學(xué)：為力學(xué)分支，屬于力學(xué)在巖土工程領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用科學(xué)。固體力學(xué)：研究固體材料在荷載作用下的應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律。變形：在外力作用下固體物質(zhì)的尺寸和形狀大小變化的過(guò)程。流體力學(xué)：研究流體平衡、運(yùn)動(dòng)和流體與固體相互作用的力學(xué)規(guī)律分液體力學(xué)（不可壓縮-如水力學(xué)）、氣體力學(xué)（可壓縮）理論力學(xué)：研究物體（剛體）在力的作用下機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，分靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。（應(yīng)用在巖石力學(xué)的塊體理論）材料力學(xué)：研究構(gòu)件在外力作用下變形和破壞規(guī)律，為構(gòu)件選料、確定構(gòu)件的截面尺寸，使構(gòu)件具有相應(yīng)的承載能力。彈性力學(xué)：研究彈性物體在外部因素（荷載、溫度）作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力和形變的規(guī)律，應(yīng)力和變形的計(jì)算為其主要任務(wù)。關(guān)于力學(xué)的基本知識(shí)37、材料力學(xué)、彈性力學(xué)的基本假定連續(xù)性假設(shè)、均勻性假設(shè)、各向同性假設(shè)、完全彈性假設(shè)、小變形假設(shè)、無(wú)初應(yīng)力假設(shè)。8、力學(xué)的發(fā)展與工程實(shí)踐的關(guān)系工程實(shí)踐的出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)力學(xué)研究提出要求工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)上升到力學(xué)理論力學(xué)理論達(dá)到生產(chǎn)要求并可預(yù)見(jiàn)性地指導(dǎo)工程實(shí)踐工程實(shí)踐在力學(xué)指導(dǎo)下出現(xiàn)飛躍性發(fā)展工程實(shí)踐對(duì)力學(xué)的基本要求為：定量分析和可預(yù)見(jiàn)性。巖石力學(xué)：發(fā)端于19世紀(jì)采礦工業(yè)的需要（巷道及采場(chǎng)穩(wěn)定），現(xiàn)廣泛應(yīng)用于水利水電工程、采礦工程及鐵路建設(shè)工程等。9、力學(xué)的研究方法

科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論分析、工程驗(yàn)證二、巖石力學(xué)的基本概念巖石力學(xué)的定義與研究對(duì)象礦物與巖石巖石、巖體、巖體結(jié)構(gòu)的基本概念巖體的特征A、巖石力學(xué)的基本概念與研究對(duì)象1、巖石（巖體）力學(xué)：研究巖石（巖體）在不同受力狀態(tài)下變形和破壞的規(guī)律的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石（巖體）對(duì)其周圍物理環(huán)境中力場(chǎng)反映的學(xué)科，即研究巖石（巖體）在荷載作用下的應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性問(wèn)題（如地下洞室穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定、基礎(chǔ)穩(wěn)定）的技術(shù)應(yīng)用學(xué)科。2、本構(gòu)關(guān)系：描述物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)狀態(tài)（應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)）、過(guò)程（應(yīng)力、應(yīng)變路徑）之間的關(guān)系及其與時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。3、巖石力學(xué)的基礎(chǔ)：工程巖土學(xué)：研究土和巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)及其形成與變化規(guī)律工程地質(zhì)學(xué)：研究人類工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境相互作用、相互制約

力學(xué)基礎(chǔ)：工程力學(xué)、彈塑性力學(xué)等多學(xué)科的合作、協(xié)同研究礦物與巖石1、礦物：地殼中的化學(xué)元素在各種地質(zhì)作用下形成的、具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然均質(zhì)體，它是巖石的基本單元。地殼中的主要化學(xué)元素包括：氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂2、主要的造巖礦物：長(zhǎng)石：正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石（鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石），占地殼的50%

