巖石力學(xué)第一章

建議的定義由于巖石力學(xué)性質(zhì)不確定性和復(fù)雜性巖石力學(xué)是一門認(rèn)識(shí)和控制巖石系統(tǒng)的力學(xué)行為和工程功能的科學(xué)。研究巖石力學(xué)的目的地下工程事故中，約1/3—1/2是由于支護(hù)不當(dāng)或支護(hù)不及時(shí)造成的；井巷工程成本中，支護(hù)及維護(hù)費(fèi)用約占40—60%；目的：科學(xué)、合理、安全地維護(hù)井巷的穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本，減少支護(hù)事故。

2023/6/131《巖石力學(xué)》當(dāng)前第1頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)1.2巖石力學(xué)的發(fā)展和概貌初級(jí)階段（19世紀(jì)末~20世紀(jì)初）海姆凈水壓力假說(shuō)朗金假說(shuō)金尼克假說(shuō)經(jīng)驗(yàn)理論階段（20世紀(jì)初~20世紀(jì)30年代）普氏理論太沙基理論經(jīng)典理論階段連續(xù)介質(zhì)理論不足：?忽視地應(yīng)力的作用

?忽視施工過(guò)程（時(shí)變性）

?過(guò)于追求“精確”2023/6/132《巖石力學(xué)》當(dāng)前第2頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)地質(zhì)力學(xué)理論 不足：?過(guò)分強(qiáng)調(diào)節(jié)理、裂隙作用 ?過(guò)分依賴經(jīng)驗(yàn)、忽視理論現(xiàn)代發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代~現(xiàn)在)復(fù)雜多樣的力學(xué)模型；各種理論、方法的應(yīng)用，特別是非線性理論的應(yīng)用；建立了自己的分析原理和計(jì)算方法 ?損傷力學(xué) ?離散元 ?DDA法 ?流形法 ?擾動(dòng)狀態(tài)概念理論不確定性分析研究方法和理論體系系統(tǒng)科學(xué)2023/6/133《巖石力學(xué)》當(dāng)前第3頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)1.3巖石力學(xué)的研究范疇和內(nèi)容、研究方法研究范疇和內(nèi)容巖體的地質(zhì)力學(xué)模型及其特征巖石與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)研究巖體起始應(yīng)力狀態(tài)以獲取地下結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性分析所必須的外荷載條件巖體中開挖卸載引起巖體應(yīng)力狀態(tài)的重分布及圍巖應(yīng)力集中的計(jì)算理論、計(jì)算方法，圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)以及由此引起的支護(hù)原理、支護(hù)方式、方法，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法施工工藝、施工方法、施工過(guò)程對(duì)巖體工程穩(wěn)定性的影響及其優(yōu)化2023/6/134《巖石力學(xué)》當(dāng)前第4頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)巖石力學(xué)在巖體工程中的應(yīng)用地下硐室圍巖的穩(wěn)定性研究

?應(yīng)力分布 ?圍巖變形

?圍巖壓力 ?圍巖加固巖坡的穩(wěn)定性研究

?穩(wěn)定性 ?應(yīng)力分布、變形和破壞

?巖坡的失穩(wěn)巖基的穩(wěn)定性研究

?應(yīng)力 ?變形

?承載力 ?穩(wěn)定性2023/6/135《巖石力學(xué)》當(dāng)前第5頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)研究方法工程地質(zhì)研究方法科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法數(shù)學(xué)力學(xué)分析方法 ?力學(xué)模型

