岩石力学-第八章01
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岩石力学重点提示3
岩⽯⼒学重点提⽰3第⼋章岩体⼒学在边坡⼯程中的应⽤（⼀）岩质边坡的应⼒分布特征由有限元法分析的结果知，形成边坡后，岩体中的应⼒有如下变化特性：1.由于应⼒重新分布，边坡周围的主应⼒迹线发⽣明显偏转，其总的特征为愈靠近临空⾯，最⼤主应⼒（1σ）愈接近平⾏临空⾯。
2.坡脚附近最⼤主应⼒（相当于临空⾯的切向应⼒）显著增⾼，且愈近表⾯愈⾼；最⼩主应⼒则显著降低，于表⾯处降为零，甚⾄转为拉应⼒。
3.坡缘（坡⾯与坡顶的交线）附近，在⼀定的条件下，坡⾯的径向应⼒和坡顶的切向应⼒可转化为拉应⼒，形成张⼒带。
4.坡体内最⼤剪应⼒迹线由原来的直线变为近似圆弧形，弧的凹⾯朝向临空⽅向。
5.坡⾯处于单向应⼒状态（不考虑坡⾯⾛向⽅向的2σ）向内渐变为两向（若考虑2σ则是三向）应⼒状态。
另外，应注意到，以上特征只能使⽤于均质各向同性的岩体中，如果边坡内存在⼤的断层或层状岩体，则应⼒分布必有较⼤的差异。
影响应⼒分布的主要因素有：原岩应⼒状态、岩坡形态、岩体的变形特征和结构特征等。
其中，以原岩应⼒状态的影响最为显著。
（⼆）岩质边坡的变形和破坏特征岩质边坡中未出现贯通性破裂⾯之前，坡体的变化特征属变形特征；出现贯通性破裂⾯后的坡体特征属破坏特征。
其发展过程是：坡⾯及附近岩体松动（⼜称松弛张裂）－岩体蠕动－加速蠕动－破坏。
其中，前三步的特征均属变形特征，最后⼀步的特征才是破坏特征。
1.变形特征在边坡形成的初始阶段，由于卸荷作⽤，岩体内的应⼒重新分布，使边坡表⾯及其附近岩体发⽣松动，形成表⾯张开裂隙，包括：回弹裂隙，坡⾯、坡顶张裂带裂隙，坡脚应⼒集中带的张开裂隙。
岩坡发⽣松动后，降低了岩体的强度，在外⼒（主要是⾃重）作⽤下，岩体向⾃由⾯⽅向缓慢变形，称之为岩坡的蠕动。
如果坡体中的应⼒⼩于岩体的长期强度，坡体的蠕动逐渐减速，最后趋于稳定；反之，坡体蠕动加速，最终导致破坏。
2.破坏特征由于边坡的破坏有各种各样的原因，⽽产⽣破坏后的形态和作⽤也极不⼀致，因⽽岩坡破坏形式的分类也是各种各样的。
岩石力学全
目录第一章岩石力学的研究进展 (3)第二章工程岩石的地质特性 (4)§2.1 基本概念 (4)§2.2 岩石的矿物学特性 (4)§2.3 岩体结构 (5)§2.4 岩体的天然应力 (5)§2.5 风化作用对岩体力学特征的影响 (6)§2.6 水对岩体特性的影响 (6)第三章工程岩体分级 (6)§3.1 概述 (6)§3.2 影响岩体工程性质的主要因素 (7)§3.3 岩体质量描述及其表达式 (8)第四章室内岩块试验分析 (11)§4.1 岩块的空隙性和水理性 (11)§4.2 岩块的单轴抗压试验 (12)§4.3 岩块三轴压缩试验 (13)第五章岩体天然应力及其测试原理与技术 (15)§5.1 概述 (15)§5.2 岩体天然地应力状态及高地应力现象 (15)§5.3 岩体天然地应力测试原理和方法 (16)第六章岩石的变形及其影响因素 (18)§6.1岩石的变形和强度特征及影响因素 (18)§6.2岩石的流变特性 (23)第七章岩体变形及强度.............................................................................. 错误！未定义书签。
§7.1 岩体变形测试................................................................................ 错误！未定义书签。
§7.2 岩体的强度.................................................................................... 错误！未定义书签。
《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础
能量吸收是指岩石在冲 击或振动载荷作用下吸 收能量的能力，与岩石 的破碎和变形有关。
疲劳是指岩石在循环载 荷作用下发生损伤和破 坏的现象，对地下工程 和边坡工程的稳定性有 重要影响。
03
岩石动力学的基本理论
弹性力学基础
01
弹性力学基本概念
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。它
理论分析方法。这些方法可用于求解各种复杂弹性力学问题。
塑性力学基础
塑性力学基本概念
塑性力学是研究塑性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。塑性物体在达到屈服 点后会发生不可逆的变形，其应力-应变关系不再满足胡克定律。
塑性力学的基本方程
包括屈服准则、流动法则、增量理论和边界条件等。这些方程描述了塑性物体内部的应力 、应变和位移之间的关系，以及物体与周围介质之间的相互作用。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
离散元法
离散元法是一种将连续介质离散化为一系列刚性或弹性 单元体的方法。
