蔡美峰教授岩石力学讲稿.doc

1、2009-2010 学年硕士学位研究生课程岩 石 力 学ROCK MECHANICS教学大纲第一章 概论1.1 岩石力学的基本概念什么是岩石力学？传统的概念和理论美国科学院岩石力学委员会定义岩石力学固体力学和其他力学学科的本质区别岩石力学的重新定义1.2 岩石力学的应用岩石力学服务于哪些工程领域采矿工程水利水电工程隧道和公路建设工程土木建筑工程石油工程海洋勘探与开发工程核电站建设与核废料处理工程地热开发工程地震监测与预报工程1.3 岩石力学与工程研究的特点力学荷载条件的特殊性和多因素性研究对象的复杂性和不确定性研究内容的广泛性和工程实用性研究方法的多样性、系统性和综合性第二章 岩石的物理力学性

2、质2.1 岩石的物理性质孔隙度密度，容重渗透性声波速度（在岩石中的传播速度）2.2 岩石力学性质的试验和研究非限制性压缩强度试验点荷载强度试验三轴压缩强度试验拉伸强度试验剪切强度试验全应力应变曲线及破坏后强度试验第三章 岩石与岩体分类3.1 按地质组成分类具有结晶组织的岩石具有碎屑组织的岩石非常细颗粒的岩石有机岩石3.2 按力学效应分类均质连续体弱面体散体3.3 按岩体结构分类完整块状结构层状结构碎裂结构散体结构3.4 CSIR 岩体质量分级 CSIR 岩体质量分级指标体系RMR 岩体质量评分标准3.5 NG1 隧道岩体质量分级NG1 岩体质量分级指标体系Q 岩体质量评分标准第四章 岩石强度理

3、论（破坏准则）4.1 莫尔库仑破坏准则4.2 经验破坏准则4.3 格里菲斯破坏准则4.4 各向异性岩体的破坏第五章 岩石流变理论5.1 岩石流变的基本概念5.2 流变模型三个流变元件模型圣维南(St. Venant) 体马克斯威尔 Maxwell 体开尔文（Kelvin）体广义开尔文（Modified Kelvin）体饱依丁汤姆逊体（Poyting-Thomson）理想粘塑性体（Ideal viscous-plastic material）宾汉姆（Bingham）体伯格模型（Burger）体【参考书目】：1. 蔡美峰主编，何满潮、刘东燕副主编：岩石力学与工程 ，科学出版社，2002 年2. 于

4、学馥：信息时代岩土力学与采矿设计初步 ，科学出版社，2002 年3. 蔡美峰：金属矿山采矿设计优化与地压控制理论与实践，科学出版社，2001 年4 J. A. Hudson, J. P. Harrison: 工程岩石力学（中译本） ，科学出版社，2009 年5. R.E. Goodman: Introduction to Rock Mechanics, New York: John Wiley and Sons, 19806. B.H.G. Brady and E.T.Brown: Rock Mechanics for Underground Mining, London, 1985第一章 概

5、论1.1 岩石力学的基本概念什么是岩石力学？岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。岩石力学是随着采矿和岩土工程的不断发展而成长起来的，它是使采矿和岩土工程从 skill technology 上升到 science，从经验类比设计上升到科学定量计算、优化设计的有力工具。传统概念和理论：采矿和岩石工程中的数学力学理论就是岩石力学岩石力学起始（萌芽）于 19 世纪末、20 年代初，产生了一些初步的简单的理论，以解决岩体开挖的力学计算问题。静水压力的理论海姆（A.Heim,1912）：地下岩石处于一种静水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平

6、压力相等，均等于单位面积上覆岩层的重量，即 =H。朗金(W.J.M.Rankine) ： 。2tan()4H金尼克（.）： 。1v塌落拱理论根据生产经验提出的地压理论（地压理论是岩石力学理论的一个组成部分）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。普氏理论（. ，1926 ）：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。普氏理论也称为自然平衡拱学说。 （附图 1）太沙基（K.Terzahi）：认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。塌落拱理论是相应于当时的支护型式和施工水平提出来。事实上，围岩的坍塌并不是围岩压力的唯一来源。围

