测量学---绪论.pptx

岩岩 体体 力力 学学教教 材材 岩石力学与工程岩石力学与工程 蔡美峰主编，科学出版社蔡美峰主编，科学出版社参参 考考 书书 岩体力学岩体力学 凌贤长主编，哈尔滨工业大学出版社凌贤长主编，哈尔滨工业大学出版社 岩体力学岩体力学 沈明荣主编，同济大学出版社沈明荣主编，同济大学出版社 岩体力学岩体力学 王文星主编，中南大学出版社王文星主编，中南大学出版社 矿山岩体力学矿山岩体力学 李李通通林主编，重庆大学出版社林主编，重庆大学出版社 矿山岩体力学矿山岩体力学 高磊主编，冶金工业出版社高磊主编，冶金工业出版社 总总 学学 时：时：56 学时学时 其其 中：中：理论学时：理论学时：48 学时学时 实验学时：实验学时：8 学时学时 岩岩 体体 力力 学学第一章 绪论第二章 岩石的物理力学性质第三章 岩体的力学性质第四章 地应力及其测量第五章 岩体力学在地下工程中的应用第六章 岩石地下工程第七章 岩体力学数值计算方法及新进展简介 第八章 弹塑性力学(补充内容)岩岩 体体 力力 学学 授授 课课 内内 容容 第一章第一章 绪绪 论论本章内容：本章内容：一、岩石与岩体的关系一、岩石与岩体的关系二、二、岩体力学的研究内容及研究方法岩体力学的研究内容及研究方法三、岩体力学的产生三、岩体力学的产生、发展发展四四、岩体力学与其他学科的关系岩体力学与其他学科的关系 第一章第一章 绪绪 论论本章的重点：本章的重点：1、岩石与岩体的界定；、岩石与岩体的界定；2、岩体力学的研究任务与内容，岩体力学的研究方法。、岩体力学的研究任务与内容，岩体力学的研究方法。关键术语：关键术语：岩石；岩体；岩体工程；稳定性岩石；岩体；岩体工程；稳定性要求：要求：1、必须掌握本课程重点内容；、必须掌握本课程重点内容；2、了解岩体力学的发展简史以及岩体力学在其他学科中、了解岩体力学的发展简史以及岩体力学在其他学科中的地位。的地位。一一、岩石和、岩石和岩体岩体 岩石岩石 自然形成的产物；自然形成的产物；由一种或几种矿物组成的具有一定结构构造由一种或几种矿物组成的具有一定结构构造的固体集合体。的固体集合体。工程上，通常把各种裂隙（不连续面）切割而成的岩块，工程上，通常把各种裂隙（不连续面）切割而成的岩块，称为称为岩石岩石，又称，又称结构体结构体。岩体岩体：地质历史过程中形成的，由岩块和结：地质历史过程中形成的，由岩块和结构面组成的，具有一定的结构并赋存于一定构面组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。质体。岩体就是岩石和结构面的统一体。岩体就是岩石和结构面的统一体。结构面结构面:地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。或带。（如节理、裂隙、褶皱等结构面。）（如节理、裂隙、褶皱等结构面。）岩石与岩体关系：岩石与岩体关系：n岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体。体。n 二、岩体的特征二、岩体的特征1 1、岩体是非均质各向异性的材料。岩体是非均质各向异性的材料。2 2、岩体内存在着原始应力场。、岩体内存在着原始应力场。3 3、岩体内存在着一个裂隙系统。、岩体内存在着一个裂隙系统。岩岩体体既既不不是是理理想想的的弹弹性性体体，也也不不是是典典型型的的塑塑性性体体，既既不不是是连连续续介介质质，又又不不是是松松散散介介质质，而而是是一一种种特特殊殊的的复复杂杂的的地地质质体体，这这就就造造成成了了研研究究它它的的困难性和复杂性。困难性和复杂性。二、岩体的特征二、岩体的特征三、岩体力学的研究内容与研究方法三、岩体力学的研究内容与研究方法 岩体力学研究的主要对象是岩体力学研究的主要对象是岩体岩体，研究岩，研究岩体在力场作用下，所发生的体在力场作用下，所发生的变形变形、破坏破坏和和移动移动规律规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。型基础学科。1、岩体力学研究的内容：、岩体力学研究的内容：岩石、岩体的地质特征 岩石的物理、水理与热力学性质 岩块（岩石）、结构面的力学性质 岩体的力学效应 岩体工程的稳定性（岩体中初始应力、应力重分布、围岩稳定性计算与评价、工程处理与加固）各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的运用岩体模型、模拟试验及原位测试2 2、岩体力学的研究方法、岩体力学的研究方法室内试验室内试验现场测试现场测试 理论分析与计算理论分析与计算研究方法：研究方法：实验、理论分析与工程应用相结合实验、理论分析与工程应用相结合实验实验室内室内野外野外岩块（拉、压、剪岩块（拉、压、剪）模拟模拟位移位移应力应力压力压力理论理论连介连介非连介非连介数值方法数值方法有限元有限元离散元离散元DDADDA研究方法：研究方法：实验、理论分析与工程应用相结合实验、理论分析与工程应用相结合实验实验室内室内野外野外岩块（拉、压、剪岩块（拉、压、剪）模拟模拟位移位移应力应力压力压力理论理论连介连介非连介非连介数值方法数值方法有限元有限元离散元离散元DDADDA收敛（表面位移）收敛（表面位移）应变应变 