岩石力学上分析ppt课件.ppt

一、 岩石力学（ Rock mechanics）的基本概念 岩石力学是研究岩石或岩体在外力作用下的应力状态（stress state） 、应变状态（strain state）和破坏条件（failure criterion ）等力学特性的学科，它是解决岩石工程(即与岩石有关的工程)技术问题的理论基础。,第一章 绪 论 （Introduction to Rock Mechanics）,二、研究内容与研究方法 1、研究内容 （1）岩石、岩体的地质特征 内容包括： 岩石的物质组成和结构特征； 结构面特征及其对岩体力学性质的影响； 岩体结构及其力学特征； 岩体工程分类。,（2）岩石的物理、水理与热力学性质 岩石的物理性质是指岩石的孔隙度（porosity ）、渗透率（permeability ）、可压缩性、导电性、传热性的总称。 岩石的水理性是指岩石与水相互作用所表现的性质，包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。,（3）岩石的基本力学性质 内容包括： 岩块在各种力学作用下的变形（deformation ）和强度（strength ）特征以及力学指标参数； 影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度等； 岩石的变形（deformation ）破坏机理及其破坏判据（failure criterion ）。,（4）结构面力学性质 内容包括： 结构面在法向压应力（compressive stress ）及剪应力（shear stress ）作用下的变形（deformation ）特征及其参数确定； 结构面剪切强度（shear strength ）特征及其测试技术和方法。 （5）原岩应力（地应力）分布规律及其测量理论与方法。,（6）岩体力学性质 内容包括： 岩体变形（deformation ）与强度（ strength ）特征及其原位测试技术与方法；生日送什么礼物好 岩体力学参数的弱化处理与经验估计； 影响岩体力学性质的主要因素； 岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。,（7）工程岩体的稳定性 内容包括： 各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力（ stress ）、位移分布特征； 各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形（deformation ）破坏特征； 各类工程岩体的稳定性分析与评价等。,（8）岩石工程稳定性维护技术，包括岩体性质的改善与加固技术等。 （9）各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用。,（10）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。模型模拟试验包括数值模型模拟、物理模型模拟等，这是解决岩石力学理论和实际问题的一种重要手段。而原位监测既可以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否，同时也可以及时地发现问题并采取相应的合理措施加以解决。 给女孩送礼送什么好,2研究方法 由于岩石力学是一门边缘交叉科学，研究的内容广泛，对象复杂，这就决定了岩石力学研究方法的多样性。 根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属学科领域的不同，岩石力学的研究方法可大概归纳为以下四种：,（1）工程地质研究方法 着重于研究与岩石和岩体的力学性质有关的岩石和岩体地质特征。如用岩矿鉴定方法，了解岩体的岩石类型、矿物组成及结构构造特征；用地层学方法、构造地质（structural geology ）学方法及工程勘察方法等，了解岩体的成因、空间分布及岩体中各种结构面的发育情况等；用水文地质学方法了解赋存于岩体中地下水的形成与运移规律等等。,（2）科学实验方法 科学实验是岩石力学发展的基础，它包括实验室岩石力学参数的测定、模型试验、现场岩体的原位试验及监测技术、地应力的测定和岩体构造的测定等。试验结果可为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。同时，还可以用某些试验结果（如模拟试验及原位应力、位移、声发射监测结果等）直接评价岩体的变形和稳定性，及探讨某些岩石力学理论问题。,（3）数学力学分析方法 数学力学分析是岩石力学研究中的一个重要环节。