第1讲绪论版岩石力学

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1、主讲教师联系方式刘泉声刘泉声教授教授电话：电话：Mail:张晓平张晓平教授教授电话：电话：Mail:第1页，共29页。今日授课内容注意事项注意事项课程介绍课程介绍绪论绪论岩石的基本构成岩石的基本构成第2页，共29页。1、注意事项、注意事项u三条课堂纪律：三条课堂纪律：l不得缺课不得缺课l提前提前5分钟到课堂分钟到课堂l课堂上关闭手机课堂上关闭手机u严格执行学校教务部关于学生平时到课记录和考试成绩评定严格执行学校教务部关于学生平时到课记录和考试成绩评定要求的规定。要求的规定。第3页，共29页。2、课程介绍、课程介绍2.1课程性质、目的和任务课程性质、目的和任务性质：性质：土木工程专业技术基础必修

2、课程土木工程专业技术基础必修课程目的：目的：掌握岩石工程稳定性分析评价、开挖掌握岩石工程稳定性分析评价、开挖支护（加固）设计和施工的理论和方法支护（加固）设计和施工的理论和方法第4页，共29页。2.1课程性质和任务课程性质和任务学习任务学习任务：岩石的基本力学性质及实验研究方法、岩体的质量评价方法及其分类理岩石的基本力学性质及实验研究方法、岩体的质量评价方法及其分类理论、地应力及其测量理论和方法、岩石的本构关系和强度理论。论、地应力及其测量理论和方法、岩石的本构关系和强度理论。岩石地下工程、边坡工程、地基工程中岩体稳定性的分析评价、岩石地下工程、边坡工程、地基工程中岩体稳定性的分析评价、支护加

3、固设计和施工的理论与方法。支护加固设计和施工的理论与方法。先修课程：先修课程：理论力学、材料力学、弹性力学、工程地质等理论力学、材料力学、弹性力学、工程地质等后续课程：后续课程：隧道工程、边坡工程隧道工程、边坡工程等等课程设置：课程设置：总学时总学时38，课堂，课堂34，实验，实验4，学分学分2第5页，共29页。2.2课程教学基本要求课程教学基本要求1）课程重点）课程重点岩石的基本力学性质及其实验研究方法、岩体质量评岩石的基本力学性质及其实验研究方法、岩体质量评价及其分类方法、地应力及其测量理论和方法、岩石价及其分类方法、地应力及其测量理论和方法、岩石本构关系和强度理论、岩石地下工程、岩石边坡

4、工程。本构关系和强度理论、岩石地下工程、岩石边坡工程。2）课程难点）课程难点岩石本构关系和强度理论、节理面的力学性质，岩体岩石本构关系和强度理论、节理面的力学性质，岩体工程分析评价理论和方法。工程分析评价理论和方法。3）能力培养要求）能力培养要求岩石力学实验技能，岩石力学的研究方法，地下工程岩石力学实验技能，岩石力学的研究方法，地下工程和边坡工程中岩体稳定性分析评价及支护加固理论和和边坡工程中岩体稳定性分析评价及支护加固理论和方法。方法。第6页，共29页。2.3课程教学方法课程教学方法1）课堂讲授）课堂讲授2）课后作业）课后作业3）文献阅读指导）文献阅读指导4）课堂讨论）课堂讨论5）实验）实验

5、2.4课程考核课程考核平时作业、上课纪律：平时作业、上课纪律：20分分文献报告和讨论：文献报告和讨论：10分分实验课、实验报告：实验课、实验报告：10分分期终考试（闭卷）：期终考试（闭卷）：60分分第7页，共29页。课程内容课程内容讲课讲课讨论讨论实验实验合计合计绪论绪论+岩石物理力学性质岩石物理力学性质63岩体力学性质与质量评价岩体力学性质与质量评价6地应力及其测量地应力及其测量4岩石本构关系与强度理论岩石本构关系与强度理论4岩石地下工程岩石地下工程6岩石边坡工程岩石边坡工程42岩石地基工程岩石地基工程2合计合计3223382.5课程教学内容与学时分配课程教学内容与学时分配第8页，共29页。

