地质专业岩石力学第1章绪论.ppt

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1、 岩石力学岩石力学西南科技大学西南科技大学环境与资源学院环境与资源学院岩岩 石石 力力 学学教教 材材 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，科学出版社参参 考考 书书 岩石力学基础岩石力学基础 耶格耶格 库克，科学出版社库克，科学出版社 岩体力学岩体力学 王文星主编，中办大学出版社王文星主编，中办大学出版社 矿山岩石力学矿山岩石力学 李李通通林主编，重庆大学出版社林主编，重庆大学出版社 矿山岩体力学矿山岩体力学 郑永学主编，冶金工业出版社郑永学主编，冶金工业出版社 岩体力学与测定岩体力学与测定 铃木光编，煤炭工业出版社铃木光编，煤炭工业出版社 总总 学学 时时：40

2、 学时学时 其其 中：中：理论学时：理论学时：34 学时学时 实验学时：实验学时：6 学时学时 岩岩 石石 力力 学学第一章 绪论第二章 岩石的物理力学性质第三章 结构面的力学性质第四章 岩体的力学性质及其分类第五章 岩体初始应力及其测量 第六章 井巷地压第七章 边坡工程概论岩岩 石石 力力 学学 教教 学学 内内 容容第一章第一章 绪绪 论论本章内容：本章内容：一、一、岩石和岩体岩石和岩体二、二、岩体的特征岩体的特征三、三、岩石力学的研究内容和研究方法岩石力学的研究内容和研究方法四、四、岩石力学的产生及其发展岩石力学的产生及其发展五、五、采矿工程中岩石力学的特点采矿工程中岩石力学的特点六、六

3、、岩石力学与其他学科的关系岩石力学与其他学科的关系第一章第一章 绪绪 论论授课学时：授课学时：1 1学时学时本章的重点：本章的重点：1、岩石与岩体的界定；、岩石与岩体的界定；2、岩石力学的研究任务与内容，岩石力学的研究方法。、岩石力学的研究任务与内容，岩石力学的研究方法。关键术语：关键术语：岩石；岩体；岩体工程；稳定性岩石；岩体；岩体工程；稳定性要求：要求：1、必须掌握本课程重点内容；、必须掌握本课程重点内容；2、了解岩石力学的发展简史以及岩石力学在其他、了解岩石力学的发展简史以及岩石力学在其他学科中的地位。学科中的地位。一一、岩石和、岩石和岩体岩体 岩石：岩石：由多种矿物成分组成的固体物质由

4、多种矿物成分组成的固体物质 是在一定的生成条件下，具有一定的矿物成分和一定的结构、是在一定的生成条件下，具有一定的矿物成分和一定的结构、构造特征的地壳的组成材料或物质。是各种裂隙切割而成的岩块，构造特征的地壳的组成材料或物质。是各种裂隙切割而成的岩块，又称又称结构体结构体。岩体：岩体：由岩石由岩石结构体结构体和和结构面结构面组成的地质体组成的地质体 结构面包括岩石和各种地质构造形迹，如节理、裂隙、断层、结构面包括岩石和各种地质构造形迹，如节理、裂隙、断层、褶皱、层面等地质界面。岩体就是岩石和这些结构面的统一体。褶皱、层面等地质界面。岩体就是岩石和这些结构面的统一体。岩石和岩体是既有区别又互相联

5、系的两个概念。岩岩石和岩体是既有区别又互相联系的两个概念。岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。二、岩体的特征二、岩体的特征二、岩体的特征二、岩体的特征1 1、岩体是岩体是非均质非均质且且各向异性各向异性的材料的材料2 2、岩体内存在着原始应力场、岩体内存在着原始应力场 主主要要包包括括重重力力和和地地质质构构造造力力，重重力力场场是是以以铅铅垂垂应应力力引引起；构造应力场通常是以水平应力为主。起；构造应力场通常是以水平应力为主。3 3、岩体内存在着一个裂隙系统、岩体内存在着一个裂隙系统 岩岩体体既既是是断断裂裂的的又又是是连连续续的

