1、巖石力學 課程介紹課程介紹 緒論緒論0 課程介紹0.1 課程性質和任務課程性質和任務性質：性質：土木工程專業 技術基礎必修課程技術基礎必修課程任務：任務：學習巖石的基本力學性質、實驗研究方法、巖體的質量評價方法及其分類理論、地應力及其測量理論和方法、巖石的流變理論和強度理論。在此基礎上學習巖石地下工程和邊坡工程中巖體穩定性的分析評價及加固處理理論和方法。先修課程：先修課程：材料力學、理論力學、工程地質學 等后續課程：后續課程：隧道工程、地鐵工程、道路邊坡工程 等適用專業：適用專業：土木工程0.2 課程教學基本要求課程教學基本要求1)課程重點：巖石的基本力學性質及其實驗研究方法、巖體的質量評價及

2、其分類理論方法、巖石地下工程、巖石邊坡工程。2)課程難點：節理面的力學性質，巖體工程分析評價理論和方法。3)能力培養要求：巖石力學的實驗技能，巖石力學的研究方法，地下工程和邊坡工程中巖體穩定性的分析評價及加固處理理論和方法。課程資料教材教材巖石力學徐志英主編，中國水利水電出版社，1985參考書參考書巖石力學與工程蔡美峰主編，科學出版社，2002工程地質學陸兆溱主編，水利電力出版社，1989巖體力學沈明榮主編，同濟大學出版社，1999巖體力學凌賢長主編，哈爾濱工業大學出版社，2002第一章 緒論1.1 巖石與巖體的界定n什么是巖石？什么是巖石？1）狹義概念：材料2）廣義概念：巖體 天然地質體：地

3、質結構（巖塊+結構面）、賦存條件（初始應力、地下水、溫度場） 工程巖體（工程開挖和構筑過程引起應力變化） 3）復雜性：非連續性、非均勻性、各向異性、巖石塊體結構的可移動性、大量的不確定性1.1 巖石與巖體的界定n什么是巖石力學？什么是巖石力學？1）材料的觀點： 【1966年，美國科學院 巖石力學委員會定義 】是研究巖石的力學性狀的一門理論和應用科學探討巖石對其周圍物理環境中力場的反應2）巖體的觀點：【 1998年，中國科學院院士王思敬教授在中國巖石力學與工程大會上提出巖石力學新定義】是一門認識和控制巖石系統的力學行為和工程功能的科學1.2 巖石力學的研究任務、內容與方法n巖石力學的應用范圍及主

4、要研究問題？巖石力學的應用范圍及主要研究問題？（1）工民建工程：高層建筑地基處理與加固技術；大型地下硐室、地下建筑空間設計、施工與加固理論技術；地面建筑物沉降、傾斜控制和糾偏技術； 山城或山坡及臨坡建筑物基礎滑坡監測預報與防治技術。（2）水利水電工程：壩基及壩肩穩定性，防滲加固理論和技術；有壓和無壓引水隧道設計、施工及加固理論技術；大跨度高邊墻地下廠房的圍巖穩定及加固技術；高速水流沖刷的巖石力學問題；水庫誘發地震的預報問題；庫岸穩定及加固方法。（3）鐵道和公路建設工程：線路邊坡穩定性分析；隧道設計和施工技術；隧道施工中的地質超前預報及處理；高地應力區的巖爆理論及處理；隧道入口施工技術及洞臉邊坡

5、角的確定和加固措施；地鐵施工技術。1.2 巖石力學的研究任務、內容與方法n巖石力學的應用范圍及主要研究問題？巖石力學的應用范圍及主要研究問題？（4）采礦工程：露天采礦邊坡設計及穩定加固技術；井下開采中巷道和采場圍巖穩定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題；采場穩定性及開采優化（采場結構、開采順序、開挖步驟等）設計問題；礦井突水預測、預報及預處理理論和技術；巖爆、煤與瓦斯突出預測及預處理理論和技術；采空區處理及地面沉降問題；巖石破碎問題。（5）石油工程：巖石應力與巖石滲透性；巖石力學與地球物理勘探綜合研究；鉆探技術與井壁穩定性；巖石力學與采油技術（水壓致裂、水平鉆孔）；油層壓縮及地表沉陷

