岩体力学与工程实践绪论

第一章绪论第一节岩体力学与工程实践一、岩体力学的概念（Rockmassmechanics）力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的基础学科。（1）研究对象各类岩体（岩体：地质体的一部分，它位于一定的地质环境之中，是在各种宏观地质界面（断层节理、破碎带、接触带、片理等）分割下形成的有一定结构的地质体。）（2）服务对象涉及许多领域和学科。如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂（如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等）以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务岩体力学；（工程岩石力学）②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学；③为构造地质学、找矿及地震预报等服务岩体力学。（3）（工程）岩体力学研究的根本目的和任务准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据。（以露天采矿边坡坡角选择为例，符合“安全、经济和正常运营”的原则）二、工程实践（Engineeringpractices）岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。（1）发展进程：最初，岩体工程数量少，规模也小，多凭经验解决工程中遇到的岩体力学问题。因此，岩体力学（20世纪50年代末（1957年法国的塔罗勃J.Talobre《岩石力学》的出版））的形成与发展要比土力学（18世纪七十年代（1773～1776年）库仑Coulomb提出的土的抗剪强度和滑动土壤的土压力理论，标志着土力学进入古典理论时期）晚得多。随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。对工程建设的安全性与经济性产生显着的影响，甚至带来严重的后果。如高坝坝基、拱坝、高层建筑、地下厂房、核电站等地壳岩体的变形与稳定问题，能否对这些问题能否正确评价和分析。（2）在人类工程活动的历史长河中，因岩体变形和失稳酿成重大事故的例子是很多的。举例说明：1928年，美国，圣?弗朗西斯重力坝失事；1959年，法国，马尔帕塞（Malpasset）薄拱坝溃决，死亡380人；1963年，意大利，瓦依昂（Vajont）拱坝水库左岸大滑坡，2500人丧生；国内：1961年，湖南，拓溪水电站近坝库岸发生滑坡；1980年，湖北远安盐池河磷矿的山崩，死亡280人。这些事故的发生，多是由于对工程地区岩体的力学特性研究不够，对岩体的变形和稳定性估计不足引起的。这些惨痛的事故，给人们敲响了警钟！提醒人们：在岩体工程中必须重视岩体力学！今天，由于矿产资源勘探开采，能源开发以及地球动力学研究等需要，工程规模越来越大，涉及的岩体力学问题越来越多。第二节岩体力学的研究内容和研究方法一、研究对象的复杂性（Complexityofobject）如前所述，岩体力学的研究对象是各类岩体，由于岩体在其形成和存在的整个地质历史时期中，经受过各种复杂而不均衡的地质作用，这使其工程性质变得十分复杂，这种复杂性表现在以下几个方面：（1）不连续性：（这使其性质与其它连续介质有很大的差别）（2）非均质性：（岩体物理—力学性质随空间位置不同而有性质的差异）试验结果的离散性（3）各向异性：（岩体性质随岩体结构的取向而有差异的性质）（4）岩体中存在不同于自重应力场的天然应力场（一般认为，天然应力主要由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。）（5）岩体赋存于一定地质环境之中，岩体中的水、温度、应力场，对岩体性质有较大的影响。因此，对于这样一种复杂的介质，不仅研究内容非常复杂，而且其研究方法和手段也应与连续介质力学有所不同。二、研究内容（Contentofresearch）从工程观点出发，大致可归纳为如下几方面的内容：（1）岩块、岩体地质特征的研究；（岩体力学分析的基础）（2）岩石的物理、水理与热学性质的研究；（高度、空隙性；吸水性、软化性、抗冻性、透水性；比热容、导热系数、热膨胀系数等）（3）岩块的基本力学性质的研究；（4）结构面力学性质的研究；（是岩体力学最重要的研究内容）（5）岩体力学性质的研究；（是岩体力学最基本的研究内容）（6）岩体中天然应力分布规律及其量测的理论与方法的研究；（应力恢复法：水压致裂法（钻孔内）、扁千斤顶法（岩壁上）、套心法（钻孔套心应力解除法））（7）边坡岩体、地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究；（实际应用研究）（8）岩体性质的改善与加固技术的研究；（9）各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用研究；（10）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术的研究。（数值模型模拟、物理模型模拟和离心模型模拟试验等）简而言之，三大块：（1）岩块（石）①地质特征（物质组成和结构特征）—岩体力学分析的基础；②物理、水理和热学性质（密度、空隙性；吸水性、软化性、抗冻性、透水性；比热容、导热系数、热膨胀系数等）；③基本力学性质。（2）结构面力学性质（、τ、F的变形特征及参数确定E、μ、τf特征及测试技术与方法）--最重要的研究内容）（3）岩体①地质特征（岩体结构、工程分类）；②力学性质包括变形性质、强度性质、动力学和水力学性质（最基本的研究内容）；③天然应力（分布规律、量测方法）；④边坡、地基、洞室岩体的稳定性；⑤改善与加固技术；⑥新技术、新方法和理论的应用；⑦模型、模拟试验及原位监测技术。三、研究方法（Methodsofresearch）岩体力学的研究内容决定了在岩体力学研究中必须采用如下几种研究方法：（1）工程地质研究法（Engineeringgeologicalmethods）目的是研究岩块和岩体的地质结构与特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。