数据分析
对实验获取的大量数据进行处理和分 析，提取岩石的动力学特性，如阻尼 比、质量放大系数等。
结果解释
根据实验结果，解释岩石在动态载荷 作用下的破坏机制和演化过程，为工 程设计和安全评估提供依据。
实验研究的挑战与展望
挑战
岩石动力学实验技术难度大，需要克服实验条件苛刻、测量精度要求高等问题。 同时，岩石材料的非线性、各向异性等特性也给实验结果分析带来困难。
《岩石力学》课件(完整版)第八章岩体力学在边坡工建中的应用
岩石崩塌
平移滑动 旋转滑移
岩块流动
岩层曲折
四、平移滑动的力学稳定性分析
1、单一连续滑致滑力
W sin
滑动面
W 滑动体
W cos
W cos tan
图8-8 平面剪切破坏
（1）滑动体的体积： W rH 2 sini 2 sin i sin
（2）滑移面AB上
总粘结力：C
4、存在裂隙水压力时
计算 K值公式中的Ni，Ti变成 Ni/和T/
其中：T/ --岩条单元重量引起的剪应力和
渗透力之和。
N
/ i
Ni
li
li和 --岩条单元滑动面长度和静水压力。
八、岩坡加固措施
岩坡失稳两方面因素
下滑力增加 抗滑力降低
措施：①排水②减荷③加固
挡墙 桩基 锚杆 注浆
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第八章 岩体力学在边坡工程中的应用
一、边坡中的应力分分析 现有方法：
（1）应力测量法； （2）室内光弹性和模拟实验法； （3）数值计法； （4）近似计算法
二、岩坡破坏形式与分类
1、岩石崩塌
从力学特性来 看分为五类
2、平移滑动 3、旋转滑移 4、岩块流动
5、岩层曲折
1、岩石崩塌(图8-6a)
原因：裂隙水压力、冻胀力致
2、平移滑动(图8-6b) 由于外界条件干扰（开挖、风化、震动）滑
移体沿弱面滑移
3、旋转滑动(图8-6c)
由于外界条件干扰，在均质页岩或泥岩中产生 新的圆弧破裂面，岩体沿此圆弧面产生滑移。
4、岩块流动(图8-6d)
高应力作用下，生产脆性破裂（破坏）面。 不规则。
5、岩层曲折(图8-6e) 在自重与裂隙水压力共同作用下岩层面发生
01 岩体力学复习资料 2
一、填空题1、按照成因,岩石可以分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三类。
２、岩石的弹性变形特性常用弹性模量和泊松比两个常数表示。
3、在研究岩石的流变性质中，常用的三个基本原件为弹性元件、塑性元件和粘性元件元件。
4、根据岩石的延性度不同，岩石的破坏可分为延性破坏、脆性破坏、和过度型破坏三种类型。
5、岩石的室内剪切试验，常用的仪器有直剪仪、变角剪(压剪仪）和三轴实验机。
６、在相似材料模拟试验中，采用的三个相似定理分别是几何相似、动力相似和运动相似。
7、按围岩压力的形成机理,可将其划分为形变压力、松动压力、冲击压力和膨胀压力四种。
8、顶板悬空跨度大于顶板岩体极限跨度或悬臂极限跨度的地下空间的变形特性分为垮（冒）落带、裂隙带、弯曲下沉带这“三带”。
9、结构面的状态包括几何形态、充填和胶结情况、产状、贯通性和连贯性、密集状态和发育程度等等。
1０、岩体综合调查方法包括钻孔取心调查和沿暴露面调查。
11、常见的岩体工程分类方法包括 RQD 质量指标分类方法、RMR 分类方法、RQD 、Ｑ方法。
12、岩石的全应力应变曲线分为破坏前区、破坏后区两大区段和 5 个阶段。
13、边坡破坏基本类型包括圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和倾倒破坏。
1４、岩体地下工程维护的基本原则是合理利用和充分发挥岩体强度、改善围岩的应力条件、合理支护、强调监测和信息反馈。
15、椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时,巷道周边不出现切向拉应力,应力分布较合理，布置采场、巷道时，都应该尽量遵循这一原则。
1６、结构体和结构面是岩体结构的两个基本单元。
1７、锚杆的支护作用有悬吊、预先加固、组合梁、挤压加固。
18、结构面分原生结构面、次生结构面和构造结构面。
当主应力与结构面垂直时,岩体强度与结构面无关。
1９、岩石弹性模量包括初始弹性模量、切线弹性模量、割线弹性模量。
20、根据围岩应力分布状态，可将坑道周围岩体分为应力松弛区、塑性强化区、弹性区、原岩应力区 4 个区域。
《高等岩石力学》课件
用于模拟岩石在三轴压力下的力学行为，包括应力应变关系、破裂模式等。
岩石声波测试仪
用于测量岩石的声波速度，评估岩石的完整性、孔隙 度和弹性参数。
岩石CT扫描仪
通过X射线扫描岩石，获取岩石内部的结构和孔隙分 布信息。
岩石力学实验方法
直接拉伸试验
测量岩石在拉伸载荷下 的应力-应变关系，了解 岩石的抗拉强度和变形 特性。
《高等岩石力学》ppt课件
目 录
• 岩石力学基础 • 岩石力学性质 • 岩石力学实验 • 岩石工程稳定性分析 • 岩石工程防护与加固 • 高等岩石力学应用案例
01
岩石力学基础
岩石力学定义
总结词：基本概念
详细描述：岩石力学是一门研究岩石在各种外力作用下的变形、破裂、破坏和流 动等行为的科学。它涉及到岩石的物理性质、力学行为和地质环境等多个方面。
