北科大巖石力學(xué)課件-李長(zhǎng)洪0_緒論[1].ppt課件

1、0 緒論0.1 課程性質(zhì)和任務(wù)性質(zhì)：性質(zhì)：土木工程專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)必修課程技術(shù)基礎(chǔ)必修課程任務(wù)：任務(wù)：學(xué)習(xí)巖石的基本力學(xué)性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)研究方法、巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及其分類理論、地應(yīng)力及其測(cè)量理論和方法、巖石的流變理論和強(qiáng)度理論。 在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)巖石地下工程和邊坡工程中巖體穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)及加固處理理論和方法。先修課程：先修課程：材料力學(xué)、理論力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué) 等后續(xù)課程：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)：適用專業(yè)：土木工程課程設(shè)置：課程設(shè)置：課內(nèi)總學(xué)時(shí):36 ，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí): 8，學(xué)分:4課程考核：課程考核：平時(shí)作業(yè)、上課紀(jì)律：20分 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告：20分 期終考試（閉卷）：60分

2、0.2 課程教學(xué)基本要求課程教學(xué)基本要求1)課程重點(diǎn)：巖石的基本力學(xué)性質(zhì)及其實(shí)驗(yàn)研究方法、巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)及其分類理論方法、地應(yīng)力及其測(cè)量理論和方法、巖石的流變理論和強(qiáng)度理論、巖石地下工程、巖石邊坡工程。2)課程難點(diǎn)：巖石的流變理論和強(qiáng)度理論、節(jié)理面的力學(xué)性質(zhì)，巖體工程分析評(píng)價(jià)理論和方法。3)能力培養(yǎng)要求：巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)技能，巖石力學(xué)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(píng)價(jià)及加固處理理論和方法。 0.3 巖石力學(xué)發(fā)展歷史概貌巖石力學(xué)發(fā)展歷史概貌 （1 1）初始階段（）初始階段（1919世紀(jì)末世紀(jì)末2020世紀(jì)初）：萌芽世紀(jì)初）：萌芽時(shí)期時(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

3、。 1912年瑞典地質(zhì)學(xué)家 海姆(A.Heim)提出了靜水壓力的理論。 1926年蘇聯(lián)學(xué)者 金尼克(A.H.)基于彈性力學(xué)理論提出了只有垂直壓力等于H，而水平壓力應(yīng)為H乘一個(gè)側(cè)壓系數(shù)，即H。 由于當(dāng)時(shí)地下巖石工程埋藏深度不大，因而曾一度認(rèn)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(rèn)識(shí)到上述理論是不準(zhǔn)確的。 （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30年代年代)：經(jīng)驗(yàn)散體：經(jīng)驗(yàn)散體地壓理論地壓理論 該階段出現(xiàn)了用材料力學(xué)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法分析地下工程的支護(hù)問題。 最有代表性的理論就是蘇聯(lián)學(xué)者 普羅托吉雅柯諾夫（.）提出的自然平衡拱學(xué)說，即普氏理論普氏理論。 太

4、沙基（K.Terzahi）也提出相同的理論，只是他認(rèn)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(dāng)時(shí)的支護(hù)型式和施工水平發(fā)展起來的。上述理論在一定歷史時(shí)期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用的。 （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） 這是巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)被引入巖石力學(xué)，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。標(biāo)志巖石力學(xué)已經(jīng)形成了一門獨(dú)立的學(xué)科。 在經(jīng)典理論發(fā)展階段，形成了“連續(xù)介質(zhì)理論連續(xù)介質(zhì)理論”和“地地質(zhì)力學(xué)理論質(zhì)力學(xué)理論”兩大學(xué)派。 連續(xù)介質(zhì)理論是以固體力學(xué)作為基礎(chǔ)，從材料的基本力學(xué)性質(zhì)出發(fā)來認(rèn)識(shí)巖

