岩石力学-第一章.ppt

第一章第一章 绪论绪论1.11.1岩石力学定义岩石力学定义n n岩石力学的学科性质岩石力学的学科性质新兴学科新兴学科边缘学科边缘学科应用性和实践性很强的应用基础学科应用性和实践性很强的应用基础学科n n岩石力学应用范围岩石力学应用范围与岩石工程相关的工程领域与岩石工程相关的工程领域n n岩石力学定义岩石力学定义研究岩石的力学性状（研究岩石的力学性状（behaviourbehaviour）的一门理论科学，）的一门理论科学，同时也是应用科学；同时也是应用科学；是力学的一个分支；是力学的一个分支；研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应；研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应；n n建议的定义建议的定义由于岩石力学性质不确定性和复杂性由于岩石力学性质不确定性和复杂性岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和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。工程功能的科学。n n研究岩石力学的目的研究岩石力学的目的地下地下工程事故中，约工程事故中，约1/31/21/31/2是由于支护不当或支护是由于支护不当或支护不及时造成的；不及时造成的；井巷工程成本中，支护及维护费用约占井巷工程成本中，支护及维护费用约占4060%4060%；目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降低维护成本，减少支护事故。低维护成本，减少支护事故。1.2岩石力学的发展和概貌n n初级阶段初级阶段（1919世纪末世纪末2020世纪初世纪初）海姆净水压力假说海姆净水压力假说朗金假说朗金假说金尼克假说金尼克假说n n经验理论阶段经验理论阶段（2020世纪初世纪初2020世纪世纪3030年代年代）普氏理论普氏理论太沙基理论太沙基理论n n经典理论阶段经典理论阶段连续介质理论连续介质理论 不足：不足：忽视地应力的作用忽视地应力的作用 忽视施工过程忽视施工过程（时变性时变性）过于追求过于追求“精确精确”地质力学理论地质力学理论 不足：不足：过分强调节理、裂隙作用过分强调节理、裂隙作用 过分依赖经验、忽视理论过分依赖经验、忽视理论n n现代发展阶段现代发展阶段(20(20世纪世纪6060年代年代 现在现在)复杂多样的力学模型；复杂多样的力学模型；各种理论、方法的应用，特别是非线性理论的应用；各种理论、方法的应用，特别是非线性理论的应用；建立了自己的分析原理和计算方法建立了自己的分析原理和计算方法 损伤力学损伤力学 离散元离散元 DDADDA法法 流形法流形法 扰动状态概念理论扰动状态概念理论不确定性分析研究方法和理论体系不确定性分析研究方法和理论体系系统科学系统科学 1.3岩石力学的研究范畴和内容、研究方法n n研究范畴和内容研究范畴和内容岩体的地质力学模型及其特征岩体的地质力学模型及其特征岩石与岩体的物理力学性质岩石与岩体的物理力学性质研究岩体起始应力状态以获取地下结构及围岩稳定研究岩体起始应力状态以获取地下结构及围岩稳定性分析所必须的外荷载条件性分析所必须的外荷载条件岩体中开挖卸载引起岩体应力状态的重分布及围岩岩体中开挖卸载引起岩体应力状态的重分布及围岩应力集中的计算理论、计算方法，围岩稳定性的评应力集中的计算理论、计算方法，围岩稳定性的评价、预测以及由此引起的支护原理、支护方式、方价、预测以及由此引起的支护原理、支护方式、方法，支护结构体系的设计计算理论和方法法，支护结构体系的设计计算理论和方法施工工艺、施工方法、施工过程对岩体工程稳定性施工工艺、施工方法、施工过程对岩体工程稳定性的影响及其优化的影响及其优化n n岩石力学在岩体工程中的应用岩石力学在岩体工程中的应用地下硐室围岩的稳定性研究地下硐室围岩的稳定性研究 应力分布应力分布 