它是通过建立工程岩体的力学模型和利用适当的分析方法，预测工程岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为岩石工程设计和施工提供定量依据，其中建立符合实际的力学模型和选择适当的分析方法是数学力学分析中的关键。 目前常用的力学模型有：刚体力学模型、弹性及弹塑性力学模型、流变模型、断裂力学模型、损伤力学模型、渗透网络模型、拓扑模型等等。,（4）整体综合分析方法。 这是岩石力学与岩石工程研究中极其重要的一套工作方法。由于岩石力学与工程研究中每一环节都是多因素的，且信息量大，因此必须采用多种方法并考虑多种因素（包括工程的、地质的及施工的等）进行综合分析和综合评价，特别注重理论和经验相结合，才能得出符合实际情况的正确结论。,三、岩石力学的特点 1、岩石的破裂特性 一般工程力学所建立的理论并不能直接应用于岩石的破裂情况。 2、尺寸效应(scale effect ) 岩体中普遍存在着节理和由于其它地质成因生成的裂隙，形成宏观不连续面。岩体的强度和变形特征受岩石材料的性质和各种地质结构面的共同影响。,一般认为，在钻进过程中，钻头破碎岩石反应出的特征是完整岩石的强度特征。 在节理岩石中开挖巷道可以反应节理系统的性质。此时巷道的最终断面取决于节理的空间方位。 对于较大尺寸的岩柱，节理岩体可显示出准连续介质的特性。 可见工程对象与岩体之间相对尺寸的不同，处理办法也不同 。,3、抗拉强度(tensile strength ) 岩石由于其抗拉强度低而不同于其它常见的工程材料（混凝土除外）。 进行单轴抗拉强度实验的岩石试件破坏时的应力比单轴压缩实验的值低一个数量级。原因是岩石中的节理和其它裂隙只能抵抗极小的拉应力或根本不能抵抗拉应力。所以在一些工程中假设岩体的抗拉强度为零，为此把岩石称为“无拉伸”材料。 对于钻井工程中的井身结构设计来说，岩石的“无拉伸”材料性质意味着井壁一旦出现拉应力，就将发生井漏事故。,4、地下水的影响 地下水有两种方式影响岩体的力学性质。 最为明显的是通过有效应力(effective stress )原理起作用。承压水会减小岩石的有效法向应力，因此减小了由于摩擦而可能产生的潜在抗剪力，减小岩石的最终强度。,另一个影响是地下水对特种岩石和矿物的有害作用。例如，粘土层在存在地下水时可以软化，降低岩体强度，并增加岩体的变形。 地下水对岩体性质的影响在油气工程中是值得重视的。在钻井过程中，水基钻井液会逐渐浸入泥质岩石而使其强度降低，产生井壁失稳现象；注水是提高采收率的主要措施之一。而水的注入会改变泥质砂岩、页岩的强度、孔隙度和渗透率等性质、导致出砂、产量降低,5、风化(weathering ) 风化的定义是岩石由于其表面受到大气和水溶解的作用而发生化学或物理变化，这一过程类似于发生在普通材料上的腐蚀作用。 由于风化对完整材料力学性质及岩石表面摩擦系数有重要影响，所以风化对工程有着利害关系。风化会引起岩石性质持续地降低，而表面摩擦系数则会逐步降低。,对于石油工程来说，值得注意的问题是岩心(core )库中的岩心一般存放数年，有些种类岩石风化严重，利用这些岩石做实验所得结果很难代表地下岩石的实际情况。,6、岩体外载 对于一般的工程结构来说，在进行应力分析时，其外载条件是明确的。但对于地下岩体来说，却很难准确知道在工程扰动之前的应力状态。确定地层的原地应力状态是岩石力学的一个重要研究课题。,四、 油气工程中的岩石力学问题 （ Applications of rock mechanics in petroleum engineering） 岩石破碎机理及地层可钻性； 岩石力学与地球物理勘探综合研究； 钻探技术与井壁稳定性； 岩石力学与采油技术（水力压裂、出砂与防砂、水平钻孔）； 油藏变形及地面下沉； 岩石应力与岩石渗透性。,第一节 岩石的组成与结构 一、岩石的组成 地壳(earths crust )是由岩石组成的，岩石又是由矿物（mineralogy ）组成的，矿物又是由组成地壳的化学元素：O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等的化合物组成的，天然产出的这些元素的化合物即为矿物。,第二章 岩石的组成与岩石的物理性质,矿物（ mineral ）是均匀的，通常是由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列（结构）的均匀固体，不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质，如：石英(quartz )、长石(feldspar )、方解石(calcite )等；,岩石是由一种或几种矿物按一定方式结合而成的天然集合体 ，如：花岗岩（granite ），是由石英、长石、和云母颗粒(grain)组成的。 