岩石力学绪论2

1、1. 1. 张永兴张永兴主编，主编， 岩石力学；岩石力学；2. 2. 李世平等编，李世平等编， 岩石力学简明教程；岩石力学简明教程；3. 3. 蔡美峰主编，蔡美峰主编， 岩石力学与工程；岩石力学与工程；4. 4. 徐志英主编徐志英主编. . 岩石力学岩石力学. .学习要求:按时上课，遵守纪律：课后讨论与答疑课前预习重难点： 课时紧，难度大，选讲重点与难点，PPT不讲的也可能考，讲课内容与教材不完全一致（补充课外重点），编排体系则有差异，所以上课尽量不缺席，做好笔记，至少记提纲。课后复习与消化：教只起导的作用，重在学上，认真听课，尽量在课堂上消化。课后答疑与交流：普遍性的问题在班上集中讲解！章节

2、回顾与测试：随堂测试作平时作业成绩第一章 绪论引言岩石力学学科的形成及定义岩石力学理论的发展简史岩石力学中的基本概念岩石力学的基本研究内容(what)岩石力学中的研究方法(how)岩石力学的应用范围(why)一、引言人类活动与岩石工程（Rock Engineering） 岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都是在岩石圈上进行的：是在岩石圈上进行的：早在远古时代，人们就开始使用岩石制作工具，利用天然早在远古时代，人们就开始使用岩石制作工具，利用天然岩洞或挖掘岩洞做居室；岩洞或挖掘岩洞做居室；在在约约47004700年前，年前，古埃及古

3、埃及就开采岩石建造就开采岩石建造金字塔金字塔其最大高度其最大高度达到达到146.5146.5m m；公元公元16001600年，火药传入欧洲用以采矿和开挖隧道；年，火药传入欧洲用以采矿和开挖隧道；1919世纪铁路的大发展，要求限制铁道的坡度，导致隧道技世纪铁路的大发展，要求限制铁道的坡度，导致隧道技术的快速发展；术的快速发展；2020世纪大型水电工程的建设对岩石基础、边坡、地世纪大型水电工程的建设对岩石基础、边坡、地下洞室和隧道工程提出了更高的要求。比如说我国下洞室和隧道工程提出了更高的要求。比如说我国的南水北调，西气东输，的南水北调，西气东输，三峡大坝工程三峡大坝工程。 “高峡出平湖，当惊世

4、界殊高峡出平湖，当惊世界殊”经典的岩石工程与事故灾害(Catastrophe) 2.1 2.1 经典岩石工程（金字塔，三峡工程，见上）经典岩石工程（金字塔，三峡工程，见上）: :2.2. 2.2. 事故灾害事故灾害: :（1 1）2020世纪世纪5050年代末法国年代末法国MalpassetMalpasset拱坝的失事拱坝的失事MalpassetMalpasset坝位于法国南部坝位于法国南部RayranRayran河上，河上，坝高坝高66m66m，水库总库，水库总库容容51005100万万m3m3。坝顶高程。坝顶高程102.55m102.55m，顶部弧长，顶部弧长223m223m。坝的厚度由顶

5、。坝的厚度由顶部部1.5m1.5m渐变到中央底部渐变到中央底部6.76m6.76m，属双曲薄拱坝。该坝于，属双曲薄拱坝。该坝于19541954年末年末建成并蓄水建成并蓄水。库水位上升缓慢。历经。库水位上升缓慢。历经5 5年至年至19591959年年1111月中旬，库月中旬，库水位才达到水位才达到95.2m95.2m。这时的坝址下游。这时的坝址下游20m20m，高程，高程80m80m处有水自岩石处有水自岩石中流出。中流出。19591959年年1212月月2 2日日，大坝突然溃决，洪水出峡谷后流速仍，大坝突然溃决，洪水出峡谷后流速仍达达20km/h20km/h，下游，下游12km12km处处Fre

6、jusFrejus城镇部分被毁，城镇部分被毁，死亡死亡421421人人，财产，财产损失达损失达300300亿法郎。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础亿法郎。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游1.5km1.5km处，左岸坝基岩体处，左岸坝基岩体被冲出深槽。被冲出深槽。Malpasset坝现状（2 2）6060年代初意大利年代初意大利VajontVajont大坝水库高边坡的崩溃大坝水库高边坡的崩溃 1959 1959年年MalpassetMalpasset拱坝溃坝并造成的重大灾难震惊了工程界，拱坝溃坝并造成的重大灾难震惊了

