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岩石工程地质学：地质背景、岩石力学特性与工程应用 本书导言：深入理解地球的构造与物质基础 在土木工程、采矿工程以及地质灾害防治的宏大叙事中，对工程对象——岩石的深入理解是基石。本书《岩石工程地质学》旨在系统、全面地阐述岩石的形成、性质、稳定性评估及其在各类工程中的应用规律。我们聚焦于自然界中那些最坚固、最古老的结构单元，探究它们如何在地质历史的长河中被塑造、改造，并最终影响人类的工程实践。本书的编写秉持科学性、实践性与前瞻性的原则，力求为岩土工程师、地质学家以及相关领域的研究人员提供一本兼具理论深度与操作指导的权威参考书。 第一部分：岩石的起源与分类——地球的物质档案 本部分将带领读者追溯岩石的生命周期，从地球内部的熔融状态到地表沉积的最终形态。我们强调岩石的“自然历史”对理解其当前工程性质的重要性。 第一章：岩石学基础与地球动力学背景 1.1 岩石圈的结构与演化： 从地壳到地幔的物质组成，板块构造理论如何驱动岩浆活动、变质作用和沉积过程。 1.2 火成岩的形成与特征： 深入解析岩浆的化学成分（如硅含量的变化）、结晶分异过程。详细分类讨论侵入岩（如花岗岩、辉长岩）和喷出岩（如玄武岩、流纹岩）的矿物组合、结构（晶粒大小、自形程度）与构造（斑状、交织状）。 1.3 沉积岩的沉积环境与成岩作用： 探讨碎屑岩（如砂岩、砾岩）、化学岩（如石灰岩、白云岩）和生物岩的形成机制。重点分析胶结作用、压实作用和溶解沉淀过程如何改变岩石的孔隙度和强度。 1.4 变质岩的相变与温压史： 介绍变质反应、变质相（如绿片岩相、角闪岩相）的定义。分析构造应力场（定向压力）和热流对岩石内部矿物定向排列（片理、板状构造）的影响，这些定向结构是工程力学性质各向异性的根源。 第二章：岩石的矿物组成与工程意义 2.1 常见造岩矿物的物理化学性质： 重点分析石英、长石、云母、黏土矿物在工程力学中的作用。例如，石英的高硬度和脆性，以及黏土矿物在水化后的膨胀性和低抗剪强度。 2.2 岩石结构与构造的工程表征： 区别描述岩石的微观结构（晶粒大小、接触关系）与宏观构造（节理、裂隙、层理、片理的密度、规模与几何形态）。强调构造对岩石整体强度的控制作用远大于基质本身。 2.3 岩石的耐久性与风化作用： 探讨物理风化（如温差、冰劈）和化学风化（如水解、氧化）的机制。分析风化程度如何导致岩石强度显著降低和渗透性增加，这对于地下工程的开挖稳定性至关重要。 第二部分：岩石的工程力学特性——从单元体到岩体 本部分转向岩石作为工程材料的力学响应，这是工程地质分析的核心。我们将从单一岩石样品的室内测试扩展到复杂岩体环境的现场评估。 第三章：岩石单元体的力学性能测试与分析 3.1 强度指标的确定： 详细介绍单轴抗压强度（UCS）的测试方法（遵循ASTM/ISRMC标准），并探讨其在不同应变速率下的表现。区分抗拉强度、抗剪强度和抗压强度的差异及相互关系。 3.2 变形模量与应力-应变关系： 分析岩石的弹性、塑性和粘弹性行为。讨论如何利用加载和卸载曲线确定杨氏模量和泊松比，并阐述岩石的非线性变形特征。 3.3 岩石的破坏准则： 深入探讨 Mohr-Coulomb 准则、Hoek-Brown 准则等在岩石工程中的应用。重点分析围压（侧向约束）对岩石峰值强度的增强效应。 3.4 岩石的渗透性与流变特性： 测量和分析岩石的渗透系数，以及在长时间荷载作用下岩石可能发生的蠕变和蠕变破坏现象，尤其是在高温或高水压环境下的表现。 第四章：岩体工程地质力学——裂隙网络的主导作用 岩石工程的挑战往往不在于坚硬的基质，而在于其中遍布的结构面。本章强调“岩体”概念的建立。 4.1 结构面的分类与定量描述： 详细分类描述节理、层理、断层、裂隙等结构面的几何特征（倾向、倾角、间距、规模）和物理特征（粗糙度、充填物、张开度、抗剪强度）。 4.2 岩体质量分类系统： 全面介绍并对比 RMR（Rock Mass Rating）、Q 系统和 GSI（Geological Strength Index）系统的原理、参数选取与计算方法。强调这些分类系统是如何将结构面的特性转化为工程力学参数的。 4.3 岩体强度的各向异性与经验公式： 分析结构面集合体导致岩体强度与加载方向高度相关。介绍经验性岩体强度估计公式及其适用条件。 4.4 节理岩体的稳定性分析： 针对边坡、隧道和地下硐室，运用块体理论和极限平衡法分析由结构面控制的潜在失稳模式（如平面滑动、楔形拉倒、倾倒破坏）。 第三部分：岩石工程的场地勘察与应用 本部分将理论与实践紧密结合，探讨如何将工程地质知识应用于实际的工程设计与施工中。 第五章：工程地质勘察技术与岩石原位测试 5.1 钻探与岩心编录： 详细规范岩心采取、保存和地质描述的标准流程。重点介绍 RQD（Rock Quality Designation）的计算及其局限性。 5.2 岩石物理力学性质的室内/现场测试： 介绍钻孔平板载荷试验、十字孔法、三轴压缩试验（现场/室内）等用于确定岩体参数的技术。讨论地球物理方法（如地震波速法、电法）在确定岩体完整性和围岩特性中的应用。 5.3 结构面参数的现场量测： 介绍钻孔摄像、激光扫描技术在结构面几何参数获取上的优势。详细阐述现场抗剪试验（如直剪仪）对结构面摩擦角和黏聚力的确定流程。 第六章：岩石工程的关键应用：隧道、边坡与基础 6.1 隧道与地下工程的围岩支护设计： 分析不同岩体级别（RMR/Q值）对应的围岩压力分布规律。介绍经验性支护设计方法（如 New Austrian Tunneling Method, NATM 的力学概念）以及数值模拟在复杂地质条件下的应用。 6.2 岩石边坡的稳定性分析与防护： 深入分析岩石边坡失稳的控制因素，重点讲解基于结构面的几何条件和力学参数（摩阻角）的极限平衡分析。探讨锚杆、喷射混凝土和抗滑桩等主动与被动支护措施的机理。 6.3 岩石基础与地基处理： 讨论处理不良（如强风化带、溶洞）的岩石地基的承载力评估。介绍灌浆加固技术（固结灌浆、帷幕灌浆）的目的、方法和效果检验。 本书总结：面向未来的挑战 《岩石工程地质学》不仅是对现有知识体系的梳理，更是在为未来的挑战做准备——包括深层隧道工程、非常规能源开采中对高地应力、高温岩石力学的需求，以及如何利用人工智能和大数据技术更精准地预测复杂岩体行为。本书力求培养读者基于地质背景、结合力学分析的综合工程思维。
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