岩体力学与工程实践绪论.docx

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岩体力学与工程实践绪论

第一章绪论

第一节 岩体力学与工程实践

一、岩体力学的概念〔Rockmassmechanics〕

力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论与其实际应用的根底学科。

〔1〕研究对象

各类岩体〔岩体：

地质体的一局部，它位于一定的地质环境之中，是在各种宏观地质界面〔断层节理、破碎带、接触带、片理等〕分割下形成的有一定构造的地质体。

〕

〔2〕效劳对象

涉与许多领域和学科。

如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂〔如核电站、大型发电厂与大型钢铁厂等〕以与地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。

但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。

概括起来，可分为三个方面：

①为各类建筑工程与采矿工程等效劳岩体力学；〔工程岩石力学〕

②为掘进、钻井与爆破工程效劳的岩体力学；

③为构造地质学、找矿与地震预报等效劳岩体力学。

〔3〕〔工程〕岩体力学研究的根本目的和任务

准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据。

〔以露天采矿边坡坡角选择为例，符合“平安、经济和正常运营〞的原那么〕

二、工程实践〔Engineeringpractices〕

岩体力学的开展是和人类工程实践分不开的。

〔1〕开展进程：

最初，岩体工程数量少，规模也小，多凭经历解决工程中遇到的岩体力学问题。

因此，岩体力学〔20世纪50年代末〔1957年法国的塔罗勃J.Talobre?

岩石力学?

的出版〕〕的形成与开展要比土力学〔18世纪七十年代〔1773～1776年〕库仑Coulomb提出的土的抗剪强度和滑动土壤的土压力理论，标志着土力学进入古典理论时期〕晚得多。

随着生产力水平与工程建筑事业的迅速开展，提出了大量的岩体力学问题。

对工程建立的平安性与经济性产生显着的影响，甚至带来严重的后果。

如高坝坝基、拱坝、高层建筑、地下厂房、核电站等地壳岩体的变形与稳定问题，能否对这些问题能否正确评价和分析。

〔2〕在人类工程活动的历史长河中，因岩体变形和失稳酿成重大事故的例子是很多的。

举例说明：

1928年，美国，圣?

弗朗西斯重力坝失事；

1959年，法国，马尔帕塞〔Malpasset〕薄拱坝溃决，死亡380人；

1963年，意大利，瓦依昂〔Vajont〕拱坝水库左岸大滑坡，2500人丧生；

国内：

1961年，XX，拓溪水电站近坝库岸发生滑坡；

1980年，XX远安盐池河磷矿的山崩，死亡280人。

这些事故的发生，多是由于对工程地区岩体的力学特性研究不够，对岩体的变形和稳定性估计缺乏引起的。

这些惨痛的事故，给人们敲响了警钟！

提醒人们：

在岩体工程中必须重视岩体力学！

今天，由于矿产资源勘探开采，能源开发以与地球动力学研究等需要，工程规模越来越大，涉与的岩体力学问题越来越多。

第二节 岩体力学的研究内容和研究方法

一、研究对象的复杂性〔plexityofobject〕

如前所述，岩体力学的研究对象是各类岩体，由于岩体在其形成和存在的整个地质历史时期中，经受过各种复杂而不均衡的地质作用，这使其工程性质变得十分复杂，这种复杂性表现在以下几个方面：

〔1〕不连续性：

〔这使其性质与其它连续介质有很大的差异〕

〔2〕非均质性：

〔岩体物理—力学性质随空间位置不同而有性质的差异〕试验结果的离散性

〔3〕各向异性：

〔岩体性质随岩体构造的取向而有差异的性质〕

〔4〕岩体中存在不同于自重应力场的天然应力场〔一般认为，天然应力主要由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。

