岩体力学课程大纲

1节理岩体力学(工程地质专业硕士研究生课程大纲)I.讲授大纲1.目的通过课程学习，使学生牢固掌握节理岩体的地质特征与力学特征，掌握节理的变形特征、抗剪强度及对岩体应力状态的影响，掌握不连续岩体的变形、强度的分析研究方法，了解岩体工程问题系统分析程序。2.主要内容岩体力学研究的对象、内容、方法岩石的变形特征与机理，岩石强度理论节理的地质特征、描述、力学特征、节理网络模拟技术节理岩体的变形与强度节理岩体的分析方法----------3.教学计划讲授22，自学36(其中上机10)，读书报告讨论4，机动6共684.教学章节及主要参考文献第一章岩体力学的概念内容：1.岩体、岩体力学、岩体工程2.岩体力学的过去、现状与发展参考：1.王继光：岩体问题概论，西南交大版，1984，绪论、第1章2.周维垣：高等岩石力学，水利版，1991，绪论3.李铁汉等：岩体力学，地质版，1979，绪论4.Muller：岩石力学，煤炭版5.谷德振：岩体工程地质力学基础，科学版，1979，绪论6.Hoek等：岩石边坡工程，冶金版，第1章7.Brady等：地下采矿岩石力学，煤炭版，1990，第1章8.于学馥：岩石力学新概念与开挖结构优化设计，科学版，1994方式：讲授3+自学3第二章岩石的变形、强度与强度理论内容：1.材料的变形2.岩石的强度变形特征，强度理论参考：1.肖树芳等：岩体力学，地质版，第1章，第3章2.Vutukuri等：岩石力学性质手册(第1册)，水利版，1981方式：讲授3+自学9第三章节理地质力学特征、节理网络模拟技术内容：1.节理地质特征的定量描述2.节理的抗剪强度23.节理网络模拟技术参考：1.ISRM：岩石力学实验建议方法(上)，煤炭版2.肖树芳等：岩体力学，地质版，第2章3.Vutukuri等：岩石力学性质手册(第4册)，p.2--194.周维垣：高等岩石力学，水利版，1991，p.29--355.S.C.Bandis：FundamentalofRockJointDeformation，6.潘别桐：岩体结构面网络模拟及应用，p.1—387.陈剑平：随机不连续面三维网络计算机模拟原理，东北师范大学出版社方式：讲授3+自学9(其中上机6)第四章节理岩体的变形与强度内容：1.节理对岩体应力状态的影响2.节理岩体的变形3.节理岩体的强度参考：著作1.铃木光：岩体力学与测定，p.228--2392.张清：岩石力学基础，铁道版，p.157--1643.Yashiraka：JointStiffnessandthedeformationBehaviourofDiscontinuousRock，p.23--274.鲜学福等：层状岩体破坏机理，p.63--865.Hoek：StrenthofJointedrockmasses，p187--2126.肖树芳等：岩体力学，地质版，第2章7.Hoek等：岩石边坡工程，冶金版，第5章近期论文1．刘新荣,姜德义,鲜学福,任松：单节理岩体在真三轴压缩状态下强度特性的分析，力学与实践，2000年02期2．李建林,孙志宏：节理岩体压剪断裂及其强度研究，岩石力学与工程学报，2000年04期3．周建民,许宏发,杨红禹：岩体节理法向变形的数学模型分析，岩石力学与工程学报，2000年S1期4．朱凡,严春风,朱可善：岩体经验强度准则参数的反分析研究，重庆建筑大学学报，2000年S1期5．白明洲,王连俊,许兆义：工程岩体抗剪强度参数的数值分析及应用，北方交通大学学报，2001年04期6．陆晓敏,任青文：基于有限元与块体元法的地下洞室变形及稳定分析，工程力学，2001年04期7．何江达,张建海,范景伟：霍克-布朗强度准则中m,s参数的断裂分析，岩石力学与工程学报，2001年04期8．吴继敏,A.Mabtab,XuShulin：岩体节理抗剪强度的巴顿方程评价(英文)，工程地质学报，2001年04期9．