2019/11/2,1,巖石力學(xué),第一章 緒論,1.1巖石力學(xué)定義 巖石力學(xué)的學(xué)科性質(zhì) 新興學(xué)科 邊緣學(xué)科 應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科 巖石力學(xué)應(yīng)用范圍 與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域 巖石力學(xué)定義 研究巖石的力學(xué)性狀（behaviour）的一門理論科學(xué)，同時也是應(yīng)用科學(xué)； 是力學(xué)的一個分支； 研究巖石對于各種物理環(huán)境的力場所產(chǎn)生的效應(yīng)；,2019/11/2,2,巖石力學(xué),建議的定義 由于巖石力學(xué)性質(zhì)不確定性和復(fù)雜性 巖石力學(xué)是一門認(rèn)識和控制巖石系統(tǒng)的力學(xué)行為和工程功能的科學(xué)。 研究巖石力學(xué)的目的 地下工程事故中，約1/31/2是由于支護(hù)不當(dāng)或支護(hù)不及時造成的； 井巷工程成本中，支護(hù)及維護(hù)費(fèi)用約占4060%； 目的：科學(xué)、合理、安全地維護(hù)井巷的穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本，減少支護(hù)事故。,2019/11/2,3,巖石力學(xué),1.2巖石力學(xué)的發(fā)展和概貌 初級階段（19世紀(jì)末20世紀(jì)初） 海姆凈水壓力假說 朗金假說 金尼克假說 經(jīng)驗(yàn)理論階段（20世紀(jì)初20世紀(jì)30年代） 普氏理論 太沙基理論 經(jīng)典理論階段 連續(xù)介質(zhì)理論 不足：忽視地應(yīng)力的作用 忽視施工過程（時變性） 過于追求“精確”,2019/11/2,4,巖石力學(xué),地質(zhì)力學(xué)理論 不足：過分強(qiáng)調(diào)節(jié)理、裂隙作用 過分依賴經(jīng)驗(yàn)、忽視理論 現(xiàn)代發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代現(xiàn)在) 復(fù)雜多樣的力學(xué)模型； 各種理論、方法的應(yīng)用，特別是非線性理論的應(yīng)用； 建立了自己的分析原理和計(jì)算方法 損傷力學(xué) 離散元 DDA法 流形法 擾動狀態(tài)概念理論 不確定性分析研究方法和理論體系 系統(tǒng)科學(xué),2019/11/2,5,巖石力學(xué),1.3巖石力學(xué)的研究范疇和內(nèi)容、研究方法 研究范疇和內(nèi)容 巖體的地質(zhì)力學(xué)模型及其特征 巖石與巖體的物理力學(xué)性質(zhì) 研究巖體起始應(yīng)力狀態(tài)以獲取地下結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性分析所必須的外荷載條件 巖體中開挖卸載引起巖體應(yīng)力狀態(tài)的重分布及圍巖應(yīng)力集中的計(jì)算理論、計(jì)算方法，圍巖穩(wěn)定性的評價(jià)、預(yù)測以及由此引起的支護(hù)原理、支護(hù)方式、方法，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法 施工工藝、施工方法、施工過程對巖體工程穩(wěn)定性的影響及其優(yōu)化,2019/11/2,6,巖石力學(xué),巖石力學(xué)在巖體工程中的應(yīng)用 地下硐室圍巖的穩(wěn)定性研究 應(yīng)力分布 圍巖變形 圍巖壓力 圍巖加固 巖坡的穩(wěn)定性研究 穩(wěn)定性 應(yīng)力分布、變形和破壞 巖坡的失穩(wěn) 巖基的穩(wěn)定性研究 應(yīng)力 變形 承載力 穩(wěn)定性,2019/11/2,7,巖石力學(xué),研究方法 工程地質(zhì)研究方法 科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法 數(shù)學(xué)力學(xué)分析方法 力學(xué)模型 分析方法 數(shù)值分析方法 模糊聚類和概率分析 模擬分析 整體綜合分析方法 采用多種方法并考慮多種因素 采用確定性分析方法與不確定性研究方法,2019/11/2,8,巖石力學(xué),1.4 地下工程的特點(diǎn) 巖石在組構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)上與其他材料不同，如巖石具有節(jié)理和塑性段的擴(kuò)容(剪脹)現(xiàn)象等； 地下工程是先受力(原巖應(yīng)力)，后挖洞(開巷)； 深埋巷道屬于無限城問題，影響圈內(nèi)自重可以忽略； 大部分較長巷道可作為平面應(yīng)變問題處理； 