《岩石力学上》PPT课件.ppt

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1、一、一、岩石力学（岩石力学（Rock mechanicsRock mechanics）的基本概念的基本概念 岩石力学是研究岩石或岩体在外力作用下的岩石力学是研究岩石或岩体在外力作用下的应力状态应力状态（stress stress statestate）、应变状态（应变状态（strain statestrain state）和和破坏条件（破坏条件（failure failure criterioncriterion ）等力学特性的学科，它是解决岩石工程等力学特性的学科，它是解决岩石工程(即与岩石有关即与岩石有关的工程的工程)技术问题的理论基础。技术问题的理论基础。第一章第一章 绪绪 论论 （In

2、troduction to Rock MechanicsIntroduction to Rock Mechanics）二、研究内容与研究方法二、研究内容与研究方法 1 1、研究内容、研究内容 （1 1）岩石、岩体的地质特征）岩石、岩体的地质特征 内容包括：内容包括：岩石的物质组成和结构特征；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；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；岩体结构及其力学特征；岩体工程分类。岩体工程分类。（2 2）岩石的物理、水理与热力学性质）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岩石的物理性质是指岩石的孔隙度（孔隙度（po

3、rosityporosity ）、渗透率渗透率（permeabilitypermeability ）、可压缩性、导电性、传热性的总称。、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。岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（3 3）岩石的基本力学性质）岩石的基本力学性质 内容包括：内容包括：岩块在各种力学作用下的岩块在各种力学作用下的变形（变形（deformation deformation）和和强度强度（strengthstrength ）特征以及力学指标参数；特征以及力

4、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、湿度影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度等；等；岩石的岩石的变形（变形（deformation deformation）破坏机理及其破坏机理及其破坏判据破坏判据（failure criterionfailure criterion ）。（4 4）结构面力学性质）结构面力学性质 内容包括：内容包括：结构面在结构面在法向压应力（法向压应力（compressivecompressive stressstress ）及及剪应力剪应力（shear stressshear stress ）作用下的作用下的变形（变形（deforma

5、tion deformation）特征及其参特征及其参数确定；数确定；结构面结构面剪切强度（剪切强度（shear strength shear strength）特征及其测试技术特征及其测试技术和方法。和方法。（5 5）原岩应力（地应力）分布规律及其测量理论与方法。）原岩应力（地应力）分布规律及其测量理论与方法。（6 6）岩体力学性质）岩体力学性质 内容包括：内容包括：岩体岩体变形（变形（deformation deformation）与与强度（强度（strength strength）特征特征及其原位测试技术与方法；生日送什么礼物好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

6、处理与经验估计；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；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。岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。（7 7）工程岩体的稳定性）工程岩体的稳定性 内容包括：内容包括：各类工程岩体在开挖荷载作用下的各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力（应力（stress stress ）、位、位移分布特征；移分布特征；各类工程岩体在开挖荷载作用下的各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形（变形（deformation deformation）破坏特征；破坏特征；各类工程岩体的稳定性分析与评价等。各类工程岩体的稳定性分析

7、与评价等。（8 8）岩石工程稳定性维护技术，包括岩体性质的改善与加）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。固技术等。（9 9）各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用。）各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用。（1010）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。模型）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

8、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。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给女孩送礼送什么好 2 2研究方法研究方法 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。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：的不同，岩石力学的研究方法可大概归纳为以下四种：（1 1）工程地质

9、研究方法）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、构构造特征；用地层学方法、构造地质（构造地质（structural geologystructural 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各种结构面的发育情况等；用水文地质学方法了

10、解赋存于岩体中地下水的形成与运移规律等等。中地下水的形成与运移规律等等。（2 2）科学实验方法）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

11、接评价（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。岩体的变形和稳定性，及探讨某些岩石力学理论问题。（3 3）数学力学分析方法）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计和施工提供定量依据，其中建立符合实际的