6、的，岩岩体体是是断断裂裂与与连连续续的的统统一体一体,可称之为裂隙介质或准连续介质。可称之为裂隙介质或准连续介质。当当岩岩体体应应力力超超过过其其强强度度时时，就就会会使使原原有有断断裂裂进进一一步步扩扩展展，形形成成新新的的断断裂裂。而而旧旧断断裂裂的的扩扩展展与与新新断断裂裂的的形形成成，又又均会导致岩体内的应力重新分布。均会导致岩体内的应力重新分布。4 4、岩石不是理想的、岩石不是理想的弹弹性体性体 也不是典型的塑性体也不是典型的塑性体5 5、岩石既不是、岩石既不是连续连续介介质质，又不是松散介，又不是松散介质质 是一种特殊的复是一种特殊的复杂杂的地的地质质体体三、岩石力学的研究内容与研

7、究方法三、岩石力学的研究内容与研究方法三、岩石力学的研究内容与研究方法三、岩石力学的研究内容与研究方法 岩石力学研究的主要对象是岩石力学研究的主要对象是岩石岩石和和岩体岩体，研究岩体在力场作用，研究岩体在力场作用下，所发生的下，所发生的变形变形、破坏破坏和和移动移动规律规律的理论及其实际应用的科学，的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。是一门应用型基础学科。1、岩石力学研究的内容、岩石力学研究的内容 岩体的地质特征 岩块、结构面的力学性质 岩石和岩体的力学性质 岩体中天然应力 岩体中重分布应力 地下开挖空间围岩、边坡、地基等稳定性分析与评价 工程处理与加固根据行业不同，具体包括如下几

8、个方面n n（1 1）、水利水电工程）、水利水电工程）、水利水电工程）、水利水电工程 坝基问题、隧洞三设计与施工、地下厂房围岩稳定坝基问题、隧洞三设计与施工、地下厂房围岩稳定坝基问题、隧洞三设计与施工、地下厂房围岩稳定坝基问题、隧洞三设计与施工、地下厂房围岩稳定问题、高速水流冲刷岩石问题、水库诱发地震问题、库问题、高速水流冲刷岩石问题、水库诱发地震问题、库问题、高速水流冲刷岩石问题、水库诱发地震问题、库问题、高速水流冲刷岩石问题、水库诱发地震问题、库岸稳定问题。岸稳定问题。岸稳定问题。岸稳定问题。n n（2 2）、采矿工程）、采矿工程）、采矿工程）、采矿工程 露天边坡问题、地下巷道与采场稳定问

9、题、采矿方露天边坡问题、地下巷道与采场稳定问题、采矿方露天边坡问题、地下巷道与采场稳定问题、采矿方露天边坡问题、地下巷道与采场稳定问题、采矿方法选择问题、矿井突水问题、岩爆问题、瓦斯溢出问题、法选择问题、矿井突水问题、岩爆问题、瓦斯溢出问题、法选择问题、矿井突水问题、岩爆问题、瓦斯溢出问题、法选择问题、矿井突水问题、岩爆问题、瓦斯溢出问题、空区处理问题、岩石破碎问题空区处理问题、岩石破碎问题空区处理问题、岩石破碎问题空区处理问题、岩石破碎问题n n（3 3）、土木建筑工程）、土木建筑工程）、土木建筑工程）、土木建筑工程（房屋、道路、桥梁、隧道、地下厂房屋、道路、桥梁、隧道、地下厂房屋、道路、桥

10、梁、隧道、地下厂房屋、道路、桥梁、隧道、地下厂房等）房等）房等）房等）边坡问题、地基问题、围岩问题边坡问题、地基问题、围岩问题边坡问题、地基问题、围岩问题边坡问题、地基问题、围岩问题n n（4 4）、其它工程）、其它工程）、其它工程）、其它工程 如海洋勘探、核废料处理、地热开发如海洋勘探、核废料处理、地热开发如海洋勘探、核废料处理、地热开发如海洋勘探、核废料处理、地热开发利用、地震预报利用、地震预报利用、地震预报利用、地震预报2 2、岩石力学的研究方法、岩石力学的研究方法、岩石力学的研究方法、岩石力学的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征，为岩石力学的进一研究岩

