第1讲绪论(2016版)岩石力学.

1、岩石力学与工程岩石力学与工程ROCK MECHANICS AND ROCK ENGINEERING主讲：刘泉声教授 张晓平教授主讲教师联系方式刘泉声刘泉声 教授教授电话：电话ail: 张晓平张晓平 教授教授电话：电话ail: 今日授课内容 注意事项注意事项 课程介绍课程介绍 绪论绪论 岩石的基本构成岩石的基本构成1、注意事项、注意事项u 三条课堂纪律：三条课堂纪律：l不得缺课不得缺课l提前提前5分钟到课堂分钟到课堂l课堂上关闭手机课堂上关闭手机u 严格执行学校教务部关于学生平时到课记录和考试严格执行学校教务部关于学生平时到课记录和考试成绩评定

2、要求的规定。成绩评定要求的规定。2、课程介绍、课程介绍2.1 课程性质、目的和任务课程性质、目的和任务性质：性质：土木工程专业技术基础必修课程土木工程专业技术基础必修课程目的：目的：掌握岩石工程稳定性分析评价、开挖掌握岩石工程稳定性分析评价、开挖支护（加固）设计和施工的理论和方法支护（加固）设计和施工的理论和方法2.1 课程性质和任务课程性质和任务学习任务学习任务：岩石的基本力学性质及实验研究方法、岩体的质量评价方法岩石的基本力学性质及实验研究方法、岩体的质量评价方法及其分类理论、地应力及其测量理论和方法、岩石的本构关及其分类理论、地应力及其测量理论和方法、岩石的本构关系和强度理论。系和强度理

3、论。岩石地下工程、边坡工程、地基工程中岩体稳定性的分析评岩石地下工程、边坡工程、地基工程中岩体稳定性的分析评价、支护加固设计和施工的理论与方法。价、支护加固设计和施工的理论与方法。先修课程：先修课程：理论力学、材料力学、弹性力学、工程地质等理论力学、材料力学、弹性力学、工程地质等后续课程：后续课程：隧道工程、边坡工程隧道工程、边坡工程 等等课程设置：课程设置：总学时总学时38，课堂，课堂34，实验，实验 4， 学分学分22.2 课程教学基本要求课程教学基本要求1）课程重点）课程重点岩石的基本力学性质及其实验研究方法、岩体质量评岩石的基本力学性质及其实验研究方法、岩体质量评价及其分类方法、地应力

4、及其测量理论和方法、岩石价及其分类方法、地应力及其测量理论和方法、岩石本构关系和强度理论、岩石地下工程、岩石边坡工程。本构关系和强度理论、岩石地下工程、岩石边坡工程。2）课程难点）课程难点岩石本构关系和强度理论、节理面的力学性质，岩体岩石本构关系和强度理论、节理面的力学性质，岩体工程分析评价理论和方法。工程分析评价理论和方法。3）能力培养要求）能力培养要求岩石力学实验技能，岩石力学的研究方法，地下工程岩石力学实验技能，岩石力学的研究方法，地下工程和边坡工程中岩体稳定性分析评价及支护加固理论和和边坡工程中岩体稳定性分析评价及支护加固理论和方法。方法。2.3 课程教学方法课程教学方法1）课堂讲授）

5、课堂讲授2）课后作业）课后作业3）文献阅读指导）文献阅读指导4）课堂讨论）课堂讨论5）实验）实验 2.4 课程考核课程考核平时作业、上课纪律：平时作业、上课纪律：20分分文献报告和讨论：文献报告和讨论： 10分分实验课、实验报告：实验课、实验报告： 10分分期终考试（闭卷）：期终考试（闭卷）： 60分分课程内容课程内容讲课讲课讨论讨论实验实验合计合计绪论绪论+岩石物理力学性质岩石物理力学性质63岩体力学性质与质量评价岩体力学性质与质量评价6地应力及其测量地应力及其测量4岩石本构关系岩石本构关系与强度理论与强度理论4岩石地下工程岩石地下工程6岩石边坡工程岩石边坡工程42岩石地基工程岩石地基工程2

6、合计合计3223382.5 课程教学内容与学时分配课程教学内容与学时分配章节内容章节内容绪论（绪论（2学时）学时）岩石与岩体的界定岩石与岩体的界定岩石力学岩石力学的研究任务、研究内容、研究方法的研究任务、研究内容、研究方法岩石力学与其他学科的交叉岩石力学与其他学科的交叉岩石力学发展简史岩石力学发展简史第第1章章 岩石物理力学性质（岩石物理力学性质（4学时）学时）岩石的物理性质岩石的物理性质 （岩石的密度、孔隙性、水理性、透水性、碎胀性）（岩石的密度、孔隙性、水理性、透水性、碎胀性）岩石的强度性质及其实验测定方法岩石的强度性质及其实验测定方法岩石的变形性质岩石的变形性质影响岩石力学性质的主要因素

