《岩体力学》PPT课件.ppt

岩体力学又称岩石力学工程地质学及岩土工程勘察的基础课程参考书参考书n蔡美峰等，岩石力学与工程，科学出版社，蔡美峰等，岩石力学与工程，科学出版社，2002n徐志英，岩石力学（第三版），中国水利水徐志英，岩石力学（第三版），中国水利水电出版社，电出版社，2005n李世平等，岩石力学简明教程，中国矿业学李世平等，岩石力学简明教程，中国矿业学院出版社，院出版社，1986n沈明荣等，岩体力学，同济大学出版社，沈明荣等，岩体力学，同济大学出版社，2006n20012001年年5 5月月1 1日日2020点点3030分，重庆武隆县发生了分，重庆武隆县发生了一起基岩滑坡，造成一起基岩滑坡，造成7979人死亡，摧毁人死亡，摧毁9 9层楼层楼房一幢。房一幢。岩体力学n2000年年4月月6日武汉烽火村乔木湾发生地面塌陷，日武汉烽火村乔木湾发生地面塌陷，4小时内发生大小陷坑小时内发生大小陷坑19处，处，2栋楼房塌进陷坑，栋楼房塌进陷坑，16栋楼房不同程度开裂、破损，为栋楼房不同程度开裂、破损，为1977年来武汉市年来武汉市内发生的内发生的6起塌陷中规模最大的一次。起塌陷中规模最大的一次。岩体力学n19801980年年6 6月月3 3日日5 5点点3535分，湖北远安盐池河磷分，湖北远安盐池河磷矿发生岩崩，摧毁整个盐池河矿务局，死亡矿发生岩崩，摧毁整个盐池河矿务局，死亡284284人。人。岩体力学n19851985年年6 6月月1212日日3 3点点5252分，由于后部岩崩加载，分，由于后部岩崩加载，导致新滩滑坡复活。所幸的是由于预报准确，导致新滩滑坡复活。所幸的是由于预报准确，新滩镇全镇新滩镇全镇13711371人全部安全转移。人全部安全转移。岩体力学n在兵书宝剑峡出口，新滩的对面是在兵书宝剑峡出口，新滩的对面是链子崖危岩体链子崖危岩体，近，近于直立的陡崖为与长江近乎平行的十几条裂缝所切割，于直立的陡崖为与长江近乎平行的十几条裂缝所切割，导致岩体导致岩体“摇摇欲坠摇摇欲坠”，对长江航道构成严重威胁。，对长江航道构成严重威胁。岩体力学岩体力学。各岩石各岩石(体体)工程中的问题常用岩体力学加以解决。工程中的问题常用岩体力学加以解决。n三峡工程岩体力学n如果有科学的利用和开发，地球可以成为我们生活的美丽家园；如果不善加保护和利用，地球也可以成为埋葬人类的坟墓。n地球表层为岩体、土体所覆盖，人类生活所依托的几乎为地壳表层的岩土体。要想科学的利用、开发、保护地球，必须首先掌握岩土体的性质，尤其是它们的力学性质，因此就有了岩体力学岩体力学一、岩石与岩体一、岩石与岩体1.1.岩石岩石 岩岩石石（Rock）是是经经过过地地质质作作用用而而天天然然形形成成的的(一一种种或或多多种种)矿矿物物集集合合体体。地地壳壳的的绝绝大大部部分分都都是是由由岩岩石石构构成成的的。岩岩石石通通常常按按照照其其成成因因可可分分为为三三类类：岩岩浆浆岩岩、沉沉积积岩岩和和变变质质岩岩。不不同同成成因因类类型的岩石的物理力学性质是不同的。型的岩石的物理力学性质是不同的。2.2.结构面结构面 结结构构面面（Structural Structural PlanePlane）是是指指地地质质历历史史发发展展过过程程中中，在在岩岩体体内内形形成成的的具具有有一一定定的的延延伸伸方方向和长度，厚度相对较小的向和长度，厚度相对较小的地质界面或带地质界面或带。第一章 绪 论岩体力学3.3.岩块岩块 岩岩块块（Rock Rock blockblock或或RockRock）指指不不含含显显著著结结构构面面的的岩岩石石块块体体，是是构构成成岩岩体体的的最最小小岩岩石石单单元元体。体。4.4.岩体岩体 岩岩体体（Rock Mass）是是在在一一定定工工程程范范围围内内的的自自然然地地质质体体，在在地地质质历历史史过过程程中中形形成成，由由岩岩块块和和结结构构面面网网络络组组成成，具具有有一一定定的的结结构构并并赋赋存存于于一一定定的的天天然然应应力力状状态态和和地地下下水水等等地地质质环境中环境中。第一章 绪 论岩体力学5.岩石与岩体的关系 岩石是完整的块体（故又称为岩块），其中可包含细微的结构面和孔隙，是组成岩体的基本单元；岩体是由岩块组成的包含了宏观结构面的地质体。岩体的强度远低于岩块；岩石(体)工程稳定性主要取决于岩体强度。第一章 绪 论岩体力学岩石与岩体的关系岩石与岩体的关系二、岩体力学的定义与分支学科二、岩体力学的定义与分支学科1.