圍巖與支護(hù)相互作用，共同決定著圍巖的變形及支護(hù)所受的荷載與位移； 地下工程結(jié)構(gòu)容許超負(fù)荷時具有可縮性； 地下工程結(jié)構(gòu)在一定條件下出現(xiàn)圍巖抗力； 幾何不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在地下可以是穩(wěn)定的；,2019/11/2,9,巖石力學(xué),1.5 影響因素與約定 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個重要因素 礦物：地殼中具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物； 結(jié)構(gòu)：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和形狀以及相互結(jié)合的情況； 構(gòu)造：組成成分的空間分布及其相互間排列關(guān)系； 約定 巖石為不分“巖體”和“巖塊”時的統(tǒng)稱； 巖體=巖塊+弱面 巖體中由弱面分割包圍的即是巖塊；,10,主要參考書,1 巖石力學(xué)與工程，蔡美峰 主編，科學(xué)出版社，2002 2 高等巖石力學(xué)，周維垣主編，中國水利水電出版社，1990 3 巖石力學(xué)基礎(chǔ)，張清、杜靜編著，中國鐵道出版社，1997 4 巖石力學(xué)簡明教程，李世平等編北京：煤炭 工業(yè)出版社，1996 5 巖體力學(xué)，沈明榮主編上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999 6 礦山巖體力學(xué)，高延法、張慶松編著，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000 7 巖石力學(xué)基礎(chǔ)教程，侯公羽 主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2011、1 8 Engineering Rock Mechanics，上、下卷（中譯本）J.A. Hudson; J.P. Harrison 著，馮夏庭等譯，科學(xué)出版社，2009 9 巖體力學(xué)性質(zhì)，李先煒 編，煤炭工業(yè)出版社，1990,11,12,13,14,（1）國際巖石力學(xué)與采礦科學(xué)（International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences）主編：Zimmeman，名譽(yù)主編： Hudson；Pergamon出版社和Elsevier Science出版社出版；SCI、EI收錄 （2）巖石力學(xué)與巖石工程（Rock Mechanics and Rock Engineering）主編：Kovari和Einstein；SpringerVerlag出版; SCI、EI收錄 （3）巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會主辦，科學(xué)出版社出版； EI收錄 （4）巖土力學(xué)中科院武漢巖土力學(xué)研究所主辦； EI收錄 （5）巖土工程學(xué)報(bào)中國土木工程學(xué)會主辦； EI收錄 （6）地下空間與工程學(xué)報(bào)中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會、重慶大學(xué)辦；,國內(nèi)、外有關(guān)巖石力學(xué)的主要雜志,15,1.6 巖土的成因類型及其工程地質(zhì)特征,地殼 地球，赤道半徑（6378.140km），兩極半徑（6356.779km）。 大約有70.8%的面積海域，有29.2的面積為陸地。 由地殼、地幔、地核組成。,地球內(nèi)部構(gòu)造,1-地殼；2-地幔；3-地核；4-液態(tài)外部地核；5-固態(tài)內(nèi)部地核；6-軟流圈；7-巖石圈,16,（1）內(nèi)力地質(zhì)作用：動力來自地球本身，并主要發(fā)生在地球內(nèi)部，按其作用方式可分為四種： 構(gòu)造運(yùn)動：指地殼的機(jī)械運(yùn)動；發(fā)生水平方向構(gòu)造運(yùn)動常使巖層受到擠壓產(chǎn)生褶皺，或使巖層拉張而破裂；垂直方向構(gòu)造運(yùn)動使地殼發(fā)生上升或下降，如青藏高原近數(shù)百萬年以來隆升。 巖漿作用：指巖漿沿地殼軟弱破裂地帶上升造成火山噴發(fā)形成火山巖或是在地下深處冷凝形成侵入巖的過程。 變質(zhì)作用：指構(gòu)造運(yùn)動與巖漿作用過程中，使原有巖石受溫度、壓力和化學(xué)性質(zhì)活潑的流體作用，在固體狀態(tài)下發(fā)生物質(zhì)成分和特征改變，轉(zhuǎn)變成新的巖石。 