7、影响岩石力学性质的主要因素岩石的流变性质岩石的流变性质章节内容章节内容第第2章章 岩体力学性质及质量评价（岩体力学性质及质量评价（6学时）学时）岩体结构岩体结构结构面的几何性质与力学性质结构面的几何性质与力学性质岩体的强度性质岩体的强度性质岩体的变形性质岩体的变形性质工程岩体质量评价及其分类工程岩体质量评价及其分类第第3章章 地应力及其测量（地应力及其测量（4学时）学时）地应力及其成因地应力及其成因 （初始地应力状态，（初始地应力状态， 岩体自重应力，岩体自重应力， 岩体构造应力）岩体构造应力）岩体初始应力分布规律岩体初始应力分布规律岩体初始应力的几种测定方法岩体初始应力的几种测定方法 （重点

8、掌握应力解除法和水压致裂法）（重点掌握应力解除法和水压致裂法）章节内容章节内容第第4章章 岩石本构关系与强度理论（岩石本构关系与强度理论（4学时）学时）岩石本构关系岩石本构关系（弹性本构关系（弹性本构关系弹塑性本构关系）弹塑性本构关系）岩石流变理论岩石流变理论岩石强度理论与破坏准则岩石强度理论与破坏准则章节内容章节内容第第6章章 岩石地下工程（岩石地下工程（6学时）学时）地下隧洞围岩次生应力及其计算地下隧洞围岩次生应力及其计算 （弹性力学分析方法、（弹性力学分析方法、 弹塑性力学分析方法、弹塑性力学分析方法、 块体平衡理论分析法、块体平衡理论分析法、 松散体力学分析法、松散体力学分析法、 普氏

9、平衡拱理论、普氏平衡拱理论、 太沙基理论）太沙基理论）围岩压力与控制围岩压力与控制岩石地下工程稳定性监测岩石地下工程稳定性监测软岩工程软岩工程章节内容章节内容第第7章章 岩石边坡工程（岩石边坡工程（6学时，含讨论学时，含讨论2学时）学时）边坡的破坏形式及其影响因素边坡的破坏形式及其影响因素边坡的稳定性分析边坡的稳定性分析滑坡的防治与监测滑坡的防治与监测第第8章章 岩石地基工程（岩石地基工程（2学时）学时）地基承载力的确定地基承载力的确定建筑物岩石地基建筑物岩石地基岩石路基岩石路基水工构筑物的岩石地基水工构筑物的岩石地基实验教学实验教学实验课内容（实验课内容（4学时）学时）实验一实验一 岩石单轴

10、压缩变形与单轴抗压强度测定；岩石单轴压缩变形与单轴抗压强度测定；实验二实验二 岩石三轴压缩变形与三轴抗压强度测定；岩石三轴压缩变形与三轴抗压强度测定；实验三实验三 岩石直剪变形与抗剪强度测定岩石直剪变形与抗剪强度测定实验课安排：实验课安排：课堂讲述实验目的和方案课堂讲述实验目的和方案试验过程观察、记录试验过程观察、记录课后试验数据处理和试验报告课后试验数据处理和试验报告课程教材与参考书课程教材与参考书教材教材岩石力学与工程岩石力学与工程（第二版）（第二版）蔡美峰主编，科学出版社，蔡美峰主编，科学出版社，2013参考书参考书1、岩石力学岩石力学，黄黄醒春主编，高等教育出版社，醒春主编，高等教育出

11、版社，20052、工程实用岩石力学工程实用岩石力学，张忠亭张忠亭、景锋景锋、杨和礼杨和礼编著，中国水利水电出版社，编著，中国水利水电出版社，20093、岩体力学岩体力学，沈沈明荣主编，同济大学出版社，明荣主编，同济大学出版社，19994、岩体力学岩体力学，凌凌贤长主编，哈尔滨工业大学出贤长主编，哈尔滨工业大学出版社，版社，2002第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 岩石与岩体的界定岩石与岩体的界定u什么是岩石？什么是岩石？l狭义概念：材料狭义概念：材料l广义概念：岩体广义概念：岩体岩体岩体天然地质体：地质结构（岩块天然地质体：地质结构（岩块+ +结构面）结构面） 赋存条件（初始应力、地下水、