组成岩石的矿物有多种，其中常见的有：长石、石英、辉石、角闪石、云母、橄榄石、方解石、白云石、石膏、石墨、黄铁矿等。,二、岩石的分类 按照不同的成岩过程将岩石分为以下三类： 1、火成岩(Igneous Rock) 一般指岩浆（magma ）在地下或喷出地表冷凝后形成的岩石，又称岩浆岩，是组成地壳的主要岩石，占地壳总体积的95% 。如花岗岩、流纹岩、辉长岩、玄武岩、闪长岩、安山岩等。 火成岩中不含油气。,2、沉积岩(Sedimentary Rock) 尽管火成岩占据了地壳总体积的95%之多，但在地壳表层分布最广泛的却是沉积岩。 沉积岩覆盖了大陆面积的75(平均厚度为2km) 和几乎全部的海洋地壳(平均厚度为1km)面积。,沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结（consolidate）而成的岩石。也就是说，它是早先形成的岩石破坏后，又通过物理或化学作用在地球表面（大陆和海洋）的低凹部位沉积，经过压实、 胶结再次硬化，形成的具有层状构造特征的岩石。 沉积岩的种类很多，但若考虑到矿物颗粒的大小以及矿物成分等方面的因素，则可以将沉积岩分为砂岩(sandstone )、页岩(shale )和石灰(Marianna)岩三类。 沉积岩中的砂岩是石油、天然气的主力储层。,3、变质岩(Metamorphic Rock) 在地球内部高温或高压的情况下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。 这种过程不同于前面叙述过的火成过程或沉积过程，一般称之为变质过程，相应的这一作用叫做变质作用。 例如在保持固态情况下，石灰岩通过热力变质作用，发生了矿物的重结晶，使矿物颗粒粒度不断加大，形成了大理岩（marble ），因此，大理岩是一种变质岩。 火成岩中不含油气。,4、 成岩旋回(Rock cycle) 由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程可以看出它们之间有着密切的联系，它们都是活动着的地球过程的产物，同时，随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以互相转变。,成 岩 旋 回 图,一、岩石的结构 1、火成岩的结构，是由矿物晶体组成的，岩浆冷却结晶的时间越长，形成的晶体越大。,第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响,2、沉积岩的结构 有两种:一是碎屑结构，二是结晶结构。 碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有钙质和硅质两种。 结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定的，晶体形成一种紧密排列结构，没有孔隙，如岩盐(Rock salt)，它不能成为生油、储油层，但却是油气层的很好的盖层。,3、变质岩的结构，有片状结构和非片状结构两种。片状结构是在高温高压下，由重结晶作用和各种矿物的分离作用而造成的明暗矿物间互带。,二、岩石的强度（ rock strength ） 岩石的强度主要取决于矿物强度（ mineral strength ） 、结构联结形式、岩石的结构和整个构造。 对于火成岩、变质岩、化学沉积岩来说，化学结构连结起主要作用，因此，其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。 对于碎屑沉积岩来说，其胶结（cementation ）物对强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联结强度（cementation strength ）。不同胶结物的联结强度不同：硅质、铁质钙质泥质。,岩石力学性质主要是指岩石的变形(deformation )特征及岩石的强度(strength )。 影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型、组构、围压(confining pressure )、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等等。,第三章 岩石的力学性质及其影响因素,对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩石力学性质逐一进行研究，才能认识到哪些是主要影响因素，哪些是次要因素。