〕

〔5〕岩体赋存于一定地质环境之中，岩体中的水、温度、应力场，对岩体性质有较大的影响。

因此，对于这样一种复杂的介质，不仅研究内容非常复杂，而且其研究方法和手段也应与连续介质力学有所不同。

二、研究内容〔Contentofresearch〕

从工程观点出发，大致可归纳为如下几方面的内容：

〔1〕岩块、岩体地质特征的研究；〔岩体力学分析的根底〕

〔2〕岩石的物理、水理与热学性质的研究；〔高度、空隙性；吸水性、软化性、抗冻性、透水性；比热容、导热系数、热膨胀系数等〕

〔3〕岩块的根本力学性质的研究；

〔4〕构造面力学性质的研究；〔是岩体力学最重要的研究内容〕

〔5〕岩体力学性质的研究；〔是岩体力学最根本的研究内容〕

〔6〕岩体中天然应力分布规律与其量测的理论与方法的研究；〔应力恢复法：

水压致裂法〔钻孔内〕、扁千斤顶法〔岩壁上〕、套心法〔钻孔套心应力解除法〕〕

〔7〕边坡岩体、地基岩体与地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究；〔实际应用研究〕

〔8〕岩体性质的改善与加固技术的研究；

〔9〕各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用研究；

〔10〕工程岩体的模型、模拟试验与原位监测技术的研究。

〔数值模型模拟、物理模型模拟和离心模型模拟试验等〕

简而言之，三大块：

〔1〕岩块〔石〕

①地质特征〔物质组成和构造特征〕—岩体力学分析的根底；

②物理、水理和热学性质〔密度、空隙性；吸水性、软化性、抗冻性、透水性；比热容、导热系数、热膨胀系数等〕；

③根本力学性质。

〔2〕构造面

力学性质〔、τ、F的变形特征与参数确定E、μ、τf特征与测试技术与方法〕--最重要的研究内容〕

〔3〕岩体

①地质特征〔岩体构造、工程分类〕；

②力学性质包括变形性质、强度性质、动力学和水力学性质〔最根本的研究内容〕；

③天然应力〔分布规律、量测方法〕；

④边坡、地基、洞室岩体的稳定性；

⑤改善与加固技术；

⑥新技术、新方法和理论的应用；

⑦模型、模拟试验与原位监测技术。

三、研究方法〔Methodsofresearch〕

岩体力学的研究内容决定了在岩体力学研究中必须采用如下几种研究方法：

〔1〕工程地质研究法〔Engineeringgeologicalmethods〕

目的是研究岩块和岩体的地质构造与特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。

〔2〕试验法〔Test/experimentaionMethods〕〔是岩体力学开展的根底〕

目的主要是为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。

〔3〕数学力学分析法〔Mathmaticalandmechanicalmethods〕〔一个重要环节〕

建立符合实际的力学模型和选择适当的分析方法是数学力学分析中的关键。

目的是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与稳定性，为设计与施工提供定量依据。

目前常用的力学模型有：

刚体力学模型、弹性与弹塑性力学模型、断裂力学模型和损伤力学模型与流变模型等等。

常用的分析方法有：

块体极限平衡法〔BlockLimitEquilibrium〕；有限元〔FEM〕、边界元〔BEM〕和离散元法〔DEM〕；模糊聚类和概率分析法等等。

此外，近年来，还出现了运用系统论、信息论、人工智解专家系统、灰色系统等新方法来解决岩体力学的问题。

〔4〕综合分析法〔Methodsofsyntheticalanalysis〕

以上几种方法严密结合，相互促进，相辅相成，缺一不可。

第三节 岩体力学开展的概况与动态

岩体力学是在岩石力学的根底上开展起来的一门新兴学科

1962年，“国际岩石力学学会〔ISRM〕〞-theInternationalSocietyforRockMechanics.

1985，“中国岩石力学与工程学会〔CSRME〕〞-ChineseSocietyforRockMechanicsandEngineering.

一、岩体力学的形成和开展

岩体力学形成于20世纪50年代末〔40余年的开展历史〕

〔1〕形成标志〔formationalsign〕

1957年，法国的塔罗勃〔J.Talobre〕的?

岩石力学?

的出版

1962年，国际岩石力学学会〔ISRM〕的成立

〔2〕两大学术流派〔twoacademiccircles〕

★地质力学的岩石力学学派

以地质学观点的地质力学的岩石力学学派，奥地利学派或萨茨堡学派〔SalzburgCircle〕以缪勒〔L?

Muler〕为代表，另外还有斯体尼〔J?

Stini〕偏重于地质力学方面，主X：

①岩块与岩体要严格区分；

②岩体的变形不是岩块本身的变形，而是岩块移动导致岩体的变形；

③否认小岩块试件的力学试验，主X通过现场〔原位〕力学测定，才能有效地获取岩体力学的真实性。

该派根本观点：

岩体的力学作用主要取决于岩体内的构造面与其对岩体的切割特征。

创立了“新奥地利隧洞掘进法〔新奥法〕〞〔NATM〕：

NewAustrainTunnellingMethod.

★工程岩石力学学派

以法国的塔罗勃〔J.Talober〕为代表，主X：

以工程观点来研究岩石力学，偏重于岩石的工程特性方面。

注重以弹塑性理论方面的研究，将岩体的不均匀性概化为均质的连续介质，小岩块试件的力学试验与原位力学测试并举。

1951年，J.Talober的?

岩石力学?

一书，是该学派最早的代表著作。

1969年，英国的耶格〔J.C.Jaeger〕按此观点又著有?

岩石力学根底?

一书，这是一本国际上较为著名的著作。

〔3〕四个阶段〔fourphases〕

①材料力学阶段〔连续介质岩石力学阶段〕〔二次世界大战之前，20世纪60年代以前〕

②裂隙岩体力学阶段〔20世纪60～70年代〕

20世纪50年代开场，Malpasset坝和Vajont坝的失事推动其开展，“Salzburg〞学派或奥地利学派起了很大在的推动作用。

1974年，L.muler的?

岩体力学?