单轴压缩试验
测量岩石在单轴压缩下 的应力-应变关系，了解 岩石的抗压强度和变形 特性。
三轴压缩试验
模拟岩石在实际地质环 境中的受力状态，测量 岩石在三轴压力下的应 力-应变关系。
岩石力学实验结果分析
强度分析
根据实验结果，分析岩石的抗压、抗拉和抗剪 强度，评估岩石的稳定性。
变形特性分析
分析岩石的应力-应变曲线，了解岩石的弹性、 塑性 Nhomakorabea破裂特性。
地下水监测
通过监测地下水的变化情况，评估地下水对岩体的影响和破坏程 度。
06
高等岩石力学应用案 例
岩石工程设计案例
总结词 详细描述 详细描述 详细描述
通过实际案例分析，展示高等岩石力学在岩石工程设计中的应 用。
介绍某大型水电站岩石高边坡设计，如何运用高等岩石力学的 理论和方法，对边坡稳定性进行评估，并设计出合理的支护结
岩石声波测试仪
用于测量岩石的声波速度，评估岩石的完整性、孔隙 度和弹性参数。
岩石CT扫描仪
通过X射线扫描岩石，获取岩石内部的结构和孔隙分 布信息。
岩石力学实验方法
直接拉伸试验
测量岩石在拉伸载荷下 的应力-应变关系，了解 岩石的抗拉强度和变形 特性。
《高等岩石力学》ppt课件
目 录
• 岩石力学基础 • 岩石力学性质 • 岩石力学实验 • 岩石工程稳定性分析 • 岩石工程防护与加固 • 高等岩石力学应用案例
01
岩石力学基础
岩石力学定义
总结词：基本概念
详细描述：岩石力学是一门研究岩石在各种外力作用下的变形、破裂、破坏和流 动等行为的科学。它涉及到岩石的物理性质、力学行为和地质环境等多个方面。
单轴压缩试验
测量岩石在单轴压缩下 的应力-应变关系，了解 岩石的抗压强度和变形 特性。
三轴压缩试验
模拟岩石在实际地质环 境中的受力状态，测量 岩石在三轴压力下的应 力-应变关系。
岩石力学实验结果分析
强度分析
根据实验结果，分析岩石的抗压、抗拉和抗剪 强度，评估岩石的稳定性。
变形特性分析
分析岩石的应力-应变曲线，了解岩石的弹性、 塑性 Nhomakorabea破裂特性。
地下水监测
通过监测地下水的变化情况，评估地下水对岩体的影响和破坏程 度。
06
高等岩石力学应用案 例
岩石工程设计案例
总结词 详细描述 详细描述 详细描述
通过实际案例分析，展示高等岩石力学在岩石工程设计中的应 用。
介绍某大型水电站岩石高边坡设计，如何运用高等岩石力学的 理论和方法，对边坡稳定性进行评估，并设计出合理的支护结
岩石力学-全部课件
12
1.4 岩石力学发展简况
国际方面： ●岩石力学形成背景 ●两大著名工程灾害 ●两个里程碑事件
●萨茨堡学派
1.绪论
国内方面： ●发展的四个阶段及其主要标志
13
1.4 岩石力学发展简况
一般认为，岩石力学作为一门
1.绪论ห้องสมุดไป่ตู้
岩石力学形成背景
独立的学科存在， 大概在 上世纪50年代。
岩石力学是在这样的背景
就岩石工程而言，整体综合分析方法又必须以不确定性分
析方法为指导。
●因为在岩石工程问题中，存在着多方面的不确定性因素，只有采用
不确定性研究方法，才能摆脱传统的确定性分析方法的影响，使研 究和分析结果更符合实际，更可靠和实用。 ●现代非线性科学理论、信息科学理论、系统科学理论、模糊数学、 人工智能、灰色理论和计算机科学技术的发展为不确定性分析方法 奠定了必要的技术基础。
3
坏。
1.1 岩石力学的定义和特点 岩石力学的特点
1.绪论
岩石力学是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。
●其任务是为解决岩石工程疑难问题提供理论指导和
实用方法。 ●岩石工程复杂程度的增加不断提出新问题，推动岩石 力学发展。
岩石力学是一门多学科交叉的边缘学科。 ●研究对象的复杂性，导致其涉及的理论领域相当广泛。 ●主要涉及的学科：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。
（在边坡稳定性 分析中常用）
▲块体力学
▲反演分析法等
11
1.3 岩石力学的研究方法
1.绪论
整体综合分析方法
就整个工程进行多种方法并以系统工程为基础的综合分析。
●由于岩石力学与岩石工程研究中每一环节都是多因素的，且信息量
岩石力学张永兴答案
岩石力学张永兴答案【篇一：《岩体力学》教学大纲】t> 撰写人：学院审批：审批时间：年月日一．课程基本信息开课单位：土木工程与建筑学院课程编号： 01z20044b英文名称： rock mass mechanics学时：总计 32 学时，其中理论授课32 学时，实验（含上机）0 学时学分： 2.０学分面向对象： 2008 级及以后年级的土木工程与工程管理本科专业学生先修课程：《高等数学》、《土木工程概论》、《材料力学》、《普通地质学》、《弹性力学》、《工程地质》、《计算机文化基础》等。
教材：《岩体力学》，沈明荣，陈建峰编著，上海：同济大学出版社， 2006 年 07 月，第三版。
主要教学参考书或资料：1.《岩体力学》，阳生权，阳军生编著，北京：机械工业出版社，2008 年 09 月，第一版。
2. 《岩石力学》，徐志英编著，北京：水利水电出版社，2007 年 07 月，第三版。