从而得出某些参数，建立岩石的本构方程(constitutive equation )和破坏准则(failure criterion )，为进一步研究分析提供一定模式与依据。 要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响，只能在实验室内严格控制某些因素的情况下进行。然后将所得结果应用到实践中去验证，修正，直到与实际相符。,一、岩样的制备（sample preparation ） 室内进行岩石力学性质实验，首先应采集研究地层的岩石试件。为了保持岩样（rock sample ）原有物理力学性质（例如矿物成分、粒度、结构、构造、裂隙、节理发育程度等等），最好进行密闭取心（coring ）。然后将钻井岩心（core ）切割成(5 X l 0cm )圆柱体；但有时也可采用(5510cm)的长方柱体。按国际岩石力学学会（International Society for Rock Mechanics ）建议，试件长度与宽度（或直径）之比为2.53.0之间（我国多采用2.02. 5之间）。,第一节 岩石力学实验研究基础,二、实验研究的基本方法 将岩石试件放置在常规压力机（load frame ）或刚性压力机（ load frame stiffness ）上进行加载，其应变可以通过在试件上粘贴应变片（strain gauge ），由电阻应变仪测定。 当载荷递增时（通过压力机读数能看出），可以得到施加在试件上的压应力=P/A（其中P为载荷，为试件横截面面积）及对应的应变（=h/h）。在连续加载中（一般试验采用每秒58105Pa的速度加载），应力、应变在直角坐标系中绘制的曲线，称为应力一应变曲线（stress-strain diagram ）。,图 3-2 岩石应力应变全过程曲线,该曲线可分为四个阶段： (1)OA曲线 载荷由零逐渐增加到A点，曲线呈现微微向上弯曲的形状。这是岩石试件内部存在一定微裂隙（crack ） ，当载荷增加时，试件逐渐被压密所导致的结果。 该段曲线凹曲程度，取决于岩石中容易被压密的裂隙（crack ）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不太明显。,(2) AB曲线 一般AB线段呈近似直线，其斜率称为弹性模量E。加载是在点以下OB区间内时，若卸去载荷，则变形完全可恢复，没有永久变形，所以OB区间为弹性变形阶段。曲线上B点是产生弹性变形的应力极限值，称为弹性极限(elastic limit )。 事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷后，总会或多或少地保留部分永久应变，这是由于被压密的微裂隙（crack ）不可能完全恢复所导致的结果,(3) BC曲线 当载荷继续增加超过B点后，该曲线呈向下弯曲形状，这说明应力增加不大，而应变增加很多。 在超过 B 点的曲线上任一点（例如E点）卸载，应力一应变曲线将沿EO1 路径下降，直到完全卸载下降到与横坐标轴相交点O1，这表示岩石试件内应力完全消失，但应变确不能完全恢复，仍保留的一部分应变OO1称为塑性应变或永久应变（permanent strain ），已恢复的应变称为弹性应变(elastic strain )。,在岩石力学中将B点的应力称为屈服应力(yield stress)。卸载后再重新加载，则沿曲线O1R上升到与原曲线BC相联结，这样造成了一个滞回环，在R点以后随着载荷继续增加仍沿曲线上升到该曲线最高点C。如果在R点以后再卸载又会出现新的塑性应变，它似乎把弹性极限从B点提高到R点，这种现象称为应变硬化（strain hardening ）。,应力应变曲线最高点C的应力值称为抗压强度（compressive strength ）。它表示岩石在这种条件下所能承受的最大压应力。 对一般岩石，抗压强度约为弹性极限的1.53倍。 从B点开始，在BC线段范围内，岩石试件不断产生微破裂以及在粒内或粒间产生滑移，这就是岩石破坏前所具有的明显非弹性变形，这种现象称为扩容（dilation ）。由于达到点时微破裂的数量和扩展长度集聚增加，岩石具有显著的非弹性体积膨胀，直到C点有明显的破裂面形成。,(4) 曲线 岩石试件在刚性压力机作用下，应力应变曲线达到C点，已有宏观破裂面形成，但尚未完全破裂成几块，岩石内部尚有部分联结，仍能承受一部分载荷，但其承载能力越来越小。 从C点开始曲线逐渐下降。,若在CD曲线上任一点G 及时卸载，则沿着GK曲线下降，直到完全卸载，达到点K处，表示岩石产生较大的永久应变OK。 若再加载，则曲线又会沿KH线上升，直到点与CD曲线相联结，但H点的应力低于G点应力。