高等巖石力學(xué)1-4章

1、高等巖石力學(xué)高等巖石力學(xué)advanced rock mechanics 陰 可 教授重慶大學(xué)土木工程學(xué)院2013.09-12教學(xué)內(nèi)容緒論工程背景力學(xué)基礎(chǔ)知識地應(yīng)力完整巖石不連續(xù)面巖體教學(xué)內(nèi)容巖體滲流各向異性與非均勻性試驗技術(shù)與數(shù)值模擬巖體分類巖石動力學(xué)與流變特性巖體開挖與穩(wěn)定性巖體工程參考文獻(xiàn)J.A. Hudson, J.P. Harrison. Engineering Rock Mechanics, Pergamon, 1997(中譯本，科學(xué)出版社，2009)J.C. Jeager, N.G.W. Cook. Fundamentals of rock mechanics. 1979(有中譯本

2、)L. Muler. Rock mechanics.1974. 本書是德、奧、美、意、法等國十名知名巖石力學(xué)家1974年在意大利烏迪內(nèi)國際巖石力學(xué)中心舉辦的一次巖石力學(xué)講座文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)孫廣忠，巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)，科學(xué)出版社，1988周維垣主編，高等巖石力學(xué)，水利電力出版社，1990E. Hoek，J.W. Bray. Rock Slope Engineering, 1981E. Hoek, E.T. Brown. Underground Excavation in Rock, 1980 參考文獻(xiàn)杜慶華，余壽文，姚振漢。彈性理論，科學(xué)出版社，1986陸明萬，羅學(xué)富。彈性理論基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，199

3、0徐秉業(yè)，陳森燦。塑性理論簡明教程，清華大學(xué)出版社，1981B.K. Atkinson. Fracture Mechanics of Rock ,1987(有中譯本)尹雙增。斷裂 損傷理論及應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，1992平時要求及課程成績平時成績+期末書面閉卷考試第第1章章 緒論緒論（introduction） 1.巖石力學(xué)的定義與內(nèi)涵巖石力學(xué)是從經(jīng)驗到理論然后回到工程的過程“巖石力學(xué)是巖石力學(xué)性態(tài)的理論和應(yīng)用的科學(xué)，它是與巖石性態(tài)對物理環(huán)境的力場反應(yīng)有關(guān)的力學(xué)分支”（Judd，1964）“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)的一個分支，是探討巖石對周圍物理環(huán)境中力場的反

4、應(yīng)?！保绹茖W(xué)院巖石力學(xué)委員會，1966）定義的“材料”特點巖石的工程屬性和特點“巖石力學(xué)主要是與工程和采礦中遇到的那種規(guī)模的巖體有關(guān)，因而它也可以看作對易于接近的巖體在應(yīng)力和環(huán)境條件變化下性態(tài)和特性的研究”（J.C. Jeager，N.G.W.Cook，1979）“巖石力學(xué)是一門認(rèn)識和控制巖石系統(tǒng)的力學(xué)行為和工程功能的科學(xué)”（王思敬，1998）2.主要研究的領(lǐng)域和問題水利水電工程：壩基及壩肩穩(wěn)定性、防滲加固理論和技術(shù)；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(xué)問題；水庫誘發(fā)地震的預(yù)報問題；庫岸穩(wěn)定及加固方法。采礦工程：露天礦山邊坡設(shè)計

5、及加固技術(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；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(yù)測、預(yù)報及預(yù)處理理論和技術(shù)；巖爆、煤及瓦斯突出預(yù)測及預(yù)處理理論和技術(shù)；采空區(qū)處理及地面沉降問題；巖石采挖破碎問題。交通建設(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(yù)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)及洞口邊坡設(shè)計及支護(hù)措施；地鐵施工技術(shù)。土木工程：建筑地基處理與加固技術(shù)；地下硐室、地下建筑空間的設(shè)計、施工與加固；巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定與支護(hù)；地質(zhì)災(zāi)害防治問題。石油工程：巖石應(yīng)力與巖石滲透性；巖石力學(xué)與地

6、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、天然氣儲運技術(shù)及環(huán)境影響；海洋勘探與開發(fā)工程核廢料處理問題地?zé)崮茉撮_發(fā)技術(shù)地震預(yù)報中的巖石力學(xué)巖體穩(wěn)定性、山體穩(wěn)定性、場區(qū)穩(wěn)定性、區(qū)域穩(wěn)定性、地殼深部活動性基礎(chǔ)、邊坡和地下工程理論研究和工程應(yīng)用3.巖石力學(xué)的研究方法地質(zhì)研究巖石巖相、巖層特征研究巖體結(jié)構(gòu)研究環(huán)境因素研究科學(xué)試驗室內(nèi)物理力學(xué)試驗原位現(xiàn)場試驗及監(jiān)測地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)及其它環(huán)境測定理論分析數(shù)學(xué)力學(xué)分析數(shù)值模擬分析工程驗證及綜合分析試驗和工程類比4.巖石力學(xué)發(fā)展歷史從發(fā)展的時期看初始階段（19世紀(jì)末20世紀(jì)初）經(jīng)驗理論階段（20

