中矿岩石力学-第一章.ppt
二、岩石力学学科的形成及定义,1951年，J.Stini 和 L.Mller等在 Salzburg发起和举行了以岩体力学为主题的第一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与力学相结合、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一步，并创办了Geologie und Bauwesen，1962年改名为Rock Mechanics&Rock Engineering1956年4月，在美国的科罗拉多矿业学院举行的一次专业会议上，开始使用“岩石力学”这一名词，并由该学院汇编了“岩石力学论文集”。在论文集的序言中说：“它是与过去作为一门学科而发展起来的土力学，有着相似的概念的一门学科，对这种有关岩石的力学方面的学科，现取名为岩石力学”。1957年在巴黎出版的塔洛布尔（J.Talobre）的专著“岩石力学”是这方面较早的一本较系统的著作。其后，开始形成了不同的岩石力学学派（如法国学派，偏重于从弹塑性理论方面来研究；奥地利学派，偏重于地质构造方面来研究）。,37年，首部岩石力学专著(秦巴列维奇)岩石力学,具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏规律以及工程稳定性等问题。上述定义是把“岩石”看成固体力学中的一种材料，然而岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是一种典型的“连续介质”，具有复杂的地质构造和赋存条件的天然地质体。,岩石力学的定义（Rock Mechanics),1964年5月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的定义为：“岩石力学是研究岩石的力学性状（behavior）的一门理论和应用的科学，它是固体力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的学科。”,三、岩石力学理论的发展简史,初始阶段(19世纪末20世纪初)岩石力学的萌芽时期A.Heim(1912)提出了静水压力的理论W.J.M.Rankine（朗肯）和A.H.(金尼克)地层压力的修正理论，即,经验理论阶段(20世纪初20世纪30年代)该阶段根据生产经验提出了经典的地压理论，具有代表性的理论有：普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论 围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分太沙基(KTerzahi)理论 围岩塌落成矩形，而不是抛物线型优点与缺点 上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的，但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有的地下空间都存在塌落拱围岩和支护之间并不完全是荷载和结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作用,经典理论阶段(20世纪30年代20世纪60年代),岩石力学学科形成的重要阶段弹性、塑性力学被引入，提出一些经典的解析计算公式重视结构面对岩体力学性质的影响形成围岩与支护共同作用理论实验方法的完善一系列岩石力学文献和专著的出版 岩体工程问题的解决形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派,连续介质理论,特点：以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质出发来认识岩石工程的稳定问题。30年代，萨文(P.H.)采用无限大板孔应力集中的弹性解分析围岩的应力分布；50年代，弹塑性理论应用于围岩稳定性研究；R.FennerJ.Talobre公式和 H.Kastner 公式；应用流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析；S.Serta公式 不足：解析方法仅适合平面的圆形巷道，不能模拟开挖过程；由于岩体中节理、裂隙的存在，围岩力学性质参数和准确的本构关系难以确定。,地质力学理论,特点：，强调对岩体节理、裂隙的研究，重视岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。20年代，由德国人 H.Cloos 创立51年，J.Stini 和 L.Mller 创立了“奥地利学派”：在理论方面，指出工程围岩稳定性与原岩应力和开挖后岩体的力学强度变化密切相关，重视岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，重视支护与围岩的共同作用，特别重视利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性在施工方面，提出了“新奥法”，符合现代岩石力学理论 不足：过分强调节理、裂隙的作用，过分依赖经验，而忽视理论的指导作用,现代发展阶段(20世纪60年代现在),特点：用更为复杂多样的力学模型分析岩石力学问题；把物理学、力学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等最新成果引入了岩石力学；电子计算机的广泛应用为流变学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能从“材料”概念到“不连续介质概念”是现代岩石力学的第一步突破；进入计算力学阶段是第二步突破；有限元、边界元、离散元、位移非连续法（DDA)和流行法非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用阶段，则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意义更为重大的突破 耗散结构论、协同学、分叉和混沌理论，模糊数学、人工智能、灰色理论,四、岩石力学中的几个基本概念,岩石(Rock)定义：岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的天然地质体。