岩石力学课件-1.绪论2005hyr

岩石力学

RockMechanics

主讲教师：何玉qq：573697214教材及参考书《岩石力学》张永兴主编，建筑工业出版社

《岩石力学》徐志英主编，水利电力出版社

《岩体力学》王文星主编，中南大学出版社《岩体力学》沈明荣主编，同济大学出版社

《岩石力学与工程》蔡美峰主编，科学出版社

岩石力学

第1章绪论（2课时）第2章岩石的物理力学性质（10课时）第3章岩体的的力学特性（10课时）第4章岩体地应力及其测量方法（5课时）第5章岩石地下工程（5课时）第6章岩石边坡工程（自学）第7章岩石地基工程（自学）岩石力学

第一章绪论一、岩石和岩体二、岩石力学的研究对象三、岩体的特征四、岩体结构五、岩石力学的产生及其发展六、岩石力学需要解决的基础理论问题七、岩石力学的研究方法八、岩石力学与其他学科的关系九、岩石力学的分支学科一、岩石和岩体

岩石是在一定的生成条件下，具有一定的矿物成分和一定的结构、构造特征的地壳的组成材料或物质。是各种裂隙切割而成的岩块，又称结构体。

岩体是个地质体，它包括岩石和各种地质构造形迹，如节理、裂隙、褶皱等结构面。岩体就是岩石和这些结构面的统一体。岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。岩石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自然地质体。岩石可由单种矿物组成。●如：纯洁的大理石由方解石组成。多数的岩石则是由两种以上的矿物组成。●如：花岗岩主要由石英、长石、云母三种矿物组成。按照成因，岩石可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。一、岩石和岩体岩浆岩（火成岩）岩浆岩是由岩浆冷凝而形成的岩石。岩浆岩绝大多数是由结晶矿物组成，很少由非结晶矿物组成。由于组成岩浆岩的各种矿物的化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的连接是牢固的，故岩浆岩通常具有较高的力学强度和物质性。一、岩石和岩体花岗岩试件一、岩石和岩体沉积岩沉积岩是由母岩（岩浆岩、变质岩或早已形成的沉积岩）在地表经风化剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积和固结作用而形成的岩石。沉积岩由颗粒和胶结物组成，各有不同的成分。●颗粒包括各种不同形状和大小的岩屑及不同矿物。●胶结物常见的有钙质、硅质、铁质、泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与颗粒有关，还与胶结物有很大关系。如：●硅质、钙质胶结的沉积岩强度一般较高。●泥质胶结的沉积岩强度较低。由于沉积环境的影响，沉积岩具有层理构造，具有各向异性特征。变质岩变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成分和结构构造上具有变质过程中所产生的特征，也常常残存有原岩的某些特点。●因此，它的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质和变质程度有关。一、岩石和岩体大理岩试件照片

岩石分类岩体=岩块+结构面变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定，各向异性

岩体结构面岩块不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面3大类岩石

图4－1节理岩体的强度特征与岩石强度的区别Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理

岩体强度=岩块强度+节理强度

岩石力学研究的主要对象是岩体，研究岩体在力场作用下，所发生的变形、破坏和移动的规律。岩体力学研究的内容可分为三大部分：岩石、岩体、岩体工程。

岩体工程包括岩基和岩体中各种半地下或地下坑洞，主要有岩石边坡、地下坑洞和岩基三大类。1、岩石的力学特性2、岩体的力学特性3、岩体工程的稳定性二、岩石力学的研究对象岩石力学主要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。岩石力学的研究内容主要包括以下几个部分：岩石的物理性质

主要研究岩石的基本物理性质、水理性质、热学和电学性质，包括研究岩石的渗透性，水对岩石性状的影响和岩石的工程分类。岩石的强度主要研究岩石的破坏形式，岩石的抗压强度，岩石的抗拉强度，岩石的抗剪强度以及岩石的破坏准则，并分析水、结构面方位、结构面粗糙度对强度的影响。岩石力学主要内容岩石力学主要内容岩石的变形

通过实验室变形试验和现场变形试验，研究岩石的变形性质并分析岩石应力－应变曲线的影响因素。岩体天然应力与洞室围岩的应力分布主要研究地应力的变化规律，包括岩体应力的现场量测技术和水平洞室围岩的应力计算问题。山岩压力与围岩稳定性

分析山岩压力的形成及其影响因素，在理想的简单地质情况下，可采用压力拱理论、太沙基理论、弹塑性理论来计算山岩压力，对于地质情况复杂的情况，可采用地质分析法计算山岩压力。岩石力学主要内容有压隧洞围岩的应力与稳定性包括围岩内附加应力的计算，有压隧洞围岩和衬砌的应力计算，隧道围岩蠕变计算和有压隧洞围岩最小覆盖层厚度问题。岩基的应力与稳定性分析

