高等岩石力学1-4章

1、高等岩石力学高等岩石力学 advanced rock mechanics 阴 可 教授 重庆大学土木工程学院 2013.09-12 教学内容 绪论 工程背景 力学基础知识 地应力 完整岩石 不连续面 岩体 教学内容 岩体渗流 各向异性与非均匀性 试验技术与数值模拟 岩体分类 岩石动力学与流变特性 岩体开挖与稳定性 岩体工程 参考文献 J.A. Hudson, J.P. Harrison. Engineering Rock Mechanics, Pergamon, 1997(中译本，科学 出版社，2009) J.C. Jeager, N.G.W. Cook. Fundamentals of ro

2、ck mechanics. 1979(有中译本) L. Muler. Rock mechanics.1974. 本书是德、 奥、美、意、法等国十名知名岩石力学家 1974年在意大利乌迪内国际岩石力学中心举 办的一次岩石力学讲座文献 参考文献 孙广忠，岩体结构力学，科学出版社， 1988 周维垣主编，高等岩石力学，水利电力 出版社，1990 E. Hoek，J.W. Bray. Rock Slope Engineering, 1981 E. Hoek, E.T. Brown. Underground Excavation in Rock, 1980 参考文献 杜庆华，余寿文，姚振汉。弹性理论，科

3、学 出版社，1986 陆明万，罗学富。弹性理论基础，清华大学 出版社，1990 徐秉业，陈森灿。塑性理论简明教程，清华 大学出版社，1981 B.K. Atkinson. Fracture Mechanics of Rock ,1987(有中译本) 尹双增。断裂 损伤理论及应用，清华大学出 版社，1992 平时要求及课程成绩 平时成绩+期末书面闭卷考试 第第1章章 绪论绪论（introduction） 1.岩石力学的定义与内涵 岩石力学是从经验到理论然后回到工程的过程 “岩石力学是岩石力学性态的理论和应用的科 学，它是与岩石性态对物理环境的力场反应有 关的力学分支”（Judd，1964） “岩

4、石力学是研究岩石的力学性状的一门理论 和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩 石对周围物理环境中力场的反应。”（美国科 学院岩石力学委员会，1966） 定义的“材料”特点 岩石的工程属性和特点 “岩石力学主要是与工程和采矿中遇到 的那种规模的岩体有关，因而它也可以 看作对易于接近的岩体在应力和环境条 件变化下性态和特性的研究”（J.C. Jeager，N.G.W.Cook，1979） “岩石力学是一门认识和控制岩石系统 的力学行为和工程功能的科学”（王思 敬，1998） 2.主要研究的领域和问题 水利水电工程： 坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术； 引水隧道设计、施工及加固理论技术； 大跨

5、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。 采矿工程： 露天矿山边坡设计及加固技术； 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； 采场稳定性及开采优化（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、煤及瓦斯突出预测及预处理理论和技术； 采空区处理及地面沉降问题； 岩石采挖破碎问题。 交通建设工程： 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； 高地应力区的岩爆理论及处理； 隧道入口施工技术及洞口边坡设计及支护措施；

6、 地铁施工技术。 土木工程： 建筑地基处理与加固技术； 地下硐室、地下建筑空间的设计、施工与加固； 岩质边坡的稳定与支护； 地质灾害防治问题。 石油工程： 岩石应力与岩石渗透性； 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； 岩石力学与采油技术（水压致裂、水平钻孔）； 油层压缩及地表沉陷； 石油、天然气储运技术及环境影响； 海洋勘探与开发工程 核废料处理问题 地热能源开发技术 地震预报中的岩石力学 岩体稳定性、山体稳定性、场区稳定性、 区域稳定性、地壳深部活动性 基础、边坡和地下工程 理论研究和工程应用 3.岩石力学的研究方法 地质研究 岩石岩相、岩层特征研究 岩体结构研究 环境因

7、素研究 科学试验 室内物理力学试验 原位现场试验及监测 地应力、岩体结构及其它环境测定 理论分析 数学力学分析 数值模拟分析 工程验证及综合分析 试验和工程类比 4.岩石力学发展历史 从发展的时期看 初始阶段（19世纪末20世纪初） 经验理论阶段（20世纪初） 经典理论阶段（20世纪30年代20世纪60年 代） 现代发展阶段（20世纪60年代现在） 从地域和国家看 欧洲： 奥地利，德国 1951年6月，萨尔斯堡，奥地利学 派，J.Stini, L.Mller，第一届国际地质力学研讨会， 1962年10月，成立国际岩石力学学会， 英国，E.Hoek, J.W.Bray, O.C.Zienkiew

