岩石力学课本

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1、 8 第一章 绪 论 第一节岩体力学与工程实践 岩体力学(rockmass mechanics)是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及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。 岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。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、大型发电厂及大型钢铁厂 等)以及地震地质学、 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：为 各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研

2、究工程活动引起的岩体重分布应力以及 在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。 为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学 特性。为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形 与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。 以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。本书 主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。 在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的

3、原则。以露天采 矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓， 又会加大其剥采量，增加其采矿成本。然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过 准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。其中，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，是工程岩体力学研究的根 本目的和任务。 岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人 们多凭经验来解决工程中遇到的岩体力学问题。因此，岩体力学的形成和发展

4、要比土力学晚得 多。随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。诸如高坝坝基 岩体及拱坝拱座岩体的变形和稳定性；大型露天采坑边坡、库岸边坡及船闸、溢洪道等边坡的 稳定性；地下洞室围岩变形及地表塌陷；高层建筑、重型厂房和核电站等地基岩体的变形和稳 定性；以及岩体性质的改善与加固技术等等。对这些问题能否做出正确的分析和评价，将会对 工程建设和生产的安全性与经济性产生显著的影响，甚至带来严重的后果。 在人类工程活动的历史中，由于岩体变形和失稳酿成事故的例子是很多的。例如，1928 年美国 圣弗朗西斯重力坝失事，是由于坝基软弱，岩层崩解，遭受冲刷和滑动引起的；1959 年法国 9

5、 马尔帕塞薄拱坝溃决， 则是由于过高的水压力使坝基岩体沿着一个倾斜的软弱结构面滑动所致； 1963 年意大利瓦依昂水库左岸的大滑坡， 更是举世震惊,2.510 8m3的滑动岩体以 28ms的速度 下滑，激起 250m高的巨大涌浪，溢过坝顶冲向下游，造成 2 500 多人丧生。类似的例子在国内 也不少，例如，1961 年湖南拓溪水电站近坝库岸发生的滑坡；1980 年湖北远安盐池河磷矿的山 崩，是由于采矿引起岩体变形，使上部岩体中顺坡向节理被拉开，约 110 6m3的岩体急速崩落， 摧毁了矿务局和坑口全部建筑物，死亡 280 人。又如盘古山钨矿一次大规模的地压活动引起的 塌方就埋掉价值约 200

6、万元的生产设备，并造成停产三年。再如，解放前湖南锡矿山北区洪记 矿井大陷落，一次就使 200 多名矿工丧失了生命，等等。以上重大事故的出现，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不足引起的。与此相反，假如对 工程岩体的变形和稳定问题估计得过分严重，或者由于研究人员心中无数，不得不从“安全” 角度出发，在工程设计中采用过大的安全系数，致使工程投资大大增加，工期延长，造成不应 有的浪费。 今天，由于矿产资源勘探开采、能源开发及地球动力学研究等的需要，工程规模越来越大， 所涉及的岩体力学问题也越来越复杂。这对岩体力学提出了更高的要求。例如，在水电建设中， 大坝高度达 3

7、35m(前苏联的 Rogun 坝)；地下厂房边墙高达 6070m，跨度已超过 30m；露天采 矿边坡高度可达 300500m，最高可达 1 000m(新西兰)；地下采矿深度已超过 1 000m 以上。另 外，当前世界上正在建设或已经建成的一些超巨型工程，如中国的三峡水电站(装机容量达 17680MW，列世界第一)，英吉利海峡隧道(长 50km)和日本的青函跨海隧道(长 53.85km)等。这 些都使岩体力学面临许多前所未有的问题和挑战，急需要发展和提高岩体力学理论和方法的研 究水平，以适应工程实践的需要。 第二节岩体力学的研究内容和研究方法 如前所述，岩体力学服务的对象非常广泛，它涉及到国民经

8、济的许多领域(如水利水电、采 矿、能源开发、交通、国防和工业与民用建筑等)及地学基础理论研究领域(如地球动力学、构 造地质学等)。不同的服务对象，对岩体力学的要求不尽相同，其研究的内容也不同。例如， 重力坝和拱坝，对坝基和拱座岩体不均匀变形和水平位移限制比较严格；而路堑边坡、露天矿 坑边坡等岩体边坡，在保证岩体不致产生滑动失稳的条件下，往往允许发生一定的变形；许多 国防工程对岩体动态性能研究要求比较高； 而非地震区的一般工程， 却常常只需要研究岩体的 静态性能等。 岩体力学的研究对象，不是一般的人工材料，而是在天然地质作用下形成的地质体。由于 岩体中具有天然应力、地下水等，并发育有各种结构面，

9、所以它不仅具有弹性、脆性、塑性和 流变性，而且还具有非线弹性、非连续性，以及非均质和各向异性等特征。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。 一、研究内容 由于岩体力学服务对象的广泛性和研究对象的复杂性，决定了岩体力学研究的内容也必然 10 是广泛而复杂的。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。岩块与岩体的许多性质，都是在其形成的地质历史过程中 形成的。因此，岩块与岩体地质特征的研究是岩体力学分析的基础。主要包括：岩石的物质 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征

