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1、 岩 石 力 学 Rock Mechanics 教材及参考书 岩石力学徐志英主编，水利电力出版社 岩体力学沈明荣主编，同济大学出版 岩体力学王文星主编，中南大学出版社 岩石力学与工程蔡美峰主编，科学出版社 矿山岩体力学高磊主编，冶金工业出版社 岩 石 力 学 第1章 绪论 第2章 岩石的基本物理力学性质 第3章 结构面的力学性质 第4章 岩体的力学性质 第5章 岩体综合调查及岩体分类 第6章 岩体初始应力 第7章 岩石边坡 第8章 地下坑硐 岩 石 力 学 第一章 绪绪 论论 p一、岩石和岩体 p二、岩石力学的研究对象 p三、岩体的特征 p四、岩石力学的产生及其发展 p五、岩石力学需要解决的基
2、础理论问题 p六、岩石力学的研究方法 p七、岩石力学与其他学科的关系 一、岩石和岩体 岩石是地壳基本物质，它是由矿物或岩屑在地质 作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。岩石分为 岩浆岩、变质岩、沉积岩。岩石一般由多种矿物组成 。完整岩石被各种结构面切割而成的岩块，又称结构 体。 岩体是指一定工程范围内的自然地质体，经历漫 长的自然历史过程，经历各种地质作用，并在地应力 长期作用下，保留了永久变形和各种构造痕迹，如不 整合面、褶皱、断层、节理裂隙、层理等不连续面。 岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续 面。岩体强度远低于岩石强度。 岩石力学是研究岩石及岩体在不同受力状态下的变形 、破坏规律
3、 ，并在工程地质定性分析基础上定量分析岩 体稳定性的一门学科。 岩体力学研究的内容，大致可归纳为以下三个方面： 1，基本原理： 岩石破坏、断裂、蠕变及岩石内应力、应变理论等； 2，实验室试验和现场原位测试： 静力、动力方法，确定岩块、岩体的力学性状及岩体内 初始应力等； 3，工程应用：岩石地基的稳定和变形问题；岩石边坡稳定 性问题；地下洞室围岩稳定、变形、加固问 题；岩石破碎、岩石爆破等问题。 二、岩石力学的研究对象 1、岩体是非均质各向异性材料。 2、岩体内存在着初始应力场。 主要包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主 ，构造应力场通常是以水平应力为主。 3、岩体内存在着一个裂隙系统。
4、 岩体既是断裂的又是连续的，岩体是断裂与连续的统一 体，可称之为裂隙介质或准连续介质。当岩体应力超过其强 度时，就会使原有断裂进一步扩展，形成新的断裂。而旧断 裂的扩展与新断裂的形成，又均会导致岩体内的应力重新分 布。 岩体：非理想弹性体，非典型塑性体，非连续介质，非松散 介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的 困难性和复杂性。因此，只用一般的固体力学理论尚不能完 全解决岩体工程中的所有问题。 三、岩体的特征 岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩 石工程的建设和数学力学等学科的进步而逐步发展形 成的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践 很强的应用基础学科。它广泛应用于
5、采矿、土木建筑 、水利水电、铁道、公路、地质、地震、石油、地下 工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域 。一方面，岩体力学是上述工程领域的理论基础；另 一方面，正是上述工程领域的实践促使了岩体力学的 诞生和发展。 岩石力学按其发展进程可划分四个阶段： 四、岩石力学的产生及其发展 (1)初始阶段(19世纪末20世纪初) 岩石力学最早起源于采矿工程，在这个阶段，开 采规模小，巷道接近地表，开采空间不大，岩石力学 的问题主要是巷道顶板冒落和地下开采所引起的地表 沉陷。 这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解 决岩体开挖的力学计算问题。例如，1912年海姆(A Heim)提出了静水压力的理
6、论。他认为地下岩石处于一 种静水压力状态。 (2)经验理论阶段(20世纪初20世纪30年代) 该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个阶段 出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料 力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。松 散介质学派（例如普氏理论）占主导地位，他们借助 土力学理论解决岩石力学问题，提出巷道地压计算原 理和采场地压假说。 在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。 基于弹塑性理论、流变理论研究岩体的应力 应变关系 该阶段是岩石力学学科形成的重要阶段，岩石 力学以弹塑性理论为基础，将岩体视为弹塑性 介质，应用弹塑性力学方法来研究岩体的应力 、应变和位移，确定了一些经典计算公