3. 《岩石力学》，张永兴编著，北京：中国建筑工业出版社，2008 年 03 月，第二版。
4.gb 50218 —94 工程岩体分级标准．5.gb 50021 —2001 岩土工程勘察规范．6.《岩土工程手册》，岩土工程手册编委会编著，北京：中国建筑工业出版社， 1999 。
二．教学目的和任务岩体力学是一门应用型基础学科，是属土木工程专业任选课。
本课程的教学目的是通过课堂教学，使学生掌握岩石、岩体的基本概念，掌握地下洞室、岩质边坡和地基工程的稳定性分析方法及其基本的设计方法，并了解岩体力学的新理论新方法，掌握常用试验、测试的原理与方法。
三．教学目标和要求通过本课程的学习，充分理解并掌握岩石基本参数的概念，影响因素，试验方法；掌握莫尔强度理论和格里菲斯强度理论；对工程中一般岩体力学问题具有一定的分析和计算能力，如洞室围岩稳定性分析、岩质边坡稳定性分析、坝基稳定性分析等．同时，学生具有正确进行数字计算的能力，掌握测量岩石主要参数的操作能力，具有分析试验数据和编写报告的能力。
岩石力学课程本175页PPT
→ G Ss sws v
s G s
→
n(1(4c s )Gs)10000
• 4.天然含水量
指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。
(00)
w ws
10000
(wwnws)
5.吸下 含水水浸率量水：与48指岩小岩石时石干后在容，重常岩的温石比条内值件的。sa(00)ss 10000
第一章 绪论
一.岩石力学研究的对象及特点
• 1、对象：岩石—对象—岩石材料—地壳中坚硬的 部分； 方法：力学的观点、理论、方法
综合：岩石力学——用力学的理论，观点和方法去研 究岩石材料的力学行为及其工程应用的学科。
• 2、特点 • 1）研究的广泛性 • a、既古老，又年轻——古老：旧石器时期，利用
石器生活；年轻：从20世纪40年代开始（美国，法 国，意大利、中国修建了大量的工程）
•
指岩石干重量除以岩石的实体积（不含孔隙体积）的干
容重与4˚c水的容重n 的 比v v v 值 1 。0 0 0 0 G v s v v vws s s1 0 0 0 0 ( 1 v v s) 1 0 0 0 0 • 3．孔隙率（n%）
指岩石内孔隙体积与总体积之比。
GS
WS VSW
S W
→
1 VS G SW WS
三、研究方法
• 物理模拟→岩石物理力学性质常规实验，地 质力学模型试验
• 数学模型→如有限元等数值模拟
• 理论分析→用新的力学分支，理论研究岩石 力学问题
第二章 岩石的物理性状（性质）
• 2.1 岩体的结构特性 • 岩石——根据成因，可分为：
岩浆岩（火成岩）→岩浆喷发、坚硬、均一；
沉积岩→海洋沉积形成→特点：层状，同一时期
岩石力学课程Chapter课件
15
§8.3 圆弧法岩坡稳定分析
ห้องสมุดไป่ตู้
对于土坡，由于没有明显的软弱结构面， 滑动面多呈圆弧状，采用圆弧法对于均质岩 坡也可借用。
基本原理
1. 假定坡体沿O点旋转滑动
2. 条分（6～10条）
3. 计算第i条
滑动力 Wi sini
滑动力矩 M Si W is iin R
重量 W i
阻滑力矩
M R i 岩石W 力学i课c 程Chapi to t er g i s c il iR
岩石力学课程Chapter
10
§8.1 概述
滑坡的单一指标分类
序号
分类指标
类型
1 按滑体物质组成
土质滑坡 岩质滑坡
按滑体受力状态 2
牵引式（后退式）滑坡 推动式滑坡
古滑坡（全新世以前的）
3 按滑坡发生时代
老滑坡（全新世以来发生，现未活动）
新滑坡（正在活动）
4 按主滑面与层面的关系
顺层滑坡 切层滑坡
16
§8.3 圆弧法岩坡稳定分析
对于土坡，由于没有明显的软弱结构面， 滑动面多呈圆弧状，采用圆弧法对于均质岩 坡也可借用。
基本原理
4. 计算滑坡安全系数
n
n
抗滑力矩 MSi
Wicoistgi cili
Ks 滑动力 i n1矩 i1 n
MS i
Wi sini
i1
i1
特点：由于圆心O及滑面是任意假设的，需试验确定(Ks)min 和最危
南 昆 铁 路 八 渡 滑 坡
川
藏
公
路
滑
坡
6
§8.1 概述
云南元磨高速公路 砂泥岩高边坡滑坡
三峡库区奉节县城古滑坡
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2016/3/18
《岩石力学》
17
o
应变等效原理 损伤材料在有效应力作用下产生的应变与同种材 料无损时发生的应变等效。 根据这一原理，受损岩石的本构关系可以通过无 损岩石的本构关系得到，只要将应力换为有效应 力即可。
2016/3/18
《岩石力学》
18
o
脆性损伤的基本假定 岩体是由基体（无裂纹部分）和损伤体（微裂纹 部分）两部分组成的； 岩体的基体为各向同性的弹性介质； 岩体的损伤体为无屈服强度的刚塑性体； 弹性变形不会引起岩体的损伤； 净水压力不会引起岩体的损伤； 岩体中的基体及损伤部分的变形是协调的（既它 们的应变是相等的）。
比较项目 经典岩石力学
智能岩石力学
