認(rèn)識巖石力學(xué)

認(rèn)識巖石力學(xué)第一章緒論巖體力學(xué)（RockMechanics）研究巖體在外界因素(如荷載、水流、溫度變化等)作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、破壞、穩(wěn)定性及加固的學(xué)科，也被稱為巖石力學(xué)。它是力學(xué)的一個分支。研究目的在于解決水利、土木工程等建設(shè)中的巖體工程問題。它是一門新興的，與有關(guān)學(xué)科相互交叉的工程學(xué)科，需要應(yīng)用數(shù)學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、土木工程學(xué)等知識，并與這些學(xué)科相互滲透。第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天巖石力學(xué)的定義美國科學(xué)院巖石力學(xué)委員會1966年對巖石力學(xué)給予如下的定義：巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性能的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場的反應(yīng)的力學(xué)分支。這個定義指出了巖石（巖體）是一種天然材料與其賦存的地質(zhì)環(huán)境、形成歷史、地殼運動以及工程因素之間的聯(lián)系。第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

巖石：由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而形成的自然物體。這是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個重要因素。構(gòu)造（construction）:組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系。第一節(jié)巖石與巖體

rockandrockmass礦物（mineral）：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。結(jié)構(gòu)（structure）：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及其相互結(jié)合的情況。第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天自然元素礦物第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天硫化物礦物第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天氧化物和氫氧化物礦物赤鐵礦磁鐵礦第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天硫酸鹽礦物第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天碳酸鹽礦物第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天硅酸鹽礦物第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天硅酸鹽礦物第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好巖石是天然產(chǎn)出的有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的礦物集合體，是構(gòu)成地殼和上地幔的物質(zhì)基礎(chǔ)。按成因分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。例如，石灰?guī)r是由方解石組成的集合體；花崗巖是由石英、長石、云母等多種礦物組成的集合體；礫巖是由巖石碎屑所組成的集合體。巖石分類第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

形成礦物的地質(zhì)作用火成作用巖漿礦物熱液礦物火山礦物沉積作用

風(fēng)化礦物

沉積礦物變質(zhì)作用熱變質(zhì)礦物區(qū)域變質(zhì)礦物第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

巖漿巖是由高溫熔融的巖漿在地表或地下冷凝所形成的巖石，也稱火成巖（igneousrocks）。它主要構(gòu)成了深部地殼和上地幔，約占整個地殼的65%?；鹕阶饔门c火成巖第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

火成巖命名原則第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

花崗巖閃長巖輝綠巖玄武巖云英巖流紋巖第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004沉積巖（sedimentaryrock）是在地表條件下由風(fēng)化作用、生物作用和火山作用的產(chǎn)物經(jīng)水、空氣和冰川等外力的搬運、沉積和成巖固結(jié)而形成的巖石。地殼表面以沉積巖為主，它們約占大陸面積的75%，洋底幾乎全部為沉積物所覆蓋。

第1章緒論

沉積作用與沉積巖第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

沉積巖的分類第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

角礫巖煤泥炭白云質(zhì)微晶灰?guī)r頁巖凝灰砂巖第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004變質(zhì)巖（metamorphicrock）是由先成的巖漿巖、沉積巖或變質(zhì)巖由于其所處地質(zhì)環(huán)境的改變經(jīng)變質(zhì)作用而形成的巖石。地殼深處和上地幔的上部主要由火成巖和變質(zhì)巖組成。從地表向下16公里范圍內(nèi)火成巖和變質(zhì)巖的體積占95%。

第1章緒論

變質(zhì)作用與變質(zhì)巖第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

藍田玉（蛇紋石化大理巖）大理巖和田玉（變質(zhì)角閃石巖）第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

千枚巖黑云母片麻巖蛇紋石大理巖蛇紋巖云母片巖角閃巖第23頁,共67頁，2024年2月25日，星期天巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)包括兩個基本要素，結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)面即巖體內(nèi)具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的分界面和不連續(xù)面，它是在地質(zhì)發(fā)展歷史中，尤其是地質(zhì)構(gòu)造變形過程中形成的。被結(jié)構(gòu)面分割而形成的巖塊，四周均被結(jié)構(gòu)面所包圍，這種由不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合切割而形成的單元體稱為結(jié)構(gòu)體。不同類型的巖體結(jié)構(gòu)單元在巖體內(nèi)的組合、排列形式稱為巖體結(jié)構(gòu)。