?分析方法⊙數(shù)值分析方法⊙模糊聚類和概率分析 ⊙模擬分析整體綜合分析方法 ?采用多種方法并考慮多種因素

?采用確定性分析方法與不確定性研究方法2023/6/136《巖石力學(xué)》當(dāng)前第6頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)1.4地下工程的特點(diǎn)巖石在組構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)上與其他材料不同，如巖石具有節(jié)理和塑性段的擴(kuò)容(剪脹)現(xiàn)象等；地下工程是先受力(原巖應(yīng)力)，后挖洞(開巷)；深埋巷道屬于無(wú)限城問(wèn)題，影響圈內(nèi)自重可以忽略；大部分較長(zhǎng)巷道可作為平面應(yīng)變問(wèn)題處理；圍巖與支護(hù)相互作用，共同決定著圍巖的變形及支護(hù)所受的荷載與位移；地下工程結(jié)構(gòu)容許超負(fù)荷時(shí)具有可縮性；地下工程結(jié)構(gòu)在一定條件下出現(xiàn)圍巖抗力；幾何不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在地下可以是穩(wěn)定的；2023/6/137《巖石力學(xué)》當(dāng)前第7頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)1.5影響因素與約定影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個(gè)重要因素礦物：地殼中具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物；結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及相互結(jié)合的情況；構(gòu)造：組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系；約定巖石為不分“巖體”和“巖塊”時(shí)的統(tǒng)稱；巖體=巖塊+弱面巖體中由弱面分割包圍的即是巖塊；

2023/6/138《巖石力學(xué)》當(dāng)前第8頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)主要參考書[1]《巖石力學(xué)與工程》，蔡美峰主編，科學(xué)出版社，2002[2]《高等巖石力學(xué)》，周維垣主編，中國(guó)水利水電出版社，1990[3]《巖石力學(xué)基礎(chǔ)》，張清、杜靜編著，中國(guó)鐵道出版社，1997[4]《巖石力學(xué)簡(jiǎn)明教程》，李世平等編．北京：煤炭工業(yè)出版社，1996[5]《巖體力學(xué)》，沈明榮主編．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999[6]《礦山巖體力學(xué)》，高延法、張慶松編著，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000[7]《巖石力學(xué)基礎(chǔ)教程》，侯公羽主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2011、1[8]《EngineeringRockMechanics》，上、下卷（中譯本）J.A.Hudson;J.P.Harrison

著，馮夏庭等譯，科學(xué)出版社，2009[9]《巖體力學(xué)性質(zhì)》，李先煒編，煤炭工業(yè)出版社，19909當(dāng)前第9頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)10當(dāng)前第10頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)11當(dāng)前第11頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)12當(dāng)前第12頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)（1）《國(guó)際巖石力學(xué)與采礦科學(xué)》（InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences）主編：Zimmeman，名譽(yù)主編：Hudson；Pergamon出版社和ElsevierScience出版社出版；SCI、EI收錄（2）《巖石力學(xué)與巖石工程》（RockMechanicsandRockEngineering）主編：Kovari和Einstein；Springer—Verlag出版;SCI、EI收錄（3）《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)主辦，科學(xué)出版社出版；EI收錄（4）《巖土力學(xué)》中科院武漢巖土力學(xué)研究所主辦；EI收錄（5）《巖土工程學(xué)報(bào)》中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)主辦；EI收錄（6）《地下空間與工程學(xué)報(bào)》中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)、重慶大學(xué)辦；國(guó)內(nèi)、外有關(guān)巖石力學(xué)的主要雜志13當(dāng)前第13頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)1.6巖土的成因類型及其工程地質(zhì)特征

地殼地球，赤道半徑（6378.140km），兩極半徑（6356.779km）。大約有70.8%的面積海域，有29.2％的面積為陸地。由地殼、地幔、地核組成。地球內(nèi)部構(gòu)造

1-地殼；2-地幔；3-地核；4-液態(tài)外部地核；5-固態(tài)內(nèi)部地核；6-軟流圈；7-巖石圈14當(dāng)前第14頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)