6、章节内容章节内容绪论（绪论（2学时）学时）岩石与岩体的界定岩石与岩体的界定岩石力学岩石力学的研究任务、研究内容、研究方法的研究任务、研究内容、研究方法岩石力学与其他学科的交叉岩石力学与其他学科的交叉岩石力学发展简史岩石力学发展简史第第1章章岩石物理力学性质（岩石物理力学性质（4学时）学时）岩石的物理性质岩石的物理性质（岩石的密度、孔隙性、水理性、透水性、碎胀性）（岩石的密度、孔隙性、水理性、透水性、碎胀性）岩石的强度性质及其实验测定方法岩石的强度性质及其实验测定方法岩石的变形性质岩石的变形性质影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素岩石的流变性质岩石的流变性质第9页，共29页。章节

7、内容章节内容第第2章章岩体力学性质及质量评价（岩体力学性质及质量评价（6学时）学时）岩体结构岩体结构结构面的几何性质与力学性质结构面的几何性质与力学性质岩体的强度性质岩体的强度性质岩体的变形性质岩体的变形性质工程岩体质量评价及其分类工程岩体质量评价及其分类第第3章章地应力及其测量（地应力及其测量（4学时）学时）地应力及其成因地应力及其成因（初始地应力状态，（初始地应力状态，岩体自重应力，岩体自重应力，岩体构造应力）岩体构造应力）岩体初始应力分布规律岩体初始应力分布规律岩体初始应力的几种测定方法岩体初始应力的几种测定方法（重点掌握应力解除法和水压致裂法）（重点掌握应力解除法和水压致裂法）第10页

8、，共29页。章节内容章节内容第第4章章岩石本构关系与强度理论（岩石本构关系与强度理论（4学时）学时）岩石本构关系岩石本构关系（弹性本构关系（弹性本构关系弹塑性本构关系）弹塑性本构关系）岩石流变理论岩石流变理论岩石强度理论与破坏准则岩石强度理论与破坏准则第11页，共29页。章节内容章节内容第第6章章岩石地下工程（岩石地下工程（6学时）学时）地下隧洞围岩次生应力及其计算地下隧洞围岩次生应力及其计算（弹性力学分析方法、（弹性力学分析方法、弹塑性力学分析方法、弹塑性力学分析方法、块体平衡理论分析法、块体平衡理论分析法、松散体力学分析法、松散体力学分析法、普氏平衡拱理论、普氏平衡拱理论、太沙基理论）太沙

9、基理论）围岩压力与控制围岩压力与控制岩石地下工程稳定性监测岩石地下工程稳定性监测软岩工程软岩工程第12页，共29页。章节内容章节内容第第7章章岩石边坡工程（岩石边坡工程（6学时，含讨论学时，含讨论2学时）学时）边坡的破坏形式及其影响因素边坡的破坏形式及其影响因素边坡的稳定性分析边坡的稳定性分析滑坡的防治与监测滑坡的防治与监测第第8章章岩石地基工程（岩石地基工程（2学时）学时）地基承载力的确定地基承载力的确定建筑物岩石地基建筑物岩石地基岩石路基岩石路基水工构筑物的岩石地基水工构筑物的岩石地基第13页，共29页。实验教学实验教学实验课内容（实验课内容（4学时）学时）实验一实验一岩石单轴压缩变形与单

10、轴抗压强度测定；岩石单轴压缩变形与单轴抗压强度测定；实验二实验二岩石三轴压缩变形与三轴抗压强度测定；岩石三轴压缩变形与三轴抗压强度测定；实验三实验三岩石直剪变形与抗剪强度测定岩石直剪变形与抗剪强度测定实验课安排：实验课安排：课堂讲述实验目的和方案课堂讲述实验目的和方案试验过程观察、记录试验过程观察、记录课后试验数据处理和试验报告课后试验数据处理和试验报告第14页，共29页。课程教材与参考书课程教材与参考书教材教材岩石力学与工程岩石力学与工程（第二版）（第二版）蔡美峰主编，科学出版社，蔡美峰主编，科学出版社，2013参考书参考书1、岩石力学、岩石力学，黄醒春主编，高等教育出版社，黄醒春主编，高等

