北科大巖石力學課件-李長洪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：先修課程：材料力學、理論力學、工程地質(zhì)學 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)總學時:36 ，實驗學時: 8，學分:4課程考核：課程考核：平時作業(yè)、上課紀律：20分 實驗及實驗報告：20分 期終考試（閉卷）：60分

2、0.2 課程教學基本要求課程教學基本要求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)量評價及其分類理論方法、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、巖石地下工程、巖石邊坡工程。2)課程難點：巖石的流變理論和強度理論、節(jié)理面的力學性質(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。 0.3 巖石力學發(fā)展歷史概貌巖石力學發(fā)展歷史概貌 （1 1）初始階段（）初始階段（1919世紀末世紀末2020世紀初）：萌芽世紀初）：萌芽時期時期 產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題

3、。 1912年瑞典地質(zhì)學家 海姆(A.Heim)提出了靜水壓力的理論。 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壓力等于H，而水平壓力應(yīng)為H乘一個側(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。 （2）經(jīng)驗理論階段）經(jīng)驗理論階段(20世紀初世紀初30年代年代)：經(jīng)驗散體：經(jīng)驗散體地壓理論地壓理論 該階段出現(xiàn)了用材料力學材料力學和結(jié)構(gòu)力學結(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，即普氏理論普氏理論。 太

4、沙基（K.Terzahi）也提出相同的理論，只是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)揮了一定作用的。 （3）經(jīng)典理論階段（）經(jīng)典理論階段（20世紀世紀30年代年代60年代年代） 這是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圍巖和支護共同作用的理論。標志巖石力學已經(jīng)形成了一門獨立的學科。 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)力學理論質(zhì)力學理論”兩大學派。 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

5、石工程的穩(wěn)定問題。 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。 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)理論過分注重對巖石“材料”的研究，追求準而又準的“本構(gòu)關(guān)系”。3）連續(xù)介質(zhì)理論的計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世紀世紀30年代年代60年代）年代）續(xù)續(xù) 地質(zhì)

6、力學理論注重研究地層結(jié)構(gòu)地層結(jié)構(gòu)與力學力學和巖石工程穩(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。該理論觀點：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。 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”。 最重要貢獻最重要貢獻：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

7、、位移和穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測，這是現(xiàn)代信息巖石力學信息巖石力學的雛形，5）重視支護與圍巖的共同作用，提出了著名的“新奧新奧法法”，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。 3）經(jīng)典理論階段（）經(jīng)典理論階段（20世紀世紀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)力學討論會上成立了國際巖國際巖石力學學會石力學學會，米勒擔任第一任主席。 1966.9葡萄牙里斯本（1）；1970.9貝爾格萊德（2）；1974.9美國丹佛（3）；1979.9瑞士盟特諾（瑞士盟特諾（4）我國第）我國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中國北中國北京（京（12） 地質(zhì)力學理論的地質(zhì)力學理論的缺陷：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。 （4）現(xiàn)代發(fā)展階段（）現(xiàn)代發(fā)展階段（20世紀世紀60年代年代現(xiàn)在）：理論和實現(xiàn)在）：理論和實踐的新進展階段踐的新進展階段 此階段主要特點是，用更為復雜的多種多樣的力學模型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。 現(xiàn)代巖石力學理論認為：

9、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。 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。 0.4 巖石力學的兩個定義巖石力學的兩個定義1）1966年，美國科學院 巖石力學委員會 對巖石力學給予以下定義：巖石力學是研究巖石的力學性狀的一門理論和應(yīng)用科學，它是力學巖石力學是研究巖石的力學性狀的一門理論和應(yīng)用科學，它是力學的一個分支，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)。的一個分支

10、，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)。這一定義是從“材料”的概念出發(fā)的，帶有材料力學或固體力學的深深烙印。認識有了突破。首先，不能把“巖石”看成固體力學中的一種材料，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：巖石力學是一門認識和控制巖石系統(tǒng)的力巖石力學是一門認識和控制巖石系統(tǒng)的

11、力學行為和工程功能的科學。學行為和工程功能的科學。巖石力學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、結(jié)構(gòu)力學等有本質(zhì)的不同。 0. 5 巖石力學研究的主要問題 （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、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)地震的預報問題；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)計和施工技術(shù)；隧道施工中的地質(zhì)超前預報及處理；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)。 0. 5 巖石力學研究的主要問題續(xù)（4）采礦工程：露天采礦邊坡設(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；礦井突水預測、預報及預處理理論和技術(shù)；巖爆、煤與瓦斯突出預測及預處理理論和技術(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）地震預報中的巖石力學問題。以上只是一些主要方面，隨著巖石工程建設(shè)的發(fā)展，還會有新問題不斷提出 0.6巖石力學面臨的發(fā)展機遇巖石力學面臨的發(fā)展機遇 1）我國大規(guī)模的基本建設(shè)）我國大規(guī)模的基本建設(shè) 高層建筑、隧道橋梁、城市地鐵、