定义 岩体力学(Rockmass Mechanics)是是固固体体力力学学的的一一个个分分支支学学科科，是是研研究究岩岩石石和和岩岩体体在在各各种种力力场场作作用用下下变变形形与与破破坏坏规规律律的的理理论论及及其其实实际际应应用用的的科科学学，是是一一门门应应用用型型基基础础学科。学科。又称岩石力学(Rock Mechanics)国际岩石力学学会（ISRM）中国岩石力学与工程学会（CSRME）第一章 绪 论岩体力学l工程岩体力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。l构造岩体力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。l破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。2.分支学科第一章 绪 论岩体力学（1）学科属性）学科属性岩石属于固体，岩石力学应属于固体力学的范畴。一般从宏观的意义上，把岩石属于固体，岩石力学应属于固体力学的范畴。一般从宏观的意义上，把固体看作连续介质。但是，岩体不但有微观的裂隙，而且有层理、片理、节固体看作连续介质。但是，岩体不但有微观的裂隙，而且有层理、片理、节理以至于断层等不连续面。岩体不是连续介质，而且常表现为各向异性或非理以至于断层等不连续面。岩体不是连续介质，而且常表现为各向异性或非均质。岩石中若含水，它又表现为两相或三相体。因此，岩石力学又是固体均质。岩石中若含水，它又表现为两相或三相体。因此，岩石力学又是固体力学与地质科学交叉渗透而形成的边缘科学。力学与地质科学交叉渗透而形成的边缘科学。（2）岩体力学的特点）岩体力学的特点岩石材料全部赋存于地质环境中，其自然特征取决于其成因及后期地质作用。岩石材料全部赋存于地质环境中，其自然特征取决于其成因及后期地质作用。遭受多次应力变动的岩体，其性能决定于完整岩石材料的力学性质以及岩体遭受多次应力变动的岩体，其性能决定于完整岩石材料的力学性质以及岩体中地质构造的不连续面的数量和性质。在这两类控制岩体力学特性的因素中，中地质构造的不连续面的数量和性质。在这两类控制岩体力学特性的因素中，每类因素的相对重要程度主要决定于工程的规模与不连续面数量的关系和两每类因素的相对重要程度主要决定于工程的规模与不连续面数量的关系和两者之间的相对方位关系。在一些情况下，岩体不连续面的影响是非常显著的，者之间的相对方位关系。在一些情况下，岩体不连续面的影响是非常显著的，在某些情况下，岩体的性能又较多地决定于岩石本身的性质。在某些情况下，岩体的性能又较多地决定于岩石本身的性质。岩体力学是解决岩石工程（与岩石有关的工程）技术问题的理论基础。岩体力学是解决岩石工程（与岩石有关的工程）技术问题的理论基础。3学科属性与特点第一章 绪 论岩体力学三、研究内容与研究方法1.1.研究内容研究内容 v以边坡为例以边坡为例第一章 绪 论岩体力学边坡岩体力学研究框图边坡岩体力学研究框图边坡岩体力学研究框图边坡岩体力学研究框图边坡岩体地质特征边坡岩体地质特征（地层、岩性、结构面地层、岩性、结构面特征及分布、地下水等特征及分布、地下水等）岩块、结构面力岩块、结构面力学性质学性质（室内试验：（室内试验：求变形、强度参数）求变形、强度参数）应力条件应力条件（建筑物（建筑物作用力、天然应力、作用力、天然应力、水压力、地震力等）水压力、地震力等）地质模型建立地质模型建立（平、剖面图）（平、剖面图）岩体力学性质，力学参数岩体力学性质，力学参数（现场试验、模拟试验）（现场试验、模拟试验）开挖后的重分开挖后的重分布应力、大小布应力、大小力学模型建立力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理.）稳定性分析计算稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元（刚体极限平衡理论、有限元.）综合评价综合评价工程设计要求工程设计要求工程设计工程设计处理方案或修改处理方案或修改 角角施工施工安全系数安全系数稳定、合理稳定、合理不稳定、不合理不稳定、不合理工工程程地地质质研研究究方方法法试试验验法法数学、数学、力学力学分析分析法法综合综合评价评价法法岩体的地质特征岩块、结构面的力学性质岩体的力学性质岩体中天然应力岩体中重分布应力稳定性计算与评价工程处理与加固研究内容第一章 绪 论岩体力学2.2.