岩石力学-第一章01.ppt

岩石密度 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(7.4~7.6)，感到很重。大多数矿物密度中等，介于2.5~4之间。
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矿物的基本概念
解理、断口——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 质，裂开的光滑平面称为解理面。
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。 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。 中等解理：既有解理面，又有断口，如正长石。 不完全解理：常出现断口，解理面很难出现，如磷灰石。
全部为从岩浆中析出的原生 次生矿物占主要地位，成分 矿物，成分复杂，但较稳定。单一，一般多不固定。常见 浅色的矿物有石英、长石、 的有石英、长石、白云母、 白云母等；深色的矿物有黑 方解石、白云石、高岭石等 云母、角闪石，辉石、橄榄 石等
以结晶粒状、斑状结构为特 征
以碎屑、泥质及生物碎屑结 构为特征。部分为成分单一 的结晶结构，但肉眼不易分 辨
➢ 构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；
约定
➢ 岩石为不分“岩体”和“岩块”时的统称； ➢ 岩体=岩块+弱面 ➢ 岩体中由弱面分割包围的即是岩块；
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主要参考书
[1] 《岩石力学与工程》，蔡美峰 主编，科学出版社，2002 [2] 《高等岩石力学》，周维垣主编，中国水利水电出版社，1990 [3] 《岩石力学基础》，张清、杜静编著，中国铁道出版社，1997 [4] 《岩石力学简明教程》，李世平等编．北京：煤炭 工业出版社，1996 [5] 《岩体力学》，沈明荣主编．上海：同济大学出版社，1999 [6] 《矿山岩体力学》，高延法、张庆松编著，中国矿业大学出版社，
物理地质作用
（1）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 其作用方式可分为四种：
① 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 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。
② 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 山岩或是在地下深处冷凝形成侵入岩的过程。
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矿物的基本概念
矿物形态
(a)食盐晶体 (a)
(b)石英晶体
(c)金刚石晶体
(d)绿柱石聚形晶体
(e)石榴子石聚形晶体
(f)板钛矿聚形晶体
(g)红柱石放射状集合体
(h)方解石钟乳状集合体
(d)
(i )玛瑙晶腺
(a)
(b)
(c)
(e)
(f)
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(g)
(h)
(i)
矿物的基本概念
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； 2-石膏；3-方解石；4-萤石；5-磷灰石； 6-正长石；7-石英；8-黄玉； 9-刚玉；10-金刚石；
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建议的定义
➢ 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
工程功能的科学。
研究岩石力学的目的
➢ 地下工程事故中，约1/3—1/2是由于支护不当或支护 不及时造成的；
➢ 井巷工程成本中，支护及维护费用约占40—60%； ➢ 目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降
➢ 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
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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
•应力分布
•围岩变形
•围岩压力
•围岩加固
➢ 岩坡的稳定性研究
•稳定性
•应力分布、变形和破坏
•岩坡的失稳
➢ 岩基的稳定性研究
•应力
•变形
•承载力 •稳定性
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研究方法
➢ 工程地质研究方法 ➢ 科学实验方法 ➢ 数学力学分析方法
•力学模型 •分析方法
⊙数值分析方法 ⊙模糊聚类和概率分析
⊙模拟分析 ➢ 整体综合分析方法
•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
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1.4 地下工程的特点
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(剪胀)现象等；
地下工程是先受力(原岩应力)，后挖洞(开巷)； 深埋巷道属于无限城问题，影响圈内自重可以
忽略；
大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；
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；
地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；
（a）石盐的立方体完全解理
20 （b）石英的贝壳状断口
矿物的基本概念
常见主要造岩矿物 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
地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力；
几何不稳定结构在地下可以是稳定的；
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1.5 影响因素与约定
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 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 相互结合的情况；
③ 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、 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。
④ 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 引起地壳的快速颤动和震动。
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物理地质作用
（2）外力地质作用 ① 风化作用：暴露于地表的岩石，在温度变化以及水、二氧化碳、
2000 [7] 《岩石力学基础教程》，侯公羽 主编，机械工业出版社，2011、1 [8] 《Engineering Rock Mechanics》，上、下卷（中译本）J.A.
Hudson; J.P. Harrison 著，冯夏庭等译，科学出版社，2009 [9] 《岩体力学性质》，李先炜 编，煤炭工业出版社，1990
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地质年代及其划分
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
相对地质年代的确定方法 地层层序律 生物层序律 切割律
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。
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
低维护成本，减少支护事故。
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1.2岩石力学的发展和概貌
初级阶段（19世纪末~20世纪初）
➢ 海姆净水压力假说
➢ 朗金假说
➢ 金尼克假说
经验理论阶段（20世纪初~20世纪30年代）
➢ 普氏理论
➢ 太沙基理论
经典理论阶段
➢ 连续介质理论
不足：•忽视地应力的作用
•忽视施工过程（时变性）
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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
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递变层理
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
波痕及其印模
泥裂的示意立体图
波痕与泥裂29构造
常见的岩浆岩
花岗岩，闪长岩，辉长岩，流纹岩，安山岩，玄武岩，辉绿岩
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国内、外有关岩石力学的主要杂志
（1）《国际岩石力学与采矿科学》（International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences）主编：Zimmeman，名誉主编： Hudson；Pergamon出版社和Elsevier Science出版社出版；SCI、EI收录 （2）《岩石力学与岩石工程》（Rock Mechanics and Rock Engineering） 主编：Kovari和Einstein；Springer—Verlag出版; SCI、EI收录 （3）《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 社出版； EI收录 （4）《岩土力学》中科院武汉岩土力学研究所主办； EI收录 （5）《岩土工程学报》中国土木工程学会主办； EI收录 （6）《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；
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1.6 岩土的成因类型及其工程地质特征
地壳 地球，赤道半径（6378.140km），两极半径（6356.779km）。 大约有70.8%的面积海域，有29.2％的面积为陆地。 由地壳、地幔、地核组成。
地球内部构造
1-地壳；2-地幔；3-地核；4-液态外部地核； 51-固5 态内部地核；6-软流圈；7-岩石圈
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。
1. 岩石的工程性质 岩石的工程性质
物理性质
重量 孔隙性 吸水性 软化性 抗冻性
变形特性
力学性质 强度特性：抗拉、压剪强度
2. 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。
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常见岩石和矿物
安山质凝灰岩
角砾岩
流纹岩
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流纹岩
常见岩石和矿物
片麻岩
礁灰岩
玄武岩
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浮石