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岩體力學(Rockmass Mechanics)是土木工程專業的專業基礎課。

1 岩體力學 -學課簡介

岩體力學(Rockmass Mechanics)是研究岩體在各種力場作用下變形與破壞規律的理論及其實際應用的科學,是一門應用型基礎學科。國際上往往把岩體力學稱為岩石力學。它是研究岩體在各種力場作用下變形與破壞規律的理論及其實際應用的科學,屬於應用型基礎學科。主要研究經過變形和破壞的岩體在地應力條件改變時產生再變形和再破壞的力學規律的學科。是力學、地質學與工程學之間的一門邊緣學科。岩體力學的研究目的是運用岩體的力學規律合理地利用岩體,預測、預報岩體工程中出現或可能出現的災害,並擬定防治措施。

2 岩體力學 -形成與發展

岩體力學的形成和發展,是與岩體工程建設的發展和岩體工程事故分不開的。岩塊物理力學性質的試驗,地下洞室受天然水平應力作用的研究,可以追溯到19世紀的下半葉。20世紀初,出現了岩塊三軸試驗,課題內容主要集中在地下工程的圍岩壓力和支護方面。1920年,瑞士聯合鐵路公司採用水壓洞室法,在阿爾卑斯山區的阿姆斯特格隧道中,進行原位岩體力學試驗,首次證明岩體具有彈性變形性質。不久,彈性力學被引入岩體力學的研究,並成為解決岩體工程問題的重要理論基礎。

(圖)岩體力學的工作程序岩體力學的工作程序

1950~1960年,岩體力學擴大了應用範圍,得到了比較全面的發展。這一時期除了地下洞室圍岩穩定性研究以外,還有岩質邊坡和地基岩體穩定性研究等;開始利用深孔應力解除法,實測岩體中的天然應力;岩體的空隙性,特別是岩體的裂隙空隙性、岩體中的不連續面,以及岩體力學性質的各向異性和不連續性的研究,被提到重要地位;逐漸發展了原位岩體性質的各項測試技術和試驗研究;在預測和評價岩體穩定性方面,發展了圖解分析法,以及塊體極限平衡理論分析法;在加固和穩定岩體措施方面,提出了效果良好的錨噴法。這一時期形成了著名的奧地利學派,他們認為岩體力學屬不連續介質力學,岩體的強度和變形特性,主要受岩體結構內部單元岩塊之間的聯結力以及岩塊之間的相對位移所控制。他們的研究成果,促進了岩體力學的發展。

1957年,法國的J.塔洛布爾(曾譯J.塔羅勃)著《岩石力學》,從岩體概念出發,較全面系統地介紹了岩體力學的理論和試驗研究方法及其在水電工程上的應用。至50年代末期,岩體力學形成了一門獨立的學科。60年代以來,岩體力學的發展進入了一個新的歷史時期,研究內容和應用範圍不斷擴大,對不連續面力學效應和岩體性能進行了研究,取得了成果和發展;有限元法、邊界元法、離散元法先後被引入,岩體中天然應力量測的加強與其分佈規律不斷被揭示。

在中國,系統地研究岩體力學始於50年代初期。1952年出版了《礦內地壓與頂板管理論文專集》。1956年開始開展了原位岩體力學性質的試驗研究。1965年明確提出了岩體結構概念,並逐漸形成了岩體力學性質和岩體穩定性主要受岩體結構控制的「岩體結構控制論」,為岩體力學的發展作出了貢獻。

形成歷史

發展前沿

1951年,在奧地利創建了地質力學研究組,並形成了獨具一格的奧地利學派。

¬同年,國際大壩會議設立了岩石力學分會。

¬1956年,美國召開了第一次岩石力學討論會。

¬1957年,第一本《岩石力學》專著出版。

¬1959年,法國馬爾帕塞壩潰決,引起岩體力學工作者的關注和研究。

¬1962年,成立國際岩石力學學會(ISRM)。

¬1966年,第一屆國際岩石力學大會在葡萄牙的里斯本召開。

岩體結構與結構面的模擬模擬、力學表述及其力學機理問題

裂隙化岩體的強度、破壞機理及破壞判據問題

岩體與工程結構的相互作用與穩定性評價問題

軟岩的力學特性及其岩體力學問題

水-岩-應力耦合作用及岩體工程穩定性問題

高地應力岩體力學問題

岩體結構整體綜合模擬反饋系統與優化技術

岩體動力學、水力學與熱力學問題

岩體流變與長期強度問題

岩體工程計算機輔助設計與圖像自動生成處理。

3 岩體力學 -主要階段

岩體力學的發展可分為兩個階段:連續介質力學階段。把岩體視為一種完整的連續介質材料,將連續介質力學的理論和方法,特別是把土力學理論移植過來,用於解決在工程建設中遇到的岩體力學問題。這是岩體力學發展的早期階段;

碎裂岩體力學階段。在20世紀50年代末和60年代初,國際上發生了幾次大型水壩工程事故。在對這些重大事故研究過程中,逐漸注意到岩體並不是完整一塊,而是由節理、斷裂等切割成的碎裂岩體。在岩體力學研究中重視了節理、斷裂面等力學作用,提出了不連續性、不均勻性、各向異性是岩體的重要特徵;注意到尺寸效應等現象。在力學分析上出現了塊體分析的理論和方法。

連續介質力學理論仍具有支配作用。同時,正在注意研究碎裂介質岩體力學分析理論和方法;研究結構力學的理論和方法在岩體力學研究中的應用;研究運用岩體變形觀測反分析與岩體改造措施相結合的實用岩體力學問題,不斷地深入認識岩體,修改設計,補充岩體改造措施,使岩體工程設計逐步完善,並有了一套應用岩體力學的理論和方法。