11、块和岩体的地质与结构特征，为岩石力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。步研究提供地质模型和地质资料。实验法实验法 为岩体变形和稳定性分析提供必要的物理力学参数。为岩体变形和稳定性分析提供必要的物理力学参数。室内实验、现场实验室内实验、现场实验 数学力学分析法数学力学分析法 通过建立岩石力学模型适当的分析方法，预测岩体在各通过建立岩石力学模型适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计施工提供依据。种力场作用下的变形与稳定性，为设计施工提供依据。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、地质及施工等包括工程、地质及施工等)进行综合分析和

12、评价，得出符合实际情况的结论进行综合分析和评价，得出符合实际情况的结论 。四、岩石力学的产生及其发展四、岩石力学的产生及其发展四、岩石力学的产生及其发展四、岩石力学的产生及其发展 岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科和边缘学和数学力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、它的应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、

13、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域。的工程领域。一方面，岩石力学是上述工程领域的理论基础；另一方面，正一方面，岩石力学是上述工程领域的理论基础；另一方面，正是上述工程领域的实践促使了岩石力学的诞生和发展。是上述工程领域的实践促使了岩石力学的诞生和发展。岩石力学按其发展进程可划分四个阶段：岩石力学按其发展进程可划分四个阶段：1 1、初始阶段初始阶段初始阶段初始阶段 (19(19世纪末世纪末-20-20世纪初世纪初)岩石力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，开采规岩石力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，开采规

14、模小，采深近于地表，开采空间不大，岩石力学的问题主模小，采深近于地表，开采空间不大，岩石力学的问题主要是要是巷道顶板冒落巷道顶板冒落巷道顶板冒落巷道顶板冒落和和地下开采所引起的地表移动地下开采所引起的地表移动地下开采所引起的地表移动地下开采所引起的地表移动。在该阶段，岩石力学处于萌芽时期，产生了初步理论在该阶段，岩石力学处于萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。如以解决岩体开挖的力学计算问题。如19121912年海姆年海姆(A(AHeim)Heim)提出了提出了静水压力的理论静水压力的理论他认为地下岩石处于一种他认为地下岩石处于一种静水压力状态。静水压力状态。2 2、经验理论阶

15、段经验理论阶段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）该阶段为岩石力学发展的第二阶段。该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个阶段出现力根据生产经验提出的在这个阶段出现力根据生产经验提出的地压理论地压理论，并，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。题。松散介质学派（例如松散介质学派（例如普氏理论普氏理论）占主导地位，他们借）占主导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，提出巷道地压计算原理助土力学理论解决岩石力学问题，提出巷道地压计算原理和采场地压假说。和采场地压假说。在此阶段更加深入

16、地研究岩石的破坏机理。在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。3 3、经典理论阶段、经典理论阶段、经典理论阶段、经典理论阶段（2020世纪世纪3030年代年代6060年代）年代）该阶段是该阶段是岩石力学学科形成岩石力学学科形成的重要阶段的重要阶段 岩岩石石力力学学以以弹弹塑塑性性理理论论为为基基础础，将将岩岩体体视视为为弹弹塑塑性性介介质质，应应用用弹弹塑塑性性力力学学方方法法来来研研究究岩岩体体的的应应力力、应应变变和和位位移移，确确定定了了一一些些经经典典计计算算公公式式，形形成成围围岩岩和和支支护护共共同同作作用用的的理理论论。结构面对岩体力学性质的影响结构面对岩体力学性质的影响受到重视。

17、受到重视。在在弹弹塑塑性性分分析析的的基基础础上上引引入入流流变变理理论论，将将某某些些岩岩体体视视为为带带粘粘性性的的介介质质，考考虑虑时时间间因因素素对对岩岩体体应应力力、应应变变和和位位移移的影响。的影响。4 4、现代发展阶段、现代发展阶段、现代发展阶段、现代发展阶段（2020世纪世纪6060年代现在）年代现在）用用更更更更为为为为复复复复杂杂杂杂的的的的多多多多种种种种多多多多样样样样的的力力学学模模型型来来分分析析岩岩石石力力学学问问题题，把把力力学学、物物理理学学、系系统统工工程程、现现代代数数理理科科学学、现现代代信信息息技技术术等等最最新新成成果果引入了岩石力学。引入了岩石力学