研究方法研究方法工程地质研究法工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料资料 试验法试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数；模拟与验证岩体工程物理力学参数；模拟与验证岩体工程 数学力学分析法数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适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，为设计和施工提供定量依据与稳定性，为设计和施工提供定量依据 综合分析法综合分析法 采用多种方法考虑各种因素采用多种方法考虑各种因素(包括工程包括工程的、地质的及施工的等的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论得出符合实际情况的正确结论 第一章 绪 论岩体力学三、岩体力学的形成与发展1.1.形成历史形成历史n19511951年年，在在奥奥地地利利创创建建了了地地质质力力学学研研究究组组，并并形形成成了了独具一格的奥地利学派。独具一格的奥地利学派。n同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。n19561956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。n19571957年，第一本年，第一本岩石力学岩石力学专著出版。专著出版。n19591959年年，法法国国马马尔尔帕帕塞塞坝坝溃溃决决，引引起起岩岩体体力力学学工工作作者者的关注和研究。的关注和研究。岩石力学演变为岩体力学岩石力学演变为岩体力学n1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。n19661966年年，第第一一届届国国际际岩岩石石力力学学大大会会在在葡葡萄萄牙牙的的里里斯斯本本召开。召开。第一章 绪 论岩体力学2.2.发展动态发展动态岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学 机理问题机理问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题软岩的力学特性及其岩体力学问题软岩的力学特性及其岩体力学问题水水-岩岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题应力耦合作用及岩体工程稳定性问题高地应力岩体力学问题高地应力岩体力学问题岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体动力学、水力学与热力学问题岩体动力学、水力学与热力学问题岩体流变与长期强度问题岩体流变与长期强度问题岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。第一章 绪 论岩体力学3.3.岩体力学主要学派介绍岩体力学主要学派介绍n（1）“奥地利学派奥地利学派”简介：简介：岩石力学与经济建设很多部分有关，因而各个国家都投入了一定的人力、物力进岩石力学与经济建设很多部分有关，因而各个国家都投入了一定的人力、物力进行广泛的研究。再欧洲值得介绍的是奥地利岩石力学学派，或称之为行广泛的研究。再欧洲值得介绍的是奥地利岩石力学学派，或称之为Salzburg学派，新奥法隧道施工就是这个学派取得的成就之一。过去进行岩石工程设计施学派，新奥法隧道施工就是这个学派取得的成就之一。过去进行岩石工程设计施工时，工程地质人员所做的地质描述，只能给工程设计人员提供定性的概念，很工时，工程地质人员所做的地质描述，只能给工程设计人员提供定性的概念，很少能提供用于实际计算的数据。因而，工程地质有从定性描述向定量方向发展的少能提供用于实际计算的数据。因而，工程地质有从定性描述向定量方向发展的迫切要求。奥地利工程地质学家迫切要求。奥地利工程地质学家J.Stini一再强调，应该对岩体的结构面，如断层一再强调，应该对岩体的结构面，如断层、节理和裂隙等进行观测和考察，研究它们的作用及其对岩体力学性质的影响，、节理和裂隙等进行观测和考察，研究它们的作用及其对岩体力学性质的影响，并做好定性的研究，更要提出定量的数据。