岩體力學主要研究岩體上各種工程地基的變形、破壞;岩體邊坡的變形、破壞;地下工程的圍岩變形、破壞、開挖和支護;岩體改造方案及技術。必須研究的基本問題有:岩體結構,特別是結構面的地質規律;岩體中應力,包括地應力及工程建設引起的二次應力;岩體變形規律;岩體破壞機制及強度理論;岩體水力學理論。

岩體力學的基本理論主要有岩體地質研究 、岩體力學試驗和實驗、岩體的力學分析和;岩體改造方案及技術措施研究。這四部分研究工作與岩體工程研究的階段相對應,逐步地開展和應用。

岩體力學的應用主要是與岩體工程階段結合分為三類:岩體力學特性普查 、專門岩體力學問題研究和岩體變形觀測監測及反分析。

4 岩體力學 -研究內容

岩體力學研究的核心內容,是定量預測和評價岩體的穩定性,岩體的改造和加固措施。它除了要研究岩體結構、岩體的基本特性、岩體所處的地質環境等因素以外,還要充分考慮工程因素,如工程規模、爆破、開挖程序和加固措施等的影響。岩體力學研究可大致歸納為9個方面:

(圖)岩體的結構型式岩體的結構型式
岩體的地質特徵,包括岩體的物質組成、岩體結構、岩體中的天然應力、岩體中水的狀態以及岩體溫度的研究; 岩體的物理與水理性質,包括空隙性、滲透性、膨脹性、崩解性以及溶蝕性的研究; 岩體的力學性質,包括岩體的變形和強度特性與測試方法,特別是不連續面力學效應和岩體結構力學效應的研究; 岩體的動力特性與測試方法的研究; 岩體的變形、破壞機制、本構關係與破壞判據的研究; 岩體的穩定性,包括地基、邊坡與地下工程圍岩變形、失穩的預測、評價的理論和技術途徑的研究; 岩體性質改造和加固的研究; 模型模擬試驗,包括室內模型模擬試驗和原位岩體工程模擬試驗技術、理論與應用的研究; 原型觀測、施工監測、反分析,以及工程事故的分析與應用研究。

5 岩體力學 -研究方法

(圖)岩體工程快速監測岩體工程快速監測

岩體力學研究採用下列方法:

工程地質研究法。指從工程觀點出發,採用地質學的一些研究方法。如應用岩礦鑒定法,地史學、構造地質學、動力地質學等方法,研究岩體的地質特徵,特別是那些與岩體力學性質和力學作用有關的問題。
試驗法。包括岩塊工程性質的室內試驗、岩體工程性質的原位試驗、岩體中天然應力的量測、模型模擬試驗、原型觀測以及施工監測等方法(見岩土試驗、工程地質力學模擬)。試驗法不僅可以獲得岩體變形和穩定性分析中所必需的計算參數,而且有助於確定力學模型,研究岩體力學的理論問題。
力學分析法。在研究岩體地質特徵和地質環境的基礎上,根據岩體力學介質類型,分別採用不同的力學理論和不同的分析方法,對岩體的變形和穩定性進行力學分析。
綜合分析法。利用不同的力學理論和不同的分析方法,分析岩體的變形和穩定性,最後通過分析對比和綜合判斷,獲得比較符合實際的結論。

6 岩體力學 -研究意義

(圖)岩體力學的相關書籍岩體力學的相關書籍

在岩體表面或其內部進行任何工程活動,都必須符合安全、經濟和正常運營的原則。以露天採礦邊坡坡角選擇為例,坡角選擇過陡,會使邊坡不穩定,無法正常採礦作業,坡角選擇過緩,又會加大其剝采量,增加其採礦成本。然而,要使岩體工程既安全穩定又經濟合理,必須通過準確地預測工程岩體的變形與穩定性、正確的工程設計和良好的施工質量等來保證。其中,準確地預測岩體在各種應力場作用下的變形與穩定性,進而從岩體力學觀點出發,選擇相對優良的工程場址,防止重大事故,為合理的工程設計提供岩體力學依據,是工程岩體力學研究的根本目的和任務。

岩體力學的發展是和人類工程實踐分不開的。起初,由於岩體工程數量少,規模也小,人們多憑經驗來解決工程中遇到的岩體力學問題。因此,岩體力學的形成和發展要比土力學晚得多。隨著生產力水平及工程建築事業的迅速發展,提出了大量的岩體力學問題。諸如高壩壩基岩體及拱壩拱座岩體的變形和穩定性;大型露天采坑邊坡、庫岸邊坡及船閘、溢洪道等邊坡的穩定性;地下洞室圍岩變形及地表塌陷;高層建築、重型廠房和核電站等地基岩體的變形和穩定性;以及岩體性質的改善與加固技術等等。對這些問題能否做出正確的分析和評價,將會對工程建設和生產的安全性與經濟性產生顯著的影響,甚至帶來嚴重的後果。

7 岩體力學 -學科分支

廣義地講,岩體力學包括如下分支: (1)工程岩體力學——為各類建築工程及採礦工程等服務的岩體力學,重點是研究工程活動引起的岩體重分佈應力以及在這種應力場作用下工程岩體(如邊坡岩體、地基岩體和地下洞室圍岩等)的變形和穩定性。通常所講的《岩體力學》就是指的《工程岩體力學》。 (2)構造岩體力學——為構造地質學、找礦及地震預報等服務的岩體力學,重點是探索地殼深部岩體的變形與斷裂機理,為此需研究高溫高壓下岩石的變形與破壞規律以及與時間效應有關的流變特徵。 (3)破碎岩石力學——為掘進、鑽井及爆破工程服務的岩體力學,主要是研究岩石的切割和破碎理論以及岩體動力學特性。
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