第一章 认识岩石力学.ppt

1、1 认识岩石力学,第一章 绪论,岩体力学（Rock Mechanics）研究岩体在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科，也被称为岩石力学。它是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩体工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。,岩石力学的定义,美国科学院岩石力学委员会1966年对岩石力学给予如下的定义：岩石力学是研究岩石的力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应的力学分支。 这个定义指出了岩石（岩体）是一

2、种天然材料与其赋存的地质环境、形成历史、地壳运动以及工程因素之间的联系。,岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律 聚集而形成的自然物体 。,这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 。,构造（construction）: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系。,第一节 岩石与岩体 rock and rock mass,矿物（mineral）：存在地壳中的具有一定化学成分 和物理性质的自然元素和化合物。,结构（structure）：组成岩石的物质成分、颗粒大小 和形状以及其相互结合的情况。,自然元素矿物,硫化物矿物,氧化物和氢氧化物矿物,赤铁矿,磁铁矿,硫酸盐矿物,碳酸盐矿物,硅酸盐矿物,

3、硅酸盐矿物,Nov , 2004,沉积岩：强度不稳定，各向异性,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,岩石是天然产出的有一定结构构造的矿物集合体，是构成地壳和上地幔的物质基础。按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。 例如，石灰岩是由方解石组成的集合体；花岗岩是由石英、长石、云母等多种矿物组成的集合体；砾岩是由岩石碎屑所组成的集合体。,岩石分类,Nov , 2004,第1章 绪 论,形成矿物的地质作用,火成作用 岩浆矿物 热液矿物 火山矿物,沉积作用 风化矿物 沉积矿物,变质作用 热变质矿物 区域变质矿物,Nov , 2004,第1章 绪 论,岩浆岩是由高温熔融的岩浆在地

4、表或地下冷凝所形成的岩石，也称火成岩（igneous rocks）。它主要构成了深部地壳和上地幔，约占整个地壳的65%。,火山作用与火成岩,Nov , 2004,第1章 绪 论,火成岩命名原则,Nov , 2004,第1章 绪 论,花岗岩,闪长岩,辉绿岩,玄武岩,云英岩,流纹岩,Nov , 2004,沉积岩（sedimentary rock ）是在地表条件下由风化作用、生物作用和火山作用的产物经水、空气和冰川等外力的搬运、沉积和成岩固结而形成的岩石。地壳表面以沉积岩为主，它们约占大陆面积的75%，洋底几乎全部为沉积物所覆盖。,第1章 绪 论,沉积作用与沉积岩,Nov , 2004,第1章 绪

5、论,沉积岩的分类,Nov , 2004,第1章 绪 论,角砾岩,煤,泥炭,白云质微晶灰岩,页岩,凝灰砂岩,Nov , 2004,变质岩（metamorphic rock）是由先成的岩浆岩、沉积岩或变质岩由于其所处地质环境的改变经变质作用而形成的岩石。地壳深处和上地幔的上部主要由火成岩和变质岩组成。从地表向下16公里范围内火成岩和变质岩的体积占95%。,第1章 绪 论,变质作用与变质岩,Nov , 2004,第1章 绪 论,蓝田玉（蛇纹石化大理岩）,大理岩,和田玉（变质角闪石岩）,Nov , 2004,第1章 绪 论,千枚岩,黑云母片麻岩,蛇纹石大理岩,蛇纹岩,云母片岩,角闪岩,岩体结构,岩体结

6、构包括两个基本要素，结构面和结构体。结构面即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，它是在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的。被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体称为结构体。 不同类型的岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式称为岩体结构。,第1章 绪 论,不连续； 各向异性； 不均匀性； 赋存地质因子的特性（水、气、热、初应力）。,岩体的力学特征,课堂思考,岩石、岩体、土、岩块、砂子有何区别 核废料的处理，盐矿 油气储存：能够储存石油与天然气的岩层叫做储油层，也叫做储层。,能够储存石油与

7、天然气的岩层叫做储油层，也叫做储层。 除了具孔隙的砂岩与砾岩等以外，含有孔洞的石灰岩和各种含有裂缝岩石都可以形成储油层。沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类都具有储油气性能。,岩石的用途,(1)用来进行工程建设(2) 用来做成建筑用石材。例如：地板、墙壁 (3)大理岩除了是很好的建筑石材外，也可以加工制成桌子、椅子或雕塑石像。 (4)板岩，原住民经常就地取材，将它用来盖房子、铺设地板等。 (5)石灰岩是制造水泥的原料。 (6)安山岩可用来做成建筑用的石材。例如：地板、柱子、墙壁、石雕等。 (7)硫磺是制造火柴、鞭炮、火药、橡胶等的原料。 (8)云母可作为隔热或绝缘的材料。 (9)石英是制作玻璃及半导