6、；石油、天然氣運輸、儲存工程及環境影響。（6）海洋勘探與開發工程。（7）核電：核廢料地質處置技術。（8）地熱資源開發：干熱巖體水壓致裂、水流控制。（9）地震預報中的巖石力學問題。地下工程（洞）、邊坡過程（坡）、巖基工程（基）穩定性（分析與控制）1.2 巖石力學的研究任務、內容與方法n巖石力學的研究內容巖石力學的研究內容（1）巖石與巖體的物理力學性質）巖石與巖體的物理力學性質（2）地應力場（分布規律、測試理論與方法）地應力場（分布規律、測試理論與方法）（3）工程巖體的穩定性與巖石工程加固支護）工程巖體的穩定性與巖石工程加固支護（4）巖石力學物理模擬、數值模擬、原位監測技術）巖石力學物理模擬、數值

7、模擬、原位監測技術（5）巖石力學新理論、新方法、新技術）巖石力學新理論、新方法、新技術n研究方法主線：研究方法主線： 基本原理分析基本原理分析試驗試驗工程應用工程應用監測監測1.3 巖石力學與其它學科的交叉（1）地質學科在巖石力學中的作用 與工程地質學緊密聯系（2）力學學科在巖石力學中的作用 是力學學科的一個分支， 屬于固體力學范疇（3）科學試驗、測量學科在巖石力學中的作用（4）計算機學科在巖石力學中的作用（1 1）初始階段（）初始階段（1919世紀末世紀末2020世紀初）：世紀初）： 萌芽時期萌芽時期 產生了初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題。 1912年瑞典地質學家 海姆(A.Heim)

8、提出了靜水壓力的理論：v= h =H。 1926年蘇聯學者 金尼克(A.H.)基于彈性力學理論提出了只有垂直壓力等于H，而水平壓力應為H乘一個側壓系數，即H。 由于當時地下巖石工程埋藏深度不大，因而曾一度認為這些理論是正確的。但隨著開挖深度的增加，越來越多的人認識到上述理論是不準確的。 1.4 巖石力學發展簡史一、發展階段一、發展階段（2 2）經驗理論階段）經驗理論階段(20(20世紀初世紀初3030年代年代) )： 經驗散體地壓理論經驗散體地壓理論 該階段出現了用材料力學和結構力學的方法分析地下工程的支護問題。 最有代表性的理論就是蘇聯學者 普羅托吉雅柯諾夫（.）提出的自然平衡拱學說，即普氏

9、理論。 太沙基（K.Terzahi）也提出相同的理論，只是他認為塌落拱的形狀是矩形，而不是拋物線型。 普氏理論是相應于當時的支護型式和施工水平發展起來的。上述理論在一定歷史時期和一定條件下還是發揮了一定作用。1.4 巖石力學發展簡史 一、發展階段一、發展階段（3 3）經典理論階段（）經典理論階段（2020世紀世紀3030年代年代6060年代）年代） 巖石力學學科形成的重要階段巖石力學學科形成的重要階段 彈性力學和塑性力學被引入巖石力學形成圍巖和支護共同作用的理論圍巖和支護共同作用的理論巖石力學形成了一門獨立的學科。在經典理論發展階段，形成了兩大學派 “連續介質理論連續介質理論”和“地質力學理論

10、地質力學理論”1.4 巖石力學發展簡史 一、發展階段一、發展階段經典理論階段：經典理論階段：連續介質理論連續介質理論1.4 巖石力學發展簡史 一、發展階段一、發展階段n連續介質理論是以固體力學作為基礎，從材料的基本力學性質出發來認識巖石工程的穩定問題。20世紀30年代，薩文（ . ）就用無限大平板孔附近應力集中的彈性解析解來計算分析巖石工程的圍巖應力分布問題。20世紀50年代，魯濱湟特（.）運用連續介質理論寫出了求解巖石力學領域問題的系統著作。（彈塑性分析、流變模型）20世紀60年代，引入有限元、有限差分 等數值計算。強調地應力地應力作用。n連續介質理論連續介質理論存在的問題存在的問題：1）邊