李铁锋,潘懋,刘瑞珣：基岩斜坡变形与破坏的岩体结构模式分析，北京大学学报(自然科学版)，2002年02期10．杜景灿,汪小刚,陈祖煜：结构面倾角对节理岩体的连通特性和综合抗剪强度的影3响，水利学报，2002年05期11．昝月稳,俞茂宏,王思敬：岩石的非线性统一强度准则，岩石力学与工程学报，2002年10期12．伍佑伦,王平,钱锋：数值方法中岩体力学参数的选择，武钢技术，2002年04期13．王亮清,唐辉明,张宜虎：岩体质量及变形模量确定方法的研究，化工矿物与加工，2003年08期14．任伟中,王庚荪,白世伟,丰定祥,陈锦清,贾中和：共面闭合断续节理岩体的直剪强度研究，岩石力学与工程学报，2003年10期15．王毅,聂德新,张景科,雷启云：岩体裂隙化程度与岩体变形参数的关系研究，岩石力学与工程学报，2003年S2期方式：讲授3+自学6(读书报告)第五章节理岩体的分析方法内容：1.赤平投影，极限平衡解析，离散元，FLAC法2.模型试验参考：1.Hoek等：岩石边坡工程，冶金版，第7，8，10章，附录1，22.王泳嘉：离散单元法及其在岩土工程中的应用，东工大版3孙广忠：岩体结构力学，科学出版社4.徐挺：相似理论与模型试验，中国农业机械出版社方式：讲授3+自学9(其中上机6)第六章岩体工程理论与实践内容：1.岩体工程分析系统2.岩体加固方法参考：1.Hoek等：岩石边坡工程，冶金版，第1，4章2.Brady等：地下采矿岩石力学，煤炭版，1990，第9，18章3.姚宝魁等：地面岩体处理及加固研究的新进展，科技版，p.1—134.赵明阶等：边坡工程处治技术，交通版，第6，9章方式：讲授34II.阅读指导第一章岩体力学的概念一、岩体、岩体力学、岩体工程1.岩体（1）岩体的定义岩体最简单的定义就是岩体=块体+裂隙岩体的尺度决定“块体”和“裂隙”的尺度，更直接决定着在具体论述一个研究对象中，“块体”和“裂隙”是什么。在宏观尺度上，如果以断层、不整合面、层理等不连续面作为“裂隙”，则“块体”就是这些“裂隙”切割包围的部分。如果以节理、卸荷列席等不连续面作为“裂隙”，则“块体”就是这些“裂隙”切割包围的部分。通常，工程上研究的岩体就是这一尺度。在细观尺度上，“裂隙”主要是矿物颗粒的边缘、微构造、微裂隙，则“块体”主要是矿物颗粒。细观尺度的研究，是岩体力学理论研究的主要尺度。在微观尺度上，“裂隙”主要是矿物晶格界面，则“块体”主要是原子。一般，微观尺度的研究已失去工程意义。（2）岩体的力学介质特征从力学介质的角度讲，岩体具有不连续性、非均质性、各向异性。简称岩体的“三性”。（3）裂隙的特征及其意义裂隙最基本的特征是它造成了岩体物质的不连续。由于裂隙的发育，使岩体在经受荷载作用时，表现出与人工材料极为不同的特征。如果裂隙在岩体中是贯通的，岩体的变形将以块体的移动为主导。如果裂隙在岩体中是不贯通的，岩体的变形将以裂隙的扩展和块体的变形移动为特征。因此，研究裂隙的力学行为是岩体力学最基本的课题之一。（4）岩体的物质特征和环境岩体是自然地质历史的产物。岩体来源于原有的地壳物质，并经历了多次复杂的地质构造作用，岩体其本身带有与生俱来的内部结构的复杂多变，力学性质不可逆，和岩体的稳定有自组织特征，不能被人们作自由选择。岩体的孕育、发展、变化是自然规律控制的结果，岩体经历着受内外地质作用和人类活动的影响而不断破坏的过程。人们只可以立足于“利用”，而不应该立足于“改造”。岩体动态变化的控制因素是岩体所赋存的自然环境。岩体所处的环境是由应力场、渗流场、温度场和人类工程荷载构成的。岩体作为地球岩石圈的一部分，受地壳运动、大气运动和天体运动的影响，风化、卸荷和人工开挖在岩土体动态变化中有直接的影响。岩体的稳定是不稳定状态下的动态平衡，静止的孤立的看问题的观点和方法是错误的。由于岩体所处的环境，决定了岩体稳定性分析的基础是区域稳定性。2.岩体力学（1）定义研究岩体在力的作用下的变形和破坏的科学，叫岩体力学。（2）岩体力学的研究方法a.