7、工程界，开创开创了拱坝溃坝的先例。事故发生在坝工建设方面了拱坝溃坝的先例。事故发生在坝工建设方面，尤其是在拱坝建设方尤其是在拱坝建设方面为世界最先进的国家；该坝设计者的也是最负盛名的设计大师面为世界最先进的国家；该坝设计者的也是最负盛名的设计大师Andce Andce CoyneCoyne，先后设计了，先后设计了100100多座大坝。这次事故表明任何型式的包括被认多座大坝。这次事故表明任何型式的包括被认为最安全的拱坝都会遭到破坏为最安全的拱坝都会遭到破坏(Serafim(Serafim，1987)1987)。 1959 1959年建成的意大利年建成的意大利VajontVajont拱坝位于拱坝位

8、于PiavePiave河支流河支流VajontVajont河上，河上，坝高坝高262m262m，是当时世界上最高的拱坝。，是当时世界上最高的拱坝。19631963年年1010月月9 9日夜，当日夜，当VajontVajont水水库水位达到库水位达到700m700m高程时，大坝上游近坝左岸山体突然发生方量约高程时，大坝上游近坝左岸山体突然发生方量约2.52.5亿亿m3m3的的高速滑坡高速滑坡。滑坡体以。滑坡体以20-30m/s20-30m/s的速度冲入水库，掀起巨大涌浪，的速度冲入水库，掀起巨大涌浪，涌浪高度在右岸超出坝顶高度涌浪高度在右岸超出坝顶高度250m250m，左岸，左岸150m150m

9、。涌浪撞击山体后继续。涌浪撞击山体后继续向上下游传播，在上游摧毁了向上下游传播，在上游摧毁了ErtoErto和和CassoCasso两个村庄。向下游传播的涌两个村庄。向下游传播的涌浪翻越大坝泄入底宽仅浪翻越大坝泄入底宽仅20m20m的的VajontVajont河谷河谷，在冲入，在冲入PiavePiave河时席卷了河时席卷了LongaroneLongarone小镇及几个邻近村庄，造成小镇及几个邻近村庄，造成约约25002500人死亡人死亡(Jaeger,1979)(Jaeger,1979)。整个灾害的持续时间仅仅整个灾害的持续时间仅仅5 5分钟分钟。Vajont现状现状 这两次事件促成了国际岩石

10、力学学会（ISRM, International Society for Rock Mechanics）在1963年于奥地利萨尔茨堡成立。 (1985年，中国岩石力学与工程学会正式成立)。 二、岩石力学学科的形成及定义二、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 Eenigeering1956年4

11、月，在美国的科罗拉多矿业学院（Colorado School of Mines）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”是这方面最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）。 1964年年5月美国地质学会岩石力学专业委员会所月美国地质学会岩石

12、力学专业委员会所下的定义为：下的定义为：“岩石力学是研究岩石的力学性状岩石力学是研究岩石的力学性状（behaviorbehavior）的一门理论和应用的科学，它是固体力学）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，具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变的学科，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形和破坏规律以及工程稳定性等问题. .”上述定义是把上述定义是把“岩石岩石”看成固体力学中的一种材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，

13、料，然而岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是一种典型的它是一种典型的“连续介质连续介质”，具有复杂的地质构造和，具有复杂的地质构造和赋存条件的天然地质体。赋存条件的天然地质体。岩石力学的定义（Rock MechanicsRock Mechanics)三、岩石力学理论的发展简史三、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岩石力学的萌芽时期A. Heim(1912)A. Heim(1912)提出了静水压力的理论提出了静水压力的理论W. J. M. RankineW. J. M. Rankine（朗肯）和（朗肯）和A.H.A.H.( (金金尼克尼克) )地层

14、压力的修正理论，即地层压力的修正理论，即HHhv-1)24(2或tg经验理论阶段(20世纪初20世纪30年代) 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 经典理论阶段(20世纪世纪30年代年代20世纪世纪60年代年代)岩石力学学科形成的重要阶段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形成围岩与支护共同作用理论 实验方法的完善实验方法的完善 一系列岩石力学文献和专著的出版一系列岩石力学文献和专

