岩石力学1

(6) 原岩应力分布规律及其测量理论与方法
(7) 工程岩体的稳定性
在开挖作用下的应力和位移分布特 变形破坏特征, 征,变形破坏特征,稳定性分析与评价
(8) 岩石工程稳定性维护技术
包括岩体性质的改善与加固技术等
新技术, (9) 新技术,新方法和新理论在岩石力学中的应用 (10) 工程岩体的模型,模拟试验及原位监测技术 工程岩体的模型,
数值模型模拟 物理模型模拟 原位监测可检验岩体变形与稳定性分析成果的正确性
六,岩石力学的研究方法
(1) 工程地质研究方法
岩矿鉴定方法 构造地质学及工程勘察方法 水文地质学方法 科学实验是岩石力学发展的基础) (2) 科学实验方法(科学实验是岩石力学发展的基础) 实验室岩石力学参数测试,模型试验, 实验室岩石力学参数测试,模型试验,现场岩体原位 试验及监测技术, 试验及监测技术,地应力的测量和岩体构造的测定等 地质构造的勘测, 地质构造的勘测,大地层的力学测定 新实验技术:遥感技术,激光散斑和切层扫描技术, 新实验技术:遥感技术,激光散斑和切层扫描技术, 三维地震勘测成象和三维CT成象技术, CT成象技术 三维地震勘测成象和三维CT成象技术,微震技术等
σ v = γH σ h = λγH
λ = tg ( )
2
π
φ
4
2
或 λ= 1-
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:
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.
2. 岩块
自然地质体的小块岩石称为岩块. 自然地质体的小块岩石称为岩块.我们平时所称的岩 在一定程度上都是指岩块. 石,在一定程度上都是指岩块. 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. 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, 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. 块体,可看作连续介质及均质体.
岩体结构:包括结构面和结构体两个基本要素. 结构面:岩体内具有一定方向,延展较大,厚度较小的面状
地质界面,包括物质的分界面和不连续面.
结构体:被结构面所包围的完整岩石或隐蔽裂隙的岩石,由
不同产状的结构面组合切割而形成的岩石块体. 结构面对岩体结构类型的划分常起着主导作用. 在研究结构面时,一方面要注意结构面的强度, 密度及其延展性,另一方面还需注意结构面的规 模大小和它们之间的组合关系.
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)
岩石力学的萌芽时期 A. Heim(1912)提出了静水压力的理论 Rankine(朗肯) A.H.ДИННИ ДИННИΚ W. J. M. Rankine(朗肯)和A.H.ДИННИΚ(金 尼克)地层压力的修正理论, 尼克)地层压力的修正理论,即
特点: 强调对岩体节理,裂隙的研究, 特点:,强调对岩体节理,裂隙的研究,重视岩体
20年代, 20年代,由德国人 H. Cloos 创立 年代 51年 Müller 创立了"奥地利学派" 51年,J. Stini 和 L. M ller 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 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 岩石工程施工过程中应力, 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 位移和稳定性状态的监测,重视支护与围岩的共同作用, 支护与围岩的共同作用 别重视利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性 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" 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 年代~20世纪 世纪30年代 世纪 世纪 年代
60年代 年代) 年代 岩石力学学科形成的重要阶段
弹性,塑性力学被引入, 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
有限元,边界元,离散元,位移非连续法(DDA)和流行法 有限元,边界元,离散元,位移非连续法(DDA)和流行法
非线性理论, 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 阶段, 义更为重大的突破. 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, 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
岩体结构:由结构面的发育程度和组
合关系或结构体的规模及排列形式决定 的.岩体结构类型的划分反映出岩体的 不连续性和不均一性特征. 中国科学院地质研究所从岩体结构角度提出了岩体结 构分类(P3,表1-1). 我国还有不少专门为工程目的的岩体分类.例如为建造
地下隧道和洞室的围岩分类(铁路隧道规范分类,岩石地下建 筑技术措施分类等),都是以岩体结构分类为基础.
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.
断层 (Fault)
褶皱 (Drape) )
层理 (Lamina) )
源自文库
岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面.由 于不连续面的存在,岩体的强度远低于岩石的强度.
4. 岩体结构
不足:解析方法仅适合平面的圆形巷道,不能模拟开 不足:解析方法仅适合平面的圆形巷道, 挖过程;由于岩体中节理,裂隙的存在, 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. 质参数和准确的本构关系难以确定.
地质力学理论
结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用. 结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用.
五,岩石力学的基本研究内容
岩石, (1) 岩石,岩体的地质特征 物质组成和结构特征 结构面特征及其对岩体力学性质的影响 岩体结构及其力学特性 岩体工程分类 岩石的物理, (2) 岩石的物理,水理与热力学性质 (3) 岩石的基本力学性质 变形,强度特征及力学指标参数 变形, 主要影响因素,包括加载条件,温度, 主要影响因素,包括加载条件,温度,湿度等 变形破坏机理及其破坏判据
(4) 结构面力学性质
结构面在法向压应力及剪应力作用 下的变形特征及参数确定 结构面剪切强度特征及其测试技术和方法
(5) 岩体力学性质
岩体的变形, 岩体的变形,强度特征及其原位测试技术 岩体力学参数的弱化处理与经验估计 主要因素影响 岩体中地下水赋存, 岩体中地下水赋存,运移规律及岩体的水力学特征
而忽视理论的指导作用 忽视理论的指导作用
不足:过分强调节理 裂隙的作用,过分依赖经验 强调节理, 依赖经验, 不足:过分强调节理,裂隙的作用,过分依赖经验,
4. 现代发展阶段(20世纪60年代-现在)
理学,力学,系统工程,现代数理科学,现代信息技术等最新 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 引入了岩石力学; 为流变学, 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, 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. 线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能.
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) Rock Mechanics
1964年5月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的 年 月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的 力学性状( 定义为: 岩石力学是研究岩石的力学性状 behavior) 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, 理论和应用的科学 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. 力场反应的学科 是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的学科." 具体而言,研究岩石在荷载作用下的应力, 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. 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, 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, 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" 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. 和赋存条件的天然地质体.
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, 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. 然地质体. 岩石按照其成因可分为三类:岩浆岩, 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 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) 力学性质(自学,了解).
岩体工程问题的解决形成了"连续介质理论" 岩体工程问题的解决形成了"连续介质理论" 地质力学理论" 和"地质力学理论"两大学派
连续介质理论
特点:以固体力学作为基础, 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. 出发来认识岩石工程的稳定问题.
30年代,萨文(P. Савин)采用无限大板孔应力集中的弹性解 弹性解分析 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 年代 围岩的应力分布; 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; 50年代,弹塑性理论应用于围岩稳定性研究; 年代 应用于围岩稳定性研究 Fenner- Talobre公式和 公式; 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; 流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析 应用流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析; Serta公式 S. Serta公式
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》 1956年4月,在美国的科罗拉多矿业学院 科罗拉多矿业学院举行的一次专业会议 科罗拉多矿业学院 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).
特点:用更为复杂多样的力学模型分析岩石力学问题; 力学模型分析岩石力学问题 特点:用更为复杂多样的力学模型分析岩石力学问题;把物
从"材料"概念到"不连续介质概念"是现代岩石力 材料"概念到"不连续介质概念" 学的第一步突破; 学的第一步突破; 进入计算力学阶段是第二步突破; 进入计算力学阶段是第二步突破;