巖石力學(xué)

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主講教師：何玉qq：573697214教材及參考書《巖石力學(xué)》張永興主編，建筑工業(yè)出版社

《巖石力學(xué)》徐志英主編，水利電力出版社

《巖體力學(xué)》王文星主編，中南大學(xué)出版社《巖體力學(xué)》沈明榮主編，同濟大學(xué)出版社

《巖石力學(xué)與工程》蔡美峰主編，科學(xué)出版社

巖石力學(xué)

第1章緒論（2課時）第2章巖石的物理力學(xué)性質(zhì)（10課時）第3章巖體的的力學(xué)特性（10課時）第4章巖體地應(yīng)力及其測量方法（5課時）第5章巖石地下工程（5課時）第6章巖石邊坡工程（自學(xué)）第7章巖石地基工程（自學(xué)）巖石力學(xué)

第一章緒論一、巖石和巖體二、巖石力學(xué)的研究對象三、巖體的特征四、巖體結(jié)構(gòu)五、巖石力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展六、巖石力學(xué)需要解決的基礎(chǔ)理論問題七、巖石力學(xué)的研究方法八、巖石力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系九、巖石力學(xué)的分支學(xué)科一、巖石和巖體

巖石是在一定的生成條件下，具有一定的礦物成分和一定的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征的地殼的組成材料或物質(zhì)。是各種裂隙切割而成的巖塊，又稱結(jié)構(gòu)體。

巖體是個地質(zhì)體，它包括巖石和各種地質(zhì)構(gòu)造形跡，如節(jié)理、裂隙、褶皺等結(jié)構(gòu)面。巖體就是巖石和這些結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)一體。巖石和巖體是既有區(qū)別又互相聯(lián)系的兩個概念。巖石是巖體的組成物質(zhì)，巖體是巖石和結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)一體。巖石巖石是組成地殼的基本物質(zhì)，它是由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律凝聚而成的自然地質(zhì)體。巖石可由單種礦物組成?！袢纾杭儩嵉拇罄硎煞浇馐M成。多數(shù)的巖石則是由兩種以上的礦物組成?！袢纾夯◢弾r主要由石英、長石、云母三種礦物組成。按照成因，巖石可分為三大類：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。一、巖石和巖體巖漿巖（火成巖）巖漿巖是由巖漿冷凝而形成的巖石。巖漿巖絕大多數(shù)是由結(jié)晶礦物組成，很少由非結(jié)晶礦物組成。由于組成巖漿巖的各種礦物的化學(xué)成分和物理性質(zhì)較為穩(wěn)定，它們之間的連接是牢固的，故巖漿巖通常具有較高的力學(xué)強度和物質(zhì)性。一、巖石和巖體花崗巖試件一、巖石和巖體沉積巖沉積巖是由母巖（巖漿巖、變質(zhì)巖或早已形成的沉積巖）在地表經(jīng)風(fēng)化剝蝕而產(chǎn)生的物質(zhì)，通過搬運、沉積和固結(jié)作用而形成的巖石。沉積巖由顆粒和膠結(jié)物組成，各有不同的成分?！耦w粒包括各種不同形狀和大小的巖屑及不同礦物?！衲z結(jié)物常見的有鈣質(zhì)、硅質(zhì)、鐵質(zhì)、泥質(zhì)等。沉積巖的物理力學(xué)性質(zhì)不僅與顆粒有關(guān)，還與膠結(jié)物有很大關(guān)系。如：●硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的沉積巖強度一般較高?！衲噘|(zhì)膠結(jié)的沉積巖強度較低。由于沉積環(huán)境的影響，沉積巖具有層理構(gòu)造，具有各向異性特征。變質(zhì)巖變質(zhì)巖是由巖漿巖、沉積巖甚至變質(zhì)巖在地殼中受到高溫、高壓及化學(xué)活動性流體的影響下發(fā)生變質(zhì)而形成的巖石。它在礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造上具有變質(zhì)過程中所產(chǎn)生的特征，也常常殘存有原巖的某些特點?！褚虼?，它的物理力學(xué)性質(zhì)不僅與原巖的性質(zhì)有關(guān)，而且與變質(zhì)作用的性質(zhì)和變質(zhì)程度有關(guān)。一、巖石和巖體大理巖試件照片