（2）试验法（Test/experimentaionMethods）（是岩体力学发展的基础）目的主要是为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。（3）数学力学分析法（Mathmaticalandmechanicalmethods）（一个重要环节）建立符合实际的力学模型和选择适当的分析方法是数学力学分析中的关键。目的是通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计与施工提供定量依据。目前常用的力学模型有：刚体力学模型、弹性及弹塑性力学模型、断裂力学模型和损伤力学模型及流变模型等等。常用的分析方法有：块体极限平衡法（BlockLimitEquilibrium）；有限元（FEM）、边界元（BEM）和离散元法（DEM）；模糊聚类和概率分析法等等。此外，近年来，还出现了运用系统论、信息论、人工智解专家系统、灰色系统等新方法来解决岩体力学的问题。（4）综合分析法（Methodsofsyntheticalanalysis）以上几种方法紧密结合，相互促进，相辅相成，缺一不可。第三节岩体力学发展的概况与动态岩体力学是在岩石力学的基础上发展起来的一门新兴学科1962年，“国际岩石力学学会（ISRM）”-theInternationalSocietyforRockMechanics.1985，“中国岩石力学与工程学会（CSRME）”-ChineseSocietyforRockMechanicsandEngineering.一、岩体力学的形成和发展岩体力学形成于20世纪50年代末（40余年的发展历史）（1）形成标志（formationalsign）1957年，法国的塔罗勃（J.Talobre）的《岩石力学》的出版1962年，国际岩石力学学会（ISRM）的成立（2）两大学术流派（twoacademiccircles）★地质力学的岩石力学学派以地质学观点的地质力学的岩石力学学派，奥地利学派或萨茨堡学派（SalzburgCircle）以缪勒（L?Muler）为代表，另外还有斯体尼（J?Stini）偏重于地质力学方面，主张：①岩块与岩体要严格区分；②岩体的变形不是岩块本身的变形，而是岩块移动导致岩体的变形；③否认小岩块试件的力学试验，主张通过现场（原位）力学测定，才能有效地获取岩体力学的真实性。该派基本观点：岩体的力学作用主要取决于岩体内的结构面及其对岩体的切割特征。创立了“新奥地利隧洞掘进法（新奥法）”（NATM）：NewAustrainTunnellingMethod.★工程岩石力学学派以法国的塔罗勃（J.Talober）为代表，主张：以工程观点来研究岩石力学，偏重于岩石的工程特性方面。注重以弹塑性理论方面的研究，将岩体的不均匀性概化为均质的连续介质，小岩块试件的力学试验与原位力学测试并举。1951年，J.Talober的《岩石力学》一书，是该学派最早的代表著作。1969年，英国的耶格（J.C.Jaeger）按此观点又著有《岩石力学基础》一书，这是一本国际上较为著名的著作。（3）四个阶段（fourphases）①材料力学阶段（连续介质岩石力学阶段）（二次世界大战之前，20世纪60年代以前）②裂隙岩体力学阶段（20世纪60～70年代）20世纪50年代开始，Malpasset坝和Vajont坝的失事推动其发展，“Salzburg”学派或奥地利学派起了很大在的推动作用。1974年，L.muler的《岩体力学》出版—标志性成果。③岩体结构力学阶段（20世纪70年代中期）以我国的谷德振教授为代表将岩体力学推向了岩体结构力学阶段，后来孙广忠等人孙广忠的“岩体结构控制论”是岩体结构力学的理论基础。④地质工程岩体力学阶段（大约20世纪90年代中后期至今）大跨度高边墙地下建筑、复杂条件下的隧道工程、500m以上的高边坡、超过300m的高坝及跨海大桥等等工程，涉及很多地质问题。二、我国的岩体（石）力学的发展概况我们的祖先曾创建过震动全世界的工程建设。如：（四川）岷山都江堰，（四川）自贡深达数百米的盐井，万里长城等等。岩体力学作为一门专门学科在我国起步较晚，但也取得了长足的进展。陆续建立了一些科研机构如中国科学院武汉岩土力学研究所、地质研究所以及长江科学院岩基研究所等，取得了一系列重大成果。几个有突出贡献的学者（我国岩石力学的奠基者）：陈宗基（1991年去世），将流变引入岩体力学，提出了岩体流变、扩容与长期强度等概念，进一步发展了岩石流变扩容理论。谷德振，提出了岩体工程地质力学理论（根据岩体由于受结构面切割而具有的多裂隙性）。孙广忠，提出了岩体结构控制论的观点和理论，著有《岩体结构力学》。回顾我国岩体（石）力学的发展，大体上可划分为三个阶段：（1）第一阶段，20世纪50年代至60年代中期，“萌芽阶段”。基本与国外相似，运用材料力学、土力学、弹塑性理论等的基础来开展研究的。（2）第二阶段，20世纪60年代中期至70年代中期，“文化大革命”的影响。大部分工程停建和缓建，导致岩体力学发展非常缓慢，“低谷阶段”（3）第三阶段，20世纪70年代以后至今，蓬勃发展阶段。工程上，成功解决了如葛州坝和三峡坝区、湖北的大冶和江西德兴的露天矿场、秦山核电站岩基与高边坡以及铁道交通上的长隧洞工程等一系列重大岩石力学工程问题。三峡大坝（高185.0m）、秦岭超长隧道（18.0Km）的成功例子。三、岩体力学以往的研究工作的特点（从形成至今）（1）对岩体及其力学属性的认识不断深入；（2）研究领域愈益扩大，并强调在工程中的应用；（3）重视岩体中天然应力的研究；（4）岩体的测试技术和监测技术大力发展；（5）注重岩体力学、水力学性质及流变性质的研究；（6）新理论、新技术及新方法的应用。如70年代开始的块体理论（blocktheory）、概率论（probabilitytheory）、模糊数学（fuzzymathematics）、断裂力学（rupturemechanics）、损伤力学（damagemechanics）、分形几何（fractalsandgeometry）等，近年来的系统论（systems）、信息论（informationtheory）、控制论（cybernetics）、人工智能专家