对力学过 借用弹粘塑模 自学习。对实验和现场实测获得的数据 程和特征 型、在特定条 进行自学习，确定岩体的本构关系和各 的认识 件下进行简化 种参数之间非线性关系。这种自学习过 与假设 程实自适应的，可以根据地质、环境和 工程条件的变化，而不必做出任何假 设。新的实例和数据的积累可以改变模 型的精度
《岩石力学》
2016/3/18
13
通过块体间的接触和位移约束，将单个块体有机地
联系起来，形成一个块体系统。在势能最小原理的 条件下，建立单个块体的单元刚度矩阵以及块体系 统的总体刚度矩阵。 按不同的要求，反复形成和求解总体刚度矩阵，最 后求得每个块体和整个块体系统的位移变形。
展望
非连续变形分析方法是以非连续体理论为基础的一
2016/3/18
《岩石力学》
10
DDA理论概要
非连续变形分析是一种模拟岩体在不连续情况下产
生的大变形和大位移的数值计算方法。 它以位移作为未知量，结合刚度、质量和荷载子矩 阵，根据总势能最小化原理建立平衡方程式，通过 求解结构矩阵的方法来分析块体系统的力和位移的 相互关系，其时间步可用于静力学和动力学分析。 在分析块体的运动中，它比有限元和离散元的应用 范围更广阔，集两者之长，允许各个块体有位移、 变形和应变，允许整个块体系统存在滑动，允许块 体界面间的滑动、转动、张开或闭合；
2016/3/18
《岩石力学》
16
岩石损伤力学的研究内容
若干概念及假设
有效应力概念 在单轴拉伸下
o
P ef A0 (1 D)
ef——有效应力，相当于无损伤截面上的 式中， 应力假定； ——净应力； D ——损伤变量； ——受载试件断面的实际面积与表观面 积的比值； P ——轴向压（拉）力； A0 ——无损伤截面面积；
第八章 岩石力学研究新进展与新方法
岩石是一种经历并隐含了复杂的应力、变形及 损伤历史的地质体； 其构造上呈现出高度的各向异性、非均质性和 非连续性； 在力学性能上表现出强烈的非线性、非弹性和 粘滞性； 岩石的强度与变形特性不仅依赖于当前的应力 与变形状态，而且与应力历史、加载速率、含 水量以及赋存状态等因素密切相关； 以连续介质力学为基础的确定性研究方法，使 得岩石力学模型越来越复杂，在一定程度上影 响了有关的实际应用。
2016/3/18
《岩石力学》
24
智能岩石力学及其特征
智能岩石力学及其研究方法 o
o
o
智能岩石力学是应用人工智能的思想，研究智能 化的力学分析与计算模型，研制具有感知、推理 学习、联想、决策等思维活动的计算机综合集成 智能系统。 智能岩石力学是将人工智能专家系统、神经网络、 模糊数学、非线性科学和系统科学的思想与岩体 力学进行交叉和综合而发展起来的一种新的学科 分支。因此，它是一个多学科交叉的综合体系。 智能岩石力学的研究方法采用自学习、非线性动 态处理、演化识别、分布式表达等非一对一的映 射研究方法以及多方法的综合集成研究模式。
2016/3/18
《岩石力学》
15
从损伤力学的角度来看，岩石属于一种具有初始损
伤的介质。在岩体内修建各种类型的岩石工程，如 隧道、地下电站，以及大坝与桥梁基础等可能会引 起初始损伤的扩展演化，甚至引发新的损伤。 考虑裂隙的大小、方位、数目及分布情况，引用连 续损伤力学原理并结合岩石的力学性质可以解决目 前一些岩石工程问题。
《岩石力学》
25
2016/3/18
智能岩石力学与传统岩石力学的区别与联系
比较项目 经典岩石力学 的基础 为主
智能岩石力学 计算、非确定性数学、非线性力学、系 统科学、系统工程地质学、岩石力学的 交叉、融合，以解决复杂的岩石工程中 的力学问题
学科建立 弹粘塑性力学 人工智能、神经网络、遗传算法、进化
断层泥中碎屑分布的分形模型
用重整化群建立的碎屑分形模型
2016/3/18
《岩石力学》
8
8.2 岩石力学非连续变形分析（DDA）
概述
不连续变形分析是在假定位移模式下，由弹性理论
位移变分法建立总体平衡方程式，通过施加或去掉 块体界面刚硬弹簧，使得块体单元界面之间不存在 嵌入和张拉现象，由此来满足位移边界条件。 石根华博士总结了DDA法的五大特性： o 完备的块体运动学理论及其数值实现； o 完善的一阶位移近似； o 严格的平衡假设； o 正确的能量耗散； o 高效的计算效率；
2016/3/18
《岩石力学》
9
虽然DDA
的正分析方法看起来像离散元法，但是 DDA 的分析过程更接近有限元法。 DDA与有限元法(FEM)的不同之处是： o 单元界面之间的变形是可以不连续的； o 单元形状可以是任意的凸形、凹形或组合多边形； 单元之间的接触不一定要求角点与角点的接触； o 未知数是所有块体自由度的总和。 尽管离散元法(DEM)和不连续变形分析(DDA)都能 模拟相互作用离散块体的复杂本构性质，但两者在 理论上是不相同的。其不同之处在于：DDA是一种 位移方法，而离散元法是一种力法。
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《岩石力学》
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确定分形维数比较使用的方法：改变粗视化程度