出版—标志性成果。

③岩体构造力学阶段〔20世纪70年代中期〕

以我国的谷德振教授为代表将岩体力学推向了岩体构造力学阶段，后来孙广忠等人

孙广忠的“岩体构造控制论〞是岩体构造力学的理论根底。

④地质工程岩体力学阶段〔大约20世纪90年代中后期至今〕

大跨度高边墙地下建筑、复杂条件下的隧道工程、500m以上的高边坡、超过300m的高坝与跨海大桥等等工程，涉与很多地质问题。

二、我国的岩体〔石〕力学的开展概况

我们的祖先曾创立过震动全世界的工程建立。

如：

〔XX〕岷山都江堰，〔XX〕XX深达数百米的盐井，万里长城等等。

岩体力学作为一门专门学科在我国起步较晚，但也取得了长足的进展。

陆续建立了一些科研机构如中国科学院XX岩土力学研究所、地质研究所以与长江科学院岩基研究所等，取得了一系列重大成果。

几个有突出奉献的学者〔我国岩石力学的奠基者〕：

陈宗基〔1991年去世〕，将流变引入岩体力学，提出了岩体流变、扩容与长期强度等概念，进一步开展了岩石流变扩容理论。

谷德振，提出了岩体工程地质力学理论〔根据岩体由于受构造面切割而具有的多裂隙性〕。

孙广忠，提出了岩体构造控制论的观点和理论，著有?

岩体构造力学?

。

回忆我国岩体〔石〕力学的开展，大体上可划分为三个阶段：

〔1〕第一阶段，20世纪50年代至60年代中期，“萌芽阶段〞。

根本与国外相似，运用材料力学、土力学、弹塑性理论等的根底来开展研究的。

〔2〕第二阶段，20世纪60年代中期至70年代中期，“文化大革命〞的影响。

大局部工程停建和缓建，导致岩体力学开展非常缓慢，“低谷阶段〞

〔3〕第三阶段，20世纪70年代以后至今，蓬勃开展阶段。

工程上，成功解决了如葛州坝和三峡坝区、XX的大冶和XX德兴的露天矿场、秦山核电站岩基与高边坡以与铁道交通上的长隧洞工程等一系列重大岩石力学工程问题。

三峡大坝〔高185.0m〕、秦岭超长隧道〔18.0Km〕的成功例子。

三、岩体力学以往的研究工作的特点〔从形成至今〕

〔1〕对岩体与其力学属性的认识不断深入；

〔2〕研究领域愈益扩大，并强调在工程中的应用；

〔3〕重视岩体中天然应力的研究；

〔4〕岩体的测试技术和监测技术大力开展；

〔5〕注重岩体力学、水力学性质与流变性质的研究；

〔6〕新理论、新技术与新方法的应用。

如70年代开场的块体理论〔blocktheory〕、概率论〔probabilitytheory〕、模糊数学〔fuzzymathematics〕、断裂力学〔rupturemechanics〕、损伤力学〔damagemechanics〕、分形几何〔fractalsandgeometry〕等，近年来的系统论〔systems〕、信息论〔informationtheory〕、控制论〔cybernetics〕、人工智能专家系统〔artificialintelligentexpertisesystem〕、灰色系统〔graysystem〕、突变理论〔catastrophetheory〕、混沌动力学〔chaoticdynamics〕、耗散构造论〔dissipativestructuretheory〕与协同论〔synergetics〕等软科学的开展；神经网络〔neuralnetworktheory〕〔Sach,Dheore等，1994；冯夏庭，王泳嘉等，1995〕预测岩体边坡稳定性等。

四、岩体力学今后的前沿研究课题

岩体力学还不成熟，仍有许多重大问题在探索之中，还不能满足工程实际的需要。

因此，大力加强岩体力学理论和实际应用的研究，既是岩体力学开展的需要，更是工程实践的客观要求。

〔1〕岩体构造与构造面的仿真模拟、力学表述与其力学机理问题；

〔2〕裂隙化岩体的强度、破坏机理与破坏判据问题；

〔3〕岩体与工程构造的相互作用与稳定性评价问题；

〔4〕软岩的力学特性与其岩体力学问题；

〔5〕水岩耦合与水岩与应力耦合作用与岩体工程稳定性问题；

〔6〕高地应力岩体力学问题；

〔7〕岩体构造整体综合仿真反应系统与优化技术；

〔8〕岩体动力学、水力学与热力学问题；

〔9〕岩体流变与长期强度问题；

〔10〕岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。

等等。

根底〔本〕理论课题和技术开发课题

第四节 本书的主要内容与学习方法

岩体力学是工程地质与工程力学穿插开展起来的边缘学科，要求有结实的固体力学和弹塑性力学等力学根底。

参考书

1．X佑荣，唐辉明编著.岩体力学，1999.中国地质大学.

2．沈明荣主编.岩体力学，1999.同济大学.

3．凌贤长，蔡德所编著.岩体力学，2002，XX工业大学.

4．蔡美峰主编.岩石力学与工程，2002.科学.

5．吴德伦，黄质宏，赵明阶主编.2002.XX大学、XX大学.

6．肖树芳，杨淑碧编.岩体力学，1987.地质.

7．周思孟主编.复杂岩体假设干岩石力学问题，1998.中国水利水电.

8．X振营主编.岩土力学，2000.中国水利水电.

9．郭志著.实用岩体力学，1996.地震.

10．徐志英主编.岩石力学，1986.水利电力.

11．李铁汉，潘别桐编.岩体力学，1980.地质.

12.王文星主编.岩体力学.2004，中南大学.