8、体的原料。 (10)水晶可加工制作成各种装饰品。 (11)方解石是制造水泥的原料。 (12)石墨是制作铅笔笔芯的原料。 (13)滑石可制成滑石粉和爽身粉。 (14)防火衣是石棉做成的。 (15)石膏是制造粉笔或做成塑像。 (16)岩石和矿物风化后，变成土壤，有了土壤，植物才能生长 (17)核废料保存,1.2 岩体力学的研究任务与内容,岩体力学的研究任务 基本原理，包括岩石的破坏、断裂、蠕变及岩石内应力、应变理论等的研究； 实验室试验和现场原位试验，包括各种静力和动力方法，以确定岩块和岩体在静力和动力荷载下的性状以及岩体内的初始应力。,实际应用方面，包括地表岩石地基（如高坝、高层建筑、核电站地基

9、）的稳定和变形问题、岩石边坡（如水库边坡、高坝岸坡、渠道、路堑、露天开采坑等人工和天然岩石边坡）的稳定问题、地下洞室（如地下电站、水工隧洞、交通隧洞、采矿巷道、战备地道等）围岩的稳定、变形和加固问题、岩石破碎（如将岩石破碎成所要求的规格）、岩石爆破、地质作用（如分析因采矿而地表下陷、解释地球的构造理论、预估地震与控制地震）等问题的研究。 监测方面，通常量测岩体应力和变形变化、蠕变，断裂，损伤以及承载能力和稳定性等项目及其个子随着时间的延长而变化的特性，预测各项岩体力学数据。,岩体力学的研究内容,岩体的地质力学模型及其特征方面 岩石与岩体的物理力学性质方面 岩体力学在各类工程中的应用方面,Nov

10、 , 2004,岩体力学在工程中的应用范围,水利水电工程 采矿工程 铁道和公路建设工程 土木建筑工程 石油工程 海洋勘探与开发工程 核电站建设中核废料处理技术 地层热能资源开发技术问题 地震预报中的岩石力学问题,第1章 绪 论,Nov , 2004,岩体力学在工程中的应用研究,地下洞室围岩的稳定性研究 岩基的稳定性研究 岩坡的稳定性研究 岩体力学的新理论新方法的研究,Nov , 2004,在当今世界能源危机加剧的情况下，核电因长期运行成本低且安全可靠而得到迅速发展。,全球商业能源构成,核电站,Nov , 2004,伴随而来的是核电站运行产生的大量放射性废料。 高放核废料 (HLW)的两个特点：

11、 含放射性相当高的长寿命放射性元素，半衰期上万年 较长时期内会产生大量余热，如200300年后周围温度仍可达到200左右。,如何安全、永久储存高放核废料是一个世界性难题。,Nov , 2004,从可行性和经济等角度综合考虑，最合理的处置办法是深部地质处置贮存于500-1000m的深部地层且封闭于稳定的岩层中，保证其在很长时间内完全与生物圈隔离。,Nov , 2004,医药、工业、研究产生的辐射性废料,核反应堆,核废料最终处理,辐射性废料,低放性废料,中放性废料,高放性废料,安全处理后集中贮藏于地下洞室,地下临时贮藏30-40年； 地下永久性贮藏,高放性核废料集中后临时贮藏于地下 25-30m处

12、。,500 1000m,放射性核废料的处置,中低放性核废料集中贮藏于地下。,Nov , 2004,放射性工业垃圾与核废料的处理,高放性核废料最终处理 永久性贮存在地下500-1000m的稳定岩层峒室内。,最终处理系统,工程井,人员输送井,核废料输送井,平洞与小立井,平洞,小立井内贮存核废料罐,Nov , 2004,1.3 岩石力学的研究方法,第1章 绪 论,工程地质研究方法 地层学、构造地质学、工程勘察 科学实验方法 实验室岩石力学参数的测定、模型试验、现场岩体的原位试验及监测技术、地应力的测定、岩体构造的测定,Nov , 2004,数学力学分析方法 刚体力学模型、弹性及弹塑性力学模型、流变模

13、型、断裂力学模 型、损伤力学模型、渗透网络模型、拓扑模型 数值分析方法、模糊聚类和概率分析、模拟分析 整体综合分析方法 现代非线性科学理论、信息科学理论、系统科学理论、模糊数学、 人工智能、灰色理论,Nov , 2004,第1章 绪 论,Nov , 2004,岩石力学的研究步骤,第1章 绪 论,Nov , 2004,第1章 绪 论,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。,1.4 岩体力学在其它学科中的地位,力学 （固体力学分支）、地质学、岩土工程 传统的固体力学以应力为中心，通过一定边界条件下的外力根据本构关系来求解应力。 岩体的本构方程复杂，边界条件很难确定。而且本构关

14、系愈接近实际情况，所需的力学参数愈多，这又给测试增加了新的问题，所以要得到接近真实情况的应力困难重重。 基于岩石力学参数的模糊性和不确定性，岩石工程形成了一整套独特的设计方法，把规划、概念设计、引导工程(pilot project)、技术设计、施工、现场监测、反分析、修改设计、加固等阶段形成一个有机的系统工程。,1.5 岩石力学的发展简史,（1）1925年泰沙基（Terzaghi）建筑土力学 （2）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。 （3）工程岩石力学学派，法国塔洛布尔（J.Talober） 1951年岩石力学最早的代表作。 1959年法国马尔帕