巖石分類巖體=巖塊+結(jié)構(gòu)面變質(zhì)巖：不穩(wěn)定與變質(zhì)程度和原巖性質(zhì)有關(guān)巖漿巖：強度高、均質(zhì)性好沉積巖：強度不穩(wěn)定，各向異性

巖體結(jié)構(gòu)面巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面3大類巖石

圖4－1節(jié)理巖體的強度特征與巖石強度的區(qū)別Ⅰ－巖石；Ⅱ－節(jié)理化巖體：Ⅲ－節(jié)理

巖體強度=巖塊強度+節(jié)理強度

巖石力學(xué)研究的主要對象是巖體，研究巖體在力場作用下，所發(fā)生的變形、破壞和移動的規(guī)律。巖體力學(xué)研究的內(nèi)容可分為三大部分：巖石、巖體、巖體工程。

巖體工程包括巖基和巖體中各種半地下或地下坑洞，主要有巖石邊坡、地下坑洞和巖基三大類。1、巖石的力學(xué)特性2、巖體的力學(xué)特性3、巖體工程的穩(wěn)定性二、巖石力學(xué)的研究對象巖石力學(xué)主要研究巖石在荷載作用下的應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問題。巖石力學(xué)的研究內(nèi)容主要包括以下幾個部分：巖石的物理性質(zhì)

主要研究巖石的基本物理性質(zhì)、水理性質(zhì)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，包括研究巖石的滲透性，水對巖石性狀的影響和巖石的工程分類。巖石的強度主要研究巖石的破壞形式，巖石的抗壓強度，巖石的抗拉強度，巖石的抗剪強度以及巖石的破壞準(zhǔn)則，并分析水、結(jié)構(gòu)面方位、結(jié)構(gòu)面粗糙度對強度的影響。巖石力學(xué)主要內(nèi)容巖石力學(xué)主要內(nèi)容巖石的變形

通過實驗室變形試驗和現(xiàn)場變形試驗，研究巖石的變形性質(zhì)并分析巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線的影響因素。巖體天然應(yīng)力與洞室圍巖的應(yīng)力分布主要研究地應(yīng)力的變化規(guī)律，包括巖體應(yīng)力的現(xiàn)場量測技術(shù)和水平洞室圍巖的應(yīng)力計算問題。山巖壓力與圍巖穩(wěn)定性

分析山巖壓力的形成及其影響因素，在理想的簡單地質(zhì)情況下，可采用壓力拱理論、太沙基理論、彈塑性理論來計算山巖壓力，對于地質(zhì)情況復(fù)雜的情況，可采用地質(zhì)分析法計算山巖壓力。巖石力學(xué)主要內(nèi)容有壓隧洞圍巖的應(yīng)力與穩(wěn)定性包括圍巖內(nèi)附加應(yīng)力的計算，有壓隧洞圍巖和襯砌的應(yīng)力計算，隧道圍巖蠕變計算和有壓隧洞圍巖最小覆蓋層厚度問題。巖基的應(yīng)力與穩(wěn)定性分析

研究巖基內(nèi)應(yīng)力分布情況，包括巖基承載力計算和巖基抗滑穩(wěn)定計算。巖坡穩(wěn)定分析

研究巖坡的穩(wěn)定性，針對不同的破壞類型，可分別采用圓弧法、平面滑動法、雙平面滑動法、力多邊形法、力的代數(shù)疊加法和楔形滑動法。水利水電工程中的巖石力學(xué)問題能源儲備與核廢料處理中的巖石力學(xué)問題交通運輸工程中的巖石力學(xué)問題重點巖石工程問題12.東北10.黃河上游11.黃河中游4.長江上游3.大渡河2.雅礱江1.金沙江6.湘西7.閩浙贛8.瀾滄江9.南盤江洪水河5.烏江水利水電未來20年在12個水電建設(shè)基地開工興建數(shù)十座大型水利水電工程其中，金沙江流域溪洛渡、向家壩、白鶴灘、烏東德，總裝機容量為三峽工程的三倍西線一期工程計劃于2010年左右開工建設(shè)，全長262公里，隧道總長244公里，最長隧道73公里，埋深1000米左右餅狀巖芯（硬巖）拉西瓦、李家峽、二灘、天生橋、魯布革等水電工程、南水北調(diào)西線工程等。錦屏二級水電站引水隧洞長16～19km，一般埋深1500～2000m，最大埋深2500m，開挖洞徑11m，最大水頭312m。墨脫水電站在雅魯藏布江大拐彎處修建40km長的引水隧洞，最大埋深可達4000m，獲得水頭2200m。

