大連理工巖石力學(xué)課件張金利老師最新——緒論

1、 巖巖 石石 力力 學(xué)學(xué) Rock Mechanics巖土工程研究所巖土工程研究所張金利張金利1教材及參考書教材及參考書 巖石力學(xué)巖石力學(xué)徐志英主編，水利電力出版社徐志英主編，水利電力出版社 巖體力學(xué)巖體力學(xué)沈明榮主編，同濟(jì)大學(xué)出版沈明榮主編，同濟(jì)大學(xué)出版 巖體力學(xué)巖體力學(xué)王文星主編，中南大學(xué)出版社王文星主編，中南大學(xué)出版社 巖石力學(xué)與工程巖石力學(xué)與工程蔡美峰主編，科學(xué)出版社蔡美峰主編，科學(xué)出版社 巖巖 石石 力力 學(xué)學(xué) 2第第1章章 緒論緒論 第第2章章 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì) 第第3章章 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì) 第第4章章 巖體的力

2、學(xué)性質(zhì)巖體的力學(xué)性質(zhì) 第第5章章 巖體綜合調(diào)查及巖體分類巖體綜合調(diào)查及巖體分類 第第6章章 巖體初始應(yīng)力巖體初始應(yīng)力 第第7章章 巖石邊坡巖石邊坡 第第8章章 地下坑硐地下坑硐 巖巖 石石 力力 學(xué)學(xué) 3第一章第一章 緒緒 論論p一一、巖石和巖體、巖石和巖體p二、巖石力學(xué)的研究對(duì)象二、巖石力學(xué)的研究對(duì)象p三、巖體的特征三、巖體的特征p四、巖石力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展四、巖石力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展p五、巖石力學(xué)需要解決的基礎(chǔ)理論問題五、巖石力學(xué)需要解決的基礎(chǔ)理論問題p六、巖石力學(xué)的研究方法六、巖石力學(xué)的研究方法p七、巖石力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系七、巖石力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系4一一、巖石與巖體、巖石與巖體 巖石是

3、地殼基本物質(zhì)，它是由礦物或巖屑在地質(zhì)巖石是地殼基本物質(zhì)，它是由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律凝聚而成的自然地質(zhì)體。巖石分作用下按一定規(guī)律凝聚而成的自然地質(zhì)體。巖石分為為巖漿巖巖漿巖、變質(zhì)巖變質(zhì)巖、沉積巖沉積巖。巖石一般由多種礦物。巖石一般由多種礦物組成。完整巖石被各種結(jié)構(gòu)面切割而成的巖塊，又組成。完整巖石被各種結(jié)構(gòu)面切割而成的巖塊，又稱結(jié)構(gòu)體。稱結(jié)構(gòu)體。 巖體是指一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體，經(jīng)歷漫巖體是指一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體，經(jīng)歷漫長(zhǎng)的自然歷史過程，經(jīng)歷各種地質(zhì)作用，并在地應(yīng)長(zhǎng)的自然歷史過程，經(jīng)歷各種地質(zhì)作用，并在地應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，保留了永久變形和各種構(gòu)造痕跡，力長(zhǎng)期作用下，保留了永久

4、變形和各種構(gòu)造痕跡，如不整合面、褶皺、斷層、節(jié)理裂隙、層理等不連如不整合面、褶皺、斷層、節(jié)理裂隙、層理等不連續(xù)面。續(xù)面。 巖石和巖體的主要區(qū)別為：巖石和巖體的主要區(qū)別為： 巖體包含若干宏觀不連續(xù)面。巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)巖體包含若干宏觀不連續(xù)面。巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)度。度。5 巖石力學(xué)是研究巖石及巖體在不同受力狀態(tài)下的變巖石力學(xué)是研究巖石及巖體在不同受力狀態(tài)下的變形、破壞規(guī)律形、破壞規(guī)律 ，并在工程地質(zhì)定性分析基礎(chǔ)上定量分析，并在工程地質(zhì)定性分析基礎(chǔ)上定量分析巖體穩(wěn)定性的一門學(xué)科。巖體穩(wěn)定性的一門學(xué)科。 巖體力學(xué)研究的內(nèi)容，大致可歸納為以下三個(gè)方面：巖體力學(xué)研究的內(nèi)容，大致可歸納為以下三個(gè)方面：