12、温度场）赋存条件（初始应力、地下水、温度场）工程岩体：工程开挖和构筑过程引起应力变化，人工程岩体：工程开挖和构筑过程引起应力变化，人地系统地系统复杂性：非连续性、非均匀性、各向异性、岩石块复杂性：非连续性、非均匀性、各向异性、岩石块体结构的可移动性、模型和参数的不确定性体结构的可移动性、模型和参数的不确定性1.1 岩石与岩体的界定岩石与岩体的界定u什么是岩石力学？什么是岩石力学？l 认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。l 研究岩石系统的力学行为和岩石工程稳定性（分析方研究岩石系统的力学行为和岩石工程稳定性（分析方法、控制理论和技术）的一门

13、学科。法、控制理论和技术）的一门学科。1.2 岩石力学岩石力学的研究任务、内容与方法的研究任务、内容与方法u岩石力学的应用范围及主要研究问题岩石力学的应用范围及主要研究问题p 土木建筑工程土木建筑工程：建筑物岩石地基建筑物岩石地基 ；大型地下硐室、地；大型地下硐室、地下空间工程下空间工程 ；建筑边坡；建筑边坡p 交通工程交通工程：路堑边坡；山岭隧道；水底隧道；城市路堑边坡；山岭隧道；水底隧道；城市地铁隧道地铁隧道p 水利水电工程水利水电工程：坝基及坝肩；有压和无压隧道；大跨坝基及坝肩；有压和无压隧道；大跨度高边墙地下厂房洞室群；库岸边坡度高边墙地下厂房洞室群；库岸边坡p 采矿工程采矿工程：露天

14、采矿边坡；井工开采巷道和采场；矿露天采矿边坡；井工开采巷道和采场；矿井突水、岩爆、煤与瓦斯突出；采空区处理及地面沉降；井突水、岩爆、煤与瓦斯突出；采空区处理及地面沉降；岩石破碎问题。岩石破碎问题。1.2 岩石力学岩石力学的研究任务、内容与方法的研究任务、内容与方法u岩石力学的应用范围及主要研究问题岩石力学的应用范围及主要研究问题p 石油工程石油工程：岩石应力与岩石渗透性；钻探技术与井壁稳岩石应力与岩石渗透性；钻探技术与井壁稳定性；定性； 油层压缩及地表沉陷；油层压缩及地表沉陷； 油气储存工程及环境影油气储存工程及环境影响。响。p 核电：核废料地质处置核电：核废料地质处置p 地热资源开发：干热岩

15、体水压致裂、水流控制地热资源开发：干热岩体水压致裂、水流控制p 地震预报中的岩石力学问题地震预报中的岩石力学问题地下工程（洞）、边坡工程（坡）、地下工程（洞）、边坡工程（坡）、地基地基工程（基）稳定工程（基）稳定性（分析与控制）性（分析与控制）1.3 岩石力学与其它学科的交叉岩石力学与其它学科的交叉（1 1）地质学）地质学 理解岩体结构、赋存条件的基础学科理解岩体结构、赋存条件的基础学科（2 2）力学）力学 提供分析方法的基础学科提供分析方法的基础学科 属于固体力学范畴，与渗流力学密切相属于固体力学范畴，与渗流力学密切相关关（3 3）计算机科学）计算机科学 必不可少的分析计算工具必不可少的分析

16、计算工具1 1、初始阶段（初始阶段（1919世纪末世纪末2020世纪初）：世纪初）：萌芽时期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：产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题：l 1912 1912年瑞典地质学家海姆年瑞典地质学家海姆( (A.HeimA.Heim) )提出了提出了静水压力的静水压力的理论：理论： v v= = h h = = H H。l朗肯（朗肯（W. J. M. W. J. M. RankineRankine）和金尼克）和金尼克(A. H. (A. H. ) ) 提出提出了只有垂直压力等于了只有垂直压力等于 H H，而水平压力应为，而水平压力应为 H H乘一个乘

17、一个侧压侧压系数系数，即，即 H H 由于当时地下工程埋深不大，曾一度认为这些理论是由于当时地下工程埋深不大，曾一度认为这些理论是正确的。但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到正确的。但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不准确的。上述理论是不准确的。 1.4 1.4 岩石力学发展简史岩石力学发展简史一、发展阶段一、发展阶段 2 2、经验理论阶段、经验理论阶段(20(20世纪初世纪初1930S)1930S)：散体地压理论散体地压理论该阶段出现了该阶段出现了用材料力学和结构力学用材料力学和结构力学的方法的方法分析分析地下工程地下工程的的支护支护问题：问题：l最有代表性的理论是苏联学