传统的固体力学研究方法将岩体作为材料进行力学研究的方法基本上是固体力学的研究方法。其技术路线和研究方法可以图示如下：5制作试件→试验机力学实验→获得变形曲线（--t）→建立本构方程→应用方程进行实际工程计算最大问题：i.试件的代表性；ii.曲线的可重复性。b.反分析法也称为黑箱法。基本思路是不考虑引起岩体变形的诸因素及其作用，而直接通过测量分析最终变形的结果，采用统计分析原理及理论计算方法反演。c.工程分析方法最常用最实用的方法。主要思路图示如下：现场调查分析→经验判断+理论分析→综合结论经验判断既包括专家判断，更包括统计分析。3.岩体工程简单地说，任何对岩体的开挖，都可以称为岩体工程。从实际工程看，主要是边坡、硐室、基础。岩体工程的本质，是由于岩体开挖，破坏了岩体本身的生存状态，岩体为达到新的平衡状态而进行调整，人们为适应这个调整而进行的工作。因此，一个合格的岩土工程师只能为适应岩体开挖后的调整而做工作。二、岩体力学的过去、现状与发展1.岩体力学源于固体力学、土力学和工程地质学2.岩体力学正在形成自己的研究方法和理论3.岩体力学离不开工程实践的总结源于工程实践的经验公式的认识，必须有一个哲学的认识高度。归纳法与演绎法都是人类认识自然、认识社会的正确方法。经验公式是已经证明了的客观真理的总结。可靠度表达的方法是人类认识的主要方法。4.新的数理理论将引起岩体力学发展的飞跃人类对成果的总结，必须以“数学”的形式来表达。新数学（如“新三论”）将为岩体这类非线形对象提供新工具。第二章岩石的变形、强度与强度理论一、材料的变形（1）根据材料应力应变关系，材料的变形分为：弹性、塑性、粘性。弹性：线弹性、非线弹性。前者也称Hooke体。塑性：理想塑性，也称Newton体。粘性：变形速率与应力是线形关系。（2）材料变形与时间有关，因此材料具有流变性。流变分为：蠕变（creep）松弛（relax）。蠕变：应力不变，变形随时间增加而增加。松弛：变形不变，应力随时间增加而减少。二、岩石的强度变形特征，强度理论1.岩石的变形特征6（1）岩石的变形实验岩样的制备要符合规范（国际标准、国内行业标准）。压力机的结构和分类。球性压头、端面摩擦、普通或刚性压力机。加载速率。加载方式：单调、循环加载。（2）岩石的变形曲线全过程曲线，曲线分类。（3）岩石变形机制细观破坏过程与机制。声发射与Kaiser效应。（4）循环加载曲线包络线基本等于变形曲线。回滞环、弹性后效、岩石的记忆。疲劳破坏与疲劳强度。（5）蠕变曲线特征，不同蠕变阶段，长期强度。2.岩石的强度特征抗压强度、抗拉强度、抗剪强度。抗剪强度是工程实践中最具意义的强度特征。3.岩石的强度理论（1）概念破坏条件、破坏形式、破坏机制是不同的概念。强度理论是对破坏条件、过程、机制的系统化描述。破坏准则（强度准则）是破坏条件的数学表达。（2）Mohr强度理论Mohr强度理论是剪切强度理论。Mohr破坏条件是剪切面上的剪应力超过抗剪强度，而剪应力与正应力有关。Mohr强度准则是平面状态的准则。具体强度准则是：cos2sin3131c确定一个合理的c、值，该强度准则是很实用的。（3）Hoek-Brown经验公式源于Mohr准则，按有效应力加以修正。修正的依据是模型实验。具体公式是：133212()mScc式中1──破坏时最大有效主应力；3──最小有效主应力；c──岩石单轴抗压强度；m、S──系数，由几百组试验数据统计而得，见表，其值愈低，岩体愈破碎，反7之，岩体愈完整。表霍克─布朗准则的值133212()mScc1——最大主应力3——最小主应力c——岩石单轴抗压强度碳酸岩类,具很发育的结晶、解理，如白云岩、石灰岩、大理岩等泥质岩石，如泥岩、粉砂岩页岩、板岩（压力垂直层理、片理）砂质岩石，晶间裂隙少，如砂岩、石英岩细粒多矿物，火成结晶岩、安山岩、粒光岩、辉绿岩、流纹岩等粗粒多矿物，火成岩及变质岩,如角闪岩、片麻岩、华岗岩、辉长岩、苏长岩、石英闪长岩完整岩石试件试