12、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。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。网络模型、拓扑模型等等。（4 4）整体综合分析方法。）整体综合分析方法。这这是是岩岩石石力力学学与与岩岩石石工工程程研研究究中中极极其其重重要要的的一一套套工工作作方方法法。由由于于岩岩石石力力学学与与工工程程研研究究中中每每一一环环节节都都是是多多因因素素的的，且且信信息息量量大大

13、，因因此此必必须须采采用用多多种种方方法法并并考考虑虑多多种种因因素素（包包括括工工程程的的、地地质质的的及及施施工工的的等等）进进行行综综合合分分析析和和综综合合评评价价，特特别别注注重重理理论论和和经验相结合，才能得出符合实际情况的正确结论。经验相结合，才能得出符合实际情况的正确结论。三、岩石力学的特点三、岩石力学的特点 1 1、岩石的、岩石的破裂特性破裂特性 一一般般工工程程力力学学所所建建立立的的理理论论并并不不能能直直接接应应用用于于岩岩石石的的破破裂裂情况。情况。2 2、尺寸效应尺寸效应(scale effect scale effect)岩体中普遍存在着节理和由于其它地质成因生成

14、的裂隙，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。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。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。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。对于较大尺寸的岩

15、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 3、抗拉强度抗拉强度(tensile strength 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）。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

16、本不能抵抗拉应力。所以在一些工程中假设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，为此把岩石称为岩体的抗拉强度为零，为此把岩石称为“无拉伸无拉伸”材料。材料。对于钻井工程中的井身结构设计来说，岩石的对于钻井工程中的井身结构设计来说，岩石的“无拉伸无拉伸”材材料性质意味着井壁一旦出现拉应力，就将发生井漏事故。料性质意味着井壁一旦出现拉应力，就将发生井漏事故。4 4、地下水的影响、地下水的影响 地下水有两种方式影响岩体的力学性质。地下水有两种方式影响岩体的力学性质。最为明显的是通过最为明显的是通过有效应力有效应力(effective stresseffective

17、stress)原理起作用。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。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。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

18、强度降钻井过程中，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。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、产量降低等性质、导致出砂、产量降低 5 5、风化风化(weatheringweathering)风风化化的的定定义义是是岩岩石石由由于于其其表表面面受受到到大大气气和和水水溶溶解解的的作作用用而而发发生生化化学学或或物物理理变变化化，这这一一过过程程类类似似于于发发生生在在普普通通材材料料上上的的腐腐蚀作用。蚀

19、作用。由由于于风风化化对对完完整整材材料料力力学学性性质质及及岩岩石石表表面面摩摩擦擦系系数数有有重重要要影影响响，所所以以风风化化对对工工程程有有着着利利害害关关系系。风风化化会会引引起起岩岩石石性性质质持持续地降低，而表面摩擦系数则会逐步降低。续地降低，而表面摩擦系数则会逐步降低。对对于于石石油油工工程程来来说说，值值得得注注意意的的问问题题是是岩岩心心(corecore )库库中中的的岩岩心心一一般般存存放放数数年年，有有些些种种类类岩岩石石风风化化严严重重，利利用用这这些些岩岩石做实验所得结果很难代表地下岩石的实际情况石做实验所得结果很难代表地下岩石的实际情况。6 6、岩体外载、岩体外

20、载 对于一般的工程结构来说，在进行应力分析时，其外载条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。个重要研究课题。四、四、油气工程中的岩石力学问题油气工程中的岩石力学问题 （Applications of rock mechanics in petroleum engineeringApplications of rock mechanics in petro

21、leum engineering）岩石破碎机理及地层可钻性；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；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；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）；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；油藏变形及地面下沉；岩石应力与岩石渗透性。岩石应力与岩石渗透性。第一节第一节 岩石的组成与结构岩石的组成与结构 一、岩石的组成一、岩石的组成 地壳地壳(earths crust)(earths crust)是由岩石组成的，是由岩石组成的，岩石又是由岩石又是由矿物（矿物（mine