5、1，基本原理：，基本原理： 巖石破壞、斷裂、蠕變及巖石應(yīng)力、應(yīng)變理論等；巖石破壞、斷裂、蠕變及巖石應(yīng)力、應(yīng)變理論等；2，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試：，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試： 靜力、動(dòng)力方法，確定巖塊、巖體的力學(xué)性狀及巖體內(nèi)靜力、動(dòng)力方法，確定巖塊、巖體的力學(xué)性狀及巖體內(nèi) 初始應(yīng)力等；初始應(yīng)力等；3，工程應(yīng)用：巖石地基的穩(wěn)定和變形問題；巖石邊坡穩(wěn)定，工程應(yīng)用：巖石地基的穩(wěn)定和變形問題；巖石邊坡穩(wěn)定 性問題；地下洞室圍巖穩(wěn)定、變形、加固問性問題；地下洞室圍巖穩(wěn)定、變形、加固問 題；巖石破碎、巖石爆破等問題。題；巖石破碎、巖石爆破等問題。二、巖石力學(xué)的研究對(duì)象二、巖石力學(xué)的研究對(duì)象61、巖體是非均

6、質(zhì)各向異性材料。、巖體是非均質(zhì)各向異性材料。2、巖體內(nèi)存在著初始應(yīng)力場(chǎng)。、巖體內(nèi)存在著初始應(yīng)力場(chǎng)。 主要包括重力和地質(zhì)構(gòu)造力，重力場(chǎng)是以鉛垂應(yīng)力為主，主要包括重力和地質(zhì)構(gòu)造力，重力場(chǎng)是以鉛垂應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)通常是以水平應(yīng)力為主。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)通常是以水平應(yīng)力為主。3、巖體內(nèi)存在著一個(gè)裂隙系統(tǒng)。、巖體內(nèi)存在著一個(gè)裂隙系統(tǒng)。 巖體既是斷裂的又是連續(xù)的，巖體是斷裂與連續(xù)的統(tǒng)一巖體既是斷裂的又是連續(xù)的，巖體是斷裂與連續(xù)的統(tǒng)一體，可稱之為裂隙介質(zhì)或準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)。當(dāng)巖體應(yīng)力超過其強(qiáng)體，可稱之為裂隙介質(zhì)或準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)。當(dāng)巖體應(yīng)力超過其強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使原有斷裂進(jìn)一步擴(kuò)展，形成新的斷裂。而舊斷度時(shí)，就會(huì)使原有斷裂進(jìn)一

7、步擴(kuò)展，形成新的斷裂。而舊斷裂的擴(kuò)展與新斷裂的形成，又均會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分裂的擴(kuò)展與新斷裂的形成，又均會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布。布。 巖體：非理想巖體：非理想彈性體，非典型，非典型塑性體塑性體，非，非連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，非，非松散松散介質(zhì)介質(zhì)，而是一種特殊的復(fù)雜的地質(zhì)體，這就造成了研究它的，而是一種特殊的復(fù)雜的地質(zhì)體，這就造成了研究它的困難性和復(fù)雜性。因此，只用一般的固體力學(xué)理論尚不能完困難性和復(fù)雜性。因此，只用一般的固體力學(xué)理論尚不能完全解決巖體工程中的所有問題。全解決巖體工程中的所有問題。三、巖體的特征三、巖體的特征7 巖石力學(xué)是伴隨著采礦、土木、水利、交通等巖巖石力學(xué)是伴隨著采礦、