11、教育出版社，20052、工程实用岩石力学、工程实用岩石力学，张忠亭张忠亭、景锋景锋、杨和礼杨和礼编著，中国水利水电出版社，编著，中国水利水电出版社，20093、岩体力学、岩体力学，沈明荣主编，同济大学出版社，沈明荣主编，同济大学出版社，19994、岩体力学、岩体力学，凌贤长主编，哈尔滨工业大学出凌贤长主编，哈尔滨工业大学出版社，版社，2002第15页，共29页。第一章第一章绪论绪论1.1 1.1 岩石与岩体的界定岩石与岩体的界定什么是岩石？什么是岩石？狭义概念：材料狭义概念：材料广义概念：岩体广义概念：岩体岩体岩体天然地质体：地质结构（岩块天然地质体：地质结构（岩块+结构面）结构面）赋存条件赋

12、存条件（初始应力、地下水、温度场）（初始应力、地下水、温度场）工程岩体：工程开挖和构筑过程引起应力变化，人地系统工程岩体：工程开挖和构筑过程引起应力变化，人地系统复杂性：非连续性、非均匀性、各向异性、岩石块体结复杂性：非连续性、非均匀性、各向异性、岩石块体结构的可移动性、模型和参数的不确定性构的可移动性、模型和参数的不确定性第16页，共29页。1.1岩石与岩体的界定岩石与岩体的界定u什么是岩石力学？什么是岩石力学？l认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。l研究岩石系统的力学行为和岩石工程稳定性（分析方法、研究岩石系统的力学行为和岩石工程稳定

13、性（分析方法、控制理论和技术）的一门学科。控制理论和技术）的一门学科。第17页，共29页。1.2岩石力学岩石力学的研究任务、内容与方法的研究任务、内容与方法u岩石力学的应用范围及主要研究问题岩石力学的应用范围及主要研究问题p土木建筑工程土木建筑工程：建筑物岩石地基建筑物岩石地基 ；大型地下硐室、地下空间工大型地下硐室、地下空间工程程 ；建筑边坡建筑边坡p交通工程交通工程：路堑边坡；路堑边坡；山岭隧道；山岭隧道；水底隧道；水底隧道；城市地铁隧城市地铁隧道道p水利水电工程水利水电工程：坝基及坝肩；坝基及坝肩；有压和无压隧道；有压和无压隧道；大跨度高大跨度高边墙地下厂房洞室群；边墙地下厂房洞室群；库

14、岸边坡库岸边坡p采矿工程采矿工程：露天采矿边坡；露天采矿边坡；井工开采巷道和采场；井工开采巷道和采场；矿井突水、矿井突水、岩爆、煤与瓦斯突出；岩爆、煤与瓦斯突出；采空区处理及地面沉降；采空区处理及地面沉降；岩石破碎问题。岩石破碎问题。第18页，共29页。1.2岩石力学岩石力学的研究任务、内容与方法的研究任务、内容与方法u岩石力学的应用范围及主要研究问题岩石力学的应用范围及主要研究问题p石油工程石油工程：岩石应力与岩石渗透性；岩石应力与岩石渗透性；钻探技术与井壁稳定性；钻探技术与井壁稳定性；油层压缩及地表沉陷；油层压缩及地表沉陷；油气储存工程及环境影响。油气储存工程及环境影响。p核电：核废料地质

15、处置核电：核废料地质处置p地热资源开发：干热岩体水压致裂、水流控制地热资源开发：干热岩体水压致裂、水流控制p地震预报中的岩石力学问题地震预报中的岩石力学问题地下工程（洞）、边坡工程（坡）、地基工程（基）稳定性地下工程（洞）、边坡工程（坡）、地基工程（基）稳定性（分析与控制）（分析与控制）第19页，共29页。1.3岩石力学与其它学科的交叉岩石力学与其它学科的交叉（1 1）地质学）地质学 理解岩体结构、赋存条件的基础学科理解岩体结构、赋存条件的基础学科（2 2）力学）力学 提供分析方法的基础学科提供分析方法的基础学科 属于固体力学范畴，与渗流力学密切相属于固体力学范畴，与渗流力学密切相关关（3 3