（尺寸）求分数维；根据测度关系求分数维；根据 相关函数求分数维；根据分布函数求分数维；根据 光谱求分数维。 分形主要是研究一些具有自相似性的不规则曲线， 具有自平演化的不规则曲线，具有自平方性的分形 变换和具有自仿射的分形集。 线性分形即具有自相似性的分形是分形几何的主要 内容，线性分形的维数变化是连续的。 简单地说，自相似就是局部是整体按比例缩小的性 质，也称尺度不变性或尺度无关性。
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智能岩石力学与传统岩石力学的区别与联系
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o
Betti能量互易定理 多裂纹各向异性的固体等效弹性应变能等于相应 无裂纹各向同性固体的应变能与固体中多裂纹产 生的附加应变能之和。 损伤具有不可逆性 损伤状态方程满足不可逆过程的约束条件和基本 定律。
o
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研究方法 o o o o
细观方法（材料学——金属物理学方法） 宏观方法（唯象学方法） 微观方法（统计学方法） 宏、细、微观相结合的研究方法
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损伤变量及其确定 o
o
微观量度 孔洞的数目、长度、面积以及体积； 孔洞的几何形状、排列与定向，及由此确定的有 效面积 宏观量度 弹性常数、蠕变率、应力与应变大小； 屈服应力、拉伸强度； 长期强度、蠕变破坏时间； 伸长度； 质量密度； 电阻、超声波速与声发射；
进性减弱，并导致体积单元破坏的现象。损伤并不 是一种独立的物理性质，它是作为一种“劣化因素” 被结合到弹性、粘性、粘弹性介质中去的。 损伤力学的基本思想：材料在外界的作用下，由于 内部缺陷的产生和发展而劣化，且此过程是不可逆 的。材料的破坏过程就是这种劣化的累计过程，当 累积至一定程度后材料就产生宏观裂纹，致使材料 破坏。
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分形岩石力学
定义在分形度量空间的岩石力学理论，是研究考虑
自然分形效应的岩石介质变形破坏规律的力学理论。 第一层次（20世纪70~80年代），是对现象的描述， 如对裂纹扩展路径、裂隙网络的分形计算，然后与 一些物理量挂钩，得到一些关系并加以解释。 目前，分形岩石力学的研究已进入第二个层次，即 对岩石分形的物理机制和演化规律的研究。 分形岩石力学不仅在理论上将岩石宏、细、微观理 论研究统一在新的理论体系中，也将为解决岩石力 学理论与工程实践中的难题创出新路。
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分形几何在岩石力学中的应用
岩石的分形断裂
微破裂的分形模型
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岩石破裂面的分形特征
岩石断裂面的分数维
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岩石断裂的分形分布
雁形裂纹系统的分形模型
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岩石碎屑的分形
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它在块体的划分方面较有限元和离散元更为灵活，
单元形状可以是任意的凸边形或凹边形，还可以是 带孔的多接点的多边形，块体网格不要求块体顶点 与另一块体顶点相接触； 它的位移和变形模式与有限单元法中结构矩阵分析 相同； 它在分析块体系统的运动、块体间的接触以及嵌入 等方面都是有限元或离散元不可及的。
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8.1岩石力学分形理论
概念
分形几何是研究数学领域和自然界中经典欧氏几何
无法表述的极其复杂和不规则的几何形体与现象， 并用分形维数定量刻画其复杂程度。 分形几何现已被广泛用于研究自然界中常见的、不 稳定的、不规则的现象，即研究自然界中没有特征 长度，而具有自相似性的形状和现象，如海岸线、 山的起伏、河网水系、地震、湍流、凝集体、相变、 动物血管系统、肺膜结构、气候的变化以及股市的 变动、人口的分布、足球运动员的跑动路线等等。
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o
应变等效原理 损伤材料在有效应力作用下产生的应变与同种材 料无损时发生的应变等效。 根据这一原理，受损岩石的本构关系可以通过无 损岩石的本构关系得到，只要将应力换为有效应 力即可。
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o
脆性损伤的基本假定 岩体是由基体（无裂纹部分）和损伤体（微裂纹 部分）两部分组成的； 岩体的基体为各向同性的弹性介质； 岩体的损伤体为无屈服强度的刚塑性体； 弹性变形不会引起岩体的损伤； 净水压力不会引起岩体的损伤； 岩体中的基体及损伤部分的变形是协调的（既它 们的应变是相等的）。
