岩石力学与工程

0绪论0.1课程性质和任务性质：土木工程专业技术基础必修课程任务：学习岩石的基本力学性质、实验研究方法、岩体的质量评价方法及其分类理论、地应力及其测量理论和方法、岩石的流变理论和强度理论。在此基础上学习岩石地下工程和边坡工程中岩体稳定性的分析评价及加固处理理论和方法。先修课程：材料力学、理论力学、工程地质学等后续课程：隧道工程、地铁工程、道路边坡工程等适用专业：土木工程课程设置：课内总学时:36，实验学时:8，学分:4课程考核：平时作业、上课纪律：20分实验及实验报告：20分期终考试（闭卷）：60分0.2课程教学基本要求1)．课程重点：岩石的基本力学性质及其实验研究方法、岩体的质量评价及其分类理论方法、地应力及其测量理论和方法、岩石的流变理论和强度理论、岩石地下工程、岩石边坡工程。2)．课程难点：岩石的流变理论和强度理论、节理面的力学性质，岩体工程分析评价理论和方法。3)．能力培养要求：岩石力学的实验技能，岩石力学的研究方法，地下工程和边坡工程中岩体稳定性的分析评价及加固处理理论和方法。0.3岩石力学发展历史概貌（1）初始阶段（19世纪末~20世纪初）：萌芽时期产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。1912年瑞典地质学家海姆(A.Heim)提出了静水压力的理论。1926年苏联学者金尼克(A.H.Динник)基于弹性力学理论提出了只有垂直压力等于H，而水平压力应为H乘一个侧压系数，即λH。由于当时地下岩石工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不准确的。（2）经验理论阶段(20世纪初~30年代)：经验散体地压理论该阶段出现了用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。最有代表性的理论就是苏联学者普罗托吉雅柯诺夫（Μ.Μ.Протодьяконов）提出的自然平衡拱学说，即普氏理论。太沙基（K.Terzahi）也提出相同的理论，只是他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的。（3）经典理论阶段（20世纪30年代~60年代）这是岩石力学学科形成的重要阶段，弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，形成围岩和支护共同作用的理论。标志岩石力学已经形成了一门独立的学科。在经典理论发展阶段，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。连续介质理论是以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质出发来认识岩石工程的稳定问题。20世纪30年代，萨文（Ρ.Η.САΒИН）就用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计算分析岩石工程的围岩应力分布问题。20世纪50年代，鲁滨湟特（Κ.Β.Ρуппененит）运用连续介质理论写出了求解岩石力学领域问题的系统著作。20世纪60年代，引入有限元、有限差分等数值计算。强调地应力作用。连续介质理论存在的问题：1）边界加载－远处的位移大，而开挖体内边缘位移小。2）传统连续介质理论过分注重对岩石“材料”的研究，追求准而又准的“本构关系”。3）连续介质理论的计算方法只适用于圆形巷道。（3）经典理论阶段（20世纪30年代~60年代）－续地质力学理论注重研究地层结构与力学和岩石工程稳定性的关系。20世纪20年代由德国人克罗斯（H.Cloos）创立起来的。该理论观点：1）反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学的原理进行分析；2）强调要重视对岩体节理、裂隙的研究，重视岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。1951年6月在奥地利成立了以斯梯尼（J.Stini）和米勒(L.Müller)为首的“地质力学研究组”，在萨尔茨堡举行了第一届地质力学讨论会，形成了“奥地利学派”。最重要贡献：1）必须了解地应力，2）开挖后岩体的力学强度变化，3）节理裂隙对岩石工程稳定性的影响，4）重视岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，这是现代信息岩石力学的雏形，5）重视支护与围岩的共同作用，提出了著名的“新奥法”，该方法特别符合现代岩石力学理论，至今仍被国内外广泛应用。3）经典理论阶段（20世纪30年代~60年代）－续1962年10月，在第13届地质力学讨论会上成立了国际岩石力学学会，米勒担任第一任主席。