2006级硕士岩石力学课件

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1、1,油气工程岩石力学,硕士研究生专用,2,1.1 概念 岩石力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境的力场的反应的力学分支。 岩石力学=应力+强度 1.2 特点 岩石的破裂 结构特征 抗拉强度 孔隙流体 风化 岩体外载,一、 岩石力学概述,3,岩石的破裂特性 岩石一般处于压应力状态，破坏具有局部性。 尺寸效应 岩石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。 抗拉强度 岩石的抗拉强度远低于抗压强度 地下水的影响 孔隙压力的影响，通过有效应力原理起作用 风化 岩体外载 原地应力状态的确定,4,1.3 研究方法 科学实验、理论分析和现场验证

2、1.4 发展史 1951年奥地利J. Stini 和 L. Muller等人联合地质、力学、工程等学科专家学者在奥地利的Salzburg发起和举行了以岩石力学为主题的第一次国际岩石力学研讨会。 1962年国际岩石力学学会成立。 美国1965年成立了联邦岩石力学委员会。 1981年成立了中国岩石力学与工程学会筹备组，随后成立了国际岩石力学学会中国小组。1985年正式成立中国岩石力学与工程学会。 专业委员会、省级委员会成立。,5,1.5 应用领域 采矿（表面开采与地下开采） 能源开发（水电与核电、油气储存、核废料储存、地热） 交通运输 建筑 军事 石油工程 地质构造分析 地震预测,6,1 .6 石

3、油工程岩石力学研究特点 特点 深度大 看不见摸不着 固液耦合 钻遇地层的种类繁杂 研究领域 岩石破碎机理及地层可钻性 地层防斜 井壁不稳定问题 水力压裂 出砂与防砂 套管损坏 油藏变形 地面下沉,7,二、弹性力学基础,2.1 基本概念 外力: 表面力（集中力、分布力）、体力 内力：外力的反作用力：单位：N 应力:单位面积上的内力。单位：MPa 应变:长度的变化，角度的变化。无量纲单位。,8,应力符号说明： v上覆岩层压力； H最大水平主应力； h最小水平主应力 x y z r 正应力； xy yz zx r rz z切向应力； r 径向应力； 周向应力；,应力的概念,9,一点的应力状态 分正应

4、力、剪应力两大类。 由六个独立的应力分量描述： =x,y,z,xy,yz,zx,R,=R/A,z,y,x,xyzx,10,应力状态：一点应力的总和。,z zx zy,y yx yz,x xy xz,x,z,11,2.2 主应力与主应变,主应力 应力不变量 偏应力 主应变,12,可以证明：通过一点总存在着三个相互垂直其剪应力为零的特殊截面，该截面称为主面，其外法线方向称为该点的主方向。作用在主面上的正应力称为主应力。,n,13,14,根据上述方程可求得三个实根：123称为最大、中间及最小主应力。I1、I2、I3分别称为应力张量的第一、第二、第三不变量。,2,1,3,n,15,剪应力,斜面上的正应

5、力和剪应力为：,最大剪应力：,16,球应力张量、偏应力张量、八面体应力及应力强度,分成球应力张量和偏应力张量,17,偏应力不变量：,八面体是一组特殊的斜截面，其上的应力为：,18,几何方程：,某点某方向上剪应变为零，该方向称为应变主方向，其上的正应变称为主应变。,19,2.3 三大方程,静态平衡方程 相容方程 物理方程,20,静力平衡方程,x,y,z,y,21,22,变形协调方程：,23,物理方程：,剪切弹性模量 体积弹性模量,24,2.4 平面问题,平面应力问题 平面应变问题 厚壁筒分析,25,平面应变问题,26,平面应力问题,27,岩土力学中关于位移、应变和应力的规定： （1）沿坐标轴正方

6、向作用的力和位移分量为正； （2）收缩正应变取为正； （3）压缩正应力取为正； （4）若截面内法线相对于坐标原点向内指，则截面上剪应力方向相对于坐标原点向内为正，反之亦然。,28,Mohrs stress circle,1,2,1,2,29,习题 1、下图所示的矩形板边缘上均匀地分布着给定载荷，板厚50mm， AB长500mm，BC长400mm。 （a）确定BC、DA边上为保持板的平衡必须有用的剪力。 （b）相对于xy参考轴，确定板内任一点p的应力状态。 （c）对于所示的lm轴，确定应力分量ll、mm、lm。 （d）确定最大主应力值和最大应力轴相对x轴的方向。 （e）对于GH面，其外法线与x轴

7、的夹角为，请确定作用在该面上的作为xx、yy、xy和函数的牵引力分量表达式，并分别给出=0、60、90时的tx、ty值。给出=60时的平面合应力。,30,400kN,250kN,300kN,250kN,400kN,y,x,m,l,x,G,H,p,tx,ty,30,31,三、岩石的基本力学性质,常温常压下岩石的力学性质 围压对岩石力学性质的影响 温度对岩石力学性质的影响 孔隙压力对对岩石力学性质的影响,32,3.1 常温常压下岩石的力学性质,实验条件：圆柱形试件，高径比2-2.5。加载速率5-8x105Pa/S. R.P. Miller将单轴压缩下应力应变曲线分为6大类型。 全应力应变曲线 弹性

