岩石力学---第1章 绪论(zhou)

周杰手机：[phone]办公室：综合楼11楼1110室1.张永兴主编，岩石力学；2.李世平等编，岩石力学简明教程；3.蔡美峰主编，岩石力学与工程；4.徐志英主编.岩石力学.学习要求:按时上课，遵守纪律：课后讨论与答疑课前预习重难点：课时紧，难度大，选讲重点与难点，PPT不讲的也可能考，讲课内容与教材不完全一致（补充课外重点），编排体系则有差异，所以上课尽量不缺席，做好笔记，至少记提纲。课后复习与消化：教只起导的作用，重在学上，认真听课，尽量在课堂上消化。课后答疑与交流：普遍性的问题在班上集中讲解！章节回顾与测试：随堂测试作平时作业成绩第一章绪论引言岩石力学学科的形成及定义岩石力学理论的发展简史岩石力学中的基本概念岩石力学的基本研究内容(what)岩石力学中的研究方法(how)岩石力学的应用范围(why)一、引言1.人类活动与岩石工程（RockEngineering）岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都是在岩石圈上进行的：早在远古时代，人们就开始使用岩石制作工具，利用天然岩洞或挖掘岩洞做居室；在约4700年前，古埃及就开采岩石建造金字塔其最大高度达到146.5m；公元1600年，火药传入欧洲用以采矿和开挖隧道；19世纪铁路的大发展，要求限制铁道的坡度，导致隧道技术的快速发展；20世纪大型水电工程的建设对岩石基础、边坡、地下洞室和隧道工程提出了更高的要求。比如说我国的南水北调，西气东输，三峡大坝工程。“高峡出平湖，当惊世界殊”2.经典的岩石工程与事故灾害(Catastrophe)2.1经典岩石工程（金字塔，三峡工程，见上）:2.2.事故灾害:（1）20世纪50年代末法国Malpasset拱坝的失事Malpasset坝位于法国南部Rayran河上，坝高66m，水库总库容5100万m3。坝顶高程102.55m，顶部弧长223m。坝的厚度由顶部1.5m渐变到中央底部6.76m，属双曲薄拱坝。该坝于1954年末建成并蓄水。库水位上升缓慢。历经5年至1959年11月中旬，库水位才达到95.2m。这时的坝址下游20m，高程80m处有水自岩石中流出。1959年12月2日，大坝突然溃决，洪水出峡谷后流速仍达20km/h，下游12km处Frejus城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游1.5km处，左岸坝基岩体被冲出深槽。Malpasset坝现状（2）60年代初意大利Vajont大坝水库高边坡的崩溃1959年Malpasset拱坝溃坝并造成的重大灾难震惊了工程界，开创了拱坝溃坝的先例。事故发生在坝工建设方面，尤其是在拱坝建设方面为世界最先进的国家；该坝设计者的也是最负盛名的设计大师AndceCoyne，先后设计了100多座大坝。这次事故表明任何型式的包括被认为最安全的拱坝都会遭到破坏(Serafim，1987)。1959年建成的意大利Vajont拱坝位于Piave河支流Vajont河上，坝高262m，是当时世界上最高的拱坝。1963年10月9日夜，当Vajont水库水位达到700m高程时，大坝上游近坝左岸山体突然发生方量约2.5亿m3的高速滑坡。滑坡体以20-30m/s的速度冲入水库，掀起巨大涌浪，涌浪高度在右岸超出坝顶高度250m，左岸150m。涌浪撞击山体后继续向上下游传播，在上游摧毁了Erto和Casso两个村庄。向下游传播的涌浪翻越大坝泄入底宽仅20m的Vajont河谷，在冲入Piave河时席卷了Longarone小镇及几个邻近村庄，造成约2500人死亡(Jaeger,1979)。整个灾害的持续时间仅仅5分钟。Vajont现状这两次事件促成了国际岩石力学学会（ISRM,InternationalSocietyforRockMechanics）在1963年于奥地利萨尔茨堡成立。(1985年，中国岩石力学与工程学会正式成立)。二、岩石力学学科的形成及定义1951年，J.Stini和L.Müller等在Salzburg发起和举行了以岩体力学为主题的第一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与力学相结合、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一步，并创办了《GeologieundBauwesen》，1962年改名为《RockMechanics&RockEenigeering》1956年4月，在美国的科罗拉多矿业学院（ColoradoSchoolofMines）举行的一次专业会议上，开始使用“岩石力学”这一名词，并由该学院汇编了“岩石力学论文集”。在论文集的序言中说：“它是与过去作为一门学科而发展起来的土力学，有着相似的概念的一门学科，对这种有关岩石的力学方面的学科，现取名为岩石力学”。1957年在巴黎出版的塔洛布尔（J.Talobre）的专著“岩石力学”是这方面最早的一本较系统的著作。其后，开始形成了不同的岩石力学学派（如法国学派，偏重于从弹塑性理论方面来研究；奥地利学派，偏重于地质构造方面来研究）。1964年5月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的定义为：“岩石力学是研究岩石的力学性状（behavior）的一门理论和应用的科学，它是固体力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的学科，具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏规律以及工程稳定性等问题.”上述定义是把“岩石”看成固体力学中的一种材料，然而岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是一种典型的“连续介质”，具有复杂的地质构造和赋存条件的天然地质体。岩石力学的定义（RockMechanics)三、岩石力学理论的发展简史1.初始阶段(19世纪末~20世纪初)岩石力学的萌芽时期A.Heim(1912)提出了静水压力的理论W.J.M.Rankine（朗肯）和A.H.ДИННИΚ(金尼克)地层压力的修正理论，即HHhv-1)24(2或tg2.经验理论阶段(20世纪初~20世纪30年代)该阶段根据生产经验提出了经典的地压理论，具有代表性的理论有：普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论．围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分．太沙基(K．Terzahi)理论围岩塌落成矩形，而不是抛物线型．