围岩变形围岩变形 围岩压力围岩压力 围岩加固围岩加固岩坡的稳定性研究岩坡的稳定性研究 稳定性稳定性 应力分布、变形和破坏应力分布、变形和破坏 岩坡的失稳岩坡的失稳岩基的稳定性研究岩基的稳定性研究 应力应力 变形变形 承载力承载力 稳定性稳定性n n研究方法研究方法工程地质研究方法工程地质研究方法科学实验方法科学实验方法数学力学分析方法数学力学分析方法 力学模型力学模型 分析方法分析方法 数值分析方法数值分析方法 模糊聚类和概率分析模糊聚类和概率分析 模拟分析模拟分析整体综合分析方法整体综合分析方法 采用多种方法并考虑多种因素采用多种方法并考虑多种因素 采用确定性分析方法与不确定性研究方法采用确定性分析方法与不确定性研究方法1.4 地下工程的特点n n岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容岩石具有节理和塑性段的扩容(剪胀剪胀)现象等；现象等；n n地下工程是先受力地下工程是先受力(原岩应力原岩应力)，后挖洞，后挖洞(开巷开巷)；n n深埋巷道属于无限城问题，影响圈内自重可以深埋巷道属于无限城问题，影响圈内自重可以忽略；忽略；n n大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；n n围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移；及支护所受的荷载与位移；n n地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；n n地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力；地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力；n n几何不稳定结构在地下可以是稳定的；几何不稳定结构在地下可以是稳定的；1.5 影响因素与约定n n影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物；元素和化合物；结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况；相互结合的情况；构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；n n约定约定岩石为不分岩石为不分“岩体岩体”和和“岩块岩块”时的统称；时的统称；岩体岩体=岩块岩块+弱面弱面岩体中由弱面分割包围的即是岩块；岩体中由弱面分割包围的即是岩块；主要参考书主要参考书1 岩石力学与工程岩石力学与工程，蔡美峰主编，科学出版社，蔡美峰主编，科学出版社，20022 高等岩石力学高等岩石力学，周维垣主编，中国水利水电出版社，周维垣主编，中国水利水电出版社，19903 岩石力学基础岩石力学基础，张清、杜静编著，中国铁道出版社，张清、杜静编著，中国铁道出版社，19974 岩石力学简明教程岩石力学简明教程，李世平等编北京：煤炭，李世平等编北京：煤炭 工业出版社，工业出版社，19965 岩体力学岩体力学，沈明荣主编上海：同济大学出版社，沈明荣主编上海：同济大学出版社，19996 矿山岩体力学矿山岩体力学，高延法、张庆松编著，中国矿业大学出版社，高延法、张庆松编著，中国矿业大学出版社，20007 岩石力学基础教程岩石力学基础教程，侯公羽，侯公羽 主编，机械工业出版社，主编，机械工业出版社，2011、18 Engineering Rock Mechanics，上、下卷（中译本），上、下卷（中译本）J.A.Hudson;J.P.Harrison 著，冯夏庭等译，科学出版社，著，冯夏庭等译，科学出版社，20099 岩体力学性质岩体力学性质，李先炜，李先炜 