研究岩基内应力分布情况，包括岩基承载力计算和岩基抗滑稳定计算。岩坡稳定分析

研究岩坡的稳定性，针对不同的破坏类型，可分别采用圆弧法、平面滑动法、双平面滑动法、力多边形法、力的代数叠加法和楔形滑动法。水利水电工程中的岩石力学问题能源储备与核废料处理中的岩石力学问题交通运输工程中的岩石力学问题重点岩石工程问题12.东北10.黄河上游11.黄河中游4.长江上游3.大渡河2.雅砻江1.金沙江6.湘西7.闽浙赣8.澜沧江9.南盘江洪水河5.乌江水利水电未来20年在12个水电建设基地开工兴建数十座大型水利水电工程其中，金沙江流域溪洛渡、向家坝、白鹤滩、乌东德，总装机容量为三峡工程的三倍西线一期工程计划于2010年左右开工建设，全长262公里，隧道总长244公里，最长隧道73公里，埋深1000米左右饼状岩芯（硬岩）拉西瓦、李家峡、二滩、天生桥、鲁布革等水电工程、南水北调西线工程等。锦屏二级水电站引水隧洞长16～19km，一般埋深1500～2000m，最大埋深2500m，开挖洞径11m，最大水头312m。墨脱水电站在雅鲁藏布江大拐弯处修建40km长的引水隧洞，最大埋深可达4000m，获得水头2200m。

水利水电工程开发遇到的极复杂环境条件1、活动断裂发育：西部活动断层371条，总长度2.8万公里2、高烈度地震频发：频度高、强度大、范围广3、工程规模巨大（高边坡、大型硐室群、深埋长隧道）4、高地应力战略石油储备犹如核武器，拥有它意味着石油价格和供给的安全2004年9月20日，在“中国国际石油石化企业高峰论坛”上，国家发改委副主任张国宝指出，经历世界范围能源紧缺的局势后，国家已经规划并且开始建立能源战略储备，具体储备量将根据中国的国情来确定。目前，我国战略石油储备的工作在加快。2003年发改委战略石油储备办公室成立，统筹规划国家的石油储备工作。目前已经确定浙江镇海、浙江舟山岙山、辽宁大连、山东黄岛为储备基地，国家战略石油储备已经投入实质运作了。

能源储备与核废料处理中的

岩土工程问题能源储备美国、德国战略石油储备：90天我国：2天近10－20年，能源战略的地下储存进入实施阶段能源储备与核废料处理中的

岩土工程问题能源储备2006年至2008年，大连、黄岛、镇海、舟山四大石油储备基地将基本竣工，将可储存30天进口量的石油，是短期内中国石油储备的目标。到2015年我国战略石油储备的90天远期目标可望实现。

能源储备与核废料处理中的

岩土工程问题能源储备我国已有大量的军事高放废料，核电站核废料到2010年将达1000吨近10－20年，核废料地下处置初步设计和实施能源储备与核废料处理中的

岩土工程问题核废料处理规划兴建的大唐国际庄河核电厂拟选厂址为于家沟厂址和南尖厂址。于家沟厂址位于庄河市黑岛镇于家沟东南海滨台地上，距庄河市约25km，距大连市约166km，距丹东104km。南尖厂址位于庄河市栗子房镇南尖村海滨台地上，距庄河市约38km，距大连市180km，距丹东市约92km。核电厂一期建设规模为4×1000MW核电机组，规划容量为6×1000MW。于家沟厂址南尖厂址大唐国际庄河核电厂址地理位置图

美国的核电已有几十年历史了，并因此积攒了7．7万吨放射性核废物。因为总是找不到永久储存这些核废物的合适地点，所以，各核电站只能将它们暂时储存在核电站内。可这总不是个长久之计，除了每年还要新增2000吨核废料外，在核电站存贮这么多核废物，完全可能成为恐怖分子攻击的目标，真令人天天胆战心惊。为核废料找个永久的家，一直是美国朝野念念不忘的大事。经过20多年的研讨、选择及评估，美能源部部长亚伯拉罕宣布，将在内华达州拉斯维加斯北150公里处的兰花山底深处，用500亿美元建造一个核废料的永久储存所，储存核废料1万年。能源储备与核废料处理中的

岩土工程问题核废料储存京都协定书盐岩中储存

长期规划能源储备与核废料处理中的

岩土工程问题二氧化碳储存关键科学问题（以石油地下储存为例）石油地下储存选址阶段设计施工阶段运行阶段应对战争与灾害：在什么地方修建？在什么岩层中修建？如何设计：成库条件？多大的库?什么形状的库?如何施工：最小扰动的开挖和溶解方式？安全运营：洞库体体积变化？长期稳定性？管道与机械系统?环境保护：石油是否会渗漏？散布范围？双向八车道龙头山隧道(20.8m)