22、ralogy mineralogy）组成的）组成的，矿物又是由组成地壳的化学，矿物又是由组成地壳的化学元素：元素：O O、SiSi、AlAl、FeFe、CaCa、K K、NaNa、MgMg等的化合物组成的，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。天然产出的这些元素的化合物即为矿物。第二章第二章 岩石的组成与岩石的物理性质岩石的组成与岩石的物理性质 矿物（矿物（mineralmineral）是均匀的是均匀的，通常是由无机作用形，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

23、上互不相同的匀固体，不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质，如：物质，如：石英石英(quartz)、长石长石(feldspar)、方解石、方解石(calcite)等；等；岩石是由一种或几种矿物按一定方式结合而成的天然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集合体，如：，如：花岗岩（花岗岩（granite granite），是由石英、长石、和云，是由石英、长石、和云母颗粒母颗粒(graingrain)组成的。组成的。组成岩石的矿物有多种，其中常见的有：长石、石英、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、石辉石、角闪石、

24、云母、橄榄石、方解石、白云石、石膏、石墨、黄铁矿等。墨、黄铁矿等。二、岩石的分类二、岩石的分类 按照不同的成岩过程将岩石分为以下三类：按照不同的成岩过程将岩石分为以下三类：1 1、火成岩、火成岩(Igneous Rock)(Igneous Rock)一般指岩浆（一般指岩浆（magma magma）在地下或喷出地表冷凝后形成）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，占地壳总体积的体积的95%95%。如花岗岩、流纹岩、辉长岩、玄武岩、闪长。如花岗岩、流纹岩、辉长岩、玄武岩、闪长岩、安山岩等。岩、安山岩等。火成岩中不含油气

25、。火成岩中不含油气。2 2、沉积岩、沉积岩(Sedimentary Rock)(Sedimentary Rock)尽管火成岩占据了地壳总体积的尽管火成岩占据了地壳总体积的95%95%之多，但在地壳表之多，但在地壳表层分布最广泛的却是沉积岩。层分布最广泛的却是沉积岩。沉积岩覆盖了大陆面积的沉积岩覆盖了大陆面积的7575(平均厚度为平均厚度为2km)2km)和几乎和几乎全部的海洋地壳全部的海洋地壳(平均厚度为平均厚度为1km)1km)面积。面积。沉积岩是成层堆积的松散沉积物沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结（固结（consolidateconsolidate）而成而成的岩石。也就是说，它是早先形成的

26、岩石破坏后，又通过物理或的岩石。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、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。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分等方面的因素，则可以将沉积岩分为砂岩砂岩(sandstonesandstone)、页岩、页岩(shaleshale)和石灰和石灰(Marianna)(Marianna)岩三类岩

27、三类。沉积岩中的沉积岩中的砂岩是石油、天然气的主力储层。砂岩是石油、天然气的主力储层。3 3、变质岩、变质岩(Metamorphic Rock)(Metamorphic Rock)在在地地球球内内部部高高温温或或高高压压的的情情况况下下，先先已已存存在在的的岩岩石石发发生生各各种种物物理理、化化学学变变化化使使其其中中的的矿矿物物重重结结晶晶或或发发生生交交互互作作用用，进进而而形形成成新新的的矿物组合。矿物组合。这这种种过过程程不不同同于于前前面面叙叙述述过过的的火火成成过过程程或或沉沉积积过过程程，一一般般称称之之为变质过程，相应的这一作用叫做变质作用。为变质过程，相应的这一作用叫做变质作

28、用。例例如如在在保保持持固固态态情情况况下下，石石灰灰岩岩通通过过热热力力变变质质作作用用，发发生生了了矿矿物物的的重重结结晶晶，使使矿矿物物颗颗粒粒粒粒度度不不断断加加大大，形形成成了了大大理理岩岩（marblemarble），因此，大理岩是一种变质岩。因此，大理岩是一种变质岩。火成岩中不含油气。火成岩中不含油气。4 4、成岩旋回成岩旋回(Rock cycle)(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

