岩石力学课程Chapter1

愿本课程带您进入岩石力学的世界岩石力学RockMechanics授课教师：何江达四川大学水利水电学院CollegeofHydraulic&HydroelectricEng.，SCU个人简介所属单位：岩土工程四川省重点实验室研究领域：水工、岩土工程、桥梁与隧道工程办公地点：水电大楼Ａ座207联系方式：02885407467（O）[e-mail]本课程的教学内容Contents第一章绪论第二章岩石的物理性状（性质）第三章岩石的强度第四章岩石的变形第五章岩体天然应力与洞室围岩的应力分布第六章山岩压力与围岩稳定性第七章岩基应力及稳定分析第八章岩坡稳定分析中间穿插专题讨论及教学录像推荐参考文献RecommendedReferences1.论著董学晟主编.水工岩石力学[M].中国水利水电出版社，20042.期刊：《InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences》《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》、《岩土工程学报》等国内外著名期刊3.充分利用网络资源Baidu、Google等搜索引擎；本节内容——Next岩石力学研究的对象及特点岩石力学研究的主要内容岩石力学的研究方法同时，我们将通过大型水电工程宣传片，使同学们对岩石力学与水电工程的关系有一个较为形象的认识。专题：汶川大地震与岩石力学第一章绪论Chapter1Introduction研究对象：岩石—对象—岩石材料—地壳中坚硬的部分研究方法：力学的观点、理论、方法研究目的：解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题综合：岩石力学就是用力学理论、观点和方法去研究岩石的力学行为及其工程应用的学科，又称为岩体力学。或者也可定义为：研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。1.1.1基本概念§1.1岩石力学研究的对象及特点研究对象：岩石—对象—岩石材料—地壳中坚硬的部分研究方法：力学的观点、理论、方法研究目的：解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题1.1.1基本概念§1.1岩石力学研究的对象及特点主要解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题，它是一门新兴的,与有关学科相互交叉的工程学科,需要断裂力学、岩土工程、工程地质、流体力学、地质学、工程地质学、弹性力学、土力学、材料力学等知识，并与这些学科相互渗透。a、既古老，又年轻1.1.2岩石力学的特点1）研究的广泛性古老：旧石器时期(岩石作为生产工具)，利用石器生活场所及宗教建筑等(洞穴、房屋、桥梁赵州桥、都江堰、埃及金字塔、巴比伦人的“空中花园”等)；§1.1岩石力学研究的对象及特点年轻：岩石力学是一门十分年轻的学科。第二次世界大战以后，土木工程建设规模不断扩大，高坝，深埋长隧道、大跨度高边墙地下建筑相继出现，对岩石力学理论和技术的需求日益迫切，岩石力学工作逐步发展起来。1.1.2岩石力学的特点§1.1岩石力学研究的对象及特点人类最早接触和最早使用的材料：旧、中、新石器时代的标志是人类使用岩土材料的水平；土与文化：几大古文明中人类起源的传说：不约而同地认为人是上帝（神）用土创造的；表土与人类文明：人类的几大古文明的发生与衰落;土地与农业：“普天之下，莫非王土”－权力与财富；朝代的更替；农民战争农业文明－土与水目前名川大河的中下游，土层深厚—形成农业、经济、文化、政治中心海洋文化：三角洲文明（交通与信息）岩土与哲学的天然联系。岩土与哲学的关系§1.1岩石力学研究的对象及特点§1.1岩石力学研究的对象及特点20世纪下半叶发生了3次震惊水利水电工程界的重大工程事故：法国Malpasset双曲拱坝溃坝；意大利Vajout双曲拱坝近坝库区左岸发生2.5亿m3的大滑坡；美国Teton土坝在岩基坝段溃决。大大促进了岩石力学的发展。