优点与缺点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，但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有的地下空间都存在塌落拱．围岩和支护之间并不完全是荷载和结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作用．3.经典理论阶段(20世纪30年代~20世纪60年代)岩石力学学科形成的重要阶段弹性、塑性力学被引入，提出一些经典的解析计算公式重视结构面对岩体力学性质的影响形成围岩与支护共同作用理论实验方法的完善一系列岩石力学文献和专著的出版岩体工程问题的解决形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派连续介质理论特点：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。30年代，萨文(P.H.Савин)采用无限大板孔应力集中的弹性解分析围岩的应力分布；50年代，弹塑性理论应用于围岩稳定性研究；R.Fenner－J.Talobre公式和H.Kastner公式；应用流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析；不足：解析方法仅适合平面的圆形巷道，不能模拟开挖过程；由于岩体中节理、裂隙的存在，围岩力学性质参数和准确的本构关系难以确定。地质力学理论特点：注重研究地层结构和力学性质与岩石工程稳定性的关系，强调对岩体节理、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。20年代，由德国人H.Cloos创立51年，J.Stini和L.Müller创立了“奥地利学派”：在理论方面，指出工程围岩稳定性与原岩应力和开挖后岩体的力学强度变化密切相关，重视岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，重视支护与围岩的共同作用，特别重视利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性在施工方面，提出了“新奥法”，符合现代岩石力学理论不足：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4.现代发展阶段(20世纪60年代－现在)特点：用更为复杂多样的力学模型分析岩石力学问题；把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等最新成果引入了岩石力学；电子计算机的广泛应用为流变学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能．从“材料”概念到“不连续介质概念”是现代岩石力学的第一步突破；进入计算力学阶段是第二步突破；有限元、边界元、离散元、位移非连续法（DDA)和流行元法非线性理论、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突破．耗散结构论、协同学、分叉和混沌理论，模糊数学、人工智能、灰色理论四、岩石力学中的几个基本概念1.岩石(Rock)定义：岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的天然地质体。岩石按照其成因可分为三类：岩浆岩，沉积岩和变质岩，不同成因类型的岩石具有不同的物理力学性质（自学、了解）。2.岩块自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平时所称的岩石，在一定程度上都是指岩块。在实验室内通常用一定规格的试件进行岩石物理力学指标试验。这种岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。岩块通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石块体，可看作连续介质及均质体。3.岩体(RockMass)岩体是指在一定地质条件下，含有诸如裂隙、节理、层理、断层、劈理等不连续结构面的复杂地质体。岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续面的存在，岩体的强度远低于岩石的强度。断层（Fault）褶皱(Drape)层理(Lamina)4.岩体结构岩体结构：包括结构面和结构体两个基本要素。结构面：岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面。结构面是岩体的重要组成单元，岩体质量的好坏与结构面的性质密切相关。结构面的强度取决于它的特性，即它的粗糙度及充填物的性质。结构面对岩体结构类型的划分常起着主导作用。在研究结构面时，一方面要注意结构面的强度、密度及其延展性，另一方面还需注意结构面的规模大小和它们之间的组合关系。结构体：被结构面所包围的完整岩石或隐蔽裂隙的岩石，由不同产状的结构面组合切割而形成的岩石块体。在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成。结构体也是岩体的重要组成部分。常见单元结构体有块状、柱状、板状体，以及菱形、楔形、锥形体等多种结构体形式。在研究结构体时，首先要弄清结构体的岩石类型及其物理力学属性，然后根据结构面的组合确定结构体的几何形态和大小，以及结构体之间的镶嵌组合关系等。岩体结构：由结构面的发育程度和组合关系或结构体的规模及排列形式决定的。岩体结构类型的划分反映出岩体的不连续性和不均一性特征。中国科学院地质研究所从岩体结构角度提出了岩体结构分类(P3,表1-1)。我国还有不少专门为工程目的的岩体分类，例如为建造地下隧道和洞室的围岩分类(铁路隧道规范分类、岩石地下建筑技术措施分类等)，都是以岩体结构分类为基础的。五、岩石力学的基本研究内容(1)岩石、岩体的地质特征岩石的物质组成和结构特征结构面特征及其对岩体力学性质的影响岩体结构及其力学特性岩体工程分类(2)岩石的物理、水理与热力学性质(3)岩石的基本力学性质岩块在各种力学作用下的变形和强度特征及力学指标参数影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度等岩石的变形破坏机理及其破坏判据(4)结构面力学性质结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形特征及参数确定结构面剪切强度特征及其测试技术和方法(5)岩体力学性质岩体变形与强度特征及其原位测试技术与方法岩体力学参数的弱化处理与经验估计影响岩体