5、石工程的穩(wěn)定問題。 20世紀(jì)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(jì)算分析巖石工程的圍巖應(yīng)力分布問題。 20世紀(jì)50年代，魯濱湟特（.）運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)理論寫出了求解巖石力學(xué)領(lǐng)域問題的系統(tǒng)著作。 20世紀(jì)60年代，引入有限元、有限差分 等數(shù)值計(jì)算。強(qiáng)調(diào)地應(yīng)力地應(yīng)力作用。 連續(xù)介質(zhì)理論連續(xù)介質(zhì)理論存在的問題存在的問題：1）邊界加載遠(yuǎn)處的位移大，而開挖體內(nèi)邊緣位移小。2）傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)理論過分注重對(duì)巖石“材料”的研究，追求準(zhǔn)而又準(zhǔn)的“本構(gòu)關(guān)系”。3）連續(xù)介質(zhì)理論的計(jì)算方法只適用于圓形巷道。 （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）續(xù)續(xù) 地質(zhì)

6、力學(xué)理論注重研究地層結(jié)構(gòu)地層結(jié)構(gòu)與力學(xué)力學(xué)和巖石工程穩(wěn)定性的關(guān)系。 20世紀(jì)20年代由德國(guó)人 克羅斯（H.Cloos）創(chuàng)立起來的。該理論觀點(diǎn)：觀點(diǎn)：1）反對(duì)把巖體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)簡(jiǎn)單地利用固體力學(xué)的原理進(jìn)行分析；2）強(qiáng)調(diào)要重視對(duì)巖體節(jié)理、裂隙的研究，重視巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用。 1951年6月在奧地利成立了以斯梯尼（J.Stini）和米勒(L.Mller)為首的“地質(zhì)力學(xué)研究組”，在薩爾茨堡舉行了第一屆地質(zhì)力學(xué)討論會(huì)，形成了“奧地利學(xué)派”。 最重要貢獻(xiàn)最重要貢獻(xiàn)：1）必須了解地應(yīng)力，2）開挖后巖體的力學(xué)強(qiáng)度變化，3）節(jié)理裂隙對(duì)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

7、、位移和穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，這是現(xiàn)代信息巖石力學(xué)信息巖石力學(xué)的雛形，5）重視支護(hù)與圍巖的共同作用，提出了著名的“新奧新奧法法”，該方法特別符合現(xiàn)代巖石力學(xué)理論，至今仍被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。 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）續(xù)續(xù) 1962年10月，在第13屆地質(zhì)力學(xué)討論會(huì)上成立了國(guó)際巖國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)石力學(xué)學(xué)會(huì)，米勒擔(dān)任第一任主席。 1966.9葡萄牙里斯本（1）；1970.9貝爾格萊德（2）；1974.9美國(guó)丹佛（3）；1979.9瑞士盟特諾（瑞士盟特諾（4）我國(guó)第）我國(guó)第一次參加一次參加；1983澳大利亞墨爾本（5）2003.9南非約翰內(nèi)斯堡（10）；20

8、07.7葡萄牙Lisbon(11)；2011中國(guó)北中國(guó)北京（京（12） 地質(zhì)力學(xué)理論的地質(zhì)力學(xué)理論的缺陷：缺陷：1）是過分強(qiáng)調(diào)節(jié)理、裂隙的作用，過分依賴經(jīng)驗(yàn)，而忽視理論的指導(dǎo)作用。2）該理論完全反對(duì)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(rèn)識(shí)阻礙現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)理論在巖石工程中的應(yīng)用。 （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年代年代現(xiàn)在）：理論和實(shí)現(xiàn)在）：理論和實(shí)踐的新進(jìn)展階段踐的新進(jìn)展階段 此階段主要特點(diǎn)是，用更為復(fù)雜的多種多樣的力學(xué)模型來分析巖石力學(xué)問題，多學(xué)科交叉，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)等的最新成果引入了巖石力學(xué)。 現(xiàn)代巖石力學(xué)理論認(rèn)為：