第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第1章緒論

①不連續(xù)；②各向異性；③不均勻性；④賦存地質(zhì)因子的特性（水、氣、熱、初應(yīng)力）。巖體的力學(xué)特征第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天課堂思考巖石、巖體、土、巖塊、砂子有何區(qū)別核廢料的處理，鹽礦油氣儲存：能夠儲存石油與天然氣的巖層叫做儲油層，也叫做儲層。第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天能夠儲存石油與天然氣的巖層叫做儲油層，也叫做儲層。除了具孔隙的砂巖與礫巖等以外，含有孔洞的石灰?guī)r和各種含有裂縫巖石都可以形成儲油層。沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖三大巖類都具有儲油氣性能。第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天巖石的用途(1)用來進行工程建設(shè)(2)用來做成建筑用石材。例如：地板、墻壁……(3)大理巖除了是很好的建筑石材外，也可以加工制成桌子、椅子或雕塑石像。(4)板巖，原住民經(jīng)常就地取材，將它用來蓋房子、鋪設(shè)地板等。(5)石灰?guī)r是制造水泥的原料。(6)安山巖可用來做成建筑用的石材。例如：地板、柱子、墻壁、石雕等。(7)硫磺是制造火柴、鞭炮、火藥、橡膠等的原料。(8)云母可作為隔熱或絕緣的材料。(9)石英是制作玻璃及半導(dǎo)體的原料。(10)水晶可加工制作成各種裝飾品。(11)方解石是制造水泥的原料。(12)石墨是制作鉛筆筆芯的原料。(13)滑石可制成滑石粉和爽身粉。(14)防火衣是石棉做成的。(15)石膏是制造粉筆或做成塑像。(16)巖石和礦物風(fēng)化后，變成土壤，有了土壤，植物才能生長(17)核廢料保存第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.2巖體力學(xué)的研究任務(wù)與內(nèi)容巖體力學(xué)的研究任務(wù)基本原理，包括巖石的破壞、斷裂、蠕變及巖石內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變理論等的研究；實驗室試驗和現(xiàn)場原位試驗，包括各種靜力和動力方法，以確定巖塊和巖體在靜力和動力荷載下的性狀以及巖體內(nèi)的初始應(yīng)力。第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天實際應(yīng)用方面，包括地表巖石地基（如高壩、高層建筑、核電站地基）的穩(wěn)定和變形問題、巖石邊坡（如水庫邊坡、高壩岸坡、渠道、路塹、露天開采坑等人工和天然巖石邊坡）的穩(wěn)定問題、地下洞室（如地下電站、水工隧洞、交通隧洞、采礦巷道、戰(zhàn)備地道等）圍巖的穩(wěn)定、變形和加固問題、巖石破碎（如將巖石破碎成所要求的規(guī)格）、巖石爆破、地質(zhì)作用（如分析因采礦而地表下陷、解釋地球的構(gòu)造理論、預(yù)估地震與控制地震）等問題的研究。監(jiān)測方面，通常量測巖體應(yīng)力和變形變化、蠕變，斷裂，損傷以及承載能力和穩(wěn)定性等項目及其個子隨著時間的延長而變化的特性，預(yù)測各項巖體力學(xué)數(shù)據(jù)。第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天巖體力學(xué)的研究內(nèi)容巖體的地質(zhì)力學(xué)模型及其特征方面巖石與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)方面巖體力學(xué)在各類工程中的應(yīng)用方面第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004巖體力學(xué)在工程中的應(yīng)用范圍

水利水電工程采礦工程鐵道和公路建設(shè)工程土木建筑工程石油工程海洋勘探與開發(fā)工程核電站建設(shè)中核廢料處理技術(shù)地層熱能資源開發(fā)技術(shù)問題地震預(yù)報中的巖石力學(xué)問題

第1章緒論

第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004巖體力學(xué)在工程中的應(yīng)用研究地下洞室圍巖的穩(wěn)定性研究巖基的穩(wěn)定性研究巖坡的穩(wěn)定性研究巖體力學(xué)的新理論新方法的研究第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004在當(dāng)今世界能源危機加劇的情況下，核電因長期運行成本低且安全可靠而得到迅速發(fā)展。全球商業(yè)能源構(gòu)成核電站第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004伴隨而來的是核電站運行產(chǎn)生的大量放射性廢料。高放核廢料(HLW)的兩個特點：含放射性相當(dāng)高的長壽命放射性元素，半衰期上萬年較長時期內(nèi)會產(chǎn)生大量余熱，如200～300年后周圍溫度仍可達到200℃左右。如何安全、永久儲存高放核廢料是一個世界性難題。第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004從可行性和經(jīng)濟等角度綜合考慮，最合理的處置辦法是深部地質(zhì)處置—貯存于500-1000m的深部地層且封閉于穩(wěn)定的巖層中，保證其在很長時間內(nèi)完全與生物圈隔離。第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004醫(yī)藥、工業(yè)、研究產(chǎn)生的輻射性廢料核反應(yīng)堆核廢料最終處理