15、著的出版 岩体工程问题的解决形成了岩体工程问题的解决形成了“连续介质理论连续介质理论”和和“地质力学理论地质力学理论”两大学派两大学派 连续介质理论连续介质理论 特点特点：以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质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。出发来认识岩石工程的稳定问题。3030年代，萨文年代，萨文(P. H. (P. H. ) )采用无限大板孔应力集中的采用无限大板孔应力集中的弹性解弹性解分析分析围岩的应力分布；围岩的应力分布；5050年代，年代，弹塑性理论弹塑性理论应用于围岩稳定性研究；应用于围岩稳定性研究； R. Fenner R. FennerJ

16、. TalobreJ. Talobre公式和公式和 H. Kastner H. Kastner 公式；公式；应用应用流变理论流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析；对隧洞围岩的进行粘弹性分析； 不足不足：解析方法仅适合平面的圆形巷道，不能模拟开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。质参数和准确的本构关系难以确定。 地质力学理论地质力学理论 特点：特点：注重研究地层结构和力学性质与岩石工程稳注重研究地层结构和力学性质与岩石工程稳定性的关系，强调对岩体节理、裂隙的研究，重视定性

17、的关系，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。岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。 2020年代，由德国人年代，由德国人 H. Cloos H. Cloos 创立创立 5151年，年，J. Stini J. Stini 和和 L. ML. Mller ller 创立了创立了“奥地利学派奥地利学派”： 在理论方面，在理论方面，指出指出工程围岩稳定性与原岩应力和开挖后岩体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，的力学强度变化密切相关，重视重视岩石工程施工过程中应力、岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，位移和稳定性状态的监

18、测，重视重视支护与围岩的共同作用，支护与围岩的共同作用，特特别重视别重视利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性 在施工方面，提出了在施工方面，提出了“新奥法新奥法”，符合现代岩石力学理论，符合现代岩石力学理论 不足：不足：过分过分强调节理、裂隙的作用，强调节理、裂隙的作用，过分过分依赖经验，依赖经验，而而忽视忽视理论的指导作用理论的指导作用现代发展阶段(20世纪60年代现在) 特点：特点：用更为复杂多样的用更为复杂多样的力学模型分析力学模型分析岩石力学问题；把力岩石力学问题；把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等学、物理学、系统工程、现代数

19、理科学、现代信息技术等最新最新成果成果引入了岩石力学；引入了岩石力学； 电子计算机的广泛应用电子计算机的广泛应用为流变学、断裂为流变学、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线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能从从“材料材料”概念到概念到“不连续介质概念不连续介质概念”是现代岩石力是现代岩石力学的第一步突破；学的第一步突破；进入计算力学阶段是第二步突破；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（有限元、边界元、离散元、位移非连续法（DDA)D

20、DA)和流行元法和流行元法非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用非线性理论、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、耗散结构论、协同学、分叉和混沌理论，模糊数学、人工智能、灰色理论灰色理论 四、岩石力学中的几个基本概念四、岩石力学中的几个基本概念 岩石岩石 (Rock) 定义：岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿定义：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物或岩屑在地质作用下按

21、一定规律凝聚而成的天然地质体。然地质体。 岩石按照其成因可分为三类：岩浆岩，沉积岩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和变质岩，不同成因类型的岩石具有不同的物理具有不同的物理力学性质（自学、了解）力学性质（自学、了解）。岩块岩块 自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平时所称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。的岩石，在一定程度上都是指岩块。 在实验室内通常用一定规格的试件进行岩石物理在实验室内通常用一定规格的试件进行岩石物理力学指标试验。这种岩石试件是由钻孔获取岩芯或力学指标试验。这种岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程范围内用爆

22、破或其他方法获得的岩石碎块加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。工而成。 岩块通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石岩块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。块体，可看作连续介质及均质体。岩体岩体 ( (Rock Mass) ) 岩体是指在一定地质条件下，含有诸如裂隙、节理、层理、断层、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。断层断层 （Fault） 褶皱褶皱 ( (Drape) ) 层理层理 ( (Lamina) ) 岩体结构岩体结构岩体结构：包括结构面和结构

23、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。 结构面是岩体的重要组成单元，岩体质量的好坏与结构面的性质密切相关。 结构面的强度取决于它的特性，即它的粗糙度及充填物的性质。 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。结构体：结构体：被结构面所包围的完整岩石或隐蔽裂隙的岩石，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。在由不同产状的结构面组合切割而形成的岩石块体。在地质发展历史中，尤其

