岩石力学与土力学讲义

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1、绪论一、土力学与岩石力学的定义1．定义（1）土力学利用力学的一般原理，研究土的变形特性、强度特性、渗透性（应力、应变、强度、稳定性、渗透性）及其随时间变化规律的科学。（2）岩石力学研究岩石（岩块）和岩体力学性能的理论和应用学科，是探讨岩石（岩块）和岩体对其周围物理环境力场的反应的力学分支（美国岩石力学专业委员会定义，1964年提出，1974年修订）。2．研究对象（1）土力学土力学研究对象即包括未既包括常见土，也包括仅存在于局部地理环境的特殊土（红粘土、膨胀土、黄土、冻土等），其研究对象性质极为复杂。土力学的难点：在于土的性质的复杂性（生成历史、生成环

2、境等）。（2）岩石力学岩石力学研究对象包括岩块与岩体，“岩石”属于宽泛的概念。岩块=颗粒+胶结物质+孔隙（水）+微层理（节理、劈理）；岩体=岩块+弱面（层理，节理，断层）。岩石力学的难点（特殊性）：岩体与岩块的力学特性具有非常大的差异，岩体的力学特性主要受层理、节理、裂隙等弱面控制。而实际工程中面对的是岩体，因而单存针对岩块得到的研究结论无法真正解决实际工程问题。二、土力学与岩石力学的工程应用1．地基与基础工程地基与基础设计的目标在于：（1）保证地基土体或岩体满足强度条件，防止发生强度破坏；（2）保证地基土体满足变形条件，防止变形过大影响适用性。因此

3、，土力学与岩石力学的理论是建筑地基与基础设计的理论依据。2．岩土边坡稳定边坡工程在道路交通建设中最为常见。土力学与岩石力学的基本原理、基础理论是进行岩土边坡工程设计或治理的根本依据。例：国内露天矿边坡垂高最大已超过700米（太钢峨口铁矿720米）；新西兰某矿边坡垂高达到1000米。如此巨大的边坡在长达数十年甚至上百年的时间内保持稳定难度是很大的，这正是岩石力学研究所面临的问题。3．岩土地下工程岩石地下工程：大型地下军用（导弹发射井、地下油库、地下核设施、核废料储存仓）、民用、工业设施（大型矿山）；表土地下工程：城市地下交通（地铁）、城市地下人防工程、

4、地下停车场等。有人称“19世纪——桥的世纪；20世纪——高层建筑的世纪；21世纪——地下工程的世纪”，可见，地下工程具有良好的发展前景。地下岩土工程（尤其是城市地下工程）的建设面临着地下空间及支护结构优化设计、施工方案优化、施工技术改进、地表沉降控制等诸多问题。地下岩土工程问题的解决都必须以环境介质即岩土的工程力学性质特性为依据，必须依靠土力学与岩石力学的基础理论作为指导。三、土力学与岩石力学的发展历史1．土力学的发展历史第一阶段：土力学研究的早期（十八世纪到1925年）特点：土力学未成为真正独立的学科，但为解决实际的岩土工程问题，先后出现了许多至今

5、仍在应用的经典土力学理论：1773~1776，Coulomb抗剪强度理论及土压力理论；1856，砂土渗流的Darcy定律；1857，Rankine土压力理论；1885，Bousinesq解，为地基附加应力计算提供了理论依据；1922，Fellenius土坡稳定分析法；第二阶段：土力学研究的太沙基影响的时期（或古典土力学时期）(1925年至1956年)。1925年，Terzighy《土力学》专著的发表，标志着土力学作为独立学科出现。该阶段，太沙基还提出了著名的有效应力原理，单向固结理论等土力学基本原理，为土力学的创立作出了奠基性的贡献。第三阶段近代土力

6、学时期（1956年）标志：1956年，在美国召开了粘土抗剪强度学术会议。目前，电子计算机以及数值模拟计算技术的出现为土力学发展，尤其是岩土工程问题的解决提供了强大的技术手段。理论土力学、实验土力学、应用土力学、计算土力学相互促进，共同发展，正处于快速发展的阶段。1302．岩石力学的发展历史第一阶段岩石力学的萌芽阶段（十九世纪末到二十世纪初）代表性理论：Heim关于原岩应力的静水压力假设；金尼克原岩应力假设。第二阶段经验理论时期（二十世纪初到二十世纪30年代）代表性理论：普氏拱地压理论；太沙基地压理论；第三阶段经典理论时期（二十世纪三十年代到二十世纪6

7、0年代）力学的基本原理被引入岩石力学研究，形成连续介质理论与地质力学理论两大学派。奥地利岩石力学学派：以Salzburg为代表，主张岩体稳定性研究应将工程地质与岩体弱面的力学特性研究相结合。1951年，发起举行了以岩石力学为主的第一届国际岩石力学讨论会。1956年4月，美国Corolado矿业学院率先提出“岩石力学”名城。1962年，国际岩石力学学会成立。第四阶段现代发展时期（二十世纪60年代以后）特点：多学科知识的交叉引用以及先进的监测、实验技术手段及设备的采用，丰富研究手段，拓宽研究领域，使研究成果与工程联系更密切，可相互对比，相互促进，发展加快

8、。第1章土的性质及工程分类第1节土的生成本节要求：理解土的生成过程、风化作用及不同风化作用的特点。了解按搬运