并做好定性的研究，更要提出定量的数据。1951年他和年他和L.Mller等人一起联合等人一起联合有关学者和工程师，在奥地利的有关学者和工程师，在奥地利的Salzburg发起和举行了以岩体力学为主题的第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，建立岩石力学这个边缘一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与力学相结合，建立岩石力学这个边缘学科跨出了重要的一步，并创办了学科跨出了重要的一步，并创办了地质与土木工程地质与土木工程（Geologie und Bauwesen）杂志发表他们的研究成果，形成了）杂志发表他们的研究成果，形成了Salzburg学派。他们反对把岩学派。他们反对把岩石当作连续介质，简单地利用固体力学的原理进行岩体力学特性的分析，而是强石当作连续介质，简单地利用固体力学的原理进行岩体力学特性的分析，而是强调必须考虑节理、裂隙、断层等地质结构构造来进行研究。地下水的作用也必须调必须考虑节理、裂隙、断层等地质结构构造来进行研究。地下水的作用也必须同时考虑。同时考虑。1962年年地质与土木工程地质与土木工程改名为改名为岩石力学与岩石工程岩石力学与岩石工程（Rock Mechanics&Rock Engineering）继续出版。）继续出版。Stini逝世后，逝世后，Mller领导前联领导前联邦德国卡尔斯鲁厄（邦德国卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）大学的土力学岩石力学研究所，继续坚持他们）大学的土力学岩石力学研究所，继续坚持他们的研究。的研究。第一章 绪 论岩体力学n（2）“工程地质力学工程地质力学”简介：简介：以中国科学院地质研究所谷德振教授为首的一些学以中国科学院地质研究所谷德振教授为首的一些学者，从者，从1960年代到年代到1970年代初，形成并提出了年代初，形成并提出了“工工程地质力学程地质力学”的观点。认为岩体与一般岩石的差别在的观点。认为岩体与一般岩石的差别在于它是受结构面纵横切割的多裂隙体，岩体内部结构于它是受结构面纵横切割的多裂隙体，岩体内部结构面控制着岩体变形、破坏机制及力学法则。因此必须面控制着岩体变形、破坏机制及力学法则。因此必须重视结构面力学效应的研究。在研究结构面力学特性重视结构面力学效应的研究。在研究结构面力学特性时，必须以地质成因为基础对结构面自然特性做细致时，必须以地质成因为基础对结构面自然特性做细致的研究，掌握结构面的地质特点来指导岩体力学研究的研究，掌握结构面的地质特点来指导岩体力学研究工作是岩体基本力学特性研究的基础。在此基础上，工作是岩体基本力学特性研究的基础。在此基础上，他们把岩体分为块裂结构、完整结构、碎裂结构和散他们把岩体分为块裂结构、完整结构、碎裂结构和散体结构，按照岩体结构不同类型分别研究其力学特性。体结构，按照岩体结构不同类型分别研究其力学特性。第一章 绪 论岩体力学四、岩体力学与其它学科的关系1.1.与工程地质学的关系与工程地质学的关系 岩岩石石力力学学与与地地质质尤尤其其与与工工程程地地质质关关系系十十分分密密切切。因因为为与与工工程程有有关关的的岩岩石石或或岩岩体体处处于于一一定定的的地地质质环环境境中中，岩岩石石或或岩岩体体的的力力学学性性状状受受地地质质环环境境的的制制约约和和影影响响，岩岩石石或或岩岩体体的的力力学学特特性性的的宏宏观观判判断断离离不不开开工工程程地地质质条条件件的的认认识识。事事实实上上，世世界界上上很很多多岩岩体体工工程程的的失失事事，大大都都不不是是由由于于计计算算错错误误，而而是是由由于于对对工工程程地地质质条条件件、岩岩体体条条件件的的判判断断失失误误所所造造成成的的，如如上上述述的的意意大大利利瓦瓦依依昂昂水水库库的的滑滑坡坡。同同样样，从从事事工工程程地地质质工工作作也也需需要要有有岩岩石石力力学学的的基基本本理理论论和和知知识识来来指指导导，使使工工程程地地质质更更好好地地为为工工程程建建设设服务。服务。2.2.与其它学科的关系与其它学科的关系 岩岩石石力力学学与与数数学学、物物理理、工工程程力力学学、弹弹性性力力学学的的关关系系很很密密切切，需要用到这些方面的理论和知识。需要用到这些方面的理论和知识。第一章 绪 论岩体力学