编，煤炭工业出版社，编，煤炭工业出版社，1990（1）国际岩石力学与采矿科学国际岩石力学与采矿科学（International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences）主编：）主编：Zimmeman，名誉主编：，名誉主编：Hudson；Pergamon出版社和出版社和Elsevier Science出版社出版；出版社出版；SCI、EI收录收录（2）岩石力学与岩石工程岩石力学与岩石工程（Rock Mechanics and Rock Engineering）主编：主编：Kovari和和Einstein；SpringerVerlag出版出版;SCI、EI收录收录（3）岩石力学与工程学报岩石力学与工程学报中国岩石力学与工程学会主办，科学出版社中国岩石力学与工程学会主办，科学出版社出版；出版；EI收录收录（4）岩土力学岩土力学中科院武汉岩土力学研究所主办；中科院武汉岩土力学研究所主办；EI收录收录（5）岩土工程学报岩土工程学报中国土木工程学会主办；中国土木工程学会主办；EI收录收录（6）地下空间与工程学报地下空间与工程学报中国岩石力学与工程学会、重庆大学办；中国岩石力学与工程学会、重庆大学办；国内、外有关岩石力学的主要杂志国内、外有关岩石力学的主要杂志1.6 1.6 岩土的成因类型及其工程地质特征岩土的成因类型及其工程地质特征岩土的成因类型及其工程地质特征岩土的成因类型及其工程地质特征n 地壳地壳o地球，赤道半径（6378.140km），两极半径（6356.779km）。o大约有70.8%的面积海域，有29.2的面积为陆地。o由地壳、地幔、地核组成。地球内部构造地球内部构造 1-地壳；2-地幔；3-地核；4-液态外部地核；5-固态内部地核；6-软流圈；7-岩石圈 （1 1）内力地质作用）内力地质作用）内力地质作用）内力地质作用：动力来自地球本身，并主要发生在地球内部，按动力来自地球本身，并主要发生在地球内部，按其作用方式可分为四种：其作用方式可分为四种：构造运动构造运动构造运动构造运动：指地壳的机械运动；发生水平方向构造运动常使岩层指地壳的机械运动；发生水平方向构造运动常使岩层受到挤压产生褶皱，或使岩层拉张而破裂；垂直方向构造运动使地壳发受到挤压产生褶皱，或使岩层拉张而破裂；垂直方向构造运动使地壳发生上升或下降，如青藏高原近数百万年以来隆升。生上升或下降，如青藏高原近数百万年以来隆升。岩浆作用岩浆作用岩浆作用岩浆作用：指岩浆沿地壳软弱破裂地带上升造成火山喷发形成火指岩浆沿地壳软弱破裂地带上升造成火山喷发形成火山岩或是在地下深处冷凝形成侵入岩的过程。山岩或是在地下深处冷凝形成侵入岩的过程。变质作用变质作用变质作用变质作用：指构造运动与岩浆作用过程中，使原有岩石受温度、指构造运动与岩浆作用过程中，使原有岩石受温度、压力和化学性质活泼的流体作用，在固体状态下发生物质成分和特征改压力和化学性质活泼的流体作用，在固体状态下发生物质成分和特征改变，转变成新的岩石。变，转变成新的岩石。地震地震地震地震：接近地球表面岩层中构造运动以弹性波形式释放应变能而接近地球表面岩层中构造运动以弹性波形式释放应变能而引起地壳的快速颤动和震动。引起地壳的快速颤动和震动。p 物理地质作用物理地质作用物理地质作用物理地质作用 （2 2）外力地质作用）外力地质作用）外力地质作用）外力地质作用 风化作用风化作用风化作用风化作用：暴露于地表的岩石，在温度变化以及水、二氧化碳、：暴露于地表的岩石，在温度变化以及水、二氧化碳、氧气及生物等因素的长期作用下，发生化学分解和机械破碎。氧气及生物等因素的长期作用下，发生化学分解和机械破碎。剥蚀作用剥蚀作用剥蚀作用剥蚀作用：河水、海水、湖水、冰川及风等在其运动过程中对地：河水、海水、湖水、冰川及风等在其运动过程中对地表岩石造成破坏，破坏产物随其运动而搬走，例如海岸、河岸因受海浪表岩石造成破坏，破坏产物随其运动而搬走，例如海岸、河岸因受海浪和流水的撞击、冲刷而发生后退；斜坡剥蚀作用是斜坡物质在重力以及和流水的撞击、冲刷而发生后退；斜坡剥蚀作用是斜坡物质在重力以及其它外力因素作用下产生滑动和崩塌，又称块体运动。