石英：SiO2，

占地殼的12.6%

云母：白云母、金云母、黑云母

方解石：CaCO3

橄欖石、輝石、角閃石等3、巖石：經(jīng)地質(zhì)作用而天然形成的一種或多種礦物的集合體，是礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而成的自然體。4、土：土是地殼表面巖石風(fēng)化后的產(chǎn)物，它是由固體顆粒、水和氣體組成的三相體，土粒多為各種礦物顆?；虻V物集合體組成的。巖石與巖體11、巖塊：取自地質(zhì)體中間的巖石小塊，如標(biāo)本或巖芯，代表相應(yīng)的巖石，用作鑒定或試驗(yàn)。2、巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造：結(jié)構(gòu)：巖石中礦物的結(jié)晶程度、顆粒大小和形狀以及彼此之間的組合方式叫巖石的結(jié)構(gòu)，如巖漿巖的等粒結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，沉積巖的碎屑結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)構(gòu)造：巖石中礦物集合體之間或礦物集合體與巖石的其它部分之間的排列方式以及充填方式叫巖石的構(gòu)造，如巖漿巖大多是塊狀構(gòu)造，沉積巖多具層狀構(gòu)造，變質(zhì)巖具片理狀構(gòu)造。3、巖石分類：按成因分為：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖巖漿巖：巖漿冷卻凝結(jié)而形成，占地殼總重量的95%。沉積巖：母巖在地表經(jīng)風(fēng)化剝蝕、搬運(yùn)、沉積和硬結(jié)成巖作用而形成的巖石。占地殼總重量的5%，占地表分布的75%。變質(zhì)巖：巖石在地殼中受到高溫高壓及化學(xué)浸入發(fā)生變質(zhì)形成。巖石試件巖石與巖體圖片巖石與巖體21、巖體的概念：巖體是在一定范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的自然歷史過(guò)程，經(jīng)受了各種地質(zhì)作用，并在地應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，在其內(nèi)部保留了各種永久變形的現(xiàn)象和地質(zhì)構(gòu)造形跡。2、巖塊與巖體的聯(lián)系與區(qū)別：巖塊是組成巖體的基本單元；巖體指在天然條件下由巖塊與弱面組成的復(fù)雜地質(zhì)體。巖體強(qiáng)度由于弱面的存在遠(yuǎn)低于巖塊強(qiáng)度。3、巖體結(jié)構(gòu)的基本概念：巖體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體，巖體中結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體的排列組合方式稱為巖體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)面：即地質(zhì)弱面，指巖體內(nèi)具有一定方向、延伸較長(zhǎng)、厚度較小的二維地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的分界面和不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理、破碎帶、接觸帶、片理等。結(jié)構(gòu)體：被結(jié)構(gòu)面分割所包圍的完整巖石單元。巖體結(jié)構(gòu)（巖塊與結(jié)構(gòu)面）從巖塊到巖體的示意圖巖石與巖體31、結(jié)構(gòu)面按成因分類：沉積結(jié)構(gòu)面、巖漿結(jié)構(gòu)面、變質(zhì)結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面等，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度取決于它的粗糙度和填充物的性質(zhì)。2、結(jié)構(gòu)體類型：

塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、層狀碎裂結(jié)構(gòu)、松散結(jié)構(gòu)等3、巖體強(qiáng)度：強(qiáng)度：物體抵抗破壞的能力。巖體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，它是包含結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的一個(gè)綜合指標(biāo)，巖體強(qiáng)度通常需要現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定。巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分巖體的復(fù)雜性與基本特征1、巖體為非均質(zhì)的各向異性體，組成巖體的礦物成分各不相同，礦物顆粒大小及空間排列方式有很大差異。2、巖體內(nèi)存在一個(gè)裂隙系統(tǒng)，使巖體的完整性和均勻性遭到破壞，不連續(xù)但也不是散體。3、巖體一般不嚴(yán)格服從虎克定律，力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變，彈塑性并存，有時(shí)又表現(xiàn)為脆性4、巖體內(nèi)存在初始應(yīng)力場(chǎng)5、巖體賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境中，巖體中的水、溫度、應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巖體性質(zhì)有較大影響。碎裂巖體結(jié)構(gòu)三、巖石力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展1、土力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展

產(chǎn)業(yè)革命的需要：建筑物與鐵路路基、土坡。1773年庫(kù)侖的砂土抗剪強(qiáng)度定律和土壓力滑楔理論，1856年達(dá)西的土的滲透理論，1857年的土壓力理論，1885年的土的應(yīng)力應(yīng)變理論，1922年的圓弧滑動(dòng)面法的土坡穩(wěn)定性計(jì)算，1925年太沙基的土力學(xué)專著等2、巖石力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展與生產(chǎn)實(shí)踐

巖石力學(xué)落后于土力學(xué)，其發(fā)展為采礦的需要，第一階段：20世紀(jì)前，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，處入萌芽階段第二階段：20世紀(jì)50年代前，引入土力學(xué)研究巖石巖體第三階段：50年代以后，采礦、水利水電、土木工程、鐵路交通、國(guó)防建設(shè)要求巖石力學(xué)研究應(yīng)作到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、對(duì)巖體穩(wěn)定的定量分析。1957年第一本巖石力學(xué)專著發(fā)表。其發(fā)展表現(xiàn)為對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的更科學(xué)理解和力學(xué)及其它手段的充分應(yīng)用。四、巖石力學(xué)的研究11、巖石力學(xué)的研究進(jìn)展和動(dòng)態(tài)：

