高等岩石力学

高等岩石力学advancedrockmechanics教学内容1.绪论2.工程背景3.力学基础知识4.地应力5.完整岩石6.不连续面7.岩体教学内容8.岩体渗流9.各向异性与非均匀性10.试验技术与数值模拟11.岩体分类12.岩石动力学与流变特性13.岩体开挖与稳定性14.岩体工程参考文献1.J.A.Hudson,J.P.Harrison.EngineeringRockMechanics,Pergamon,1997(中译本，科学出版社，2009)2.J.C.Jeager,N.G.W.Cook.Fundamentalsofrockmechanics.1979(有中译本)3.L.Muler.Rockmechanics.1974.本书是德、奥、美、意、法等国十名知名岩石力学家1974年在意大利乌迪内国际岩石力学中心举办的一次岩石力学讲座文献参考文献4.孙广忠，岩体结构力学，科学出版社，19885.周维垣主编，高等岩石力学，水利电力出版社，19906.E.Hoek，J.W.Bray.RockSlopeEngineering,19817.E.Hoek,E.T.Brown.UndergroundExcavationinRock,1980参考文献8.杜庆华，余寿文，姚振汉。弹性理论，科学出版社，19869.陆明万，罗学富。弹性理论基础，清华大学出版社，199010.徐秉业，陈森灿。塑性理论简明教程，清华大学出版社，198111.B.K.Atkinson.FractureMechanicsofRock,1987(有中译本)12.尹双增。断裂损伤理论及应用，清华大学出版社，1992平时要求及课程成绩平时成绩+期末书面闭卷考试第1章绪论（introduction）1.岩石力学的定义与内涵岩石力学是从经验到理论然后回到工程的过程“岩石力学是岩石力学性态的理论和应用的科学，它是与岩石性态对物理环境的力场反应有关的力学分支”（Judd，1964）“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，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。”（美国科学院岩石力学委员会，1966）定义的“材料”特点岩石的工程属性和特点“岩石力学主要是与工程和采矿中遇到的那种规模的岩体有关，因而它也可以看作对易于接近的岩体在应力和环境条件变化下性态和特性的研究”（J.C.Jeager，N.G.W.Cook，1979）“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”（王思敬，1998）2.主要研究的领域和问题1.水利水电工程：a)坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术；b)引水隧道设计、施工及加固理论技术；c)大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术；d)高速水流冲刷的岩石力学问题；e)水库诱发地震的预报问题；f)库岸稳定及加固方法。2.采矿工程：a)露天矿山边坡设计及加固技术；b)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；c)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；d)矿井突水预测、预报及预处理理论和技术；e)岩爆、煤及瓦斯突出预测及预处理理论和技术；f)采空区处理及地面沉降问题；g)岩石采挖破碎问题。3.交通建设工程：a)线路边坡稳定性分析；b)隧道设计和施工技术；c)隧道施工中的地质超前预报及处理；d)高地应力区的岩爆理论及处理；e)隧道入口施工技术及洞口边坡设计及支护措施；f)地铁施工技术。4.土木工程：a)建筑地基处理与加固技术；b)地下硐室、地下建筑空间的设计、施工与加固；c)岩质边坡的稳定与支护；d)地质灾害防治问题。5.石油工程：a)岩石应力与岩石渗透性；b)岩石力学与地球物理勘探综合研究；c)钻探技术与井壁稳定性；d)岩石力学与采油技术（水压致裂、水平钻孔）；e)油层压缩及地表沉陷；f)石油、天然气储运技术及环境影响；6.海洋勘探与开发工程7.核废料处理问题8.地热能源开发技术9.地震预报中的岩石力学岩体稳定性、山体稳定性、场区稳定性、区域稳定性、地壳深部活动性基础、边坡和地下工程理论研究和工程应用3.岩石力学的研究方法1.地质研究a)岩石岩相、岩层特征研究b)岩体结构研究c)环境因素研究2.科学试验a)室内物理力学试验b)原位现场试验及监测c)地应力、岩体结构及其它环境测定3.理论分析a)数学力学分析b)数值模拟分析4.工程验证及综合分析试验和工程类比4.