8、土木、水利、交通等巖石工程的建設(shè)和數(shù)學(xué)力學(xué)等學(xué)科的進(jìn)步而逐步發(fā)展形石工程的建設(shè)和數(shù)學(xué)力學(xué)等學(xué)科的進(jìn)步而逐步發(fā)展形成的一門新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，是一門應(yīng)用性和實(shí)踐成的一門新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。它廣泛應(yīng)用于采礦、土木、性很強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。它廣泛應(yīng)用于采礦、土木、水利水電、鐵路、公路、地質(zhì)、地震、石油、地下工水利水電、鐵路、公路、地質(zhì)、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域。程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域。一方面，巖體力學(xué)是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)；另一一方面，巖體力學(xué)是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)；另一方面，正是上述工程領(lǐng)域的實(shí)踐

9、促使了巖體力學(xué)的誕方面，正是上述工程領(lǐng)域的實(shí)踐促使了巖體力學(xué)的誕生和發(fā)展。生和發(fā)展。 巖石力學(xué)按其發(fā)展進(jìn)程可劃分四個(gè)階段：巖石力學(xué)按其發(fā)展進(jìn)程可劃分四個(gè)階段：四、巖石力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展四、巖石力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展8( (1) )初始階段初始階段( (19世紀(jì)末世紀(jì)末20世紀(jì)初世紀(jì)初) ) 巖石力學(xué)最早起源于巖石力學(xué)最早起源于采礦工程采礦工程，在這個(gè)階段，開，在這個(gè)階段，開采規(guī)模小，巷道接近地表，開采空間不大，巖石力學(xué)采規(guī)模小，巷道接近地表，開采空間不大，巖石力學(xué)的問題主要是巷道頂板冒落和地下開采所引起的地表的問題主要是巷道頂板冒落和地下開采所引起的地表沉陷。沉陷。 這是巖石力學(xué)的萌芽時(shí)期，產(chǎn)生了

10、初步理論以解這是巖石力學(xué)的萌芽時(shí)期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學(xué)計(jì)算問題。例如，決巖體開挖的力學(xué)計(jì)算問題。例如，19121912年海姆年海姆(A(AHeim)Heim)提出了靜水壓力的理論。他認(rèn)為地下巖石處提出了靜水壓力的理論。他認(rèn)為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)。于一種靜水壓力狀態(tài)。 9( (2) )經(jīng)驗(yàn)理論階段經(jīng)驗(yàn)理論階段( (20世紀(jì)初世紀(jì)初20世紀(jì)世紀(jì)30年代年代) ) 該階段為巖石力學(xué)發(fā)展的第二階段。在這該階段為巖石力學(xué)發(fā)展的第二階段。在這個(gè)階段出現(xiàn)了根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出的地壓理論，個(gè)階段出現(xiàn)了根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出的地壓理論，并開始用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法分析地并開始用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力

11、學(xué)的方法分析地下工程的支護(hù)問題。松散介質(zhì)學(xué)派（例如普下工程的支護(hù)問題。松散介質(zhì)學(xué)派（例如普氏理論）占主導(dǎo)地位，他們借助土力學(xué)理論氏理論）占主導(dǎo)地位，他們借助土力學(xué)理論解決巖石力學(xué)問題，提出巷道地壓計(jì)算原理解決巖石力學(xué)問題，提出巷道地壓計(jì)算原理和采場(chǎng)地壓假說。和采場(chǎng)地壓假說。 在此階段更加深入地研究了巖石的破壞在此階段更加深入地研究了巖石的破壞機(jī)理。機(jī)理。10 基于彈塑性理論、流變理論研究巖體的應(yīng)力基于彈塑性理論、流變理論研究巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系 該階段是巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段，巖石該階段是巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段，巖石力學(xué)以彈塑性理論為基礎(chǔ)，將巖體視為彈塑性力學(xué)以彈塑性理論為基礎(chǔ)，