7、世紀(jì)初）經(jīng)典理論階段（20世紀(jì)30年代20世紀(jì)60年代）現(xiàn)代發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代現(xiàn)在）從地域和國家看歐洲：奧地利，德國 1951年6月，薩爾斯堡，奧地利學(xué)派，J.Stini, L.Mller，第一屆國際地質(zhì)力學(xué)研討會，1962年10月，成立國際巖石力學(xué)學(xué)會，英國，E.Hoek, J.W.Bray, O.C.Zienkiewcz前蘇聯(lián)、波蘭、前南斯拉夫、瑞典、挪威葡萄牙、意大利美洲及澳洲、南非亞洲：日本、印度中國第第2章章 工程背景工程背景（Geological Setting） 2.1 作為工程材料的巖石 Rock as an engineering material已賦存并高度變化的材

8、料（an existing material which is highly variable）工程性質(zhì)的區(qū)別決定我們對巖石力學(xué)性狀的關(guān)注方面巖體性狀、地應(yīng)力及工程對象的結(jié)合2.2 天然巖石環(huán)境 Natural rock environments工程位置裂隙控制近地表工程穩(wěn)定性，地應(yīng)力控制深部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性其他因素的影響地質(zhì)識別：地質(zhì)勘查、正確解釋2.3 地質(zhì)因素對巖石及巖體的影響the influence of geological factors on rocks and rock masses五個方面的影響完整巖石（intact rock）定義單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線4組典型巖石的應(yīng)力-應(yīng)變

9、曲線不連續(xù)面及巖石結(jié)構(gòu) Discontinuities and rock structure巖石存在破損和峰值后力學(xué)特性，導(dǎo)致Through natural processes, the in situ rock may have already failed and formed faults and joints;These faults and points may be the weak links in the rock structure.不連續(xù)面與巖石結(jié)構(gòu)三種斷裂方式巖石破壞與不連續(xù)面直接相關(guān) 原位已存在的巖石應(yīng)力 In situ pre-existing rock stress

10、原位應(yīng)力應(yīng)力調(diào)整和重分布、二次應(yīng)力場加載與卸載地應(yīng)力分布特征地應(yīng)力測量孔隙流體和水流 Pore fluids and water flow土體中的有效應(yīng)力理論巖體中水的流動是非連續(xù)性、連通率和水文地質(zhì)環(huán)境的函數(shù)工程活動嚴(yán)重影響應(yīng)力和水流工程應(yīng)用時間的影響 influence of time緩慢的地質(zhì)作用和快速的工程活動理論分析方法材料的時間效應(yīng)第3章 力學(xué)基礎(chǔ)知識1 概論彈性理論基本假設(shè)：連續(xù)體、彈性變形基本方法：經(jīng)典的靜力-幾何-物性關(guān)系能量方式-變分概念的應(yīng)用疊加原理解的唯一性局部靜力等效與局部作用原理（圣維南原理）2 應(yīng)力理論應(yīng)力的概念與符號坐標(biāo)表示、附標(biāo)表示、矩陣表示、張量表示法應(yīng)力張

11、量斜面應(yīng)力和柯西公式應(yīng)力張量為對稱張量主應(yīng)力和主方向、應(yīng)力不變量最大剪應(yīng)力運動微分方程邊界條件f0,ijjifntjjiint3 變形的幾何理論連續(xù)體變形的描述：拉格朗日坐標(biāo)與歐拉坐標(biāo)應(yīng)變的概念與應(yīng)變張量小變形應(yīng)變張量應(yīng)變不變量、圓柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)小應(yīng)變公式變形協(xié)調(diào)方程（相容方程）4 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的試驗依據(jù)各向同性彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系各向異性體的廣義胡克定律5 線彈性基本問題和一般解彈性理論的基本方程和邊界條件彈性理論的位移基本方程和應(yīng)力基本方程逆解法和半逆解法第第4章章 地應(yīng)力地應(yīng)力（In situ stress） 4.1 概述什么是地應(yīng)力？為什么要確定地應(yīng)力？怎么量化表述地應(yīng)力？

12、4.2 地應(yīng)力的測量方法直接測量法、間接測量法、指標(biāo)測量法國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）推薦：扁千斤頂法（the flatjack test）；水壓致裂法（the hydraulic fracturing test）;美國礦務(wù)局鉆孔孔徑變形計法（The United States Bureau of Mines (USBM) overcoring torpedo）；a)澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織空芯包體應(yīng)變計法（The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) overcoring gauge）。扁千斤頂法水壓致裂法水壓致裂法前提要求和假設(shè)不能預(yù)先有裂縫測試段便于量測水壓力能確定初始裂縫開裂的方向和位置鉆孔方向平行主應(yīng)力方向方法缺陷對應(yīng)上1對應(yīng)上4彈性理論假設(shè)的成立1.巖石抗拉強(qiáng)度的確定USBM鉆孔變形應(yīng)變計法CSRIO空芯包體應(yīng)變計法各方法確定的應(yīng)力分量4.3 地應(yīng)力分布規(guī)律地殼中主應(yīng)力為壓應(yīng)力，方向基本上是垂直和水平的垂直應(yīng)力隨深度呈線性增長水平應(yīng)力分布比較復(fù)雜最大水平應(yīng)力分量絕大多數(shù)大于垂直應(yīng)力分量；地殼中第一主應(yīng)力方向接近水平；兩個水平應(yīng)力分量中比值1