高等岩石力学-绪论

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1、高等岩石力学AdvancedRockMechanics黄强兵E-mail:hqb_1021@sina.com长安大学地质工程系西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室绪论岩石力学与工程实践岩石力学的发展历史岩石力学的研究方法岩石力学研究的主要问题岩石力学发展前景展望一、岩石力学与工程实践岩石力学的定义：1.岩石力学：是一门近代发展起来的新兴学科，是一门应用性的基础学科。其理论基础涉及固体力学、流体力学、计算数学、结构力学、弹塑性理论、工程地质和地球物理学等学科。2.岩石力学：是以地质学为基础，运用力学和物理学的

2、原理，确定岩石在外力作用下的物理力学性状的理论和应用的一门学科。3.陈宗基定义：“岩石力学是确定掩饰过去的历史、现在的状况、将来的行为的一门应用性很强的学科”。过去的历史--岩石的地质成因和演变，包括地应力场的变化。现在的状况--工程建造前和建造过程中对岩石性状改造前后认识。将来的行为--预测工程建成后可能发生的变化，以便确定预防或加固措施4.美国地质协会岩石力学委员会定义：“岩石力学是关于岩石的力学状态理论和应用的科学，它是当岩石性态对物理环境的力场反应有关的力学分支”。岩石力学应用范围：采矿、土木建筑、水利水电、铁

3、路、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等领域。岩石力学的历史可追溯到几千年前，古代有我国的万里长城，古埃及金字塔。现代有我国的三峡大坝（185m），秦岭超长隧道（18km）等。重大工程事故的出现，使人们开始重视岩石力学的研究：1）1959年12月2日法国的67m高的Malpasset薄拱坝溃坝。380人死亡，百余人失踪。2）1963年10月9日意大利265m高的Vajont坝的大滑坡及上游的托克山左岸大规模滑坡，2500人死亡，但大坝未破坏。二、岩石力学的发展历史岩石力学是随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建

4、设和数学、力学等学科的进步而逐步形成的，大致形成与20世纪50年代末，至今已有60年的历史。形成的标志：•1957年，法国的塔罗勃（J.Talober）的《岩石力学》出版•1962年，ISRM的成立（theinternationalsocietyforRockMechanics）按其发展进程大致可分为四个阶段：1.初始阶段（19世纪末--20世纪初）1912年瑞士地质学家海姆（A.Heim）提出的静水压力理论：σ=σ=γhhv朗金（w.J.M.RanKine）和金尼克也提出了相似的理论，认为：0φσv=rh,σh

5、=λ=λrh,λ=tg45−22.经验理论阶段（20世纪初～20世纪30年代）材料力学和结构力学方法的运用，经验的地质理论为：①“普氏”理论（普罗托吉雅柯诺夫）——自然平衡拱学说a.假设：岩体为无内聚力的散体，c=0，形成压力拱。塌落拱为抛物线形b.适用条件：散体结构的岩体，如强风化破碎岩体，以及松动岩体，新堆积的土体等。②太沙基（K.Terzahi）理论a.假设：岩体为散体，但具有一定的内聚力（c≠0）τ=σtgφ+cb.适用条件：深、浅埋洞室3.经典理论阶段（20世纪30年代～20世纪60年代）弹性力学和塑性

6、力学引入岩体力学，确定了一些经典计算公式，形成了围岩与支护共同作用的理论，结构面也被受重视。两大理论学派：“连续介质理论”和“地质力学理论”(1)连续介质理论：以固体力学为基础，从材料力学性质去认识岩体工程的稳定性问题，抓住了岩体工程计算的本质性问题。以法国的J.Tabobre为代表。如萨文用无限大平板孔附近应力集中的解析解分析岩石工程围岩应力重分布，利用弹塑性理论确定围岩稳定问题的劳纳—塔罗勃公式等。但是这些只适用于圆形洞室，对普遍开挖的无能为力，没有现成的弹性或塑性解析解的应用。结构连续介质理论的缺点：①忽视了地应

7、力的作用②忽视了开挖的概念和施工因素的影响。采用固体力学或结构力学的外边界加载方式，往往得出的原理开挖体处的位移大，而开挖体内的边缘位移小，结构显然是不正确的。③过分注意对岩石材料的研究，追求“本构关系”的建立。岩石工程存在不确定性，如结构、性质、节理、裂隙分布、工程地质条件等。(2)地质力学理论：注重研究地质结构和力学性质与岩石工程稳定性的关系，是20世纪20年代，德国的克罗斯（H.Cloos）创立起来的。主张：反对简单的用固体力学原理对岩石力学特性分析；强调重视对岩体的节理、裂隙的研究，结构面对岩石工程稳定性的影响和

8、控制作用。主张现场原位测试。1951年6月奥地利学者斯蒂尼（J.Stini）、米勒（L.Muler）奥地利学派—“新奥法”：①施工开挖尽可能保护岩体的强度，充分发挥其自身承载力；②喷锚支护的目的在于使围岩形成承载圈；③根据现场变形和应力监测，选择最佳支护时间和支护刚度等；④全断面掘进，避免洞室断面形状出现楞度引起应