12、將巖體視為彈塑性介質(zhì)，應(yīng)用彈塑性力學(xué)方法來研究巖體的應(yīng)力、介質(zhì)，應(yīng)用彈塑性力學(xué)方法來研究巖體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，確定了一些經(jīng)典計(jì)算公式，應(yīng)變和位移，確定了一些經(jīng)典計(jì)算公式，形成形成圍巖和支護(hù)共同作用的理論圍巖和支護(hù)共同作用的理論。結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體力結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響受到重視學(xué)性質(zhì)的影響受到重視。在彈塑性分析的基礎(chǔ)。在彈塑性分析的基礎(chǔ)上引入上引入流變理論流變理論，將某些巖體視為帶黏性的介，將某些巖體視為帶黏性的介質(zhì)，考慮時(shí)間因素對(duì)巖體應(yīng)力、應(yīng)變和位移的質(zhì)，考慮時(shí)間因素對(duì)巖體應(yīng)力、應(yīng)變和位移的影響。影響。( (3) )經(jīng)典理論階段經(jīng)典理論階段( (20世紀(jì)世紀(jì)30年代年代60年代年代) )11

13、 巖體力學(xué)已逐漸形成完整的學(xué)科體系，作為力學(xué)的一巖體力學(xué)已逐漸形成完整的學(xué)科體系，作為力學(xué)的一個(gè)分枝，成為一門獨(dú)立的力學(xué)學(xué)科，服務(wù)于巖體工程。個(gè)分枝，成為一門獨(dú)立的力學(xué)學(xué)科，服務(wù)于巖體工程。 用更為復(fù)雜的多種多樣的力學(xué)模型來分析巖體力學(xué)問用更為復(fù)雜的多種多樣的力學(xué)模型來分析巖體力學(xué)問題，把力學(xué)、物理學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代信題，把力學(xué)、物理學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代信息技術(shù)等最新成果引入了巖體力學(xué)。隨信息計(jì)算發(fā)展，大息技術(shù)等最新成果引入了巖體力學(xué)。隨信息計(jì)算發(fā)展，大量復(fù)雜巖體力學(xué)問題通過數(shù)值計(jì)算得到有效解決。量復(fù)雜巖體力學(xué)問題通過數(shù)值計(jì)算得到有效解決。 20 20世紀(jì)世紀(jì)7070

14、年代以后巖石力學(xué)發(fā)展比較迅速，巖體力學(xué)年代以后巖石力學(xué)發(fā)展比較迅速，巖體力學(xué)測(cè)試技術(shù)不斷完善，應(yīng)力解除法可測(cè)試深部巖體應(yīng)力。剛測(cè)試技術(shù)不斷完善，應(yīng)力解除法可測(cè)試深部巖體應(yīng)力。剛性壓力機(jī)的出現(xiàn)，可測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線，從而更性壓力機(jī)的出現(xiàn)，可測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線，從而更深刻的揭示了巖石的力學(xué)特性。深刻的揭示了巖石的力學(xué)特性。 ( (4) )現(xiàn)代發(fā)展階段現(xiàn)代發(fā)展階段( (20世紀(jì)世紀(jì)60年代現(xiàn)在年代現(xiàn)在) )12重要事件重要事件p1925年泰沙基（年泰沙基（Terzaghi）建筑土力學(xué)建筑土力學(xué)p地質(zhì)力學(xué)的巖石力學(xué)學(xué)派（奧地利學(xué)派（薩爾茨地質(zhì)力學(xué)的巖石力學(xué)學(xué)派（奧地利學(xué)派（薩爾茨堡學(xué)派）繆勒堡

15、學(xué)派）繆勒）否認(rèn)小巖塊試件的力）否認(rèn)小巖塊試件的力學(xué)試驗(yàn)。學(xué)試驗(yàn)。p工程巖石力學(xué)學(xué)派，法國(guó)塔洛布爾（工程巖石力學(xué)學(xué)派，法國(guó)塔洛布爾（J.TaloberJ.Talober）p1963年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動(dòng)年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動(dòng)p1966年在里斯召開第一屆國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)年在里斯召開第一屆國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)（一屆（一屆/4年年 ）13（1）巖體物理狀態(tài)）巖體物理狀態(tài)(如裂隙、風(fēng)化性、透水性等如裂隙、風(fēng)化性、透水性等)的研究；的研究；（2）建立適應(yīng)巖石特點(diǎn)的強(qiáng)度理論；）建立適應(yīng)巖石特點(diǎn)的強(qiáng)度理論； （3）測(cè)定巖體的基本力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、強(qiáng)度測(cè)定巖體的基本力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、強(qiáng)