29、球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以时，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。互相转变。成成 岩岩 旋旋 回回 图图 一、岩石的结构一、岩石的结构 1 1、火成岩的结构，是由矿物晶体组成的，岩浆冷却、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。结晶的时间越长，形成的晶体越大。第二节第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响岩石的结构特点及其对强度的影响 2 2、沉积岩的结构、沉积岩的结构 有两种有两种:一是碎屑结构，二是结晶结构。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，其中有大碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的

30、，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有钙质和硅质两种。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，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，如晶体形成一种紧密排列结构，没有孔隙，如岩盐岩盐(Rock(Rock salt)salt)，它不能成为生油、储油层，但却是油气层的很好的，它不能成为生油、储油层，但却是油气层的很好的盖层。盖层。3 3、变质岩的结构，有片状结构和非片状结构两种。、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片状结构是在高温高压下，由重结晶作用和各

31、种矿物的分离作用而造成的明暗矿物间互带。离作用而造成的明暗矿物间互带。二、二、岩石的强度（岩石的强度（rockrock strengthstrength）岩石的强度主要取决于矿物强度岩石的强度主要取决于矿物强度（mineralmineral strengthstrength）、结构联结形式、岩石的结构和整个构造。、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。度就越大。对于碎屑沉积岩来说，其对于碎屑沉积岩

32、来说，其胶结（胶结（cementationcementation）物对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强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联联结强度（结强度（cementation strengthcementation strength）。不同胶结物的联结强。不同胶结物的联结强度不同：硅质、铁质钙质泥质。度不同：硅质、铁质钙质泥质。岩石力学性质主要是指岩石的岩石力学性质主要是指岩石的变形变形(deformation)特征及岩石特征及岩石的的强度强度(strength )。影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型、组构、影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类

33、型、组构、围压围压(confining pressure)、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等等。荷性质等等。第三章第三章 岩石的力学性质及其影响因素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。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，建立岩石的从而得出某些参数，建立岩石的本构方程本构方程(constitutive equation equation )和和破坏

34、准则破坏准则(failure criterion)，为进一步研究分析提供一定模式，为进一步研究分析提供一定模式与依据。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。验证，修正，直到与实际相符。一、一、岩样的制备（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。为了保持件。为了

35、保持岩样（岩样（rock samplerock sample）原有物理力学性质（例如矿原有物理力学性质（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），最好进行密闭进行密闭取心（取心（coring）。然后将钻井。然后将钻井岩心（岩心（core）切割成切割成(5 X l 0cm)圆柱体；但有时也可采用圆柱体；但有时也可采用(5510cm)的长方柱体。按的长方柱体。按国国际岩石力学学会（际岩石力学学会（International Society for Rock MechanicsInternational Society for

36、Rock Mechanics）建议，试件长度与宽度（或直径）之比为建议，试件长度与宽度（或直径）之比为2.53.0之间（我国多之间（我国多采用采用2.02.5之间）。之间）。第一节第一节 岩石力学实验研究基础岩石力学实验研究基础 二、实验研究的基本方法二、实验研究的基本方法 将岩石试件放置在将岩石试件放置在常规压力机（常规压力机（load frame load frame）或或刚性压力刚性压力机（机（load frame stiffnessload frame stiffness）上进行加载，其应变可以通过在上进行加载，其应变可以通过在试件上粘贴试件上粘贴应变片（应变片（strain gaug

37、estrain gauge），由电阻应变仪测定。，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在试件上的压应力=P/A（其中（其中P为载荷，为试件横截面面积）为载荷，为试件横截面面积）及对应的应变（及对应的应变（=h/h）。在连续加载中（一般试验采用每秒）。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的速度加载），应力、应变在直角坐标系中绘制的曲线，称为线，称为应力一应变曲线（应力一应变曲线（stress-strain diagram stress-strai