这与在曲线BC线段中卸载后再加载的情况完全不同，前者卸载后再加载应力值上升，后者应力值下降，这说明CD线段岩石的强度不断下降，直到CD线段上某一点，由于破裂面上内聚力完全丧失，则岩石试件破裂成几块。,一、围压下岩石力学性质的实验 岩石在地下一般处于三向应力状态，为了模拟这种状态下的力学性质，一般在室内进行岩石三轴应力实验(triaxial test )。 三轴应力实验可分为常规三轴应力实验（12=3）及真三轴应力实验（123)两种。 目前大多数三轴应力实验实验属于常规三轴应力实验。,第二节 围压对岩石力学性质的影响,常规三轴应力实验，通常将一定尺寸圆柱形岩心试件用橡皮套或金属箔包好，放置在三轴压力机的高压釜内，四周通过液体或气体加载，由活塞施加轴向载荷进行实验。 采用差应力（differential stress ） 1 - 3 为直角坐标系的纵轴，以轴向应变（ axial strain）为横轴，绘制出应力一应变曲线(stress-strain diagram)。,图 3-3 Carrara 大理岩在不同 围压下应力一应变曲线 图 3-4 石灰岩在不同围压下应力应变曲线 (据Karman.1912) （据S-encer.1981）,实验结果表明：随着围压的增加，岩石逐渐从脆性转化为延性。但随着岩石类型的不同，脆性转化为延性的围压值也各不相同。 围压还影响着岩石的残余强度，随着围压加大，岩石的残余强度逐渐增加。 岩石强度及破坏前应变均随着围压的增加而增加。 围压对岩石弹性参数的影响：随着围压增加，岩石的弹性模量及泊桑系数等都有一定程度的提高。,地壳中随着深度的增加，地下温度逐渐升高。 据地下矿产开发和钻探工程的实践表明：地表以下温度梯度随着地区不同而不同，一般约为2030Km，在亚洲大陆地温梯度平均约为25/Km，区域变质地区可达4080Km。若按这些数字估计，在地下几千米深处，温度可达100以上，这会使岩石力学性质与常温常压下相比有明显差别。,第三节 温度对岩石力学性质的影响,实验表明：岩石在一定围压下，随着温度的升高，无论是拉伸或压缩，其屈服应力与强度均要降低，其影响程度随着岩石种类及受力状态的不同而各异。岩石会由脆性向延性转化。但同一种岩石，在同一围压下拉伸时脆性转化到延性所需温度远远高于压缩时，且压缩的强度远远大于拉伸。温度对岩石的弹性模量的影响：随着温度升高，弹性模量值逐渐减小。,图 3-10 岩石在围压下温度变化时应力一应变曲线 (a）一应变率为0.03；(b)一应变率0. 02yull大理岩； (c)一花岗岩压缩； (d)一辉长岩压缩,岩石孔隙中的液体对岩石的影响 孔隙中的液体对岩石的影响可分两种：其一是由于孔隙表面对液体的吸附作用，使其内部表面自由能降低，增加了颗粒边界位错的可能性。同时还产生扩散、溶解、润滑等有利于新矿物生长的效应 。 另一种效应主要表现为孔隙压力对岩石力学性质的影响。,第四节 孔隙、孔隙压力对岩石 力学性质的影响,有效应力(effective stress )的概念 Terzaghi (1933 )分析饱和土时首先提出孔隙压力及有效应力的概念。 当施加载荷时，土体内的压应力由两部分承担，即颗粒接触点的有效压应力与孔隙中饱和水产生的孔隙压力P(假设孔隙水不能自由排出)。,所以饱和土中任一点应力为： 有效应力为：,孔隙压力对岩石应力的影响 当岩石受到压力时，岩石试件中的孔隙压力抵消了围压的影响，使岩石内所产生的压应力变小。 实验结果表明，多孔岩石的强度取决于围压与孔隙液压之差，即有效围压。因此有效应力的概念也就在岩石中广泛应用。,若考虑孔隙压力，只要将 , ， 代替 、 、 ，即可得到岩石中任一斜截面上一点的有效应力。 通过有关的应力分析，岩石中任一斜截面上某点的有效正应力等于该点正应力减去孔隙压力，而剪应力不受孔隙压力的影响。,孔隙度、孔隙压力对岩石力学性质的影响 孔隙度(porosity)及孔隙压力(pore pressure)对岩石的变形性态、强度、压缩性及弹性模量均有较大影响。岩石中孔隙度增加，强度下降，但延性却能提高。抗压强度随着孔隙增加而按线性关系减小，在同样孔隙度情况下，湿砂岩比干砂岩的抗拉强度要下降一些。但无论是湿或干的砂岩，其抗拉强度随着孔隙度增加而下降。在一定围压下，由于孔隙压力增大，岩石强度及延性随之降低，,应变率(strain rate)是指应变的变化速率，即单位时间内应变变化量，通常用以 或d /dt)表示。 在一定围压、温度下，应变率对岩石变形特征、弹性模量及强度均有较大影响。 通常情况下，岩石的峰值应力（强度）及弹性模量随着应变率降低而下降，而破坏前应变则随着应变率降低而增加。