水利水電工程開發(fā)遇到的極復(fù)雜環(huán)境條件1、活動斷裂發(fā)育：西部活動斷層371條，總長度2.8萬公里2、高烈度地震頻發(fā)：頻度高、強度大、范圍廣3、工程規(guī)模巨大（高邊坡、大型硐室群、深埋長隧道）4、高地應(yīng)力戰(zhàn)略石油儲備猶如核武器，擁有它意味著石油價格和供給的安全2004年9月20日，在“中國國際石油石化企業(yè)高峰論壇”上，國家發(fā)改委副主任張國寶指出，經(jīng)歷世界范圍能源緊缺的局勢后，國家已經(jīng)規(guī)劃并且開始建立能源戰(zhàn)略儲備，具體儲備量將根據(jù)中國的國情來確定。目前，我國戰(zhàn)略石油儲備的工作在加快。2003年發(fā)改委戰(zhàn)略石油儲備辦公室成立，統(tǒng)籌規(guī)劃國家的石油儲備工作。目前已經(jīng)確定浙江鎮(zhèn)海、浙江舟山岙山、遼寧大連、山東黃島為儲備基地，國家戰(zhàn)略石油儲備已經(jīng)投入實質(zhì)運作了。

能源儲備與核廢料處理中的

巖土工程問題能源儲備美國、德國戰(zhàn)略石油儲備：90天我國：2天近10－20年，能源戰(zhàn)略的地下儲存進入實施階段能源儲備與核廢料處理中的

巖土工程問題能源儲備2006年至2008年，大連、黃島、鎮(zhèn)海、舟山四大石油儲備基地將基本竣工，將可儲存30天進口量的石油，是短期內(nèi)中國石油儲備的目標(biāo)。到2015年我國戰(zhàn)略石油儲備的90天遠期目標(biāo)可望實現(xiàn)。

能源儲備與核廢料處理中的

巖土工程問題能源儲備我國已有大量的軍事高放廢料，核電站核廢料到2010年將達1000噸近10－20年，核廢料地下處置初步設(shè)計和實施能源儲備與核廢料處理中的

巖土工程問題核廢料處理規(guī)劃興建的大唐國際莊河核電廠擬選廠址為于家溝廠址和南尖廠址。于家溝廠址位于莊河市黑島鎮(zhèn)于家溝東南海濱臺地上，距莊河市約25km，距大連市約166km，距丹東104km。南尖廠址位于莊河市栗子房鎮(zhèn)南尖村海濱臺地上，距莊河市約38km，距大連市180km，距丹東市約92km。核電廠一期建設(shè)規(guī)模為4×1000MW核電機組，規(guī)劃容量為6×1000MW。于家溝廠址南尖廠址大唐國際莊河核電廠址地理位置圖

美國的核電已有幾十年歷史了，并因此積攢了7．7萬噸放射性核廢物。因為總是找不到永久儲存這些核廢物的合適地點，所以，各核電站只能將它們暫時儲存在核電站內(nèi)?？蛇@總不是個長久之計，除了每年還要新增2000噸核廢料外，在核電站存貯這么多核廢物，完全可能成為恐怖分子攻擊的目標(biāo)，真令人天天膽戰(zhàn)心驚。為核廢料找個永久的家，一直是美國朝野念念不忘的大事。經(jīng)過20多年的研討、選擇及評估，美能源部部長亞伯拉罕宣布，將在內(nèi)華達州拉斯維加斯北150公里處的蘭花山底深處，用500億美元建造一個核廢料的永久儲存所，儲存核廢料1萬年。能源儲備與核廢料處理中的