18、者普罗托吉雅柯诺夫最有代表性的理论是苏联学者普罗托吉雅柯诺夫（. ）提出的自然平衡拱学说，即）提出的自然平衡拱学说，即普氏普氏理论理论。l太沙基（太沙基（K.TerzaghiK.Terzaghi）也提出相同的理论，只是他认为塌）也提出相同的理论，只是他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。 普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。上述理论在当时的条件下发挥了一定作用。的。上述理论在当时的条件下发挥了一定作用。并非所有的地下工程都出现冒落拱，围岩和支护间并非完并非所有的地下工程都出现冒落拱，围岩和支护

19、间并非完全的荷载和结构的关系，多数情况下围岩和支护共同承载全的荷载和结构的关系，多数情况下围岩和支护共同承载1.4 岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段3 3、经典理论阶段（、经典理论阶段（1930S1960S1930S1960S） 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l弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，形成围岩和支弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，形成围岩和支护共同作用的理论护共同作用的理论l结构面对岩体力学性质的影响受到重视结构面对岩体力学性质的影响受到重视l岩石力学形成了一门独立的学科岩石力学形成了一门独立的学科l形成了两大学派：形成了两大学派：连续

20、介质理论连续介质理论和和地质力学理论地质力学理论1.4 岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段u连续介质力学理论连续介质力学理论1.4 岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段以固体力学作为基础，从以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质材料的基本力学性质出发来出发来认识岩石认识岩石工程的稳定工程的稳定问题。问题。 萨文（萨文（ . . ）用无限大平板孔附近应力集中的弹性）用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计算分析岩石工程的围岩应力分布。解析解来计算分析岩石工程的围岩应力分布。 鲁滨湟特（鲁滨湟特（.）运用连续介质理论写出了求解岩）运用连续介质理论写

21、出了求解岩石力学问题的系统著作。石力学问题的系统著作。 运用弹塑性理论研究围岩稳定，导出著名的芬纳公式、喀斯运用弹塑性理论研究围岩稳定，导出著名的芬纳公式、喀斯特纳公式；用流变模型进行隧道围岩的粘弹性分析。特纳公式；用流变模型进行隧道围岩的粘弹性分析。 引入有限元、有限差分引入有限元、有限差分 等数值计算。强调地应力作用。等数值计算。强调地应力作用。存在的问题存在的问题：1 1）边界加载，）边界加载，远处位移远处位移大大，开挖，开挖体内边缘位移小；没有考体内边缘位移小；没有考虑开挖支护的虑开挖支护的施工过程力学效应施工过程力学效应。2 2）过分注重对岩石）过分注重对岩石“材料材料”的研究，追求

22、准而又准的的研究，追求准而又准的“本本构关系构关系”，没有重视本构模型和参数的不确定性。，没有重视本构模型和参数的不确定性。u地质力学理论地质力学理论1.4 岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段注重研究注重研究地层结构和力学性质地层结构和力学性质与与岩石工程稳定性的关系岩石工程稳定性的关系。2020世纪世纪2020年代由德国人克罗斯（年代由德国人克罗斯（H.CloosH.Cloos）创立。）创立。主要观点：主要观点：1 1）反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学原理）反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学原理进行分析进行分析 2 2）重视）重视岩体结构面对岩石工程稳定

23、性的影响和控制作岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用用。以斯梯尼（以斯梯尼（J.StiniJ.Stini）和米勒）和米勒(L.Mller)(L.Mller)代表，形成了代表，形成了“奥地奥地利学派利学派”和和“新奥法新奥法”学说。学说。 地质力学理论的主要贡献：地质力学理论的主要贡献： 1 1）必须了解地应力和开挖后岩体的力学强度变化；）必须了解地应力和开挖后岩体的力学强度变化； 3 3）节理裂隙对岩石工程稳定性的控制作用；）节理裂隙对岩石工程稳定性的控制作用； 4 4）重视工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，）重视工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，这是现代信息岩石力学的雏形；这是现代信息岩石力学的雏形； 5 5）重视支护与围岩的共同作用，利用围岩自身强度维持）重视支护与围岩的共同作用，利用围岩自身强度维持工程稳定。工程稳定。地质力学理论的缺陷：地质力学理论的缺陷： 1 1）过分依赖经验，而忽视理论的指导作用。）过分依赖经验，而忽视理论的指导作用。 2 2）完全反对把岩体作为连续介质看待，这种认识阻碍）完全反对把岩体作为连续介质