比较项目 经典岩石力学
智能岩石力学
对力学过 借用弹粘塑模 自学习。对实验和现场实测获得的数据 程和特征 型、在特定条 进行自学习，确定岩体的本构关系和各 的认识 件下进行简化 种参数之间非线性关系。这种自学习过 与假设 程实自适应的，可以根据地质、环境和 工程条件的变化，而不必做出任何假 设。新的实例和数据的积累可以改变模 型的精度
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通过块体间的接触和位移约束，将单个块体有机地
联系起来，形成一个块体系统。在势能最小原理的 条件下，建立单个块体的单元刚度矩阵以及块体系 统的总体刚度矩阵。 按不同的要求，反复形成和求解总体刚度矩阵，最 后求得每个块体和整个块体系统的位移变形。
展望
非连续变形分析方法是以非连续体理论为基础的一
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DDA理论概要
非连续变形分析是一种模拟岩体在不连续情况下产
生的大变形和大位移的数值计算方法。 它以位移作为未知量，结合刚度、质量和荷载子矩 阵，根据总势能最小化原理建立平衡方程式，通过 求解结构矩阵的方法来分析块体系统的力和位移的 相互关系，其时间步可用于静力学和动力学分析。 在分析块体的运动中，它比有限元和离散元的应用 范围更广阔，集两者之长，允许各个块体有位移、 变形和应变，允许整个块体系统存在滑动，允许块 体界面间的滑动、转动、张开或闭合；
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岩石损伤力学的研究内容
若干概念及假设
有效应力概念 在单轴拉伸下
o
P ef A0 (1 D)
ef——有效应力，相当于无损伤截面上的 式中， 应力假定； ——净应力； D ——损伤变量； ——受载试件断面的实际面积与表观面 积的比值； P ——轴向压（拉）力； A0 ——无损伤截面面积；
第八章 岩石力学研究新进展与新方法
岩石是一种经历并隐含了复杂的应力、变形及 损伤历史的地质体； 其构造上呈现出高度的各向异性、非均质性和 非连续性； 在力学性能上表现出强烈的非线性、非弹性和 粘滞性； 岩石的强度与变形特性不仅依赖于当前的应力 与变形状态，而且与应力历史、加载速率、含 水量以及赋存状态等因素密切相关； 以连续介质力学为基础的确定性研究方法，使 得岩石力学模型越来越复杂，在一定程度上影 响了有关的实际应用。
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智能岩石力学及其特征
智能岩石力学及其研究方法 o
o
o
智能岩石力学是应用人工智能的思想，研究智能 化的力学分析与计算模型，研制具有感知、推理 学习、联想、决策等思维活动的计算机综合集成 智能系统。 智能岩石力学是将人工智能专家系统、神经网络、 模糊数学、非线性科学和系统科学的思想与岩体 力学进行交叉和综合而发展起来的一种新的学科 分支。因此，它是一个多学科交叉的综合体系。 智能岩石力学的研究方法采用自学习、非线性动 态处理、演化识别、分布式表达等非一对一的映 射研究方法以及多方法的综合集成研究模式。
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从损伤力学的角度来看，岩石属于一种具有初始损
伤的介质。在岩体内修建各种类型的岩石工程，如 隧道、地下电站，以及大坝与桥梁基础等可能会引 起初始损伤的扩展演化，甚至引发新的损伤。 考虑裂隙的大小、方位、数目及分布情况，引用连 续损伤力学原理并结合岩石的力学性质可以解决目 前一些岩石工程问题。
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智能岩石力学与传统岩石力学的区别与联系
比较项目 经典岩石力学 的基础 为主
智能岩石力学 计算、非确定性数学、非线性力学、系 统科学、系统工程地质学、岩石力学的 交叉、融合，以解决复杂的岩石工程中 的力学问题
学科建立 弹粘塑性力学 人工智能、神经网络、遗传算法、进化
断层泥中碎屑分布的分形模型
用重整化群建立的碎屑分形模型
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8.2 岩石力学非连续变形分析（DDA）
概述
不连续变形分析是在假定位移模式下，由弹性理论
位移变分法建立总体平衡方程式，通过施加或去掉 块体界面刚硬弹簧，使得块体单元界面之间不存在 嵌入和张拉现象，由此来满足位移边界条件。 石根华博士总结了DDA法的五大特性： o 完备的块体运动学理论及其数值实现； o 完善的一阶位移近似； o 严格的平衡假设； o 正确的能量耗散； o 高效的计算效率；
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虽然DDA