15、塞（Malpasset）薄拱坝 溃坝。 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 ） 全国岩石力学与工程学术会，2000年开第6届，1届/1年。,Nov , 2004,法国马尔帕塞（Malpasset）薄拱坝 ：坝高60m，坝基为片麻岩，1959年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。坝肩岩体裂隙和断层的强度不足是导致整个拱坝溃毁的关键因素。 当应力变化范围为5MPa时，岩体渗透系数相差100倍。渗透系数的降低，反过来又极大地改变了岩体中的应力分布，使岩体中结构面上的水压力陡增，坝基岩体在过高的水压力作用下沿一个倾斜的软

16、弱结构面产生滑动，导致溃坝。,岩石工程事故,第1章 绪 论,Nov , 2004,岩石工程事故,意大利瓦依昂（Vaiont）双曲拱坝，坝高261.6米，坝基为断裂十分发育的灰岩。1963年大坝上游左岸山体发生大滑坡，约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢过坝顶，死亡3000余人。,第1章 绪 论,瓦依昂岩坡滑坡的二个断面,Nov , 2004,Nov , 2004,Nov , 2004,Nov , 2004,中国岩石力学与岩石工程的主要成就,1958年，为适应长江三峡水利枢纽建设的需要，在国家科委领导下成立了三峡岩

17、基研究组，以长江流域规划办公室及中国科学院为主体，下设大坝地基、地下结构、岩质边坡、动力特性、灌浆加固等5个专业组。三峡岩基组的工作，不仅对我国水工建设岩石力学的发展起重要作用，也为中国岩石力学的发展奠定了基础。 葛洲坝工程是我国于70年代在长江干流上自行设计、自行施工的第1座巨型水利枢纽。通过兴建葛洲坝，不但有力地促进了我国坝工技术的全面发展，而且在岩石力学发展史上，也堪称一个重要的里程碑。,第1章 绪 论,Nov , 2004,1982年成立了中国岩石力学与工程学会筹备委员会，1985年成立了全国性一级学会：中国岩石力学与工程学会（对外为国际岩石力学学会中国国家小组）。此外，在水利、水电、

18、煤炭、铁道、建筑，冶金等部门也根据行业特点，建立了各自的岩石力学专业委员会。这支队伍为解决国家重大项目：如三峡、葛洲坝、小浪底、二滩、南水北调等水利水电工程，大冶、攀枝花、金川等矿山工程，成昆、南昆、京九、青藏等铁路工程，抚顺、大同、两准、兖州等煤矿工程，大庆、胜利、克拉玛依等石油工程，秦山、大亚湾、岭澳等核电工程，北京、上海、广州、深圳等地铁工程，以及成千上万个中、小型工程建设中所遇到的岩石力学难题，开展了大量的工作，取得了丰富的成果。,Nov , 2004,第1章 绪 论,长江三峡水利工程,黄河小浪底工程,雅砻江上的二滩水电站,黄河上游李家峡水电站,Nov , 2004,在学科发展方面经历

19、三个阶段：材料力学、连介力学、构造力学。继岩石力学界先驱陈宗基先生在岩石流变学，谷德振先生在岩体结构、岩体工程地质力学之后，近年来，我国学者在关键块体理论、不连续变形分析（DDA）、数值流形元方法（NMM）、岩石分形分维、智能岩石力学、软岩力学、岩石破坏过程分析（RFPA）、卸荷岩石力学、岩石记忆与开挖理论、岩石力学非线性研究、岩石工程位移反分析方法等方面的研究都提出诸多创新的成果。,第1章 绪 论,陈宗基 中国科学院院士 中国岩石力学与工程学会第1、2届理事长 第5届国际岩石力学学会副主席,谷德振 中国科学院院士 中国地质学会工程地质专业委员会 第1届主任委员,Nov , 2004,中国岩石

20、力学与岩石工程发展前景展望,岩石力学研究由局限的岩体走向解决山体和地体等大范围、大尺度的工程和资源开发问题。 岩石力学由研究单一的固体不连续材料向多场耦合和多相运动研究发展。 岩石力学从单纯的地球内动力驱动或外动力驱动模型向内外动力耦合作用模型的转变。 岩石力学从工程岩体稳定性研究向极端灾害的非线性动力过程的预测及防治进军。 从常规的岩石开挖的失稳防治到新型大规模暴力攻击的防护，以及人地关系的协调。 新途径:多重综合集成（Multiple Meta-synthetics） （1）多源知识的综合集成 经验、推理、测量 （2）多种手段的综合集成 以力学为主，与地学、物理、化学等学科交叉结合 （3）多尺度的综合集成 微观、细观、宏观及宇观,第1章 绪 论,新方向,Nov , 2004,在中文期刊方面，中国岩石力学与工程学会定期出版岩石力学与工程学报地下空间与工程学报及岩石力学与工程动态。此外，涉及到岩石力学与岩石工程的全国性刊物还有：岩土工程学报、岩土力学、工程地