38、n diagram）。图图 3-2 岩石应力应变全过程曲线岩石应力应变全过程曲线 该曲线可分为四个阶段：该曲线可分为四个阶段：(1)OA曲线曲线 载荷由零逐渐增加到载荷由零逐渐增加到A点，曲线呈现微微向上弯曲的形状。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这是岩石试件内部存在一定微裂隙（裂隙（crackcrack），当载荷增加时，当载荷增加时，试件逐渐被压密所导致的结果。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该段曲线凹曲程度，取决于岩石中容易被压密的裂隙裂隙（crackcrack）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不太明数量，对致密岩石或在

39、高围压下，这种现象不太明显。显。(2)AB曲线曲线 一般一般AB线段呈近似直线，其斜率称为弹性模量线段呈近似直线，其斜率称为弹性模量E。加载是。加载是在点以下在点以下OB区间内时，若卸去载荷，则变形完全可恢复，没区间内时，若卸去载荷，则变形完全可恢复，没有永久变形，所以有永久变形，所以OB区间为弹性变形阶段。曲线上区间为弹性变形阶段。曲线上B点是产生点是产生弹性变形的应力极限值，称为弹性变形的应力极限值，称为弹性极限弹性极限(elastic limitelastic limit)。事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷后，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

40、保留部分永久应变，这是由于被压密的微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裂隙（crackcrack）不可能完全恢复所导致的结果不可能完全恢复所导致的结果 (3)BC曲线曲线 当载荷继续增加超过当载荷继续增加超过B点后，该曲线呈向下弯曲形状，这说点后，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。明应力增加不大，而应变增加很多。在超过在超过 B 点的曲线上任一点（例如点的曲线上任一点（例如E点）卸载，应力一应点）卸载，应力一应变曲线将沿变曲线将沿EO1 路径下降，直到完全卸载下降到与横坐标轴相路径下降，直到完全卸载下降到与横坐标轴相交点交点O1，这表示岩石试件内应力

41、完全消失，但应变确不能完全，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恢复，仍保留的一部分应变OO1称为塑性应变或称为塑性应变或永久应变永久应变（permanent strain permanent strain），已恢复的应变称为，已恢复的应变称为弹性应变弹性应变(elastic elastic strainstrain)。在岩石力学中将在岩石力学中将B点的应力称为点的应力称为屈服应力屈服应力(yieldyield stress)。卸。卸载后再重新加载，则沿曲线载后再重新加载，则沿曲线O1R上升到与原曲线上升到与原曲线BC相联结，这样相联结，这样造成了一个滞回环，

42、在造成了一个滞回环，在R点以后随着载荷继续增加仍沿曲线点以后随着载荷继续增加仍沿曲线上升到该曲线最高点上升到该曲线最高点C。如果在。如果在R点以后再卸载又会出现新的塑性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应变，它似乎把弹性极限从B点提高到点提高到R点，这种现象称为点，这种现象称为应变硬应变硬化（化（strain hardeningstrain hardening）。应力应变曲线最高点应力应变曲线最高点C的应力值称为的应力值称为抗压强度抗压强度（compressive strength compressive strength）。它表示岩石在这种条件下所能承。它表示岩石在这种条件

43、下所能承受的最大压应力。受的最大压应力。对一般岩石，对一般岩石，抗压强度约为弹性极限的抗压强度约为弹性极限的1.53倍倍。从从B点开始，在点开始，在BC线段范围内，岩石试件不断产生微破裂以线段范围内，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，这种现象称为性变形，这种现象称为扩容（扩容（dilationdilation）。由于达到点时微。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，直到胀，直到C点有明显的破裂面

44、形成。点有明显的破裂面形成。(4)曲线曲线 岩石试件在刚性压力机作用下，应力应变曲线达到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，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。仍能承受一部分载荷，但其承载能力越来越小。从从C点开始曲线逐渐下降。点开始曲线逐渐下降。若在若在CD曲线上任一点曲线上任一点G 及时卸载，则沿着及时卸载，则沿着GK曲线下降，直曲线下降，直到完全卸载，达到点到完全卸载，达到点K处，表示岩石产生较大的永久应变处，表示岩石产生较大的永久应变O