运用“双侧壁导坑法”修建国内第一大跨双连拱的公路隧道——最大开挖跨度32.6米的京珠高速公路五龙岭隧道。

交通运输工程中的岩石力学问题铣挖凿岩机电脑台车模板台车隧道注浆隧道注浆1、岩体是非均质各向异性的材料。2、岩体内存在着原始应力场。主要包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主，构造应力场通常是以水平应力为主。3、岩体内存在着一个裂隙系统。岩体既是断裂的又是连续的，岩体是断裂与连续的统一体，可称之为裂隙介质或准连续介质。当岩体应力超过其强度时，就会使原有断裂进一步扩展，形成新的断裂。而旧断裂的扩展与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分布。

三、岩体的特征三、岩体的特征

可见，岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的困难性和复杂性。因此，只用一般的固体力学理论尚不能完善解决岩体工程中的所有问题。岩体结构是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。中国科学院地质研究所根据多年的工程实践，从岩体结构的角度提出了岩体结构分类。根据这个分类．岩体结构分为块状结构、镶嵌结构、层状结构、碎裂结构、层状碎裂结构以及松散结构等。我国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的。四、岩体结构

岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域。一方面，岩体力学是上述工程领域的理论基础；另一方面，正是上述工程领域的实践促使了岩体力学的诞生和发展。岩石力学按其发展进程可划分四个阶段：五、岩石力学的产生及其发展(1)初始阶段(19世纪末--20世纪初)

岩石力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，开采规模小，采深近于地表，开采空间不大，岩石力学的问题主要是巷道顶板冒落和地下开采所引起的地表移动。这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。例如，1912年海姆(A．Heim)提出了静水压力的理论．他认为地下岩石处于一种静水压力状态。(2)经验理论阶段(20世纪初～20世纪30年代)

该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个阶段出现根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。松散介质学派（例如普氏理论）占主导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，提出巷道地压计算原理和采场地压假说。在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。

该阶段是岩石力学学科形成的重要阶段，岩石力学以弹塑性理论为基础，将岩体视为弹塑性介质，应用弹塑性力学方法来研究岩体的应力、应变和位移，确定了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性质的影响受到重视。在弹塑性分析的基础上引入流变理论，将某些岩体视为带粘性的介质，考虑时间因素对岩体应力、应变和位移的影响。(3)经典理论阶段(20世纪30年代～60年代)

岩体力学已逐渐形成完整的科学体系作为力学的一个分枝，成为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩体力学问题，把力学、物理学、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体力学。而计算机的发展使用有限元、边界元、离散元等解算岩体力学问题得以实现。20世纪70年代以后岩石力学发展比较迅速，岩体力学测试技术不断完善，应力解除法可测试深部岩体应力。刚性压力机的出现，可测试应力－应变全过程曲线，从而更深刻的揭示了岩石的力学特性。(4)现代发展阶段(20世纪60年代～现在)重要事件1925年泰沙基（Terzaghi）《建筑土力学》地质力学的岩石力学学派（奥地利学派（萨尔茨堡学派）缪勒<L.Miiller>）否认小岩块试件的力学试验。工程岩石力学学派，法国塔洛布尔（J.Talober）1963年意大利瓦依昂水库岩坡滑动1966年在里斯召开第一届国际岩石力学大会（一届/4年）缪勒（1）岩体物理状态(如裂隙、风化性、透水性等)的研究；（2）建立适应岩石特点的强度理论；（3）测定岩体的基本力学参数（弹性模量、泊松比、强度等）；（4）岩体变形、破坏和移动规律的研究；（5）关于岩体稳定性的研究，特别是结构面对岩体稳定性的影响；（6）岩体中应力状态的研究；六、岩石力学需要解决以下基础理论问题（7）围岩与支架相互作用的问题；（8）高应力状态下岩石特性的研究；（9）岩体的动力特性；（10）模拟试验理论(相似理论)的研究；（11）弹性波在岩体中传播的规律；（12）岩体的分类等等。六、岩石力学需要解决以下基础理论问题

岩体力学的研究方法包括三方面：室内试验、现场量测、理论分析与计算。1、室内试验包括：（1）岩石的物理、水理性质、热学性质和力学性质的测定；（2）不连续面的力学性质测定；（3）模型试验，即光弹模型试验和相似材料模型试验。七、岩石力学的研究方法

2、现场量测包括：（1）岩体变形和强度参数测定；（2）岩体应力测定；（3）围岩对支护压力测定；（4）围岩应力、变形、移动和岩体破坏的监测和预报，包括支护结构的监测。七、岩石力学的研究方法3、理论分析与计算包括：（1）