16、）计算机科学）计算机科学 必不可少的分析计算工具必不可少的分析计算工具第20页，共29页。1 1、初始阶段（初始阶段（1919世纪末世纪末2020世纪初）：世纪初）：萌芽时期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：产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题：1912 1912年瑞典地质学家海姆年瑞典地质学家海姆(A.Heim)(A.Heim)提出了提出了静水压力的理论：静水压力的理论：v v=h h=H H。l朗肯（朗肯（W.J.M.RankineW.J.M.Rankine）和金尼克）和金尼克(A.H.)(A.H.)提出了只有提出了只有垂直压力等于垂直压力等于 H H，而水平压力应

17、为，而水平压力应为 H H乘一个乘一个侧压系数侧压系数，即，即 H H 由于当时地下工程埋深不大，曾一度认为这些理论是正由于当时地下工程埋深不大，曾一度认为这些理论是正确的。但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上确的。但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不准确的。述理论是不准确的。1.4 1.4 岩石力学发展简史岩石力学发展简史一、发展阶段一、发展阶段第21页，共29页。第22页，共29页。2 2、经验理论阶段、经验理论阶段(20(20世纪初世纪初1930S)1930S)：散体地压理论散体地压理论该阶段出现了该阶段出现了用材料力学和结构力学用材料力学和结构力学的方法的方法分析

18、分析地下工程的地下工程的支支护护问题：问题：最有代表性的理论是苏联学者普罗托吉雅柯诺夫最有代表性的理论是苏联学者普罗托吉雅柯诺夫（.）提出的自然平衡拱学说，即）提出的自然平衡拱学说，即普氏理普氏理论论。太沙基（太沙基（K.TerzaghiK.Terzaghi）也提出相同的理论，只是他认为塌落）也提出相同的理论，只是他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。拱的形状是矩形，而不是抛物线型。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。上述理论在当时的条件下发挥了一定作用。上述理论在当时的条件下发挥了一定作用。并非所有的地下工程都出现冒落拱

19、，围岩和支护间并非完全的荷载并非所有的地下工程都出现冒落拱，围岩和支护间并非完全的荷载和结构的关系，多数情况下围岩和支护共同承载和结构的关系，多数情况下围岩和支护共同承载1.4岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段第23页，共29页。3 3、经典理论阶段（、经典理论阶段（1930S1960S1930S1960S）岩石力学学科形成的重要阶段岩石力学学科形成的重要阶段l弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，形成围岩和支护共同弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，形成围岩和支护共同作用的理论作用的理论l结构面对岩体力学性质的影响受到重视结构面对岩体力学性质的影响受到重视l岩石力学形成了一

20、门独立的学科岩石力学形成了一门独立的学科l形成了两大学派：形成了两大学派：连续介质理论连续介质理论和和地质力学理论地质力学理论1.4岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段第24页，共29页。u连续介质力学理论连续介质力学理论1.4岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段以固体力学作为基础，从以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质材料的基本力学性质出发来出发来认识岩石工程的认识岩石工程的稳定稳定问题。问题。萨文（萨文（.）用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计）用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析解来计算分析岩石工程的围岩应力分布。算分析岩石工程的围岩

21、应力分布。鲁滨湟特（鲁滨湟特（.）运用连续介质理论写出了求解岩石力）运用连续介质理论写出了求解岩石力学问题的系统著作。学问题的系统著作。运用弹塑性理论研究围岩稳定，导出著名的芬纳公式、喀斯特纳公式；运用弹塑性理论研究围岩稳定，导出著名的芬纳公式、喀斯特纳公式；用流变模型进行隧道围岩的粘弹性分析。用流变模型进行隧道围岩的粘弹性分析。引入有限元、有限差分引入有限元、有限差分 等数值计算。强调地应力作用。等数值计算。强调地应力作用。存在的问题存在的问题：1 1）边界加载，远处位移大，开挖体内边缘位移小；没有考虑开挖）边界加载，远处位移大，开挖体内边缘位移小；没有考虑开挖支护的支护的施工过程力学效应施