§1.1岩石力学研究的对象及特点§1.1岩石力学研究的对象及特点1.1.2岩石力学的特点1）研究的广泛性水电——三峡、二滩、溪洛渡、锦屏、龙滩；（图示）铁道——长隧道、大型桥梁、边坡；公路——隧道、路堤等；冶金——矿山开采；建筑——大跨度地下商业中心，建筑物基础，城市地铁；b、跨行业§1.1岩石力学研究的对象及特点NEXT三峡水利枢纽工程三峡水利枢纽工程三峡水利枢纽工程§1.1岩石力学研究的对象及特点金沙江溪洛渡水电站金沙江溪洛渡水电站金沙江溪洛渡水电站§1.1岩石力学研究的对象及特点中国第二大水电站，坝高278m锦屏一级水电站§1.1岩石力学研究的对象及特点世界上最高的混凝土双曲拱坝，最大坝高305m锦屏一级水电站地下厂房(1)§1.1岩石力学研究的对象及特点锦屏一级水电站地下厂房(2)§1.1岩石力学研究的对象及特点锦屏二级水电站超长引水隧洞§1.1岩石力学研究的对象及特点锦屏二级水电站§1.1岩石力学研究的对象及特点锦屏水电站世界级高边坡工程§1.1岩石力学研究的对象及特点龙滩水电站§1.1岩石力学研究的对象及特点中国第三大水电站，三项世界之最——1、规模最大的地下厂房。厂房长３８８.５m，宽２８.５m，高７６.４m。2、最高的碾压混凝土大坝。最大坝高２１６.５m，坝顶长８３２m，坝体混凝土方量７３６万立方米。3、提升高度最高的升船机。全长１８００多m，最大提升高度１７９m。§1.1岩石力学研究的对象及特点伊泰普Itaipu大坝（巴西和巴拉圭）原世界第一，现世界第二大水电站！§1.1岩石力学研究的对象及特点美国胡佛大坝（HooverDam）美国大古力GrandCoulee电站Return1.1.2岩石力学的特点2）研究对象的复杂性a、组成岩石——地质体（单独的力学性质+耦合效应）；岩块、结构面→组合形成；块状结构、破碎结构、离散结构。RockandRockMassb、背景地质力学环境的复杂性（地应力、地下水、物理、化学作用等）§1.1岩石力学研究的对象及特点1.1.2岩石力学的特点3）工程应用性（实践性）非常强4）社会经济效益显著如：“七五”攻关期间，我校联合成勘院、清华大学联合开展“二滩坝基可利用岩体研究”，节约投资7000多万；获得了国家科技进步一等奖；§1.1岩石力学研究的对象及特点岩石力学是伴随工程的应用而发展起来的，没有实际的工程就没有岩石力学发展的社会需求，反过来，岩石力学理论的发展又进一步提高了工程的科技含量，促进了工程的安全性，经济型等§1.2岩石力学的基本内容基本理论材料实验工程应用研究内容岩石应力岩石强度岩石变形岩石渗流岩石动力学地面工程的岩石地基地表挖掘的岩石工程地下洞室岩石破碎、岩石爆破§1.2岩石力学的基本内容岩石应力岩石强度岩石变形岩石渗流岩石动力学岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等，以及相应的试验方法。抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则以及相应的试验方法。单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。渗透性（渗透系数确定）、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制（抽水、排水、灌浆帷幕以延长渗径）等。爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石力学特性、应力波在岩石内传播规律、地面振动与损害等。基本理论§1.2岩石力学的基本内容地上工程的岩石地基地表岩石工程地下洞室岩石破碎岩石爆破研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题；水库边坡、高坝岸坡、渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题地下电站、水工隧洞、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩稳定和变形，地下开挖施工以及围岩加固（如固结灌浆、锚喷、预应力锚固）问题将岩石破碎成各种所要求的规格，以作为建筑材料（建筑物面石、土坝护石、堆石坝和