岩石力学发展历史从发展的时期看初始阶段（19世纪末~20世纪初）经验理论阶段（20世纪初）经典理论阶段（20世纪30年代~20世纪60年代）现代发展阶段（20世纪60年代~现在）从地域和国家看欧洲：奥地利，德国1951年6月，萨尔斯堡，奥地利学派，J.Stini,L.MŰller，第一届国际地质力学研讨会，1962年10月，成立国际岩石力学学会，英国，E.Hoek,J.W.Bray,O.C.Zienkiewcz前苏联、波兰、前南斯拉夫、瑞典、挪威葡萄牙、意大利美洲及澳洲、南非亚洲：日本、印度中国第2章工程背景（GeologicalSetting）2.1作为工程材料的岩石Rockasanengineeringmaterial已赋存并高度变化的材料（anexistingmaterialwhichishighlyvariable）工程性质的区别决定我们对岩石力学性状的关注方面岩体性状、地应力及工程对象的结合2.2天然岩石环境Naturalrockenvironments工程位置裂隙控制近地表工程稳定性，地应力控制深部结构稳定性其他因素的影响地质识别：地质勘查、正确解释2.3地质因素对岩石及岩体的影响theinfluenceofgeologicalfactorsonrocksandrockmasses五个方面的影响1.完整岩石（intactrock）a)定义b)单轴压缩全应力-应变曲线c)4组典型岩石的应力-应变曲线2.不连续面及岩石结构Discontinuitiesandrockstructurea)岩石存在破损和峰值后力学特性，导致①Throughnaturalprocesses,theinsiturockmayhavealreadyfailedandformedfaultsandjoints;②Thesefaultsandpointsmaybethe‘weaklinks’intherockstructure.b)不连续面与岩石结构c)三种断裂方式d)岩石破坏与不连续面直接相关3.原位已存在的岩石应力Insitupre-existingrockstressa)原位应力b)应力调整和重分布、二次应力场c)加载与卸载d)地应力分布特征e)地应力测量4.孔隙流体和水流Porefluidsandwaterflowa)土体中的有效应力理论b)岩体中水的流动是非连续性、连通率和水文地质环境的函数c)工程活动严重影响应力和水流d)工程应用5.时间的影响influenceoftimea)缓慢的地质作用和快速的工程活动b)理论分析方法c)材料的时间效应第3章力学基础知识1概论弹性理论基本假设：连续体、弹性变形基本方法：经典的静力-几何-物性关系能量方式-变分概念的应用叠加原理解的唯一性局部静力等效与局部作用原理（圣维南原理）2应力理论应力的概念与符号坐标表示、附标表示、矩阵表示、张量表示法应力张量斜面应力和柯西公式应力张量为对称张量主应力和主方向、应力不变量最大剪应力运动微分方程边界条件αfσ0,ijjifσntjjiint3变形的几何理论连续体变形的描述：拉格朗日坐标与欧拉坐标应变的概念与应变张量小变形应变张量应变不变量、圆柱坐标和球坐标小应变公式变形协调方程（相容方程）4应力应变关系应力应变关系的试验依据各向同性弹性体的应力应变关系各向异性体的广义胡克定律5线弹性基本问题和一般解弹性理论的基本方程和边界条件弹性理论的位移基本方程和应力基本方程逆解法和半逆解法第4章地应力（Insitustress）4.1概述1.什么是地应力？2.为什么要确定地应力？3.怎么量化表述地应力？4.2地应力的测量方法直接测量法、间接测量法、指标测量法国际岩石力学学会（ISRM）推荐：a)扁千斤顶法（theflatjacktest）；b)水压致裂法（thehydraulicfracturingtest）;c)美国矿务局钻孔孔径变形计法（TheUnitedStatesBureauofMines(USBM)overcoringtorpedo）；d)澳大利亚联邦科学与工业组织空芯包体应变计法（TheCommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganization(CSIRO)overcoringgauge）。扁千斤顶法水压致裂法水压致裂法前提要求和假设1.不能预先有裂缝2.测试段便于量测水压力3.能确定初始裂缝开裂的方向和位置4.钻孔方向平行主应力方向方法缺陷1.对应上12.对应上43.弹性理论假设的成立4.岩石抗拉强度的确定USBM钻孔变形应变计法CSRIO空芯包体应变计法各方法确定的应力分量4.3地应力分布规律1.地壳中主应力为压应力，方向基本上是垂直和水平的2.垂直应力随深度呈线性增长3.水平应力分布比较复杂①最大水平应力分量绝大多数大于垂直应力分量；②地壳中第一主应力方向接近水平；③两个水平应力分量中比值1.4~3.3。4.一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的5.区域构造场常常决定局部点的主应力4.4高地应力区的特征1.岩芯饼化与地应力差有关2.地下硐室施工过程中的岩爆、剥离3.隧洞、巷道、钻孔的缩颈4.边坡上出现错动台阶5.原位变形曲线的变化4.5高地应力产生的原因1.侵蚀Erosion2.地质构造运动Tectonicactivity3.岩石各向异性Rockanisotropy4.不连续面discontinuities