9、巖石工程是一個(gè)“人地”系統(tǒng)，用系統(tǒng)論的方法來進(jìn)行巖石力學(xué)與工程的研究。 從“材料”概念到“不連續(xù)介質(zhì)概念”是現(xiàn)代巖石力學(xué)的第一步飛躍； 引入電子計(jì)算機(jī)（快速計(jì)算），進(jìn)入計(jì)算力學(xué)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(xué)理論進(jìn)入實(shí)用階段，則是巖石力學(xué)理論研究及工程應(yīng)用的第三步意義更為重大的飛躍。 0.4 巖石力學(xué)的兩個(gè)定義巖石力學(xué)的兩個(gè)定義1）1966年，美國(guó)科學(xué)院 巖石力學(xué)委員會(huì) 對(duì)巖石力學(xué)給予以下定義：巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，它是力學(xué)巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性狀的一門理論和應(yīng)用科學(xué)，它是力學(xué)的一個(gè)分支，是探討巖石對(duì)其周圍物理環(huán)境中力場(chǎng)的反應(yīng)。的一個(gè)分支

10、，是探討巖石對(duì)其周圍物理環(huán)境中力場(chǎng)的反應(yīng)。這一定義是從“材料”的概念出發(fā)的，帶有材料力學(xué)或固體力學(xué)的深深烙印。認(rèn)識(shí)有了突破。首先，不能把“巖石”看成固體力學(xué)中的一種材料，所有巖石工程中的“巖石”是一種天然地質(zhì)體，或者叫做巖體，它具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和賦存條件，是一種典型的“不連續(xù)介質(zhì)”。其次，巖體中存在地應(yīng)力，它是由于地質(zhì)構(gòu)造和重力作用等形成的內(nèi)應(yīng)力。由于巖石工程的開挖引起地應(yīng)力的釋放，正是這種“釋放荷載”才是引起巖石工程變形和破壞的作用力。2）1998年，中國(guó)科學(xué)院院士王思敬教授在中國(guó)巖石力學(xué)與工程大會(huì)上提出巖石力學(xué)新定義：巖石力學(xué)是一門認(rèn)識(shí)和控制巖石系統(tǒng)的力巖石力學(xué)是一門認(rèn)識(shí)和控制巖石系統(tǒng)的

11、力學(xué)行為和工程功能的科學(xué)。學(xué)行為和工程功能的科學(xué)。巖石力學(xué)的研究思路和研究方法與以研究“外荷載作用”為特征的材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等有本質(zhì)的不同。 0. 5 巖石力學(xué)研究的主要問題 （1）土木建筑工程：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(jì)、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(cè)預(yù)報(bào)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(jì)、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(xué)問題；水庫誘發(fā)地震的預(yù)報(bào)問題；庫岸穩(wěn)定及加固方法。 （3）鐵道和公

12、路建設(shè)工程：線路邊坡穩(wěn)定性分析；隧道設(shè)計(jì)和施工技術(shù)；隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)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)。 0. 5 巖石力學(xué)研究的主要問題續(xù)（4）采礦工程：露天采礦邊坡設(shè)計(jì)及穩(wěn)定加固技術(shù)；井下開采中巷道和采場(chǎng)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(chǎng)穩(wěn)定性及開采優(yōu)化（采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、開采順序、開挖步驟等）設(shè)計(jì)問題；礦井突水預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)及預(yù)處理理論和技術(shù)；巖爆、煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)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(xué)與地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(xué)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(yùn)輸、儲(chǔ)存工程及環(huán)境影響。（6）海洋勘探與開發(fā)工程。（7）核電站建設(shè)中核廢料處理技術(shù)。（8）地層熱能資源開發(fā)技術(shù)問題。（9）地震預(yù)報(bào)中的巖石力學(xué)問題。以上只是一些主要方面，隨著巖石工程建設(shè)的發(fā)展，還會(huì)有新問題不斷提出 0.6巖石力學(xué)面臨的發(fā)展機(jī)遇巖石力學(xué)面臨的發(fā)展機(jī)遇 1）我國(guó)大規(guī)模的基本建設(shè)）我國(guó)大規(guī)模的基本建設(shè) 高層建筑、隧道橋梁、城市地鐵、