10、；岩 体工程分类。 (2)岩石的物理、水理与热学性质的研究。 (3)岩块的基本力学性质的研究。 为了全面了解岩体的力学性质， 或者在岩体力学性质接近 于岩块力学性质的条件下，可通过岩块力学性质的研究，减少或替代原位岩体力学试验研究。 内容包括：岩块在各种力作用下的变形和强度特征以及力学参数的室内实验技术；荷载条 件、时间等对岩块变形和强度的影响；岩块的变形破坏机理及其破坏判据。 (4)结构面力学性质的研究。结构面力学性质是岩体力学最重要的研究内容。内容包括： 结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形特征及其参数确定；结构面剪切强度特征及其测 试技术与方法。 (5)岩体力学性质的研究。岩体力学性质

11、是岩体力学最基本的研究内容。内容包括：岩体 的变形与强度特征及其原位测试技术与方法；岩体力学参数的弱化处理与经验估算；荷载 条件、时间等因素对岩体变形与强度的影响；岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力 学特征。 (6)岩体中天然应力分布规律及其量测的理论与方法的研究。 (7)边坡岩体、 地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究。 这是岩体力学实际应用 方面的研究，内容包括：各类工程岩体中重分布应力的大小与分布特征；各类工程岩体在 重分布应力作用下的变形破坏特征；各类工程岩体的稳定性分析与评价等。 (8)岩体性质的改善与加固技术的研究，包括岩体性质、结构的改善与加固，地质环境(地 下水、

12、地应力等)的改良等。 (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、 模拟试验及原位监测技术的研究。 模型模拟试验包括数值模型模拟、 物理模型模拟和离心模型模拟试验等，这是解决岩体力学理论和实际问题的一种重要手段。而 原位监测既可以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否，同时也可及时地发现问题。 以上 10 个方面是岩体力学所要研究的基本内容。 由于课时限制， 本课程仅讨论前七个方面 内容的基本原理与方法，其余方面的内容可参考有关文献。 二、研究方法 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。 目的是研究岩块和

13、岩体的地质与结构特征， 为岩体力学的进一步研究 提供地质模型和地质资料。如用岩矿鉴定方法，了解岩体的岩石类型、矿物组成及结构构造特 征；用地层学方法、构造地质学方法及工程勘察方法等，了解岩体的成因、空间分布及岩体中 各种结构面的发育情况等；用水文地质学方法了解赋存于岩体中地下水的形成与运移规律，等 等。 (2)试验法。科学试验是岩体力学研究中一种非常重要的方法，是岩体力学发展的基础。包 11 括岩块力学性质的室内实验、岩体力学性质的原位试验、天然应力量测、模型模拟试验及原位 岩体监测等方面。 其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。 同时， 还可以用某些试验成果(如模拟试

14、验及原位监测成果等)直接评价岩体的变形和稳定性，以及探 讨某些岩体力学理论问题。因此应当高度重视并大力开展岩体力学试验研究。 (3)数学力学分析法。 数学力学分析是岩体力学研究中的一个重要环节。 它是通过建立岩体 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，为设计和施工 提供定量依据。 其中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。 目前常用的力学模型有：刚体力学模型、弹性及弹塑性力学模型、断裂力学模型和损伤力学模 型及流变模型等等。常用的分析方法有：块体极限平衡法，有限元、边界元和离散元法，模糊 聚类和概率分析法等等。近年来，随着科学技术的发

15、展，还出现了用系统论、信息论、人工智 能专家系统、灰色系统等新方法来解决岩体力学问题。 (4)综合分析法。 这是岩体力学研究中极其重要的一套工作方法。 由于岩体力学工作中每一 环节都是多因素的，且信息量大。因此，必须采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的 及施工的等)进行综合分析和综合评价， 才能得出符合实际情况的正确结论， 而综合分析判断是 该阶段常用的方法。 以上几种方法紧密结合并且相互促进，相辅相成，缺一不可。 第三节 岩体力学发展的概况与动态 岩体力学是在岩石力学的基础上发展起来的一门新兴学科，因此，目前国际上仍沿用岩石 力学(rock mechanics)这一名词。如岩体力学的

16、国际组织叫国际岩石力学学会(The International Society for Rock Mechanics，简称 ISRM)，我国的国家组织相应地也叫中国 岩石力学与工程学会(Chinese Socitey for Rock Mechanics and Engineering，简称 CSRME)。 但是从所研究的内容上讲，它实际上已属于岩体力学的范畴了，因此通常意义上的岩石力学就 是岩体力学。 岩体力学的形成与发展历史是从岩石力学的兴起开始的。尽管岩石力学的诞生之日难以考 查，但一般认为，岩体力学形成于 20 世纪 50 年代末，其主要标志：是 1957 年法国的塔罗勃 (JTalobre)所著岩石力学的出版，以及 1962 年国际岩石力学学会(ISRM)的成立。岩体力 学作为一门独立的学科至今才 40 余年的历史，这是很短暂的，但其形成的历史是漫长的，这与 当时的生产力水平低，工程建设数量少、规模小有关。对于岩体力学的形成历史，在此不拟详 细介绍，这里仅就其形成以后的发展过程与特点作一简要介绍。以使读者了解