22、工过程力学效应。2 2）过分注重对岩石）过分注重对岩石“材料材料”的研究，追求准而又准的的研究，追求准而又准的“本构关系本构关系”，没有重视本构模型和参数的不确定性。，没有重视本构模型和参数的不确定性。第25页，共29页。u地质力学理论地质力学理论1.4岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段注重研究注重研究地层结构和力学性质地层结构和力学性质与与岩石工程稳定性的关系岩石工程稳定性的关系。2020世纪世纪2020年代由德国人克罗斯（年代由德国人克罗斯（H.CloosH.Cloos）创立。）创立。主要观点：主要观点：1 1）反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学原理进行分）反

23、对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学原理进行分析析 2 2）重视）重视岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。以斯梯尼（以斯梯尼（J.StiniJ.Stini）和米勒）和米勒(L.Mller)(L.Mller)代表，形成了代表，形成了“奥地利学奥地利学派派”和和“新奥法新奥法”学说。学说。第26页，共29页。地质力学理论的主要贡献：地质力学理论的主要贡献：1 1）必须了解地应力和开挖后岩体的力学强度变化；）必须了解地应力和开挖后岩体的力学强度变化；3 3）节理裂隙对岩石工程稳定性的控制作用；）节理裂隙对岩石工程稳定性的控制作用；4 4）重视工程施

24、工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，这）重视工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，这是现代信息岩石力学的雏形；是现代信息岩石力学的雏形；5 5）重视支护与围岩的共同作用，利用围岩自身强度维持工程稳）重视支护与围岩的共同作用，利用围岩自身强度维持工程稳定。定。地质力学理论的缺陷：地质力学理论的缺陷：1 1）过分依赖经验，而忽视理论的指导作用。）过分依赖经验，而忽视理论的指导作用。2 2）完全反对把岩体作为连续介质看待，这种认识阻碍现代）完全反对把岩体作为连续介质看待，这种认识阻碍现代数学力学理论在岩石工程中的应用。数学力学理论在岩石工程中的应用。1.4岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一

25、、发展阶段一、发展阶段第27页，共29页。4 4、现代岩石力学发展阶段（、现代岩石力学发展阶段（1960S1960S现在）现在）现代岩石力学理论认为：岩石工程是一个现代岩石力学理论认为：岩石工程是一个“人人地地”系统，用系系统，用系统论的方法来进行岩石力学与工程的研究。统论的方法来进行岩石力学与工程的研究。用更为复杂多样的力学模型来分析岩石力学问题，多学科交叉，把用更为复杂多样的力学模型来分析岩石力学问题，多学科交叉，把力学、物理学、现代数学、系统工程、现代信息技术等的最新成果力学、物理学、现代数学、系统工程、现代信息技术等的最新成果引入岩石力学引入岩石力学从从“材料材料”概念到概念到“不连续

26、介质概念不连续介质概念”是现代岩石力学的第一步是现代岩石力学的第一步飞跃；飞跃；引入计算机科学（快速、大规模计算），进入计算力学阶段是第引入计算机科学（快速、大规模计算），进入计算力学阶段是第二步飞跃；二步飞跃；非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用阶段，是岩非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用阶段，是岩石力学理论研究及工程应用的第三步，意义更为重大。石力学理论研究及工程应用的第三步，意义更为重大。1.4岩石力学发展简史岩石力学发展简史 一、发展阶段一、发展阶段第28页，共29页。作业：作业：1、学习岩石力学与工程课程的目的和主要任务是什么？、学习岩石力学与工程课程的目的和主要任务是什么？2、简述岩石力学与其他学科的关系。、简述岩石力学与其他学科的关系。3、简述岩石力学学科发展的几个阶段及其主要特征。、简述岩石力学学科发展的几个阶段及其主要特征。4、解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。、解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。第29页，共29页。