1966.9葡萄牙里斯本（1）；1970.9贝尔格莱德（2）；1974.9美国丹佛（3）；1979.9瑞士盟特诺（4）我国第一次参加；1983澳大利亚墨尔本（5）……2003.9南非约翰内斯堡（10）；2007.7葡萄牙Lisbon(11)；2011中国北京（12）地质力学理论的缺陷：1）是过分强调节理、裂隙的作用，过分依赖经验，而忽视理论的指导作用。2）该理论完全反对把岩体作为连续介质看待，也是不正确的和有害的，这种认识阻碍现代数学力学理论在岩石工程中的应用。（4）现代发展阶段（20世纪60年代~现在）：理论和实践的新进展阶段此阶段主要特点是，用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题，多学科交叉，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最新成果引入了岩石力学。现代岩石力学理论认为：岩石工程是一个“人—地”系统，用系统论的方法来进行岩石力学与工程的研究。从“材料”概念到“不连续介质概念”是现代岩石力学的第一步飞跃；引入电子计算机（快速计算），进入计算力学阶段是第二步飞跃；而非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用阶段，则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意义更为重大的飞跃。0.4岩石力学的两个定义1）1966年，美国科学院岩石力学委员会对岩石力学给予以下定义：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。这一定义是从“材料”的概念出发的，带有材料力学或固体力学的深深烙印。认识有了突破。首先，不能把“岩石”看成固体力学中的一种材料，所有岩石工程中的“岩石”是一种天然地质体，或者叫做岩体，它具有复杂的地质结构和赋存条件，是一种典型的“不连续介质”。其次，岩体中存在地应力，它是由于地质构造和重力作用等形成的内应力。由于岩石工程的开挖引起地应力的释放，正是这种“释放荷载”才是引起岩石工程变形和破坏的作用力。2）1998年，中国科学院院士王思敬教授在中国岩石力学与工程大会上提出岩石力学新定义：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。岩石力学的研究思路和研究方法与以研究“外荷载作用”为特征的材料力学、结构力学等有本质的不同。0.5岩石力学研究的主要问题（1）土木建筑工程：①高层建筑地基处理与加固技术；②大型地下硐室、地下建筑空间设计、施工与加固理论技术；③地面建筑物沉降、倾斜控制和纠偏技术；④山城或山坡及临坡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术。（2）水利水电工程：①坝基及坝肩稳定性，防渗加固理论和技术；②有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术；③大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术；④高速水流冲刷的岩石力学问题；⑤水库诱发地震的预报问题；⑥库岸稳定及加固方法。（3）铁道和公路建设工程：①线路边坡稳定性分析；②隧道设计和施工技术；③隧道施工中的地质超前预报及处理；④高地应力区的岩爆理论及处理；⑤隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施；⑥地铁施工技术。。0.5岩石力学研究的主要问题－续（4）采矿工程：①露天采矿边坡设计及稳定加固技术；②井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题；③采场稳定性及开采优化（采场结构、开采顺序、开挖步骤等）设计问题；④矿井突水预测、预报及预处理理论和技术；⑤岩爆、煤与瓦斯突出预测及预处理理论和技术；⑥采空区处理及地面沉降问题；⑦岩石破碎问题。（5）石油工程：①岩石应力与岩石渗透性；②岩石力学与地球物理勘探综合研究；③钻探技术与井壁稳定性；④岩石力学与采油技术（水压致裂、水平钻孔）；⑤油层压缩及地表沉陷；⑥石油、天然气运输、储存工程及环境影响。（6）海洋勘探与开发工程。（7）核电站建设中核废料处理技术。（8）地层热能资源开发技术问题。（9）地震预报中的岩石力学问题。以上只是一些主要方面，随着岩石工程建设的发展，还会有新问题不断提出0.6岩石力学面临的发展机遇1）我国大规模的基本建设高层建筑、隧道桥梁、城市地铁、其他基本设施等2）四大工程建设三峡水电工程、南水北调工程、青藏铁路工程、西气东输工程3）资源开采固体资源开采、液体资源开采、气体资源开采4）海底隧道建设渤海海底隧道、台湾海峡海底隧道