11、界加載遠處的位移大，而開挖體內邊緣位移小,沒有考慮開挖支護施工過程力學效應。2）傳統連續介質理論過分注重對巖石“材料”的研究，追求準而又準的“本構關系”。經典理論階段：經典理論階段：地質力學理論地質力學理論1.4 巖石力學發展簡史 一、發展階段一、發展階段n 注重研究地層結構與力學和巖石工程穩定性的關系。注重研究地層結構與力學和巖石工程穩定性的關系。 20世紀20年代由德國人 克羅斯（H.Cloos）創立起來的。 觀點：觀點：1）反對把巖體當作連續介質簡單地利用固體力學的原理進行分析； 2）強調要重視對巖體節理、裂隙的研究，重視巖體結構面對巖石工程穩定性的影響和控制作用。 歷屆國際巖石力學大會

12、歷屆國際巖石力學大會1966.9葡萄牙里斯本（1）；1970.9貝爾格萊德（2）；1974.9美國丹佛（3）；1979.9瑞士盟特諾（瑞士盟特諾（4）我國第一次參加）我國第一次參加；1983澳大利亞墨爾本（5）2003.9南非約翰內斯堡（10）；2007.7葡萄牙Lisbon(11)；2011中國北京（中國北京（12） 1951年6月在奧地利成立了以斯梯尼（J.Stini）和米勒(L.Mller)為首的“地質力學研究組”，在薩爾茨堡舉行了第一屆地質力學討論會，形成了“奧地利學派”。 1962年10月，在第13屆地質力學討論會上成立了國際巖石力學學會國際巖石力學學會，米勒擔任第一任主席。n 地質

13、力學理論地質力學理論重要貢獻重要貢獻： 1）必須了解地應力； 2）開挖后巖體的力學強度變化； 3）節理裂隙對巖石工程穩定性的影響； 4）重視巖石工程施工過程中應力、位移和穩定性狀態的監測， 這是現代信息巖石力學信息巖石力學的雛形； 5）重視支護與圍巖的共同作用，提出了著名的“新奧法新奧法”， 該方法特別符合現代巖石力學理論，至今仍被國內外廣泛應用。n 地質力學理論地質力學理論缺陷缺陷： 1）是過分強調節理、裂隙的作用，過分依賴經驗，而忽視理論的指導作用。 2）該理論完全反對把巖體作為連續介質看待，也是不正確的和有害的，這種認識阻礙現代數學力學理論在巖石工程中的應用。經典理論階段：經典理論階段：

14、地質力學理論地質力學理論1.4 巖石力學發展簡史 一、發展階段一、發展階段（4 4）現代發展階段（）現代發展階段（2020世紀世紀6060年代年代 現在）：現在）： 理論和實踐的新進展階段理論和實踐的新進展階段 現代巖石力學理論認為：巖石工程是一個“人地”系統，用系統論的方法來進行巖石力學與工程的研究。用更為復雜的多種多樣的力學模型來分析巖石力學問題，多學科交叉，把力學、物理學、系統工程、現代數理科學、現代信息技術等的最新成果引入了巖石力學。從“材料”概念到“不連續介質概念”是現代巖石力學的第一步飛躍；引入電子計算機（快速計算），進入計算力學階段是第二步飛躍；而非線性理論、不確定性理論和系統科

15、學理論進入實用階段，則是巖石力學理論研究及工程應用的第三步意義更為重大的飛躍。1.4 巖石力學發展簡史 一、發展階段一、發展階段巖石力學面臨的發展機遇巖石力學面臨的發展機遇1）我國大規模的基本建設）我國大規模的基本建設 高層建筑、隧道橋梁、城市地鐵、其他基本設施等高層建筑、隧道橋梁、城市地鐵、其他基本設施等2）四大工程建設）四大工程建設 三峽水電工程、南水北調工程、青藏鐵路工程、西氣東輸工程三峽水電工程、南水北調工程、青藏鐵路工程、西氣東輸工程3）資源開采）資源開采 固體資源開采、液體資源開采、氣體資源開采固體資源開采、液體資源開采、氣體資源開采4）海底隧道建設）海底隧道建設 渤海海底隧道、臺