,第五节 应变率对岩石力学性质的影响,图3-25 (a)不同应变率条件下砂岩的应力一应变关系曲线 (b)应变率对砂岩单轴抗压强度及弹性模量的影响 （据Bieniawski，1970）,第四章 岩石的强度与室内测定,岩样（rock sample ）的制备 岩石的取样既要避免岩体的结构面(tectonic surface )，又要有一定的代表性和广泛性。 所取的样品必须标明它的出处（产地、井深、层位和岩性）。 根据需要不同，实验样品可分为三大类：规则岩样（圆柱体、棱柱体或立方体）、不规则岩样和特殊形状岩样。,规则岩样(regular lump) 大多数实验样品是圆柱体。加工样品的直径多采用2.5-5.0cm，常用实验所采用的长径比（geothermal gradient ）如下： 抗压强度实验(compressive strength test)：2.5-3.0 弯曲实验(curved test)：3.0-7.0 巴西实验(Brazilian test)：0.5-1.0 冲压实验(punching test)：0.2-0.25,为了制备这些规则岩样，多用地下开挖或钻井取得的岩心在实验室里加工。 在制备岩样时，先用锯将岩心切成所需要的长度。当用大块岩石制备样品时，首先用机器或人工将其切成小块，然后经改进的台钻或小型采石钻在岩块上钻取岩心。,在实验前，样品端面的制作要符合一定的标准。因为样品端面的沟槽或孔洞处会形成应力集中点，导致样品在相当低的载荷条件下就发生破坏。 采用车床或表面研磨制备样品时，样品周边如果粗糙，必须修整光滑。,对于抗压强度实验(compressive strength test)的圆柱体岩样，ISRM规定的标准是： （1）样品端面应当磨平到0. 02mm， （2）样品端面应当垂直于样品轴，误差在0.001弧度以内； （3）样品的周边应当是光滑的，并且没有不规则的凸起，而且在样品整个长度上的直径差不超过0. 3mm；,不规则样品（irregular lump） 不规则实验的样品采取用小锤轻敲去掉尖角，按照样品的重量选择大小。,特殊形状岩样 根据特殊用途的要求，进行特殊加工，如圆环、球形等。 由于岩石的非均匀性（heterogeneous property ），单块岩石的实验数据不可能代表某一层位的性质，必须做足够数量的岩样。实验样品的数量取决于结果的偏差系数和平均值的精度与可靠性。 通常情况下，均质岩石的样品数量如下：大理岩2-3个，页岩5个，砂岩5-10个。,一、岩石强度(rock strength)的定义 岩石强度的含义是指岩石不致产生破坏而能抵抗的最大应力，而岩石力学中常将破坏应力定义为岩石强度。 单轴强度(uniaxial strength )是指岩石试件在单轴载荷下达到破坏时的最大应力，一般分成抗压、抗拉、抗剪强度等等。,岩石抗压强度及其影响因素,单轴抗压强度(uniaxial compressive strength )简称抗压强度， 通常将圆柱体（直径为5.4cm，高为 llcm) 或立方柱体5*5*11cm3的岩石试件放置在压力机上进行单轴加压试验，当压力使岩石达到破坏时，此时试件的破坏应力被称为岩石抗压强度。即：,上式，Pc 为破坏载荷；A为试件原始横截面面积。,二、岩石抗压强度的影响因素 抗压强度的影响因素大体可分两类： 其一是岩石本身的因素，如：岩石结构构造、矿物成分、颗粒大小、胶结物、容重、孔隙度及含水量等等（内在因素）； 其二是实验方法与物理环境的影响，如：试件尺寸、形状、试件加工情况、压力机压头与试件之间的摩擦、加载速率及周围物理环境等（外在因素）。,1、内在因素 一般岩石中如含有较高的石英、长石、辉石等矿物，则岩石的抗压强度相对提高。反之，岩石中含有较多强度较低的云母、高岭土、绿泥石、滑石、叶腊石等，则岩石的抗压强度相对降低。 岩石中的胶结物以硅质胶结物强度最高。其次是铁质、钙质胶结物，而泥质胶结物强度最低。 若有水的渗入促进胶结软化，可使岩石强度显著降低。,颗粒的大小也影响岩石强度，细粒岩石其强度往往大于粗粒岩石。 岩石孔隙度对抗压强度影响很大，随着岩石孔隙度增大而抗压强度显著下降。 岩石的的结构构造： 沉积岩中具有层理，各种片岩中具有片理，且矿物多处于定向排列，均形成各向异性的（anisotropic ）特征，这种各向异性岩石（anisotropic rock）平行层理方向及垂直层理方向其抗压强度差别很大。,一般垂直层理方向的抗压强度大于平行层理方向的抗压强度。这是因为层面间粘结较差，当平行层理方向施加压力时，则沿层理面容易裂开。故顺层理方向抗压强度较低。,2、外在因素 外在因素之一：实验方法 实验方法对岩石抗压强度影响也很显著，将制备的试件直接放在压力机下加载，试件端部表面产生不均匀分布的应力（应力集中stress concentration ），如图4-5所示。