绝对位移、相对位移（内部）绝对位移、相对位移（内部）地质调查工程地质分区岩体结构划分岩石岩体力学性质试验岩体赋存条件分析初始应力结构面几何特征介质的模型化物理数学 计算经典解析法数值计算法正反分析分类确定岩体的质量等级模拟试验物理模拟相似材料经验判据岩体工程设计加固措施施 工长期监测反馈分析图图1-1 1-1 岩体力学研究步骤的框图岩体力学研究步骤的框图四、岩体力学的产生及其发展四、岩体力学的产生及其发展 岩体力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工岩体力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学力学等学科的进步而逐步发展形成的一门程的建设和数学力学等学科的进步而逐步发展形成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。它的应用范围涉广。一方面，岩体力学是上述基础学科。它的应用范围涉广。一方面，岩体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体力学的诞生和发展。践促使了岩体力学的诞生和发展。岩体力学按其发展进程可划分四个阶段：岩体力学按其发展进程可划分四个阶段：(1)(1)初始阶段初始阶段(19(19世纪末世纪末-20-20世纪初世纪初)岩石力学处于萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体岩石力学处于萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。开挖的力学计算问题。19121912年瑞典地质学家年瑞典地质学家 海姆海姆(A.Heim)(A.Heim)提出了提出了静水压力静水压力的理的理论。论。19261926年苏联学者年苏联学者 金尼克金尼克(A.H.)(A.H.)基于弹性力基于弹性力学理论提出了只有垂直压力等于学理论提出了只有垂直压力等于 H H，而水平压力应为，而水平压力应为 H H乘乘一个一个侧压系数侧压系数，即，即 H H。（2 2）经验理论阶段（）经验理论阶段（2020世纪初世纪初2020世纪世纪3030年代）年代）该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个该阶段为岩石力学发展的第二阶段。在这个阶段出现力根据生产经验提出的阶段出现力根据生产经验提出的地压理论地压理论，并开，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的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。松散介质学派（例如支护问题。松散介质学派（例如普氏理论普氏理论）占主）占主导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，导地位，他们借助土力学理论解决岩石力学问题，提出巷道地压计算原理和采场地压假说。提出巷道地压计算原理和采场地压假说。在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。在此阶段更加深入地研究岩石的破坏机理。（3 3）经典理论阶段（）经典理论阶段（2020世纪世纪3030年代年代6060年代）年代）该该阶阶段段是是岩岩石石力力学学学学科科形形成成的的重重要要阶阶段段，岩岩石石力力学学以以弹弹塑塑性性理理论论为为基基础础，将将岩岩体体视视为为弹弹塑塑性性介介质质，应应用用弹弹塑塑性性力力学学方方法法来来研研究究岩岩体体的的应应力力、应应变变和和位位移移，确确定定了了一一些些经经典典计计算算公公式式，形形成成围围岩岩和和支支护护共共同同作作用用的的理理论论。结结构构面面对对岩岩体体力力学学性性质质的的影影响响受受到到重重视视。在在弹弹塑塑性性分分析析的的基基础础上上引引入入流流变变理理论论，将将某某些些岩岩体体视视为为带带粘粘性性的的介介质质，考考虑虑时间因素对岩体应力、应变和位移的影响。时间因素对岩体应力、应变和位移的影响。（4 4）现代发展阶段（）现代发展阶段（2020世纪世纪6060年代现在）年代现在）用用更更为为复复杂杂的的多多种种多多样样的的力力学学模模型型来来分分析析岩岩体体力力学学问问题题，把把力力学学、物物理理学学、系系统统工工程程、现现代代数数理理科科学学、现现代代信信息息技技术术等等最最新新成成果果引引入入了了岩岩体体力力学学。而而计计算算机机的的发发展展使使用用有有限限元元、边界元、离散元等解算岩体力学问题得以实现。边界元、离散元等解算岩体力学问题得以实现。2020世世纪纪7070年年代代以以后后岩岩石石力力学学发发展展比比较较迅迅速速，岩岩体体力力学学测测试试技技术术不不断断完完善善，应应力力解解除除法法可可测测试试深深部部岩岩体体应应力力。