16、灣海峽海底隧道渤海海底隧道、臺灣海峽海底隧道1.4 巖石力學發展簡史巖石力學的理論基礎仍主要源于固體力學、流體力學及土力學，與土力學相比，屬于巖石力學特有的理論和方法就太少了 有效應力原理有效應力原理固結理論固結理論土坡穩定分析土坡穩定分析土力學的特色土力學的特色理論和方法理論和方法土體是多孔介質土體是多孔介質巖體是裂隙介質巖體是裂隙介質當土骨架的空隙為液相和氣相所填滿時，作當土骨架的空隙為液相和氣相所填滿時，作用于骨架的有效應力為總應力與流體壓力之用于骨架的有效應力為總應力與流體壓力之差，從而有了差，從而有了“有效應力原理有效應力原理”；當液體和；當液體和氣體從空隙中排出，有效應力增大，土顆

17、粒氣體從空隙中排出，有效應力增大，土顆粒重新排列、骨架發生錯動，因而空隙受到壓重新排列、骨架發生錯動，因而空隙受到壓縮，并伴隨土體壓縮變形和強度的提高縮，并伴隨土體壓縮變形和強度的提高 ？1 mFracture zonesGrain boundaries & microcracks Natural fractures1 mm (1)巖體在地質歷史時期曾經受過復雜的內外動力地質作用，巖體巖體在地質歷史時期曾經受過復雜的內外動力地質作用，巖體中發育了各種地質構造形跡。巖體作為地質體，無一例外地打中發育了各種地質構造形跡。巖體作為地質體，無一例外地打上了地質建造和地質改造的烙印上了地質建造和

18、地質改造的烙印;(2)巖體的基本組份可以用結構面和結構體進行表征，結構面的發巖體的基本組份可以用結構面和結構體進行表征，結構面的發育程度和組合關系決定了巖體結構類型育程度和組合關系決定了巖體結構類型;(3)巖體總是與一定的物理地質環境相聯系。因而地應力場、地下巖體總是與一定的物理地質環境相聯系。因而地應力場、地下水滲流場及地溫場是巖體主要的賦存環境水滲流場及地溫場是巖體主要的賦存環境巖體是經過地質作用改造過的，由結構面和結構體所組成并具有一定結構特巖體是經過地質作用改造過的，由結構面和結構體所組成并具有一定結構特征的，賦存于物理地質環境中的地質體。征的，賦存于物理地質環境中的地質體。定義：定義

19、：(1)不連續（不連續（discontinuous）(2)非均勻（非均勻（inhomogeneous）(3)各向異性（各向異性（anisotropic）(4)非彈性（非彈性（notelastic）巖體是具有巖體是具有DIANE物理力學特性的裂隙介質物理力學特性的裂隙介質巖體的上述性質取決于巖體復雜的地質特征，而且在特定的賦存環境和工程作用下發生演化-202468101214161805101520位移(um)載荷(N)01000020000300004000050000600007000080000900001000000102030405060708090100110120130140150

20、Damage Equivalent Stress DDamage Energy Dissipation Rate YCalculation Value Test Mesure Data 巖體是工程利用和改造的對象，并通過工程作用使巖巖體是工程利用和改造的對象，并通過工程作用使巖體的變形和強度特性、滲透特性滿足人類工程需求體的變形和強度特性、滲透特性滿足人類工程需求 強烈的工程作用大強大強度爆度爆破開破開挖挖大規大規模錨模錨固支固支護護大幅大幅度庫度庫水變水變化化大范大范圍防圍防滲排滲排水水巖體工程性質巖體工程性質地質特征地質特征揭示巖體的成因、組成、賦存環境和揭示巖體的成因、組成、賦存環境和演化歷史演化歷史力學特性力學特性揭示巖體應力傳播、變形、強度和破揭示巖體應力傳播、變形、強度和破壞機理和規律壞機理和規律工程性質工程性質體現了工程的客觀要求及巖體對工程體現了工程的客觀要求及巖體對工程的適應能力的適應能力巖體地質特征是物質基礎，巖體力學特性是科學問題，而巖體工程性質是研究目標目標必須明確，基礎必須扎實，原理必須正確巖石力學p三峽庫區滑坡災害及防治問題p復雜高陡邊坡穩定分析與加固治理問題p地下洞室及圍巖的穩定性問題2003年年7月月13日日 三峽庫三峽庫區沙鎮溪發生千將坪滑區沙鎮溪發生千將坪滑坡，致使坡，致使24人失蹤。人失