地震：接近地球表面巖層中構(gòu)造運(yùn)動以彈性波形式釋放應(yīng)變能而引起地殼的快速顫動和震動。,物理地質(zhì)作用,17,（2）外力地質(zhì)作用 風(fēng)化作用：暴露于地表的巖石，在溫度變化以及水、二氧化碳、氧氣及生物等因素的長期作用下，發(fā)生化學(xué)分解和機(jī)械破碎。 剝蝕作用：河水、海水、湖水、冰川及風(fēng)等在其運(yùn)動過程中對地表巖石造成破壞，破壞產(chǎn)物隨其運(yùn)動而搬走，例如海岸、河岸因受海浪和流水的撞擊、沖刷而發(fā)生后退；斜坡剝蝕作用是斜坡物質(zhì)在重力以及其它外力因素作用下產(chǎn)生滑動和崩塌，又稱塊體運(yùn)動。 搬運(yùn)作用：風(fēng)化與剝蝕造成的破壞產(chǎn)物被搬運(yùn)到它處。 沉積作用：搬運(yùn)物在適宜場所堆積。 固結(jié)成巖作用：剛堆積的物質(zhì)是松散多孔的并富含水分，被后來的沉積物覆蓋埋藏后，在重壓下排出水分，孔隙減小并被膠結(jié)，松散堆積物漸變?yōu)閳?jiān)硬的巖石，即沉積巖。,物理地質(zhì)作用,18,(a),(b),(c),(d),(a),(f),(g),(h),(i),(e),礦物的基本概念,礦物形態(tài) (a)食鹽晶體 (b)石英晶體 (c)金剛石晶體 (d)綠柱石聚形晶體 (e)石榴子石聚形晶體 (f)板鈦礦聚形晶體 (g)紅柱石放射狀集合體 (h)方解石鐘乳狀集合體 (i )瑪瑙晶腺,19,巖石硬度 通常采用摩氏硬度，選十種礦物為標(biāo)準(zhǔn)，最軟是一度，最硬十度。 這十種礦物由軟到硬依次為： l-滑石； 2-石膏；3-方解石；4-螢石；5-磷灰石； 6-正長石；7-石英；8-黃玉； 9-剛玉；10-金剛石； 巖石密度 礦物密度變化幅度很大，礦物的密度分為輕、中等和重三級，重的如方鉛礦(7.47.6)，感到很重。大多數(shù)礦物密度中等，介于2.54之間。,礦物的基本概念,20,解理、斷口解理是指礦物受打擊后，能沿一定方向裂開成光滑平面的性質(zhì)，裂開的光滑平面稱為解理面。 極完全解理：極易裂開成薄片，解理面大而完整、平滑光亮，如云母。 完全解理：常沿解理方向開裂成小塊，解理面平整光亮，如方解石。 中等解理：既有解理面，又有斷口，如正長石。 不完全解理：常出現(xiàn)斷口，解理面很難出現(xiàn)，如磷灰石。,（a）石鹽的立方體完全解理,（b）石英的貝殼狀斷口,礦物的基本概念,21,常見主要造巖礦物 自然界產(chǎn)出的礦物，已知有3000種左右。對于形成巖石具有普遍意義的礦物，即主要造巖礦物則不過數(shù)十種。常見礦物就其化學(xué)成分而言，絕大多數(shù)為硅酸鹽，其余為氧化物、硫化物、鹵化物、碳酸鹽和硫酸鹽等。 如： 黃鐵礦，石英，方解石，白云石，石膏，橄欖，石輝石，正長石，白云石，白云母，高嶺石，蒙脫石,礦物的基本概念,22,常見巖石和礦物,安山質(zhì)凝灰?guī)r,角礫巖,流紋巖,流紋巖,23,片麻巖,礁灰?guī)r,玄武巖,浮石,常見巖石和礦物,24,白云母,方解石,黑云母,黃鐵礦,常見巖石和礦物,25,黃銅礦,石英,石墨,石鹽,常見巖石和礦物,26,石膏,螢石,輝銻礦,自然硫,常見巖石和礦物,27,巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖的地質(zhì)特征表,28,沉積巖的構(gòu)造,層理的基本形態(tài) a-水平層理 b-斜層理 c-交錯層理,根據(jù)交錯層理確定巖層的頂面和底面層理構(gòu)造,遞變層理,29,巖層形態(tài),a-頂面 b-底面 1-板狀巖層 2-變厚變薄 3-尖滅 4-透鏡體,波痕與泥裂構(gòu)造,波痕及其印模,泥裂的示意立體圖,30,常見的巖漿巖 花崗巖，閃長巖，輝長巖，流紋巖，安山巖，玄武巖，輝綠巖 常見的沉積巖 （1）碎屑巖類 火山碎屑巖：火山集塊巖、火山角礫巖及凝灰?guī)r 沉積碎屑巖：礫巖及角礫石、砂巖、粉砂巖 （2）粘土巖類：頁巖 、泥巖 （3）化學(xué)及生物化學(xué)巖類：石灰?guī)r、白云巖 常見的變質(zhì)巖 （1）片理狀巖類：片麻巖、片巖、千枚巖 （2）塊狀巖類：大理巖、石英巖,31,巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)包括物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)兩個主要方面，它們的一些常用指標(biāo)，可供分析和評價(jià)巖石工程地質(zhì)性質(zhì)時參考。,1. 巖石的工程性質(zhì),2. 影響巖石的工程性質(zhì)的因素 包括礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、水、風(fēng)化等因素。,巖石的工程地質(zhì)性質(zhì),32,巖層的地質(zhì)年代有兩種表示方法： （1）絕對地質(zhì)年代 （2）相對地質(zhì)年代,地質(zhì)年代單位與相對應(yīng)的地層單位表,地質(zhì)