輻射性廢料低放性廢料中放性廢料高放性廢料安全處理后集中貯藏于地下洞室①地下臨時貯藏30-40年；②地下永久性貯藏高放性核廢料集中后臨時貯藏于地下25-30m處。500~1000m放射性核廢料的處置中低放性核廢料集中貯藏于地下。第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004放射性工業(yè)垃圾與核廢料的處理高放性核廢料最終處理

永久性貯存在地下500-1000m的穩(wěn)定巖層峒室內(nèi)。最終處理系統(tǒng)工程井人員輸送井核廢料輸送井平洞與小立井平洞小立井內(nèi)貯存核廢料罐第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,20041.3巖石力學(xué)的研究方法

第1章緒論

工程地質(zhì)研究方法地層學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、工程勘察科學(xué)實驗方法實驗室?guī)r石力學(xué)參數(shù)的測定、模型試驗、現(xiàn)場巖體的原位試驗及監(jiān)測技術(shù)、地應(yīng)力的測定、巖體構(gòu)造的測定第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004數(shù)學(xué)力學(xué)分析方法

剛體力學(xué)模型、彈性及彈塑性力學(xué)模型、流變模型、斷裂力學(xué)模型、損傷力學(xué)模型、滲透網(wǎng)絡(luò)模型、拓?fù)淠Ｐ蛿?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

現(xiàn)代非線性科學(xué)理論、信息科學(xué)理論、系統(tǒng)科學(xué)理論、模糊數(shù)學(xué)、人工智能、灰色理論第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004巖石力學(xué)的研究步驟第1章緒論

第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

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)。第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.4巖體力學(xué)在其它學(xué)科中的地位力學(xué)（固體力學(xué)分支）、地質(zhì)學(xué)、巖土工程傳統(tǒng)的固體力學(xué)以應(yīng)力為中心，通過一定邊界條件下的外力根據(jù)本構(gòu)關(guān)系來求解應(yīng)力。巖體的本構(gòu)方程復(fù)雜，邊界條件很難確定。而且本構(gòu)關(guān)系愈接近實際情況，所需的力學(xué)參數(shù)愈多，這又給測試增加了新的問題，所以要得到接近真實情況的應(yīng)力困難重重?；趲r石力學(xué)參數(shù)的模糊性和不確定性，巖石工程形成了一整套獨特的設(shè)計方法，把規(guī)劃、概念設(shè)計、引導(dǎo)工程(pilotproject)、技術(shù)設(shè)計、施工、現(xiàn)場監(jiān)測、反分析、修改設(shè)計、加固等階段形成一個有機的系統(tǒng)工程。第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.5巖石力學(xué)的發(fā)展簡史（1）1925年泰沙基（Terzaghi）《建筑土力學(xué)》（2）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<L.Miiller>）否認(rèn)小巖塊試件的力學(xué)試驗。（3）工程巖石力學(xué)學(xué)派，法國塔洛布爾（J.Talober）

1951年《巖石力學(xué)》——最早的代表作。

1959年法國馬爾帕塞（Malpasset）薄拱壩

潰壩。

1963年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動。

1966年在里斯召開第一屆國際巖石力學(xué)大會（一屆/4年）全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)會，2000年開第6屆，1屆/1年。第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004法國馬爾帕塞（Malpasset）薄拱壩：壩高60m，壩基為片麻巖，1959年左壩肩沿一個傾斜的軟弱面滑動，造成潰壩慘劇，400余人喪生。壩肩巖體裂隙和斷層的強度不足是導(dǎo)致整個拱壩潰毀的關(guān)鍵因素。當(dāng)應(yīng)力變化范圍為5MPa時，巖體滲透系數(shù)相差100倍。滲透系數(shù)的降低，反過來又極大地改變了巖體中的應(yīng)力分布，使巖體中結(jié)構(gòu)面上的水壓力陡增，壩基巖體在過高的水壓力作用下沿一個傾斜的軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動，導(dǎo)致潰壩。巖石工程事故

第1章緒論

第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004巖石工程事故

意大利瓦依昂（Vaiont）雙曲拱壩，壩高261.6米，壩基為斷裂十分發(fā)育的灰?guī)r。1963年大壩上游左岸山體發(fā)生大滑坡，約有2.7-3.0億立米的巖體突然下塌，水庫中有5000萬立米的水被擠出，擊起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢過壩頂，死亡3000余人。第1章緒論

瓦依昂巖坡滑坡的二個斷面第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004中國巖石力學(xué)與巖石工程的主要成就