巖土工程問題核廢料儲存京都協(xié)定書鹽巖中儲存

長期規(guī)劃能源儲備與核廢料處理中的

巖土工程問題二氧化碳儲存關(guān)鍵科學(xué)問題（以石油地下儲存為例）石油地下儲存選址階段設(shè)計施工階段運行階段應(yīng)對戰(zhàn)爭與災(zāi)害：在什么地方修建？在什么巖層中修建？如何設(shè)計：成庫條件？多大的庫?什么形狀的庫?如何施工：最小擾動的開挖和溶解方式？安全運營：洞庫體體積變化？長期穩(wěn)定性？管道與機械系統(tǒng)?環(huán)境保護：石油是否會滲漏？散布范圍？雙向八車道龍頭山隧道(20.8m)

運用“雙側(cè)壁導(dǎo)坑法”修建國內(nèi)第一大跨雙連拱的公路隧道——最大開挖跨度32.6米的京珠高速公路五龍嶺隧道。

交通運輸工程中的巖石力學(xué)問題銑挖鑿巖機電腦臺車模板臺車隧道注漿隧道注漿1、巖體是非均質(zhì)各向異性的材料。2、巖體內(nèi)存在著原始應(yīng)力場。主要包括重力和地質(zhì)構(gòu)造力，重力場是以鉛垂應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力場通常是以水平應(yīng)力為主。3、巖體內(nèi)存在著一個裂隙系統(tǒng)。巖體既是斷裂的又是連續(xù)的，巖體是斷裂與連續(xù)的統(tǒng)一體，可稱之為裂隙介質(zhì)或準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)。當(dāng)巖體應(yīng)力超過其強度時，就會使原有斷裂進一步擴展，形成新的斷裂。而舊斷裂的擴展與新斷裂的形成，又均會導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布。

三、巖體的特征三、巖體的特征

可見，巖體既不是理想的彈性體，也不是典型的塑性體，既不是連續(xù)介質(zhì)，又不是松散介質(zhì)，而是一種特殊的復(fù)雜的地質(zhì)體，這就造成了研究它的困難性和復(fù)雜性。因此，只用一般的固體力學(xué)理論尚不能完善解決巖體工程中的所有問題。巖體結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合關(guān)系，或結(jié)構(gòu)體的規(guī)模及排列形式?jīng)Q定的。巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分反映出巖體的不連續(xù)性和不均一性特征。中國科學(xué)院地質(zhì)研究所根據(jù)多年的工程實踐，從巖體結(jié)構(gòu)的角度提出了巖體結(jié)構(gòu)分類。根據(jù)這個分類．巖體結(jié)構(gòu)分為塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、層狀碎裂結(jié)構(gòu)以及松散結(jié)構(gòu)等。我國不少專門為工程目的的巖體分類，例如為建造地下隧道和洞室的圍巖分類(鐵路隧道規(guī)范分類、巖石地下建筑技術(shù)措施分類等)，都是以巖體結(jié)構(gòu)分類為基礎(chǔ)的。四、巖體結(jié)構(gòu)

巖石力學(xué)是伴隨著采礦、土木、水利、交通等巖石工程的建設(shè)和數(shù)學(xué)力學(xué)等學(xué)科的進步而逐步發(fā)展形成的一門新興學(xué)科和邊緣學(xué)科，是一門應(yīng)用性和實踐性很強的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。它的應(yīng)用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質(zhì)、地震、石油、地下工程、海洋工程等眾多的與巖石工程相關(guān)的工程領(lǐng)域。一方面，巖體力學(xué)是上述工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)；另一方面，正是上述工程領(lǐng)域的實踐促使了巖體力學(xué)的誕生和發(fā)展。巖石力學(xué)按其發(fā)展進程可劃分四個階段：五、巖石力學(xué)的產(chǎn)生及其發(fā)展(1)初始階段(19世紀(jì)末--20世紀(jì)初)

巖石力學(xué)最早起源于采礦工程，在這個階段，開采規(guī)模小，采深近于地表，開采空間不大，巖石力學(xué)的問題主要是巷道頂板冒落和地下開采所引起的地表移動。這是巖石力學(xué)的萌芽時期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學(xué)計算問題。例如，1912年海姆(A．Heim)提出了靜水壓力的理論．他認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)。(2)經(jīng)驗理論階段(20世紀(jì)初～20世紀(jì)30年代)