岩石按照其成因可分为三类：岩浆岩，沉积岩和变质岩，不同成因类型的岩石具有不同的物理力学性质（自学、了解）。,岩块,自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平时所称的岩石，在一定程度上都是指岩块。实验室通常用的岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石块体，可看作连续介质及均质体。,岩体(Rock Mass),岩体是指在一定地质条件下，含有诸如节理、断层、裂隙、层理、劈理等不连续结构面的复杂地质体。岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石的强度。,断层（Fault）,褶皱(Drape),层理(Lamina),岩体结构,岩体结构：包括结构面和结构体两个基本要素。结构面：岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面。结构体：被结构面所包围的完整岩石或隐蔽裂隙的岩石，由不同产状的结构面组合切割而形成的岩石块体。,结构面对岩体结构类型的划分常起着主导作用。在研究结构面时，一方面要注意结构面的强度、密度及其延展性，另一方面还需注意结构面的规模大小和它们之间的组合关系。,中国科学院地质研究所从岩体结构角度提出了岩体结构分类(P3,表1-1)。我国还有不少专门为工程目的的岩体分类。例如为建造地下隧道和洞室的围岩分类(铁路隧道规范分类、岩石地下建筑技术措施分类等)，都是以岩体结构分类为基础。,岩体结构：由结构面的发育程度和组合关系或结构体的规模及排列形式决定的。岩体结构类型的划分反映出岩体的不连续性和不均一性特征。,五、岩石力学的基本研究内容,(1)岩石、岩体的地质特征 物质组成和结构特征 结构面特征及其对岩体力学性质的影响 岩体结构及其力学特性 岩体工程分类(2)岩石的物理、水理与热力学性质(3)岩石的基本力学性质 变形、强度特征及力学指标参数 主要影响因素，包括加载条件、温度、湿度等 变形破坏机理及其破坏判据,(4)结构面力学性质(5)岩体力学性质 岩体的变形、强度特征及其原位测试技术 岩体力学参数的弱化处理与经验估计 主要因素影响 岩体中地下水赋存、运移规律及岩体的水力学特征(6)原岩应力分布规律及其测量理论与方法,结构面在法向压应力及剪应力作用 下的变形特征及参数确定 结构面剪切强度特征及其测试技术和方法,(7)工程岩体的稳定性(8)岩石工程稳定性维护技术 包括岩体性质的改善与加固技术等(9)新技术、新方法和新理论在岩石力学中的应用(10)工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术 数值模型模拟 物理模型模拟 原位监测可检验岩体变形与稳定性分析成果的正确性,在开挖作用下的应力和位移分布特 征、变形破坏特征、稳定性分析与评价,六、岩石力学的研究方法,(1)工程地质研究方法 岩矿鉴定方法 构造地质学及工程勘察方法 水文地质学方法(2)科学实验方法（科学实验是岩石力学发展的基础）实验室岩石力学参数测试、模型试验、现场岩体原位试验及监测技术、地应力的测量和岩体构造的测定等地质构造的勘测、大地层的力学测定 新实验技术：遥感技术、激光散斑和切层扫描技术、三维地震勘测成象和三维CT成象技术、微震技术等,（3）数学力学分析方法 力学模型：刚体、弹性、塑性、流变、细观、损伤、断裂、块体力学 数值分析：有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法、无单元法、流形元法、不连续变形分析、和反演分析法等 模糊聚类和概率分析：随机分析、可靠度分析、灵敏度分析、趋势分析、时间序列分析和灰色系统分析等 模拟分析：光弹应力分析、相似材料模型试验、离心模型试验(4)整体综合分析方法 将实验、理论和工程监测以及经验相结合，利用信息、系统科学理论进行计算机科学决策,七、岩石力学的应用范围,(1)水利水电工程 坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术 有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术 大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术 高速水流冲刷的岩石力学问题 水库诱发地震的预报问题 库岸稳定及加固方法,(2)采矿工程 露天采矿边坡设计及稳定加固技术 井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题 矿柱稳定性及开采优化设计问题(采场结构、开采顺序、开挖步骤等)设计问题 矿井突水预测、预报及预处理理论和技术 岩爆、煤与瓦斯突出及预处理理论和技术 采空区处理及地面沉降问题 岩石破碎问题,(3)铁道和公路建设工程线路边坡稳定性分析隧道设计和施工技术隧道施工中的地质超前预报及处理隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施地铁及过江隧道施工技术(4)土木建筑工程高层建筑地基处理与加固技术大型地下硐室与建筑空间设计、施工与加固地面建筑物沉降、倾斜和纠偏技术山坡及临坡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术,(5)石油工程(6)海洋勘探与开发工程(7)核电站建设中核废料处理技术(8)地层热能资源开发技术问题(9)地震预报中的岩石力学问题(10)地下军事工程及防护问题,岩石应力与渗透性及采油技术,石油、天然气运输与储存工程对环境的影响,岩石力学与地球物理勘探综合研究,钻探技术与井壁稳定性,