的正分析方法看起来像离散元法，但是 DDA 的分析过程更接近有限元法。 DDA与有限元法(FEM)的不同之处是： o 单元界面之间的变形是可以不连续的； o 单元形状可以是任意的凸形、凹形或组合多边形； 单元之间的接触不一定要求角点与角点的接触； o 未知数是所有块体自由度的总和。 尽管离散元法(DEM)和不连续变形分析(DDA)都能 模拟相互作用离散块体的复杂本构性质，但两者在 理论上是不相同的。其不同之处在于：DDA是一种 位移方法，而离散元法是一种力法。
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确定分形维数比较使用的方法：改变粗视化程度
（尺寸）求分数维；根据测度关系求分数维；根据 相关函数求分数维；根据分布函数求分数维；根据 光谱求分数维。 分形主要是研究一些具有自相似性的不规则曲线， 具有自平演化的不规则曲线，具有自平方性的分形 变换和具有自仿射的分形集。 线性分形即具有自相似性的分形是分形几何的主要 内容，线性分形的维数变化是连续的。 简单地说，自相似就是局部是整体按比例缩小的性 质，也称尺度不变性或尺度无关性。
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智能岩石力学与传统岩石力学的区别与联系
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Betti能量互易定理 多裂纹各向异性的固体等效弹性应变能等于相应 无裂纹各向同性固体的应变能与固体中多裂纹产 生的附加应变能之和。 损伤具有不可逆性 损伤状态方程满足不可逆过程的约束条件和基本 定律。
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研究方法 o o o o
细观方法（材料学——金属物理学方法） 宏观方法（唯象学方法） 微观方法（统计学方法） 宏、细、微观相结合的研究方法
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损伤变量及其确定 o
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微观量度 孔洞的数目、长度、面积以及体积； 孔洞的几何形状、排列与定向，及由此确定的有 效面积 宏观量度 弹性常数、蠕变率、应力与应变大小； 屈服应力、拉伸强度； 长期强度、蠕变破坏时间； 伸长度； 质量密度； 电阻、超声波速与声发射；
进性减弱，并导致体积单元破坏的现象。损伤并不 是一种独立的物理性质，它是作为一种“劣化因素” 被结合到弹性、粘性、粘弹性介质中去的。 损伤力学的基本思想：材料在外界的作用下，由于 内部缺陷的产生和发展而劣化，且此过程是不可逆 的。材料的破坏过程就是这种劣化的累计过程，当 累积至一定程度后材料就产生宏观裂纹，致使材料 破坏。
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分形岩石力学
定义在分形度量空间的岩石力学理论，是研究考虑
自然分形效应的岩石介质变形破坏规律的力学理论。 第一层次（20世纪70~80年代），是对现象的描述， 如对裂纹扩展路径、裂隙网络的分形计算，然后与 一些物理量挂钩，得到一些关系并加以解释。 目前，分形岩石力学的研究已进入第二个层次，即 对岩石分形的物理机制和演化规律的研究。 分形岩石力学不仅在理论上将岩石宏、细、微观理 论研究统一在新的理论体系中，也将为解决岩石力 学理论与工程实践中的难题创出新路。
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分形几何在岩石力学中的应用
岩石的分形断裂
微破裂的分形模型
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岩石破裂面的分形特征
岩石断裂面的分数维
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岩石断裂的分形分布
雁形裂纹系统的分形模型
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岩石碎屑的分形
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它在块体的划分方面较有限元和离散元更为灵活，
单元形状可以是任意的凸边形或凹边形，还可以是 带孔的多接点的多边形，块体网格不要求块体顶点 与另一块体顶点相接触； 它的位移和变形模式与有限单元法中结构矩阵分析 相同； 它在分析块体系统的运动、块体间的接触以及嵌入 等方面都是有限元或离散元不可及的。
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8.1岩石力学分形理论
概念
分形几何是研究数学领域和自然界中经典欧氏几何
无法表述的极其复杂和不规则的几何形体与现象， 并用分形维数定量刻画其复杂程度。 分形几何现已被广泛用于研究自然界中常见的、不 稳定的、不规则的现象，即研究自然界中没有特征 长度，而具有自相似性的形状和现象，如海岸线、 山的起伏、河网水系、地震、湍流、凝集体、相变、 动物血管系统、肺膜结构、气候的变化以及股市的 变动、人口的分布、足球运动员的跑动路线等等。