刚刚性性压压力力机机的的出出现现，可可测测试试应应力力应应变变全全过过程程曲曲线线，从从而而更更深深刻刻的的揭示了岩石的力学特性。揭示了岩石的力学特性。岩岩体体力力学学已已逐逐渐渐形形成成完完整整的的科科学学体体系系作作为为力力学学的的一一个个分分枝，成为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。枝，成为一门独立的力学学科，服务于岩体工程。n19511951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。了独具一格的奥地利学派。n同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。n19561956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。n19571957年，第一本年，第一本岩石力学岩石力学专著出版。专著出版。n19591959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。者的关注和研究。n19621962年，成立国际岩石力学学会年，成立国际岩石力学学会(ISRM)(ISRM)。n19661966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。本召开。岩体力学形成历史岩体力学形成历史岩体力学发展动态岩体力学发展动态岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学 机理问题机理问题裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题裂隙化岩体的强度、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软岩的力学特性及其岩体力学问题水水-岩岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题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。岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。1 1、采采矿矿工工程程结结构构多多处处于于地地下下较较深深处处，而而其其它它地地下下工工程程多多在距地表较近（几十米）的范围内；在距地表较近（几十米）的范围内；2 2、对对矿矿山山构构筑筑物物，只只要要求求在在开开采采期期间间不不破破坏坏，在在采采后后能能维维持持平平衡衡状状态态不不影影响响地地表表安安全全即即可可。因因此此，其其计计算算精精度度、安安全全系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准；系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准；3 3、矿矿山山地地质质条条件件复复杂杂，又又受受矿矿床床赋赋存存条条件件的的限限制制，因因此此，采采矿矿工工程程结结构构物物的的位位置置选选择择性性不不大大，同同时时，采采掘掘工工作作面面不不断断变化，因而，采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。变化，因而，采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。五五、采矿工程中岩体力学的特点、采矿工程中岩体力学的特点1 1、岩岩体体力力学学与与材材料料力力学学、弹弹塑塑性性力力学学和和流流变变力力学学等等有有着着纵向联系。人们运用这些理论使岩体力学得到发展。纵向联系。人们运用这些理论使岩体力学得到发展。2 2、岩岩体体工工程程的的围围岩岩赋赋存存在在一一定定的的地地质质环环境境之之中中。因因此此，岩岩体体力力学学与与工工程程地地质质学学、构构造造地地质质学学和和地地质质力力学学有有着着十十分分密切的联系。密切的联系。3 3、岩岩体体力力学学是是为为解解决决岩岩体体工工程程中中的的力力学学问问题题服服务务的的，这这些些工工程程学学科科包包括括：采采矿矿和和其其它它地地下下空空间间工工程程、交交通通工工程程、水水电电工工程程和和基基础础工工程程等等。因因此此，岩岩体体力力学学是是各各种种岩岩体体工工程程学科的专业理论基础。学科的专业理论基础。六、岩体力学与其他学科的关系六、岩体力学与其他学科的关系岩体力学的分支学科岩体力学的分支学科l工程岩体力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。l构造岩体力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。l破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。