45、K。若再加载，则曲线又会沿若再加载，则曲线又会沿KH线上升，直到点与线上升，直到点与CD曲线相曲线相联结，但联结，但H点的应力低于点的应力低于G点应力。这与在曲线点应力。这与在曲线BC线段中卸载后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，这说明力值下降，这说明CD线段岩石的强度不断下降，直到线段岩石的强度不断下降，直到CD线段上线段上某一点，由于破裂面上内聚力完全丧失，则岩石试件破裂成几块。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一、围压下岩石力学性质的实验

46、 岩岩石石在在地地下下一一般般处处于于三三向向应应力力状状态态，为为了了模模拟拟这这种种状状态态下下的的力力学学性性质质，一一般般在在室室内内进进行行岩岩石石三三轴轴应应力力实实验验(triaxial triaxial testtest)。三三轴轴应应力力实实验验可可分分为为常常规规三三轴轴应应力力实实验验（12=3）及及真真三轴应力实验（三轴应力实验（123)两种。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。目前大多数三轴应力实验实验属于常规三轴应力实验。第二节第二节 围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响 常常规规三三轴轴应应力力实实验验，通通常常将将一一定定尺尺寸寸圆

47、圆柱柱形形岩岩心心试试件件用用橡橡皮皮套套或或金金属属箔箔包包好好，放放置置在在三三轴轴压压力力机机的的高高压压釜釜内内，四四周周通通过过液液体体或气体加载，由活塞施加轴向载荷进行实验。或气体加载，由活塞施加轴向载荷进行实验。采采用用差差应应力力（differential differential stressstress）1-3 为为直直角角坐坐标标系系的的纵纵轴轴，以以轴轴向向应应变变（axial axial strainstrain）为为横横轴轴，绘绘制制出出应应力力一一应变曲线应变曲线(stress-strain diagramstress-strain diagram)。图图 3-3

48、 Carrara 大理岩在不同大理岩在不同 围压下应力一应变曲线围压下应力一应变曲线 图图 3-4 石灰岩在不同围石灰岩在不同围压下应力压下应力应变曲线应变曲线 (据据Karman.1912)（据（据S-encer.1981）实实验验结结果果表表明明：随随着着围围压压的的增增加加，岩岩石石逐逐渐渐从从脆脆性性转转化化为为延延性性。但但随随着着岩岩石石类类型型的的不不同同，脆脆性性转转化化为为延延性性的的围围压压值值也也各各不不相相同同。围围压压还还影影响响着着岩岩石石的的残残余余强强度度，随随着着围围压压加加大大，岩岩石石的的残残余余强度逐渐增加强度逐渐增加。岩石强度及破坏前应变均随着围压的增

49、加而增加。岩石强度及破坏前应变均随着围压的增加而增加。围围压压对对岩岩石石弹弹性性参参数数的的影影响响：随随着着围围压压增增加加，岩岩石石的的弹弹性性模模量及泊桑系数等都有一定程度的提高。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。地壳中随着深度的增加，地下温度逐渐升高。据地下矿产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，一般约为不同，一般约为2030Km，在亚洲大陆地温梯度平均约为，在亚洲大陆地温梯度平均约为25/Km，区域变质地区可达，区域变质地区可达4080Km。若按这些数

50、字估计，。若按这些数字估计，在地下几千米深处，温度可达在地下几千米深处，温度可达100以上，这会使岩石力学性质以上，这会使岩石力学性质与常温常压下相比有明显差别。与常温常压下相比有明显差别。第三节第三节 温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响 实实验验表表明明：岩岩石石在在一一定定围围压压下下，随随着着温温度度的的升升高高，无无论论是是拉拉伸伸或或压压缩缩，其其屈屈服服应应力力与与强强度度均均要要降降低低，其其影影响响程程度度随随着着岩岩石石种种类类及及受受力力状状态态的的不不同同而而各各异异。岩岩石石会会由由脆脆性性向向延延性性转转化化。但但同同一一种种岩岩石石，在在同同一一围围压