大连理工岩石力学课件——绪论.ppt

岩石力学RockMechanics岩土工程研究所张金利jlzhang1 教材及参考书 岩石力学 徐志英主编 水利电力出版社 岩体力学 沈明荣主编 同济大学出版 岩体力学 王文星主编 中南大学出版社 岩石力学与工程 蔡美峰主编 科学出版社 岩石力学 2 第1章绪论第2章岩石的基本物理力学性质第3章结构面的力学性质第4章岩体的力学性质第5章岩体综合调查及岩体分类第6章岩体初始应力第7章岩石边坡第8章地下坑硐 岩石力学 3 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 岩石力学的产生及其发展五 岩石力学需要解决的基础理论问题六 岩石力学的研究方法七 岩石力学与其他学科的关系 4 一 岩石与岩体 岩石是地壳基本物质 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 岩石分为岩浆岩 变质岩 沉积岩 岩石一般由多种矿物组成 完整岩石被各种结构面切割而成的岩块 又称结构体 岩体是指一定工程范围内的自然地质体 经历漫长的自然历史过程 经历各种地质作用 并在地应力长期作用下 保留了永久变形和各种构造痕迹 如不整合面 褶皱 断层 节理裂隙 层理等不连续面 岩石和岩体的主要区别为 岩体包含若干宏观不连续面 岩体强度远低于岩石强度 5 岩石力学是研究岩石及岩体在不同受力状态下的变形 破坏规律 并在工程地质定性分析基础上定量分析岩体稳定性的一门学科 岩体力学研究的内容 大致可归纳为以下三个方面 1 基本原理 岩石破坏 断裂 蠕变及岩石应力 应变理论等 2 实验室试验和现场原位测试 静力 动力方法 确定岩块 岩体的力学性状及岩体内初始应力等 3 工程应用 岩石地基的稳定和变形问题 岩石边坡稳定性问题 地下洞室围岩稳定 变形 加固问题 岩石破碎 岩石爆破等问题 二 岩石力学的研究对象 6 1 岩体是非均质各向异性材料 2 岩体内存在着初始应力场 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 岩体 非理想弹性体 非典型塑性体 非连续介质 非松散介质 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全解决岩体工程中的所有问题 三 岩体的特征 7 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 它广泛应用于采矿 土木 水利水电 铁路 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 四 岩石力学的产生及其发展 8 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 巷道接近地表 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沉陷 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 9 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 在这个阶段出现了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了岩石的破坏机理 10 基于弹塑性理论 流变理论研究岩体的应力 应变关系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 将某些岩体视为带黏性的介质 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 11 岩体力学已逐渐形成完整的学科体系 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 随信息计算发展 大量复杂岩体力学问题通过数值计算得到有效解决 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 12 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 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 13 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 五 岩石力学需要解决以下基础理论问题 14 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 五 岩石力学需要解决以下基础理论问题 15 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 六 岩石力学的研究方法 16 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 六 岩石力学的研究方法 17 3 理论分析与计算包括 1 建立岩石 岩体的破坏机理和破坏准则 2 岩石 岩体的变形特性研究 以及岩体强度和变形参数的估算 3 岩体工程稳定性分析与计算 4 岩体变形破坏的控制 六 岩石力学的研究方法 18 地质调查 工程地质分区 岩体结构划分 岩石岩体力学性质试验 岩体赋存条件分析 初始应力结构面几何特征 介质的模型化 物理数学 计算 解析数值计算 正反分析 分类确定岩体的质量等级 模拟试验 物理模拟相似材料 经验判据 岩体工程设计 加固措施 施工 长期监测 反馈分析 图1 1岩石力学研究步骤的框图 19 1 岩石力学与材料力学 弹塑性力学和流变力学等有着纵向联系 人们运用这些理论使岩体力学得到发展 2