16、度 等）；等）； （4）巖體變形、破壞和移動(dòng)規(guī)律的研究；巖體變形、破壞和移動(dòng)規(guī)律的研究； （5）關(guān)于巖體穩(wěn)定性的研究，特別是結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體穩(wěn)定性）關(guān)于巖體穩(wěn)定性的研究，特別是結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體穩(wěn)定性 的影響；的影響； （6）巖體中應(yīng)力狀態(tài)的研究；巖體中應(yīng)力狀態(tài)的研究；五、巖石力學(xué)需要解決以下基礎(chǔ)理論問題五、巖石力學(xué)需要解決以下基礎(chǔ)理論問題14（7）圍巖與支架相互作用的問題；圍巖與支架相互作用的問題； （8）高應(yīng)力狀態(tài)下巖石特性的研究；）高應(yīng)力狀態(tài)下巖石特性的研究； （9）巖體的動(dòng)力特性；巖體的動(dòng)力特性； （10）模擬試驗(yàn)理論模擬試驗(yàn)理論( (相似理論相似理論) )的研究；的研究； （11）彈性波在巖體

17、中傳播的規(guī)律；彈性波在巖體中傳播的規(guī)律；（12）巖體的分類等等。）巖體的分類等等。五、巖石力學(xué)需要解決以下基礎(chǔ)理論問題五、巖石力學(xué)需要解決以下基礎(chǔ)理論問題15 巖體力學(xué)的研究方法包括三方面：室內(nèi)試巖體力學(xué)的研究方法包括三方面：室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、理論分析與計(jì)算。驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、理論分析與計(jì)算。 1、室內(nèi)試驗(yàn)包括：、室內(nèi)試驗(yàn)包括： （1）巖石的物理、水理性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué)）巖石的物理、水理性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué) 性質(zhì)的測(cè)定；性質(zhì)的測(cè)定； （2）不連續(xù)面的力學(xué)性質(zhì)測(cè)定；）不連續(xù)面的力學(xué)性質(zhì)測(cè)定； （3）模型試驗(yàn)，即光彈模型試驗(yàn)和相似材料模）模型試驗(yàn)，即光彈模型試驗(yàn)和相似材料模 型試驗(yàn)型試驗(yàn)。六、巖石

18、力學(xué)的研究方法六、巖石力學(xué)的研究方法16 2、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)包括：、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)包括： （1）巖體變形和強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定；）巖體變形和強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定； （2）巖體應(yīng)力測(cè)定；）巖體應(yīng)力測(cè)定； （3）圍巖對(duì)支護(hù)壓力測(cè)定；）圍巖對(duì)支護(hù)壓力測(cè)定； （4）圍巖應(yīng)力、變形、移動(dòng)和巖體破壞的監(jiān)測(cè)）圍巖應(yīng)力、變形、移動(dòng)和巖體破壞的監(jiān)測(cè)和預(yù)和預(yù) 報(bào)，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。報(bào)，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。六、巖石力學(xué)的研究方法六、巖石力學(xué)的研究方法17 3、理論分析與計(jì)算包括：、理論分析與計(jì)算包括： （1）建立巖石、巖體的破壞機(jī)理和破壞準(zhǔn)則；）建立巖石、巖體的破壞機(jī)理和破壞準(zhǔn)則； （2）巖石、巖體的變形特性研究，以及巖體強(qiáng)度）巖石、巖體的變形特性研究，以及巖體強(qiáng)度 和變形參數(shù)的估算；和變形參數(shù)的估算； （3）巖體工程穩(wěn)定性分析與計(jì)算；）巖體工程穩(wěn)定性分析與計(jì)算； （4）巖體變形破壞