防波堤石料、混凝土骨料等）；定向爆破筑坝，巷道掘进和采矿等工程应用§1.2岩石力学的基本内容水电工程中的三大应用：基础（坝基、坝肩）工程边坡工程（天然、工程开挖）地下洞室（隧洞、厂房等）§1.3岩石力学的研究方法物理模拟→数学模型→理论分析→岩石物理力学性质常规实验，地质力学模型试验；如：有限元FEM、离散元DEM、边界元BEM等数值模拟分析；用新的力学分支，理论研究岩石力学问题(分形力学、神经网络、遗传算法、耦合分析等)；§1.3岩石力学的研究方法§1.3岩石力学的研究方法§1.3岩石力学的研究方法§1.4岩石力学研究及发展趋势1951年，在奥地利的萨尔茨堡组织了第一个地区性岩石力学协会。1962年，在该协会倡议下成立了国际岩石力学学会，并于1966～1983年间召开了五次国际岩石力学讨论会，对岩石力学的发展起了重要的推动作用。1958年，三峡岩基组成立并着手开始三峡坝区岩石力学的研究；1970年，万里长江第一坝——葛洲坝水电站修建时，成立的专门的岩石力学研究机构；………………1979年，中国（CRSM）加入国际岩石力学学会ISRM；——岩石力学研究及发展趋势§1.4岩石力学研究及发展趋势近年来，随着大量水电、矿山、交通、国防等工程的修建，从事岩石力学研究的科技人员大幅增加，大大促进了岩石力学学科的发展，我国岩石力学工作者在世界岩石力学领域也逐渐占有一席之地，如中科院武汉岩土所的冯夏庭教授，目前已当选为下届国际岩石力学学会主席，水科院贾金生教授也当选为国际大坝委员会主席等等。§1.4岩石力学研究及发展趋势一、应用岩石力学——环境安全和控制二、力学现象与温度、水力和化学现象的耦合三、岩石动力学和技术四、野外实验和测量与监测五、国际及国内岩石力学的发展趋势——现代岩石力学研究热点及发展趋势§1.4岩石力学研究及发展趋势一、应用岩石力学——环境安全和控制1、环境保护（环境岩土工程）2、存贮和弃置（核废料的深埋处置问题）§1.4岩石力学研究及发展趋势一、应用岩石力学——环境安全和控制3、天然岩质边坡的稳定性岩体表面开挖§1.4岩石力学研究及发展趋势一、应用岩石力学——环境安全和控制4、隧道工程§1.4岩石力学研究及发展趋势一、应用岩石力学——环境安全和控制5、采矿工程§1.4岩石力学研究及发展趋势一、应用岩石力学——环境安全和控制6、地下洞室§1.4岩石力学研究及发展趋势一、应用岩石力学——环境安全和控制7、石油工程8、岩基工程§1.4岩石力学研究及发展趋势二、力学现象与温度、水力和化学现象的耦合1、室内实验——压缩2、室内实验——抗剪§1.4岩石力学研究及发展趋势二、力学现象与温度、水力和化学现象的耦合3、岩体水力特性与力学耦合现象的实验§1.4岩石力学研究及发展趋势二、力学现象与温度、水力和化学现象的耦合4、岩体行为模拟5、其它§1.4岩石力学研究及发展趋势三、岩石动力学和抗震技术1、天然地震和诱发地震2、岩爆§1.4岩石力学研究及发展趋势三、岩石动力学和技术3、地应力4、岩石爆破§1.4岩石力学研究及发展趋势三、岩石动力学和技术5、岩石切割和钻孔6、岩石爆破§1.4岩石力学研究及发展趋势四、野外实验和测量与监测1、实验技术§1.4岩石力学研究及发展趋势四、野外实验和测量与监测2、岩石和岩体性质的测定§1.4岩石力学研究及发展趋势3、监测、长期测量和风险评价4、岩石锚固效果监测四、野外实验和测量与监测§1.4岩石力学研究及发展趋势五、国际及国内岩石力学的发展趋势岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题裂隙岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题软岩的力学特性及其岩体力学问题水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题高地应力岩体力学问题岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术岩体动力学、水力学与热力学问题岩体流变与长期强度问题岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。