（1）內(nèi)力地質(zhì)作用：動(dòng)力來(lái)自地球本身，并主要發(fā)生在地球內(nèi)部，按其作用方式可分為四種：

①構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：指地殼的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；發(fā)生水平方向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)常使巖層受到擠壓產(chǎn)生褶皺，或使巖層拉張而破裂；垂直方向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使地殼發(fā)生上升或下降，如青藏高原近數(shù)百萬(wàn)年以來(lái)隆升。②巖漿作用：指巖漿沿地殼軟弱破裂地帶上升造成火山噴發(fā)形成火山巖或是在地下深處冷凝形成侵入巖的過(guò)程。③變質(zhì)作用：指構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與巖漿作用過(guò)程中，使原有巖石受溫度、壓力和化學(xué)性質(zhì)活潑的流體作用，在固體狀態(tài)下發(fā)生物質(zhì)成分和特征改變，轉(zhuǎn)變成新的巖石。④地震：接近地球表面巖層中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以彈性波形式釋放應(yīng)變能而引起地殼的快速顫動(dòng)和震動(dòng)。

物理地質(zhì)作用15當(dāng)前第15頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)

（2）外力地質(zhì)作用

①風(fēng)化作用：暴露于地表的巖石，在溫度變化以及水、二氧化碳、氧氣及生物等因素的長(zhǎng)期作用下，發(fā)生化學(xué)分解和機(jī)械破碎。②剝蝕作用：河水、海水、湖水、冰川及風(fēng)等在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)地表巖石造成破壞，破壞產(chǎn)物隨其運(yùn)動(dòng)而搬走，例如海岸、河岸因受海浪和流水的撞擊、沖刷而發(fā)生后退；斜坡剝蝕作用是斜坡物質(zhì)在重力以及其它外力因素作用下產(chǎn)生滑動(dòng)和崩塌，又稱塊體運(yùn)動(dòng)。③搬運(yùn)作用：風(fēng)化與剝蝕造成的破壞產(chǎn)物被搬運(yùn)到它處。④沉積作用：搬運(yùn)物在適宜場(chǎng)所堆積。

⑤固結(jié)成巖作用：剛堆積的物質(zhì)是松散多孔的并富含水分，被后來(lái)的沉積物覆蓋埋藏后，在重壓下排出水分，孔隙減小并被膠結(jié)，松散堆積物漸變?yōu)閳?jiān)硬的巖石，即沉積巖。

物理地質(zhì)作用16當(dāng)前第16頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)(a)(b)(c)(d)(a)(f)(g)(h)(i)

(e)

礦物的基本概念礦物形態(tài)(a)食鹽晶體(b)石英晶體(c)金剛石晶體(d)綠柱石聚形晶體(e)石榴子石聚形晶體(f)板鈦礦聚形晶體(g)紅柱石放射狀集合體(h)方解石鐘乳狀集合體(i)瑪瑙晶腺17當(dāng)前第17頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)巖石硬度

通常采用摩氏硬度，選十種礦物為標(biāo)準(zhǔn)，最軟是一度，最硬十度。這十種礦物由軟到硬依次為：

l-滑石；2-石膏；3-方解石；4-螢石；5-磷灰石；

6-正長(zhǎng)石；7-石英；8-黃玉；9-剛玉；10-金剛石；巖石密度

礦物密度變化幅度很大，礦物的密度分為輕、中等和重三級(jí)，重的如方鉛礦(7.4~7.6)，感到很重。大多數(shù)礦物密度中等，介于2.5~4之間。

礦物的基本概念18當(dāng)前第18頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)解理、斷口——解理是指礦物受打擊后，能沿一定方向裂開成光滑平面的性質(zhì)，裂開的光滑平面稱為解理面。極完全解理：極易裂開成薄片，解理面大而完整、平滑光亮，如云母。完全解理：常沿解理方向開裂成小塊，解理面平整光亮，如方解石。中等解理：既有解理面，又有斷口，如正長(zhǎng)石。不完全解理：常出現(xiàn)斷口，解理面很難出現(xiàn)，如磷灰石。（a）石鹽的立方體完全解理（b）石英的貝殼狀斷口

礦物的基本概念19當(dāng)前第19頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)常見(jiàn)主要造巖礦物