7、式，形 成围岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体 力学性质的影响受到重视。在弹塑性分析的基 础上引入流变理论，将某些岩体视为带黏性的 介质，考虑时间因素对岩体应力、应变和位移 的影响。 (3)经典理论阶段(20世纪30年代60年代) 岩体力学已逐渐形成完整的科学体系，作为力学的一 个分枝，成为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。 用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩体力学问 题，把力学、物理学、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体力学。随信息计算发展，大 量复杂岩体力学问题通过数值计算得到有效解决。 20世纪70年代以后岩石力学发展比较迅速，岩体力学 测试技术不断完善，
8、应力解除法可测试深部岩体应力。刚 性压力机的出现，可测试应力应变全过程曲线，从而更 深刻的揭示了岩石的力学特性。 (4)现代发展阶段(20世纪60年代现在) 重要事件 p1925年泰沙基（Terzaghi）建筑土力学 p地质力学的岩石力学学派（奥地利学派（萨尔茨 堡学派）缪勒）否认小岩块试件的力 学试验。 p工程岩石力学学派，法国塔洛布尔（J.Talober） p1963年意大利瓦依昂水库岩坡滑动 p1966年在里斯召开第一届国际岩石力学大会（ 一届/4年 ） （1）岩体物理状态(如裂隙、风化性、透水性等)的研究； （2）建立适应岩石特点的强度理论； （3）测定岩体的基本力学参数（弹性模量、泊
9、松比、强度 等）； （4）岩体变形、破坏和移动规律的研究； （5）关于岩体稳定性的研究，特别是结构面对岩体稳定性 的影响； （6）岩体中应力状态的研究； 五、岩石力学需要解决以下基础理论问题 （7）围岩与支架相互作用的问题； （8）高应力状态下岩石特性的研究； （9）岩体的动力特性； （10）模拟试验理论(相似理论)的研究； （11）弹性波在岩体中传播的规律； （12）岩体的分类等等。 五、岩石力学需要解决以下基础理论问题 岩体力学的研究方法包括三方面：室内试 验、现场量测、理论分析与计算。 1、室内试验包括： （1）岩石的物理、水理性质、热学性质和力学 性质的测定； （2）不连续面的力学性质
10、测定； （3）模型试验，即光弹模型试验和相似材料模 型试验。 六、岩石力学的研究方法 2、现场量测包括： （1）岩体变形和强度参数测定； （2）岩体应力测定； （3）围岩对支护压力测定； （4）围岩应力、变形、移动和岩体破坏的监测 和预 报，包括支护结构的监测。 六、岩石力学的研究方法 3、理论分析与计算包括： （1）建立岩石、岩体的破坏机理和破坏准则； （2）岩石、岩体的变形特性研究，以及岩体强度 和变形参数的估算； （3）岩体工程稳定性分析与计算； （4）岩体变形破坏的控制。 六、岩石力学的研究方法 地质调查 工程地质分区 岩体结构划分 岩石岩体力学性质试验 岩体赋存条件分析 初始应力 结
11、构面几 何特征 介质的模型化 物理 数学 计算 经典解析法 数值计算法 正反 分析 分类确定岩体的质量等级 模拟试验 物理模拟 相似材料 经验判据 岩体工程设计 加固措施 施 工 长期监测 反馈分析 图1-1 岩石力学研究步骤的框图 1、岩石力学与材料力学、弹塑性力学和流变力学等有着 纵向联系。人们运用这些理论使岩体力学得到发展。 2、岩体工程的围岩赋存在一定的地质环境之中。因此， 岩石力学与工程地质学、构造地质学和地质力学有着 十分密切的联系。 3、岩石力学是为解决岩体工程中的力学问题服务的，这 些工程学科包括：采矿和其它地下空间工程、交通工 程、水电工程和基础工程等。因此，岩石力学是各种
12、岩体工程学科的专业理论基础。 七、岩石力学与其他学科的关系 我国岩石力学工作者面临的课题 p城市化：1989年城市人口不到20%，2000年为 35.7%，2010达45%，现在超过50%。为减少占用 地面土地，发展地下空间。 p人口密度：拥人极限2万/km2，而上海达4万/km2( 局部16万/km2)，北京达2.7万/km2。 p绿化指标：1990年全国城市绿化面积3.9m2/人，上 海0.9m2/人（国家要求2m2/人）。联合国建议： 40m2/人（莫斯科44m2/人；伦敦22.8m2/人；巴黎 25m2/人）。 p交通方面 ：北京道路面积4.4m2/人；东京11.3m2/人 ；伦敦21.3m2/人。