8、cz 前苏联、波兰、前南斯拉夫、瑞典、挪威 葡萄牙、意大利 美洲及澳洲、南非 亚洲：日本、印度 中国 第第2章章 工程背景工程背景（Geological Setting） 2.1 作为工程材料的岩石 Rock as an engineering material 已赋存并高度变化的材料（an existing material which is highly variable） 工程性质的区别决定我们对岩石力学性状的关 注方面 岩体性状、地应力及工程对象的结合 2.2 天然岩石环境 Natural rock environments 工程位置 裂隙控制近地表工程稳定性，地应力控制深部 结构稳定

9、性 其他因素的影响 地质识别：地质勘查、正确解释 2.3 地质因素对岩石及岩体的影响 the influence of geological factors on rocks and rock masses 五个方面的影响 完整岩石（intact rock） 定义 单轴压缩全应力-应变曲线 4组典型岩石的应力-应变曲线 不连续面及岩石结构 Discontinuities and rock structure 岩石存在破损和峰值后力学特性，导致 Through natural processes, the in situ rock may have already failed and form

10、ed faults and joints; These faults and points may be the weak links in the rock structure. 不连续面与岩石结构 三种断裂方式 岩石破坏与不连续面直接相关 原位已存在的岩石应力 In situ pre-existing rock stress 原位应力 应力调整和重分布、二次应力场 加载与卸载 地应力分布特征 地应力测量 孔隙流体和水流 Pore fluids and water flow 土体中的有效应力理论 岩体中水的流动是非连续性、连通率和水文地质 环境的函数 工程活动严重影响应力和水流 工程应用 时

11、间的影响 influence of time 缓慢的地质作用和快速的工程活动 理论分析方法 材料的时间效应 第3章 力学基础知识 1 概论 弹性理论 基本假设：连续体、弹性变形 基本方法： 经典的静力-几何-物性关系 能量方式-变分 概念的应用 叠加原理 解的唯一性 局部静力等效与局部作用原理（圣维南原理） 2 应力理论 应力的概念与符号 坐标表示、附标表示、矩阵表示、张量 表示法 应力张量 斜面应力和柯西公式 应力张量为对称张量 主应力和主方向、应力不变量 最大剪应力 运动微分方程 边界条件 f 0 , ijji f nt jjii nt 3 变形的几何理论 连续体变形的描述： 拉格朗日坐标

12、与欧拉坐标 应变的概念与应变张量 小变形应变张量 应变不变量、圆柱坐标和球坐标小应变 公式 变形协调方程（相容方程） 4 应力应变关系 应力应变关系的试验依据 各向同性弹性体的应力应变关系 各向异性体的广义胡克定律 5 线弹性基本问题和一般解 弹性理论的基本方程和边界条件 弹性理论的位移基本方程和应力基本方 程 逆解法和半逆解法 第第4章章 地应力地应力（In situ stress） 4.1 概述 什么是地应力？ 为什么要确定地应力？ 怎么量化表述地应力？ 4.2 地应力的测量方法 直接测量法、间接测量法、指标测量法 国际岩石力学学会（ISRM）推荐： 扁千斤顶法（the flatjack

13、test）； 水压致裂法（the hydraulic fracturing test）; 美国矿务局钻孔孔径变形计法（The United States Bureau of Mines (USBM) overcoring torpedo）； a)澳大利亚联邦科学与工业组织空芯包体应变计法 （The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) overcoring gauge）。 扁千斤顶法 水压致裂法 水压致裂法 前提要求和假设 不能预先有裂缝 测试段便于量测水压力 能确定初始裂缝开裂的方向和位置 钻孔方向平行主应力方向 方法缺陷 对应上1 对应上4 弹性理论假设的成立 1.岩石抗拉强度的确定 USBM钻孔变形应变计法 CSRIO空芯包体应变计法 各方法确定的应力分量 4.3 地应力分布规律 地壳中主应力为压应力，方向基本上是 垂直和水平的 垂直应力随深度呈线性增长 水平应力分布比较复杂 最大水平应力分量绝大多数大于垂直应力 分量； 地壳中第一主应力方向接近水平； 两个水平应力分量中比值1.