其它外力因素作用下产生滑动和崩塌，又称块体运动。搬运作用搬运作用搬运作用搬运作用：风化与剥蚀造成的破坏产物被搬运到它处。：风化与剥蚀造成的破坏产物被搬运到它处。沉积作用沉积作用沉积作用沉积作用：搬运物在适宜场所堆积。：搬运物在适宜场所堆积。固结成岩作用固结成岩作用固结成岩作用固结成岩作用：刚堆积的物质是松散多孔的并富含水分，被后来：刚堆积的物质是松散多孔的并富含水分，被后来的沉积物覆盖埋藏后，在重压下排出水分，孔隙减小并被胶结，松散堆的沉积物覆盖埋藏后，在重压下排出水分，孔隙减小并被胶结，松散堆积物渐变为坚硬的岩石，即沉积岩。积物渐变为坚硬的岩石，即沉积岩。p 物理地质作用物理地质作用物理地质作用物理地质作用(a)(b)(c)(d)(a)(f)(g)(h)(i)(e)p 矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念矿物形态矿物形态矿物形态矿物形态 (a)a)食盐晶体食盐晶体食盐晶体食盐晶体 (b)b)石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 (c)c)金刚石晶体金刚石晶体金刚石晶体金刚石晶体 (d)d)绿柱石聚形晶体绿柱石聚形晶体绿柱石聚形晶体绿柱石聚形晶体 (e)e)石榴子石聚形晶体石榴子石聚形晶体石榴子石聚形晶体石榴子石聚形晶体 (f)f)板钛矿聚形晶体板钛矿聚形晶体板钛矿聚形晶体板钛矿聚形晶体 (g)g)红柱石放射状集合体红柱石放射状集合体红柱石放射状集合体红柱石放射状集合体 (h)h)方解石钟乳状集合体方解石钟乳状集合体方解石钟乳状集合体方解石钟乳状集合体 (i)i)玛瑙晶腺玛瑙晶腺玛瑙晶腺玛瑙晶腺岩石硬度岩石硬度 通常采用摩氏硬度，选十种矿物为标准，最软是一度，最硬十度。这十种矿物由软到硬依次为：l-滑石；滑石；2-石膏；石膏；3-方解石；方解石；4-萤石；萤石；5-磷灰石；磷灰石；6-正长石；正长石；7-石英；石英；8-黄玉；黄玉；9-刚玉；刚玉；10-金刚石；金刚石；岩石密度岩石密度 矿物密度变化幅度很大矿物密度变化幅度很大，矿物的密度分为轻、中等和重三级，重的如方铅矿(7.47.6)，感到很重。大多数矿物密度中等，介于2.54之间。p 矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念解理、断口解理、断口解理解理是指矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性是指矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，裂开的光滑平面称为解理面。质，裂开的光滑平面称为解理面。极完全解理极完全解理：极易裂开成薄片，解理面大而完整、平滑光亮，如云母。：极易裂开成薄片，解理面大而完整、平滑光亮，如云母。完全解理完全解理：常沿解理方向开裂成小块，解理面平整光亮，如方解石。：常沿解理方向开裂成小块，解理面平整光亮，如方解石。中等解理中等解理：既有解理面，又有断口，如正长石。：既有解理面，又有断口，如正长石。不完全解理不完全解理：常出现断口，解理面很难出现，如磷灰石。：常出现断口，解理面很难出现，如磷灰石。（a）石盐的立方体完全解理石盐的立方体完全解理（b）石英的贝壳状断口石英的贝壳状断口p 矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念常见常见主要造岩主要造岩矿物矿物 自然界产出的矿物，已知有3000种左右。对于形成岩石具有普遍意义的矿物，即主要造岩矿物则不过数十种。常见矿物就其化学成分而言，绝大多数为硅酸盐，其余为氧化物、硫化物、卤化物、碳酸盐和硫酸盐等。