,图45 岩石试件端面上压应力分布 图46 岩石抗压强度与h/d关系（据Mogi.1960）,试件的形状及大小(specimen shape and size) 岩石试件的形状及大小均对岩石强度有一定影响。 一般高与直径之比为1:1的圆柱体其抗压强度高于同样比值的立方体之抗压强度。高与直径之比为1.5：1圆柱体之抗压强度低于1.5:1的长方体之强度，大约与2：1的长方体强度相同。由此可见试件形状及高度与直径之比也影响岩石强度值的大小。,一般情况下，若圆柱体试件高度比直径短时，抗压强度增大，反之强度降低。岩石试件高度、直径之比与抗压强度的关系如图 4-7 所示。,图 4-7 Westerly花岗岩抗压强度与h /d关系,从图 4-7 中可以看出：高度与直径之比为2.5时抗压强度趋近于常数。因此，国际岩石力学学会于1972年建议，采用高度与直径比为 2.5-3 的岩石试件为宜。,加载速率 加载速率对岩石抗压强度有显著影响。 通常岩石试件抗压强度随加载速率增大而增大，在高速加载下，如冲击或声速加载，其抗压强度为低速加载的几倍。如表 4-3 所示。,表4-3 加载速率对抗压强度的影响,所以在进行岩石强度实验时，一般加载速率控制在每秒0.1-1MPa范围内，在这个数值范围内，加载速率对岩石强度的影响可忽略不计。,温度 温度对岩石的抗拉、抗压强度有很大影响，尤其在几百度温度下其影响尤为显著。 一般结晶类岩石（如花岗石）无论是抗拉、抗压强度都随着温度上升而降低；但有些非晶质结构岩石（如安山岩、凝灰岩）其抗压强度随着温度上升反而增大。,一、抗拉强度（tensile strength ）的定义 岩石的抗拉强度是指试件在单轴拉伸(uniaxial tensile )条件下达到破坏（failure ）时的极限应力(ultimate stress )。,岩石抗拉强度及其影响因素,二、岩石抗拉强度的实验方法 1、直接方法来测定岩石的抗拉强度。 直接法在原理上类似于金属的拉伸破坏实验。但最大的困难是如何使岩石试件夹紧在拉力机中，同时又要使载荷平行于试件的轴线；使岩石试件处于均匀分布的拉应力状态之中，而不使试件产生弯曲(winding)或扭转(torsion )。,拉伸试件形状如图4-9(a)所示，若试件破坏时的拉力为Pt ，则试件的抗拉强度 可用下式表示：,由于直接法进行拉伸破坏实验有一定困难，因此一般采用间接法进行。,2、间接方法测定岩石的抗拉强度 间接法一般采用劈裂法，又称巴西实验法(Brazilian test）。将岩石试件切割成圆柱体，沿圆柱体直径方向施加均布载荷，如图4-9(b)所示：,将试件横置于压力机压头上，在试件上下承压板上各放置一条钢条，然后施加压力至试件沿直径方向劈裂为止，若假设材料为均匀、各向同性的（isotropic ）弹性体，用弹性理论即可得出抗拉强度为：,式中，d为试件直径，1为试件厚度，P为破坏载荷。,根据弹性理论，圆柱试件在均布载荷下，直径上的拉应力(tensile stress)分布如图4-10所示。 但实际上用压力机进行劈裂实验，达不到理想的线性分布载荷的情况。只有在试件中心部位，拉应力分布才较为均匀。 在距中心上下方0.8r(半径)处应力值为零；大于0.8r处变为压应力(compressive stress)，且两端加载处压应力最大，其值为试件中心处拉应力的12倍。 由于岩石抗拉强度远远低于抗压强度（约为1/10-1/50)，因此试件在较小的拉应力作用下仍能被劈裂。,图4-10 劈裂法实验中沿竖直截面应力的分布 （据shook，1963）,三、岩石抗拉强度的影响因素 圆柱试件的尺寸（直径与厚度）对岩石的抗拉强度(tensile strength )是有一定影响的。 随着试件直径、厚度的增加，抗拉强度也增大。 一般直径为5.lcm，厚度为2.5cm，抗拉强度基本趋于稳定。,页岩、砂岩等沉积岩，由于存在层理(bedding)，沿层理面(bedding plane)抗拉强度(tensile strength )最低。 设载荷与层面之间如图4-12 (a)、(b)、（c）所示，其抗拉强度为 、 、 则页岩三个方向的抗拉强度的比为：: : =100:83:68,岩石的抗拉强度还受到岩石本身内部组分的影响，例如矿物成份，颗粒间胶结物的强度都影响岩石的抗拉强度。 另外，岩石的抗拉强度一般随着加载速率的增加而增大。岩石的抗拉强度随着温度、湿度及孔隙度增加而降低。这个结论与抗压强度相同，但增加或减低的幅度却并不一样。,一、抗剪强度（shear strength ）的定义 抗剪强度一般有两种定义： 一种是指试件在法向载荷作用下，岩石剪切破坏面上的最大剪应力（shear force ）； 另一种定义为纯剪切时（即没有法向载荷），剪切破坏面上的最大剪应力。