該階段為巖石力學(xué)發(fā)展的第二階段。在這個階段出現(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗提出的地壓理論，并開始用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法分析地下工程的支護問題。松散介質(zhì)學(xué)派（例如普氏理論）占主導(dǎo)地位，他們借助土力學(xué)理論解決巖石力學(xué)問題，提出巷道地壓計算原理和采場地壓假說。在此階段更加深入地研究巖石的破壞機理。

該階段是巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段，巖石力學(xué)以彈塑性理論為基礎(chǔ)，將巖體視為彈塑性介質(zhì)，應(yīng)用彈塑性力學(xué)方法來研究巖體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，確定了一些經(jīng)典計算公式，形成圍巖和支護共同作用的理論。結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響受到重視。在彈塑性分析的基礎(chǔ)上引入流變理論，將某些巖體視為帶粘性的介質(zhì)，考慮時間因素對巖體應(yīng)力、應(yīng)變和位移的影響。(3)經(jīng)典理論階段(20世紀(jì)30年代～60年代)

巖體力學(xué)已逐漸形成完整的科學(xué)體系作為力學(xué)的一個分枝，成為一門獨立的力學(xué)學(xué)科，服務(wù)于巖體工程。用更為復(fù)雜的多種多樣的力學(xué)模型來分析巖體力學(xué)問題，把力學(xué)、物理學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代信息技術(shù)等最新成果引入了巖體力學(xué)。而計算機的發(fā)展使用有限元、邊界元、離散元等解算巖體力學(xué)問題得以實現(xiàn)。20世紀(jì)70年代以后巖石力學(xué)發(fā)展比較迅速，巖體力學(xué)測試技術(shù)不斷完善，應(yīng)力解除法可測試深部巖體應(yīng)力。剛性壓力機的出現(xiàn)，可測試應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線，從而更深刻的揭示了巖石的力學(xué)特性。(4)現(xiàn)代發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代～現(xiàn)在)重要事件1925年泰沙基（Terzaghi）《建筑土力學(xué)》地質(zhì)力學(xué)的巖石力學(xué)學(xué)派（奧地利學(xué)派（薩爾茨堡學(xué)派）繆勒<L.Miiller>）否認小巖塊試件的力學(xué)試驗。工程巖石力學(xué)學(xué)派，法國塔洛布爾（J.Talober）1963年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動1966年在里斯召開第一屆國際巖石力學(xué)大會（一屆/4年）繆勒（1）巖體物理狀態(tài)(如裂隙、風(fēng)化性、透水性等)的研究；（2）建立適應(yīng)巖石特點的強度理論；（3）測定巖體的基本力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、強度等）；（4）巖體變形、破壞和移動規(guī)律的研究；（5）關(guān)于巖體穩(wěn)定性的研究，特別是結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性的影響；（6）巖體中應(yīng)力狀態(tài)的研究；六、巖石力學(xué)需要解決以下基礎(chǔ)理論問題（7）圍巖與支架相互作用的問題；（8）高應(yīng)力狀態(tài)下巖石特性的研究；（9）巖體的動力特性；（10）模擬試驗理論(相似理論)的研究；（11）彈性波在巖體中傳播的規(guī)律；（12）巖體的分類等等。六、巖石力學(xué)需要解決以下基礎(chǔ)理論問題

巖體力學(xué)的研究方法包括三方面：室內(nèi)試驗、現(xiàn)場量測、理論分析與計算。1、室內(nèi)試驗包括：（1）巖石的物理、水理性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的測定；（2）不連續(xù)面的力學(xué)性質(zhì)測定；（3）模型試驗，即光彈模型試驗和相似材料模型試驗。七、巖石力學(xué)的研究方法

2、現(xiàn)場量測包括：（1）巖體變形和強度參數(shù)測定；（2）巖體應(yīng)力測定；（3）圍巖對支護壓力測定；（4）圍巖應(yīng)力、變形、移動和巖體破壞的監(jiān)測和預(yù)報，包括支護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。七、巖石力學(xué)的研究方法3、理論分析與計算包括：（1）