8、参数的确定,33,6大类型 弹性变形 弹-塑性变形 塑弹性变形 塑-弹-塑性变形 弹-塑-蠕变变形,34,弹性,弹-塑,塑-弹,塑-弹-塑,塑-弹-塑,屈服,35,全应力应变曲线,o,A,B,C,D,OA微裂缝闭合 AB弹性变形 BC弹塑性变形 CD参与变形,36,切线模量 Et=d/d 割线模量 Es= k/ k,k,k,37,3.2 围压对岩石力学性质的影响,图1-1 Carrara大理岩在不同围压下应力-应变曲线,Pc=100MPa,50MPa,30MPa,0MPa,38,石灰石,39,主要结论： (1) 随着围压的增加，其破坏强度、屈服应力及延性都增加。 (2) 在三轴不等压情况下，随

9、着中间主应力2的增加，其破坏强度、屈服应力增加，但延性减小。 (3) 在三轴不等压情况下，随着最小主应力3增加，其破坏强度及延性增加，但屈服应力保持不变。,40,3.3 温度对岩石力学性质的影响,图1-4 温度对岩石力学性质的影响,25C,100 C,300 C,41,42,主要结论： （1）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，加速了由脆性向延性转化。其影响程度随着岩石种类及受力状态的不同而各异。 （2）随着温度的升高，弹性模量值逐渐降低。,43,3.4 孔隙压力对岩石力学性质的影响,图1-6 围压50MPa孔隙压力对石灰岩力学性质的影响,Pp=0MP

10、a,30MPa,50MPa,44,有效应力的基本原理,有效应力为:=-Pp,h1,h2,A点的总应力 =wh1+ sh2 A点的孔隙压力 Pp= w(h1+h2) A点的有效应力 =-Pp= wh1+ sh2- w(h1+h2) =(s- w)h2 当h1发生变化时，A点总应力变化，有效应力不变。,45,主要结论： （1）在一定围压下，由于孔隙压力增大，强度及延性随之降低。若孔隙压力逐渐提高，则岩石强度随之下降，且由延性逐渐转化为脆性。 （2）当孔隙压力等于围压时，则相当于单轴压缩的应力-应变曲线及强度。,46,四、岩石的强度与室内实验,岩石的破坏与破坏类型 岩石的抗压强度及其影响因素 岩石抗

11、拉强度及其影响因素 岩石抗剪强度及其影响因素 不连续结构面的强度及其影响因素,47,4.1 岩石的破坏与破坏类型 一、岩样的制备 圆柱形试件：直径 1“、1.5”、2“三种H/D比： 抗压强度实验2.5-3.0 弯曲实验3.0-7.0 巴西实验0.5-1.0 冲压实验0.2-0.25 加工精度： 端面磨平到0.02mm；端面与轴线的垂直度误差在0.001弧度；周边的不平度直径差不超过0.3mm. 岩芯的代表性：大理石2-3块，页岩5块，砂岩5-10块,48,二、岩石的破坏类型 岩石的破坏取决于物理环境，在低温、低围压及高应变速率下，表现为脆性破坏；在高温、高围压及低应变速率下，表现为延性破坏。

12、 根据岩石破坏前应变的百分数可以将岩石破坏分为5种类型。,49,50,根据岩石破坏前的应变量分为五类： 第一类：近地表岩石，破坏前变形量1%，岩石垂直于最小主应力方向产生张性破裂。 第二类：离地表一定深度，岩石表现少量延性，破坏前应变量在1-5%。 第三类：离地表2-5Km，破坏面为单一剪切面，破裂面与最大主应力方向的夹角小于45，破坏前的应变在2-8%。 第四类：离开地表10-20Km，处于较高的温度和围压下，破坏时剪切破碎带较宽，且有一定的相互错动，断层面与最大主应力方向夹角略小于45，破坏前应变量在5-10%。 第五类：距地表20Km，围压大于50MPa，温度大于500，岩石处于完全延性

13、状态，永久应变量大于10%。,51,图4-2 石灰岩及大理石的破坏特征,52,4.2 岩石抗压强度及其影响因素 一、抗压强度 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，岩石力学中常将破坏应力定义为岩石强度。 单轴强度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。 单轴抗压强度简称抗压强度，通常将圆柱体(如5.411cm3)的岩石试件放置在压力机上进行单轴加压试验，当压力达到破坏时，则试件破坏应力称为岩石抗压强度。即 c=Pc/A 上式Pc为破坏载荷， A为试件原始横截面面积。,53,二、影响因素 1、岩石的内在因素 矿物成分、颗粒大小、胶结物及孔隙

14、度是控制强度的内在因素。 硅质胶结铁质、钙质胶结泥质胶结 水的渗入促进交接软化，强度大幅降低。 2、实验方法与物理环境 试件直接放在压机上加载，端面产生不均匀分布力； 高径比的影响,54,端面压力分布图 高径比对强度的影响,1 1.5 2 2.5 3,55,4.3 岩石的单轴抗拉强度及其影响因素 一、抗拉强度 岩石的抗拉强度是指试件在单轴拉伸条件下达到破坏时的极限应力。可采用直接或间接方法来测定岩石的抗拉强度。 直接法： t=P/A 间接法即巴西实验法(Brazilian test) t=2P/dl,56,二、岩石抗拉强度影响因素 岩石抗拉强度远远低于抗压强度，一般前者为后者的1/101/20

15、，甚至为1/50。其抗拉强度低的原因主要是由于岩石内部孔隙的影响，一般情况由于岩石内部微裂隙、孔隙较为发育，这种缺陷对抗拉强度降低尤为敏感，在拉应力作用下具有削弱岩石强度的效应。 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。,57,4.4 岩石的抗剪强度 一、抗剪强度（内聚力0，内摩擦角） 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；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。 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。 室内常采用直接剪切实验及三轴实验确定抗剪强度。,58,直接剪切实验倾斜压模剪切法 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。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：