自然界產(chǎn)出的礦物，已知有3000種左右。對(duì)于形成巖石具有普遍意義的礦物，即主要造巖礦物則不過(guò)數(shù)十種。常見(jiàn)礦物就其化學(xué)成分而言，絕大多數(shù)為硅酸鹽，其余為氧化物、硫化物、鹵化物、碳酸鹽和硫酸鹽等。如：黃鐵礦，石英，方解石，白云石，石膏，橄欖，石輝石，正長(zhǎng)石，白云石，白云母，高嶺石，蒙脫石

礦物的基本概念20當(dāng)前第20頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)常見(jiàn)巖石和礦物安山質(zhì)凝灰?guī)r角礫巖流紋巖流紋巖21當(dāng)前第21頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)片麻巖礁灰?guī)r玄武巖浮石常見(jiàn)巖石和礦物22當(dāng)前第22頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)白云母方解石黑云母黃鐵礦常見(jiàn)巖石和礦物23當(dāng)前第23頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)黃銅礦石英石墨石鹽常見(jiàn)巖石和礦物24當(dāng)前第24頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)石膏螢石輝銻礦自然硫常見(jiàn)巖石和礦物25當(dāng)前第25頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)

巖類地質(zhì)特征巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖主要礦物成分全部為從巖漿中析出的原生礦物，成分復(fù)雜，但較穩(wěn)定。淺色的礦物有石英、長(zhǎng)石、白云母等；深色的礦物有黑云母、角閃石，輝石、橄欖石等次生礦物占主要地位，成分單一，一般多不固定。常見(jiàn)的有石英、長(zhǎng)石、白云母、方解石、白云石、高嶺石等除具有變質(zhì)前原來(lái)巖石的礦物，如石英、長(zhǎng)石、云母、角閃石、輝石、方解石、白云石、高嶺石等外，尚有經(jīng)變質(zhì)作用產(chǎn)生的礦物，如石榴子石、滑石、綠泥石、蛇紋石等結(jié)構(gòu)以結(jié)晶粒狀、斑狀結(jié)構(gòu)為特征以碎屑、泥質(zhì)及生物碎屑結(jié)構(gòu)為特征。部分為成分單一的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但肉眼不易分辨以變晶結(jié)構(gòu)等為特征構(gòu)造具塊狀、流紋狀、氣孔狀、杏仁狀構(gòu)造具層理構(gòu)造多具片理構(gòu)造成因直接由高溫熔融的巖漿經(jīng)巖漿作用而形成主要由先成巖石的風(fēng)化產(chǎn)物，經(jīng)壓密、膠結(jié)、重結(jié)晶等成巖作用而形成由先成的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖，經(jīng)變質(zhì)作用而形成巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖的地質(zhì)特征表

26當(dāng)前第26頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)

沉積巖的構(gòu)造層理的基本形態(tài)a-水平層理b-斜層理c-交錯(cuò)層理根據(jù)交錯(cuò)層理確定巖層的頂面和底面層理構(gòu)造

遞變層理27當(dāng)前第27頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)巖層形態(tài)a-頂面b-底面1-板狀巖層2-變厚變薄3-尖滅4-透鏡體波痕與泥裂構(gòu)造波痕及其印模泥裂的示意立體圖28當(dāng)前第28頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)常見(jiàn)的巖漿巖花崗巖，閃長(zhǎng)巖，輝長(zhǎng)巖，流紋巖，安山巖，玄武巖，輝綠巖常見(jiàn)的沉積巖（1）碎屑巖類

①

火山碎屑巖：火山集塊巖、火山角礫巖及凝灰?guī)r

②

沉積碎屑巖：礫巖及角礫石、砂巖、粉砂巖

（2）粘土巖類：頁(yè)巖、泥巖（3）化學(xué)及生物化學(xué)巖類：石灰?guī)r、白云巖常見(jiàn)的變質(zhì)巖（1）片理狀巖類：片麻巖、片巖、千枚巖

（2）塊狀巖類：大理巖、石英巖29當(dāng)前第29頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\6點(diǎn)