18、。而而计计算算机机的的发发展展使使用用有有限限元元、边边界界元元、离离散散元元等等解解算算岩岩石石力力学学问题得以实现。问题得以实现。2020世世纪纪7070年年代代以以后后岩岩石石力力学学发发展展比比较较迅迅速速，岩岩石石力力学学测测试试技技术术不断完善，应力解除法可测试深部岩体应力。不断完善，应力解除法可测试深部岩体应力。刚刚性性压压力力机机的的出出现现，可可测测试试应应力力应应变变全全过过程程曲曲线线，从从而而更更深深刻的揭示了岩石的力学特性。刻的揭示了岩石的力学特性。岩岩石石力力学学已已逐逐渐渐形形成成完完整整的的科科学学体体系系作作为为力力学学的的一一个个分分枝枝，成成为一门独立的力

19、学学科，服务于岩体工程。为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。n19511951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的 奥地利学派。奥地利学派。n19511951年，国际大坝会议设立了年，国际大坝会议设立了岩石力学分会岩石力学分会。n19561956年，美国召开了第一次年，美国召开了第一次岩石力学讨论会岩石力学讨论会。n19571957年，第一本年，第一本岩石力学岩石力学专著专著出版。出版。n19591959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩石力学界的关注和研究。年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩石力学界的关注和研究。n19621962

20、年，成立国际岩石力学学会年，成立国际岩石力学学会(ISRM)(ISRM)。n19661966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。n19601960年，我国第一次将岩石力学内容编入年，我国第一次将岩石力学内容编入井巷工程井巷工程教科书。教科书。岩石力学形成历史岩石力学形成历史 岩石力学发展动态岩石力学发展动态岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题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

21、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石力学问题高地应力岩石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。1 1、岩石力学与其它力学的联系、岩石力学与其它力学的联系 岩岩石石力力学学与与材材料料力力学学、弹弹性性力力学学、塑塑性性力力

22、学学和和流流变变力力学学等等有有着着纵向联系。人们运用这些理论使岩石力学得到发展。纵向联系。人们运用这些理论使岩石力学得到发展。2 2、岩石力学与地质科学的联系岩石力学与地质科学的联系 岩岩体体工工程程的的围围岩岩赋赋存存在在一一定定的的地地质质环环境境之之中中。因因此此，岩岩石石力力学学与与工程地质学、构造地质学和地质力学工程地质学、构造地质学和地质力学有着十分密切的联系。有着十分密切的联系。3 3、岩石力学与工程的联系、岩石力学与工程的联系 岩岩石石力力学学是是为为解解决决岩岩体体工工程程中中的的力力学学问问题题服服务务的的，这这些些工工程程学学科科包包括括：采采矿矿和和其其它它地地下下空

23、空间间工工程程、交交通通工工程程、水水电电工工程程和和基基础础工工程等程等。因此，岩石力学是各种岩体工程学科的专业理论基础。因此，岩石力学是各种岩体工程学科的专业理论基础。五、岩石力学与其他学科的关系五、岩石力学与其他学科的关系五、岩石力学与其他学科的关系五、岩石力学与其他学科的关系 岩石力学的分支学科岩石力学的分支学科岩石力学的分支学科岩石力学的分支学科n n工程岩体力学工程岩体力学工程岩体力学工程岩体力学-为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩石力学，重为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩石力学，重为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩石力学，重为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩石力学，重点是研究工

24、程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应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力场作用下工程岩体力场作用下工程岩体力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞如边坡岩体、地基岩体和地下洞如边坡岩体、地基岩体和地下洞如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等室围岩等室围岩等室围岩等)的变形和稳定性。的变形和稳定性。的变形和稳定性。的变形和稳定性。n n构造岩体力学构造岩体力学构造岩体力学构造岩体力学-为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩石力学，为构造地质学、找矿及地震预报等服

25、务的岩石力学，为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩石力学，为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩石力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研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究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有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。关的流变特征。关的流变特征。关的流变特征。n n破碎岩石力学破碎岩石力学破碎岩石力学破碎岩石力学-为掘进、钻井及爆破工程服务的岩石力学，主要是为掘进、钻井及爆破工程服务的岩石力学，主要是为掘进、钻井及爆破工程服务的岩石力学，主要是为掘进、钻井及爆破工程服务的岩石力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。