①重視工程地質(zhì)宏觀研究②大力發(fā)展巖體及巖石測(cè)試、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)③加強(qiáng)對(duì)巖石（巖體）的基本性質(zhì)的研究④數(shù)值分析在巖石力學(xué)中的廣泛應(yīng)用⑤強(qiáng)調(diào)巖石力學(xué)在工程上的應(yīng)用⑥重視工程實(shí)例的總結(jié)分析及現(xiàn)場(chǎng)判斷2、巖石力學(xué)的研究方法科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論分析、工程驗(yàn)證，具體體現(xiàn)在：①地質(zhì)研究方法：巖相巖性特征、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)環(huán)境因素②物理測(cè)試：結(jié)構(gòu)面探測(cè)、環(huán)境物理量測(cè)、物理力學(xué)測(cè)試。③力學(xué)分析方法：力學(xué)模型、數(shù)值分析、概率分析、模擬分析④整體綜合分析方法：就整個(gè)工程采用多種方法、手段研究并以系統(tǒng)工程為基線的綜合分析。四、巖石力學(xué)的研究23、巖石力學(xué)研究的主要問(wèn)題①水利水電建設(shè)：壩基、壩肩穩(wěn)定性、防滲加固理論與技術(shù)工程邊坡穩(wěn)定性有壓或無(wú)壓引水隧洞地下廠房洞室群穩(wěn)定性高速水流沖刷、水庫(kù)誘發(fā)地震、庫(kù)岸穩(wěn)定②采礦工程露天礦邊坡設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性研究與加固技術(shù)井下巷道穩(wěn)定性、采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性、礦柱穩(wěn)定性、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、礦井突水、巖爆、煤與瓦斯突出采空區(qū)處理與地表沉降、巖石破碎問(wèn)題二灘水電站的布置四、巖石力學(xué)的研究3③鐵路建設(shè)工程、交通橋梁工程隧洞穩(wěn)定性、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、巖爆邊坡穩(wěn)定性（線路邊坡、隧洞出入口邊坡）④核廢料處理⑤石油鉆井工程：井損、采空區(qū)地面變形⑥山區(qū)城市建設(shè)、高層建筑物地基等總結(jié)為：

①地下：隧洞、洞室、采場(chǎng)等②邊坡：開(kāi)挖邊坡、壩肩邊坡、庫(kù)岸邊坡③基礎(chǔ)：壩基、路基、橋基、建筑物地基④滑坡及地質(zhì)災(zāi)害防治、地質(zhì)環(huán)境保護(hù)⑤地學(xué)研究：地殼變形、地震、找礦、⑥巖石切割與破碎研究：掘進(jìn)、鉆探、爆破等服務(wù)工程二灘大壩與水庫(kù)

壩肩開(kāi)挖壩肩開(kāi)挖開(kāi)挖后的大壩基礎(chǔ)

庫(kù)區(qū)霸王山滑坡全貌金龍山谷坡地貌金龍山谷坡與金龍溝地下礦開(kāi)采的井巷系統(tǒng)地下采礦的深度超過(guò)3000m地下采礦的分中段逐步進(jìn)行地下采礦過(guò)程中既涉及巖體穩(wěn)定，也涉及巖體破碎，還涉及散體的運(yùn)動(dòng)，如放礦。

地下采礦引起的地表沉降與塌陷露天礦開(kāi)采的全景露天開(kāi)采深度也達(dá)300~500m采石場(chǎng)邊坡

露天礦開(kāi)采的情況露天礦實(shí)景地下廠房洞室群地下廠房洞室群的三維有限元計(jì)算施工期的尾水調(diào)壓室大跨度高邊墻地下洞室完工后的地下廠房鐵路工程建設(shè)橋梁基礎(chǔ)的承載力與穩(wěn)定性五、巖石力學(xué)的發(fā)展與前景展望1、采礦工業(yè)的需要2、巖石工程的設(shè)計(jì)與施工3、力學(xué)的應(yīng)用、定量化的要求4、各國(guó)的研究情況奧地利Salzburg學(xué)派；歐洲；蘇聯(lián)；美國(guó)、加拿大；南非、日本、印度；中國(guó)5、巖石力學(xué)應(yīng)用在工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。六、巖石的基本物理與水理性質(zhì)1、巖石物理指標(biāo)

重度（容重）與密度；干容重、濕容重、飽和容重相對(duì)密度（比重）2、巖石的孔隙指標(biāo)

