精品课程《岩石力学》ppt课件（全）教学幻灯片.pptx

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岩石力学（电子课件）主要内容主要内容第第11章章绪论绪论第第22章章岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质第第33章章岩体的力学特性岩体的力学特性第第44章章岩体地应力及其测量方法岩体地应力及其测量方法第第55章章岩石地下工程岩石地下工程第一章绪论引言岩石力学学科的形成及定义岩石力学理论的发展简史岩石力学中的基本概念岩石力学的基本研究内容（what）岩石力学中的研究方法（how）岩石力学的应用范围（why）一、引言1.人类活动与岩石工程（RockEngineering）远古远古石器，穴居石器，穴居约约47004700年前年前金字塔（金字塔（146.5m）146.5m）公元公元16001600年年火药采矿火药采矿1919世纪世纪铁路隧道技术铁路隧道技术2020世纪世纪大型水电工程大型水电工程岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都是在岩石圈上进行的：

动都是在岩石圈上进行的：

岩基、边坡，地下洞室，隧道工程等南水北调，西气东输，南水北调，西气东输，三峡大坝工程三峡大坝工程“高峡出平湖，当惊世界殊高峡出平湖，当惊世界殊”2.经典的岩石工程与事故灾害（Catastrophe）2.12.1经典岩石工程经典岩石工程（金字塔，三峡工程，见上金字塔，三峡工程，见上）:

2.2.2.2.事故灾害事故灾害:

MalpassetMalpasset坝，坝，坝高坝高66m66m，于，于19541954年末建成并蓄水。

年末建成并蓄水。

19591959年年1212月月22日日，坝基突然失稳导致大坝溃决，仅坝基突然失稳导致大坝溃决，仅右岸右岸基础部分有些残坝。

洪水冲基础部分有些残坝。

洪水冲出峡谷流速达出峡谷流速达20km/h20km/h，下游，下游FrejusFrejus城镇部分被毁，城镇部分被毁，死亡死亡421421人人，财产损失达财产损失达300300亿法郎。

亿法郎。

（11）2020世纪世纪5050年代末法国年代末法国MalpassetMalpasset拱坝的失事拱坝的失事（22）6060年代初意大利年代初意大利VajontVajont大坝水库高边坡的崩溃大坝水库高边坡的崩溃意大利意大利VajontVajont拱坝，拱坝，坝高坝高262m262m，于于19591959年建成，是当时世界年建成，是当时世界上最高的拱坝。

上最高的拱坝。

19631963年年1010月月99日日夜，由于大坝上游山体突然滑夜，由于大坝上游山体突然滑坡，约坡，约2.52.5亿亿立方的山体瞬时涌立方的山体瞬时涌入水库，涌浪摧毁上游及下游入水库，涌浪摧毁上游及下游一个小镇与邻近几个村庄，造一个小镇与邻近几个村庄，造成成约约25002500人死亡人死亡，整个灾害的，整个灾害的持续时间仅仅持续时间仅仅55分钟分钟。

这两次事件促成了国际岩石力学学会（ISRM,InternationalSocietyforRockMechanics）在1963年于奥地利萨尔茨堡成立。

（1985年，中国岩石力学与工程学会正式成立）。

二、岩石力学学科的形成及定义二、岩石力学学科的形成及定义1951年，J.Stini和L.Mller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GeologieundBauwesen，1962年改名为RockMechanics&RockEngineering1956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）。

37年，首部岩石力学专著（秦巴列维奇）岩石力学具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏具体而言，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。

上述定义是把上述定义是把“岩石岩石”看成固体力学中的一种材料，然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，它是一种典型的是一种典型的“连续介质连续介质”，具有复杂的地质构造，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。

岩石力学的定义（RockMechanicsRockMechanics）1964年年5月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的定月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的定义为：

义为：

“岩石力学是研究岩石的岩石力学是研究岩石的力学性状力学性状（behaviorbehavior）的一门的一门理论和应用理论和应用的科学，它是固体力学的一个分支，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是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应力场反应的学科。

的学科。

”三、岩石力学理论的发展简史三、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岩石力学的萌芽时期A.Heim（1912）A.Heim（1912）提出了静水压力的理论提出了静水压力的理论W.J.M.RankineW.J.M.Rankine（朗肯）和（朗肯）和A.H.A.H.（金金尼克尼克）地层压力的修正理论，即地层压力的修正理论，即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（KTerzahi）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3.经典理论阶段（20世纪世纪30年代年代20世纪世纪60年代年代）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弹性、塑性力学被引入，提出一些经典的解析计算公式弹性、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形成围岩与支护共同作用理论实验方法的完善实验方法的完善一系列岩石力学文献和专著的出版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岩体工程问题的解决形成了“连续介质理连续介质理论论”和和“地质力学理论地质力学理论”两大学派两大学派连续介质理论连续介质理论特点特点：

以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质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。

3030年代，萨文年代，萨文（P.H.（P.H.）采用无限大板孔应力集中的采用无限大板孔应力集中的弹性解弹性解分析分析围岩的应力分布；围岩的应力分布；5050年代，年代，弹塑性理论弹塑性理论应用于围岩稳定性研究；应用于围岩稳定性研究；R.FennerR.FennerJ.TalobreJ.Talobre公式和公式和H.KastnerH.Kastner公式；公式；应用应用流变理论流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析；对隧洞围岩的进行粘弹性分析；S.SertaS.Serta公式公式不足不足：

解析方法仅适合平面的圆形巷道，不能模拟开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。

地质力学理论地质力学理论特点特点：

，强调对岩体节理、裂隙的研究，重视岩，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。

体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。

2020年代，由德国人年代，由德国人H.CloosH.Cloos创立创立5151年，年，J.StiniJ.Stini和和L.ML.Mllerller创立了创立了“奥地利学派奥地利学派”：

在理论方面，在理论方面，指出指出工程围岩稳定性与原岩应力和开挖后岩体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，的力学强度变化密切相关，重视重视岩石工程施工过程中应力、岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，位移和稳定性状态的监测，重视重视支护与围岩的共同作用，支护与围岩的共同作用，特特别重视别重视利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性在施工方面，提出了在施工方面，提出了“新奥法新奥法”，符合现代岩石力学理论，符合现代岩石力学理论不足不足：

过分过分强调节理、裂隙的作用，强调节理、裂隙的作用，过分过分依赖经验，依赖经验，而而忽视忽视理论的指导作用理论的指导作用4.现代发展阶段（20世纪60年代现在）特点：

特点：

用更为复杂多样的用更为复杂多样的力学模型分析力学模型分析岩石力学问题；把物岩石力学问题；把物理学、力学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等理学、力学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等最新最新成果成果引入了岩石力学；引入了岩石力学；电子计算机的广泛应用电子计算机的广泛应用为流变学、断裂为流变学、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从从“材料材料”概念到概念到“不连续介质概念不连续介质概念”是现代岩石力是现代岩石力学的第一步突破；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；有限元、边界元、离散元、位移非连续法（有限元、边界元、离散元、位移非连续法（DDA）DDA）和流行法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，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、灰色理论灰色理论四、岩石力学中的几个基本概念四、岩石力学中的几个基本概念1.岩石岩石（Rock）定义：

岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿定义：

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，沉积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和变质岩，不同成因类型的岩石具有不同的物理具有不同的物理力学性质（自学、了解）力学性质（自学、了解）。

2.岩块岩块自然地质体的小块岩石称为岩块。

我们平时所称的岩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。

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、较均质的岩石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