如：黄铁矿，石英，方解石，白云石，石膏，橄榄，石辉石，正长石，白云石，白云母，高岭石，蒙脱石p 矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念矿物的基本概念常见岩石和矿物常见岩石和矿物常见岩石和矿物常见岩石和矿物安山质凝灰岩安山质凝灰岩安山质凝灰岩安山质凝灰岩角砾岩角砾岩流纹岩流纹岩流纹岩流纹岩片麻岩片麻岩片麻岩片麻岩礁灰岩礁灰岩玄武岩玄武岩浮石浮石常见岩石和矿物白云母白云母白云母白云母方解石方解石黑云母黑云母黄铁矿黄铁矿常见岩石和矿物黄铜矿黄铜矿黄铜矿黄铜矿石英石英石墨石墨石盐石盐常见岩石和矿物常见岩石和矿物常见岩石和矿物常见岩石和矿物石膏石膏石膏石膏萤石萤石辉锑矿辉锑矿自然硫自然硫常见岩石和矿物 岩岩 类类地质特征地质特征岩浆岩岩浆岩沉积岩沉积岩变质岩变质岩主要矿物主要矿物 成分成分全全部部为为从从岩岩浆浆中中析析出出的的原原生生矿矿物物，成成分分复复杂杂，但但较较稳稳定定。浅浅色色的的矿矿物物有有石石英英、长长石石、白白云云母母等等；深深色色的的矿矿物物有有黑黑云云母母、角角闪闪石石，辉辉石石、橄橄榄榄石等石等次次生生矿矿物物占占主主要要地地位位，成成分分单单一一，一一般般多多不不固固定定。常常见见的的有有石石英英、长长石石、白白云云母母、方解石、白云石、高岭石等方解石、白云石、高岭石等除除具具有有变变质质前前原原来来岩岩石石的的矿矿物物，如如石石英英、长长石石、云云母母、角角闪闪石石、辉辉石石、方方解解石石、白白云云石石、高高岭岭石石等等外外，尚尚有有经经变变质质作作用用产产生生的的矿矿物物，如如石石榴榴子子石石、滑滑石石、绿绿泥泥石石、蛇蛇纹石等纹石等结结 构构以以结结晶晶粒粒状状、斑斑状状结结构构为为特特征征以以碎碎屑屑、泥泥质质及及生生物物碎碎屑屑结结构构为为特特征征。部部分分为为成成分分单单一一的的结结晶晶结结构构，但但肉肉眼眼不不易易分分辨辨以变晶结构等为特征以变晶结构等为特征构构 造造具具块块状状、流流纹纹状状、气气孔孔状状、杏仁状构造杏仁状构造具层理构造具层理构造多具片理构造多具片理构造成成 因因直直接接由由高高温温熔熔融融的的岩岩浆浆经经岩岩浆作用而形成浆作用而形成主主要要由由先先成成岩岩石石的的风风化化产产物物，经经压压密密、胶胶结结、重重结结晶晶等等成成岩作用而形成岩作用而形成由由先先成成的的岩岩浆浆岩岩、沉沉积积岩岩和和变质岩，经变质作用而形成变质岩，经变质作用而形成岩浆岩、沉积岩和变质岩的地质特征表 p 沉积岩的构造层理的基本形态a-水平层理 b-斜层理 c-交错层理根据交错层理确定岩层的顶面和底面层理构造 递变层理p 岩层形态a-顶面b-底面1-板状岩层2-变厚变薄3-尖灭4-透镜体波痕与泥裂构造波痕及其印模泥裂的示意立体图o常见的常见的岩浆岩岩浆岩 花岗岩，闪长岩，辉长岩，流纹岩，安山岩，玄武岩，辉绿岩o常见的沉积岩常见的沉积岩 （1）碎屑岩类 火山碎屑岩：火山集块岩、火山角砾岩及凝灰岩 沉积碎屑岩：砾岩及角砾石、砂岩、粉砂岩 （2）粘土岩类：页岩、泥岩 （3）化学及生物化学岩类：石灰岩、白云岩o常见的变质岩常见的变质岩 （1）片理状岩类：片麻岩、片岩、千枚岩 （2）块状岩类：大理岩、石英岩 岩石的工程地质性质包括物理性质和力学性质两个主要方面，它们的一些常用指标，可供分析和评价岩石工程地质性质时参考。岩石的工程性质软化性吸水性孔隙性重量物理性质抗冻性力学性质变形特性强度特性：抗拉、压剪强度1.岩石的工程性质岩石的工程性质 2.影响岩石的工程性质的因素影响岩石的工程性质的因素 包括矿物成分、结构、构造、水、风化等因素。p 岩石的工程地质性质岩层的地质年代有两种表示方法：（1）绝对地质年代 （2）相对地质年代地质年代单位与相对应的地层单位表p 地质年代及其划分n 相对地质年代的确定方法o地层层序律o生物层序律o切割律n 绝对地质年代的确定方法 一般采用同位素地质年代测定法。n 地质年代划分 根据地壳运动和生物的演变，将地质年代划分为宙、代、纪、世，相对应的地层年代为宇、界、系、统，具体可参见地质年代表。(a)岩层水平变动层位岩层层序律(b)岩层倾斜正常层位断层节理岩脉断层、软弱夹层、溶洞、岩脉、蚀变带、节理、裂隙等接触蚀变带软弱夹层研究哪些地质结构？