孔隙率、孔隙比孔隙指標(biāo)的計(jì)算3、巖石的水理性質(zhì)

吸水性：吸水率、含水率、飽水率、飽水系數(shù)透水性：滲流、透水性、滲透系數(shù)軟化性：軟化系數(shù)膨脹性、崩解性等。六、巖石的基本物理與水理性質(zhì)

本質(zhì)上巖石也是固體、液體、氣體組成的三相體。其三相比例決定了巖石的性質(zhì)，有必要研究其物理與水理性質(zhì)。一、巖石的物理指標(biāo)

1、重度與密度：重度又稱為容重，指單位體積（含孔隙體積）的巖石重力（重量）。

γ=G/V單位：KN/m3

巖石容重的范圍：26.5~28KN/m3干容重：γd

絕對(duì)干燥狀態(tài)下的巖石容重濕容重：天然狀態(tài)下的容重γ飽和容重：γw

飽和狀態(tài)下的巖石容重巖石密度：巖石單位體積（含孔隙體積）的質(zhì)量，ρkg/m3

密度與容重關(guān)系：

γ=9.80*ρ巖塊密度試驗(yàn)：量積法、水中稱量法、密封法巖石的基本物理與水理性質(zhì)2—物理指標(biāo)

巖石的容重取決于組成巖石的礦物成分、孔隙大小及含水多少。巖石容重可在一定程度反映巖石的力學(xué)性質(zhì)情況，通常巖石的容重越大，它的性質(zhì)就越好。如圖：容重越大，強(qiáng)度越高。巖石的基本物理與水理性質(zhì)3—物理指標(biāo)2、相對(duì)密度（比重）指巖石固體實(shí)體體積（不含孔隙）的重量與同體積水的重量比值。

ds=Gs/（Vs*γw）

ds-----比重

Gs-----絕對(duì)干燥的體積為Vs的巖石重量

Vs-----巖石固體的實(shí)在體積（不含孔隙體積）

γw-----水的容重（重度），在4℃時(shí)為10KN/m3

巖石的比重取決于組成巖石的礦物的比重，一般在2.5~2.8之間，基性和超基性巖石可達(dá)到3.0~3.4,多孔性巖石可小于1.0。比重試驗(yàn)：比重瓶法和水中稱量法。比重瓶法：碾磨0.25mm，烘干稱量15g，注試液，兩個(gè)比重瓶對(duì)比。水中稱量法：試件150g，烘干稱量、吸水強(qiáng)制飽和、水中稱量。巖石的基本物理與水理性質(zhì)4—物理指標(biāo)3、孔隙率n：

巖石試件中孔隙體積與巖石試件總體積的百分比，表示巖石裂隙和孔隙發(fā)育程度，是反映巖石的致密程度和巖石質(zhì)量的重要參數(shù)。

n=Vv/V*100%Vv------試件的孔隙體積（包括裂隙體積）

V-------試件的總體積（含孔隙體積，m3）

空隙率可以從巖石的比重（相對(duì)密度ds）和干密度ρd計(jì)算得到：

n=（ds-ρd）/ds

巖石的基本物理與水理性質(zhì)5—物理指標(biāo)

孔隙率增大，巖石的重度和強(qiáng)度越低?？紫堵试酱?，透水性越強(qiáng)?？紫堵试酱?，風(fēng)化可能越大，強(qiáng)度降低越快。巖石的基本物理與水理性質(zhì)6—水理性質(zhì)二、巖石的水理性質(zhì)1、巖石的吸水性：常用吸水率表示，指巖石在一定試驗(yàn)條件下（試件大小、壓力大?。┪胨值闹亓颗c巖石干重量之比。吸水率：試件在大氣壓力下吸入水的重量Gw與巖石干重量Gs之比。

ω=Gw/Gs含水率ωo：試件在105~110℃溫度下烘干至恒重時(shí)所失去的水的質(zhì)量與試件干質(zhì)量的比值，主要測(cè)定粘土類巖石在天然狀態(tài)下的含水。飽水率ωsa：在150個(gè)大氣壓下強(qiáng)制吸水后的吸水率。飽水系數(shù)Kω：吸水率與飽水率的比值，0.5~0.8.巖石吸水率也稱為孔隙指數(shù)。巖石的基本物理與水理性質(zhì)7—水理性質(zhì)巖石吸水率的大小與孔隙多少及連通情況有關(guān)?？紫吨笖?shù)（吸水率）與巖石的種類及生成年代有關(guān)。巖石試件的波速與孔隙指數(shù)有相關(guān)性。巖石的基本物理