,岩石的抗剪强度及其影响因素,两种定义方法中，前者考虑到剪切破坏时岩石中包含着粘聚力和内摩擦力；后者仅仅取决于粘聚力。因此，亦有人称前者为抗剪强度，称后者为抗切强度。 目前采用第一种定义方法的比较多。本节所讲的抗剪强度，即指有法向载荷（normal force ）时岩石剪切破坏面上的最大剪应力。,二、岩石抗剪强度的实验方法 确定岩石抗剪强度的实验方法，分室内和现场两种，室内常采用直接剪切实验及三轴实验（triaxial test ）。,（一）直接剪切实验一倾斜压模剪切法 最广泛采用的是楔形简单剪切仪，主要装置如图4-13所示，将长方柱体（101015cm )试件放置在剪切仪中，在压力机上施加压力进行剪切破坏试验。,图413简单剪切仪装置 图414岩石剪切强度曲线 图415改变剪切角的装置 （据protodyakonor,1969） (据protodyakonow,1969) (a)=50(b)=45 (c)=40,当载荷P达到一定值时，试件沿ab截面剪断，一般在剪切装置上下与压力板之间装有滚轴，并加上滑润油，在加载过程中可以消除压力板与剪切仪之间的摩擦阻力。当试件产生剪切破坏时，破裂面上的剪应力及正应力分别为：,上式中，P为试件产生剪切破坏时的载荷； T为作用在剪切破坏面上的剪力； N为作用在剪切破坏面上的压应力； A为剪切破坏面面积； 为水平面与剪切破坏面之间的夹角。,剪切破坏实验时，同一种岩石采用多个岩石试件，分别以不同角度 进行实验。 当剪切破坏时，对应每一个 值可以得到一对 及 值，在 坐标系中绘出不同 值的一系列点，用光滑曲线连接这些点，此曲线即为某种岩石剪切破坏时的强度曲线（图4-14中三条曲线表示三种岩石的强度曲线）。,（二）岩石抗剪强度的三轴实验 岩石抗剪强度的三轴实验（triaxial test ）采用图4-16所示三轴实验仪，将岩石试件放置在压力室内(高压釜 pressure vessel )，施加一定的侧向压力( )，然后施加垂直压力（ ），直到岩石破坏。这样可得到岩石破坏时 及 值。,图4-16 三轴应力仪装置图 图4-17 三轴实验的剪切强度曲线,1一压力室； 2一密封装置； 3一球面底座； 4一压力输入口；5一排气口； 6一侧向压力；7一试件；8一压力机施加垂直压力,于是在 坐标系中可画出一个破坏应力圆。用相同岩石的试件进行不同侧向压力 及垂直压力 的破坏实验，这样可得到一系列不同的 及 值，可画出一组破坏应力圆。 这组破坏应力圆(failure stress circle )的包络线，即为岩石抗剪强度曲线。,图4-17中，包络线上任意点的纵坐标即代表在一定围压及垂直压应力作用下，沿剪切破裂面的抗剪强度；任意点的切线与横坐标之间夹角，代表相应剪切面上的内摩擦角 (angle of internal friction )；切线与纵坐标相交的截距，即为该剪切破坏面的粘聚力C 。,在没有考虑其它因素影响情况下，各种强度大小的顺序为： 三轴抗压强度单轴抗压强度抗剪强度单轴抗拉强度。 triaxial compressive strength uniaxial compressive strength shear strength uniaxial tensile strength . 岩石的三轴抗压强度最高，而单轴抗拉强度最低。单轴抗压强度为单轴抗拉强度的10-50倍，而为抗剪强度的3-10倍左右。,第一节 基本概念 一、岩石的流变性 岩石在长期载荷作用下，应力、应变随时间而变化的性质称为岩石流变性。,第五章 岩石流变特性,野外所观察的构造形迹是在漫长的地质年代中在长时期载荷作用下（包括温度、围压等因素），逐渐发展形成的。遗留的这些痕迹实际上就是地块中流变性的表象。 有些在特定条件下的岩体，如破碎带、软弱夹层、断层、充填着粘土质的裂隙以及边坡等，在现今构造应力或自重作用下，随着时间的增长亦会产生显著的蠕变现象。,石油工程中的流变现象： 在石油钻井过程中，当钻遇盐膏层时，会发生缩径现象；油田开发过程中，由于注水，泥页岩部位的套管会受到非均匀外载的作用等都与岩层蠕变有关。,蠕变的定义： 岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢地增长现象称为蠕变(Creep）。,应力松弛的定义： 若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少的现象称松驰(Relaxation)或称应力松驰。 岩石卸载后应力立刻消失，而应变却随时间逐渐恢复，所以应力与应变的恢复不是同步的，即应变总是落后于应力。具有这种特性的弹性变形称为滞弹性或弹性后效。,二、岩石的蠕变性态的实验研究 岩石的蠕变性态可以通过单轴或三轴压缩、扭转或弯曲等蠕变实验来进行研