7、岩和支护并不完全是荷载和结构的关系，围岩和支护应形成一个共同承载系统。维持岩石工程稳定性最根本的是要发挥围岩自身的承载作用（现代岩石力学的精髓之一，玲珑金矿主运巷塌方加固治理工程是具有开拓性的示范工程） 。固体力学理论弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，从材料的基本力学性质出发来认识岩石工程的稳定问题，确立了一些经典计算公式，这是认识方法上的重要进展，为简单岩石工程的力学计算和分析迈出了新的一步。萨文（. . ）：孔附近的应力集中 （弹性力学的基本理论公式，理想弹性体） 。卡斯特纳（H.Kastner）方程：轴对称圆巷，均匀应力场，理想弹塑性体，根据塑性区确定支护设计（附图 1-1） 。鲁滨湟特

8、（. . ）方程：一般圆巷，弹塑性分析。塞拉塔（S.Serata ）方程：用流变模型进行隧洞围岩的粘弹性分析。早期的固体力学理论是连续介质理论，忽视了对岩体非连续性本质和对地应力作用的正确认识，忽视了开挖的概念和施工因素的影响，因而做出的计算和分析结果往往脱离工程实际；太多的假设、太多的理想化，导致计算和分析结果缺少实际应用意义。同时，早期的固体力学计算方法只适用于圆形（椭圆形）巷道等个别情况，而对普通的岩石开挖工程无能为力，因为没有现成的弹性或弹塑性理论解析解（closed form solution）可供应用。现代计算机和数值分析技术的发展为岩石力学的定量计算和分析创造了条件。地质力学理论

9、20 世纪 20 年代由法国人克罗斯（H.Cloos）创立。著名代表奥地利学派（阿尔卑斯山隧道工程） 。强调要重视对岩体节理、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。同时重视岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，提出了著名的“新奥法”（NATM，New Austrain Tunnelling Method） ，这是现代岩石力学和岩石工程信息设计和施工的雏形。1962 年，国际岩石力学学会的成立，标志着岩石力学已经成为一门真正的学科。代表人物 L.Muller 为国际岩石力学学会第一任主席。该理论的缺陷是过分强调节理、裂隙的作用，过分依赖经验,而忽视理论的指导作用。

10、完全反对把岩体作为连续介质看待，也是不正确的和有害的。美国科学院岩石力学委员会定义（1966 年）：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。缺点：从“材料“的概念出发的，带有材料力学或固体力学的深深烙印。岩石力学与固体力学和其他力学学科的本质区别不能把“岩石“看成固体力学中的一种材料,所有岩石工程中的“ 岩石 “是一种天然地质体，或者叫做岩体，它具有复杂的地质结构和赋存条件，是一种典型的“不连续介质“ 。 （附图 2）岩体中存在地应力，它是由于地质构造和重力作用等形成的内应力。由于岩石工程的开挖引起地应力的释放，正是这种“释

11、放荷载“才是引起岩石工程变形和破坏的作用力。岩石力学的研究思路和研究方法与以研究“外载荷作用”为特征的固体力学、弹性力学、弹塑性力学、材料力学、结构力学等有本质的不同。 （附图 3）采矿和岩土工程是多步骤的多次开挖过程，其力学行为和工程稳定性与施工因素密切相关。必须把岩石工程看成是一个“人地”系统，用系统论的方法来进行岩石力学与工程的研究。岩石力学重新定义：岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。根据这一定义，岩石力学既不能完全套用传统的固体力学连续介质理论，也不能完全依靠以节理、裂隙和结构面分析为特征的传统地质力学理论，而必须把岩石工程看成是一个“人地”系统，用系统论的方

12、法来进行岩石力学与工程的研究。用系统概念来表征“岩体” ，可使岩体的“复杂性”得到全面的科学的表述。从系统来讲，岩体的组成、结构、性能、赋存状态及边界条件是构成其力学行为和工程功能的基础，岩石力学研究的目的是认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能。1.2 岩石力学的应用岩石力学服务于那些工程领域？岩石力学服务于一切与岩石工程相关的工程领域，这些工程领域对国民经济的发展，国家的安全和人民的生活均有至关重要的影响和作用。一方面，岩石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石力学的诞生和发展。采矿工程露天矿边坡设计及稳定加固技术；（附图 4）地下矿开采设计优化；（附图 5）井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题（附图 6） ，特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题；深部开采动力灾害评价，预测及防治；（附图 7）矿井突水预测、预报及预处理理论和技术；煤与瓦斯突出预测及预处理理论和技术；采空区处理及地面沉降问题；采 矿工 程水 利水 电工 程土 木工 程铁 道工 程公 路工 程地 下工 程核 废料 储存地 震预 报军 事工 程海 洋工 程石 油工 程岩 石力 学