课程岩石力学
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连续介质理论
特点:以固体力学作为基础,从材料的基本力学性质 出发来认识岩石工程的稳定问题。
30年代,萨文(P. H. Савин)采用无限大板孔应力集中的弹性解分析围岩 的应力分布; 50年代,弹塑性理论应用于围岩稳定性研究; R. Fenner-J. Talobre公式和 H. Kastner 公式; 应用流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析; S. Serta公式
37年,首部岩石力学专著 (秦巴列维奇)《岩石力学》
岩石力学的定义(Rock Mechanics)
1964年5月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的定 义为:“岩石力学是研究岩石的力学性状(behavior) 的一门理论和应用的科学,它是固体力学的一个分支, 是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的学科。”
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岩石力学
二、岩石力学学科的形成及定义
1951年,J. Stini 和 L. Müller等在 Salzburg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、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一步, 并创办了《Geologie und Bauwesen》,1962年改名为《Rock Mechanics & Rock Engineering》
岩石力学的萌芽时期
A. Heim(1912)提出了静水压力的理论
W. J. M. Rankine(朗肯)和A.H.ДИННИΚ(金尼 克)地层压力的修正理论,即
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2. 经验理论阶段(20世纪初~20世纪30年代)
该阶段根据生产经验提出了经典的地压理论,具有代表性的理论有:
不足:解析方法仅适合平面的圆形巷道,不能模拟开 挖过程;由于岩体中节理、裂隙的存在,围岩力学性 质参数和准确的本构关系难以确定。
地质力学理论
特点:,强调对岩体节理、裂隙的研究,重视岩体
结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。
20年代,由德国人 H. Cloos 创立 51年,J. Stini 和 L. Müller 创立了“奥地利学派”: 在理论方面,指出工程围岩稳定性与原岩应力和开挖后岩体 的力学强度变化密切相关,重视岩石工程施工过程中应力、 位移和稳定性状态的监测,重视支护与围岩的共同作用,特 别重视利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性 在施工方面,提出了“新奥法”,符合现代岩石力学理论
3. 经典理论阶段(20世纪30年代~20世纪60年
代)
岩石力学学科形成的重要阶段
弹性、塑性力学被引入,提出一些经典的解析计算公式 重视结构面对岩体力学性质的影响 形成围岩与支护共同作用理论 实验方法的完善 一系列岩石力学文献和专著的出版
岩体工程问题的解决形成了“连续介质理论” 和“地质力学理论”两大学派
1956年4月,在美国的科罗拉多矿业学院举行的一次专业会议上, 开始使用“岩石力学”这一名词,并由该学院汇编了“岩石 力学论文集”。在论文集的序言中说:“它是与过去作为一 门学科而发展起来的土力学,有着相似的概念的一门学科, 对这种有关岩石的力学方面的学科,现取名为岩石力学”。
1957年在巴黎出版的塔洛布尔(J. Talobre)的专著“岩石力学”是 这方面较早的一本较系统的著作。其后,开始形成了不同的 岩石力学学派(如法国学派,偏重于从弹塑性理论方面来研 究;奥地利学派,偏重于地质构造方面来研究)。
普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说,即普氏理论. 围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形,作用在支架上的压力等于
冒落拱内岩石的重量,仅是上覆岩石重量的一部分. 太沙基(K.Terzahi)理论 围岩塌落成矩形,而不是抛物线型. 优点与缺点 上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的, 但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源,也不是所有 的地下空间都存在塌落拱.围岩和支护之间并不完全是荷载和 结构的关系问题,在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载 系统,而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作 用.
从“材料”概念到“不连续介质概念”是现代岩石力 学的第一步突破; 进入计算力学阶段是第二步突破;
有限元、边界元、离散元wk.baidu.com位移非连续法(DDA)和流行法
非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用 阶段,则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意 义更为重大的突破.
耗散结构论、协同学、分叉和混沌理论,模糊数学、人工智能、 灰色理论
四、岩石力学中的几个基本概念
1. 岩石 (Rock)
定义:岩石是组成地壳的基本物质,它是由矿物 或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的天然 地质体。
岩石按照其成因可分为三类:岩浆岩,沉积岩和 变质岩,不同成因类型的岩石具有不同的物理力 学性质(自学、了解)。
2. 岩块
自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平时所称的岩 石,在一定程度上都是指岩块。
不足:过分强调节理、裂隙的作用,过分依赖经验,
而忽视理论的指导作用
4. 现代发展阶段(20世纪60年代-现在)
特点:用更为复杂多样的力学模型分析岩石力学问题;把物
理学、力学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等最新 成果引入了岩石力学; 电子计算机的广泛应用为流变学、断裂 力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非 线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能.
具体而言,研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏 规律以及工程稳定性等问题。
上述定义是把“岩石”看成固体力学中的一种材料,然 而岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料,它 是一种典型的“连续介质”,具有复杂的地质构造 和赋存条件的天然地质体。
三、岩石力学理论的发展简史
1. 初始阶段(19世纪末~20世纪初)
实验室通常用的岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程 范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。
岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石 块体,可看作连续介质及均质体。
3. 岩体 (Rock Mass)
岩体是指在一定地质条件下,含有诸如节理、断层、裂 隙、层理、劈理等不连续结构面的复杂地质体。