24、是地质构造变形过程中形成。地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成。 结构体也是岩体的重要组成部分。常见单元结构体有块状、柱结构体也是岩体的重要组成部分。常见单元结构体有块状、柱状、板状体，以及菱形、楔形、锥形体等多种结构体形式。状、板状体，以及菱形、楔形、锥形体等多种结构体形式。 在研究结构体时，首先要弄清结构体的岩石类型及其物理力学在研究结构体时，首先要弄清结构体的岩石类型及其物理力学属性，然后根据结构面的组合确定结构体的几何形态和大小，属性，然后根据结构面的组合确定结构体的几何形态和大小，以及结构体之间的镶嵌组合关系等。以及结构体之间的镶嵌组合关系等。岩体结构：五、岩石力学的基本研究

25、内容五、岩石力学的基本研究内容(1) (1) 岩石、岩体的地质特征岩石、岩体的地质特征 岩石的物质组成和结构特征岩石的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结构及其力学特性 岩体工程分类岩体工程分类(2) (2) 岩石的物理、水理与热力学性质岩石的物理、水理与热力学性质(3) (3) 岩石的基本力学性质岩石的基本力学性质 岩块在各种力学作用下的变形和强度特征及力学岩块在各种力学作用下的变形和强度特征及力学 指标参数指标参数 影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度

26、等度、湿度等 岩石的变形破坏机理及其破坏判据岩石的变形破坏机理及其破坏判据 (4) (4) 结构面力学性质结构面力学性质 结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形特征及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参数确定 结构面剪切强度特征及其测试技术和方法结构面剪切强度特征及其测试技术和方法(5) (5) 岩体力学性质岩体力学性质 岩体变形与强度特征及其原位测试技术与方法岩体变形与强度特征及其原位测试技术与方法 岩体力学参数的弱化处理与经验估计岩体力学参数的弱化处理与经验估计 影响岩体力学性质的主要因素影响岩体力学性质的主要因素 岩体中地下水赋存、运移规律及岩体的水力学特征岩体中地下水

27、赋存、运移规律及岩体的水力学特征(6) (6) 原岩应力分布规律及其测量理论与方法原岩应力分布规律及其测量理论与方法(7) (7) 工程岩体的稳定性工程岩体的稳定性 各类工程岩体在开挖作用下的应力、位移分布特征各类工程岩体在开挖作用下的应力、位移分布特征 各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形破坏特征各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形破坏特征 各类工程岩体的稳定性分析与评价各类工程岩体的稳定性分析与评价(8) (8) 岩石工程稳定性维护技术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包括岩体性质的改善与加固技术等(9) (9) 各种新技术、新方法和新理论在岩石力学中的各种新技术、新方法和

28、新理论在岩石力学中的应用应用(10) (10) 工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术 数值模型模拟数值模型模拟 物理模型模拟物理模型模拟 原位监测是检验岩体变形与稳定性分析成果正确的标准原位监测是检验岩体变形与稳定性分析成果正确的标准六、岩石力学的研究方法(1)(1) 工程地质研究方法工程地质研究方法 岩矿鉴定方法岩矿鉴定方法 构造地质学及工程勘察方法构造地质学及工程勘察方法 水文地质学方法水文地质学方法(2) (2) 科学实验方法科学实验方法 科学实验是岩石力学发展的基础，包括：实验室岩石科学实验是岩石力学发展的基础，包括：实验室岩石力学参数的测定、模

29、型试验、现场岩体的原位试验及力学参数的测定、模型试验、现场岩体的原位试验及监测技术、地应力的测定和岩体构造的测定等监测技术、地应力的测定和岩体构造的测定等 地质构造的勘测、大地层的力学测定地质构造的勘测、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、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三维地震勘测成象和三维CTCT成象技术、微震技术等成象技术、微震技术等（3 3）数学力学分析方法）数学力学分析方法 力学模型：刚体、弹性、塑性、流变、力学模型：刚体、弹性、塑性、流变、 断裂、损伤、细观断裂、损伤、细观 数值分析：有限差分法、有限元法、边界元法、离

30、数值分析：有限差分法、有限元法、边界元法、离 散元法、无界元法、流形元法、不连续变散元法、无界元法、流形元法、不连续变 形分析、块体力学和反演分析法等形分析、块体力学和反演分析法等 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，相似材料模型试验模拟分析：光弹应力分析，相似材料模型试验 离心模型试验离心模型试验(4) (4) 整体综合分析方法整体综合分析方法 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七、岩石力学的应用范围(1) (1) 水利水电工程水利水电工程 坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术坝基及坝肩稳定性、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高速水流冲刷的岩石力学问题 水库诱发地震的预报问题水库诱发地震的预报问题 库岸稳定及加固