1958年，為適應(yīng)長江三峽水利樞紐建設(shè)的需要，在國家科委領(lǐng)導(dǎo)下成立了三峽巖基研究組，以長江流域規(guī)劃辦公室及中國科學(xué)院為主體，下設(shè)大壩地基、地下結(jié)構(gòu)、巖質(zhì)邊坡、動力特性、灌漿加固等5個專業(yè)組。三峽巖基組的工作，不僅對我國水工建設(shè)巖石力學(xué)的發(fā)展起重要作用，也為中國巖石力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。葛洲壩工程是我國于70年代在長江干流上自行設(shè)計、自行施工的第1座巨型水利樞紐。通過興建葛洲壩，不但有力地促進了我國壩工技術(shù)的全面發(fā)展，而且在巖石力學(xué)發(fā)展史上，也堪稱一個重要的里程碑。第1章緒論

第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,20041982年成立了中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會籌備委員會，1985年成立了全國性一級學(xué)會：中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會（對外為國際巖石力學(xué)學(xué)會中國國家小組）。此外，在水利、水電、煤炭、鐵道、建筑，冶金等部門也根據(jù)行業(yè)特點，建立了各自的巖石力學(xué)專業(yè)委員會。這支隊伍為解決國家重大項目：如三峽、葛洲壩、小浪底、二灘、南水北調(diào)等水利水電工程，大冶、攀枝花、金川等礦山工程，成昆、南昆、京九、青藏等鐵路工程，撫順、大同、兩準(zhǔn)、兗州等煤礦工程，大慶、勝利、克拉瑪依等石油工程，秦山、大亞灣、嶺澳等核電工程，北京、上海、廣州、深圳等地鐵工程，以及成千上萬個中、小型工程建設(shè)中所遇到的巖石力學(xué)難題，開展了大量的工作，取得了豐富的成果。第54頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004第1章緒論

長江三峽水利工程黃河小浪底工程雅礱江上的二灘水電站黃河上游李家峽水電站第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004

在學(xué)科發(fā)展方面經(jīng)歷三個階段：材料力學(xué)、連介力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)。繼巖石力學(xué)界先驅(qū)陳宗基先生在巖石流變學(xué)，谷德振先生在巖體結(jié)構(gòu)、巖體工程地質(zhì)力學(xué)之后，近年來，我國學(xué)者在關(guān)鍵塊體理論、不連續(xù)變形分析（DDA）、數(shù)值流形元方法（NMM）、巖石分形分維、智能巖石力學(xué)、軟巖力學(xué)、巖石破壞過程分析（RFPA）、卸荷巖石力學(xué)、巖石記憶與開挖理論、巖石力學(xué)非線性研究、巖石工程位移反分析方法等方面的研究都提出諸多創(chuàng)新的成果。

第1章緒論

陳宗基中國科學(xué)院院士中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第1、2屆理事長第5屆國際巖石力學(xué)學(xué)會副主席

谷德振中國科學(xué)院院士中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會第1屆主任委員第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004中國巖石力學(xué)與巖石工程發(fā)展前景展望

巖石力學(xué)研究由局限的巖體走向解決山體和地體等大范圍、大尺度的工程和資源開發(fā)問題。巖石力學(xué)由研究單一的固體不連續(xù)材料向多場耦合和多相運動研究發(fā)展。巖石力學(xué)從單純的地球內(nèi)動力驅(qū)動或外動力驅(qū)動模型向內(nèi)外動力耦合作用模型的轉(zhuǎn)變。

巖石力學(xué)從工程巖體穩(wěn)定性研究向極端災(zāi)害的非線性動力過程的預(yù)測及防治進軍。

從常規(guī)的巖石開挖的失穩(wěn)防治到新型大規(guī)模暴力攻擊的防護，以及人地關(guān)系的協(xié)調(diào)。

新途徑:多重綜合集成（MultipleMeta-synthetics）（1）多源知識的綜合集成經(jīng)驗、推理、測量（2）多種手段的綜合集成以力學(xué)為主，與地學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科交叉結(jié)合（3）多尺度的綜合集成微觀、細(xì)觀、宏觀及宇觀

第1章緒論

新方向

第57頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Nov,2004在中文期刊方面，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會定期出版《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》《地下空間與工程學(xué)報》及《巖石力學(xué)與工程動態(tài)》。此外，涉及到巖石力學(xué)與巖石工程的全國性刊物還有：《巖土工程學(xué)報》、《巖土力學(xué)》、《工程地質(zhì)學(xué)報》、《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》、《工程勘察》、《探礦工程——巖土鉆掘工程》、《巖土工程界》、《土木工程學(xué)報》、《水利學(xué)報》、《水力發(fā)電工程學(xué)報》等。巖石力學(xué)與巖石工程方面的規(guī)程、規(guī)范主要有：《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》、《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》、《巖土工程勘察規(guī)范》、《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》、《工