岩石力学

岩石力学

岩石的物理性质 一、 岩石的分类

火成岩：侵入岩和喷出岩。

沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。 变质岩：不含油气。 二、 岩石的强度

主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质

孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。 1、 孔隙度：

绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。 有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。

2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。其大小

用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。

达西定律：A L

h

K Q ∆=φ

...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。则渗透率为1达西（D ）。

3、 岩石中的油、气、水饱和度。…

4、 岩石的粒度组成和比表面积：

粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。通过粒度得孔隙度。

比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。通过粒度组成估算比面。 孔隙度、粒度、比表三者之二求一

岩石的力学性质

岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念

1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。

2、 塑性

3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。

4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于

的称脆性材料）

5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。

岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。其本构关系略。

6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）

OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。原因：存在的孔隙和微裂隙被压实。其刚度增加。当围压大时，OA 段不明显。 AB---弹性；

BC---塑性，应力增大不多，但应变增加多。在BC 段间任一点卸载后再加载，其强度会提高，称为硬化。B 点所对应的应力值为弹性极限。

到C 点，岩石没垮塌，还保持柱状，但有裂纹，不能加载，其承载能力变小，所以得

到CD段。为证明其承载能力变小，在CD段间取点G卸载，得曲线GK，再加载，得KH,σG<σH，所以，其还具有承载能力，但变小。当变形到D点时，此点应力为残余强度, 是屈服应力的

1.3～3倍。

二、围压对岩石力学性质的影响

围压增大：岩石的抗剪强度增大，变形增大，弹性极限提高，应力-应变曲线发生形态变化，岩石的性质发生变化：弹脆——弹塑——应变硬化。

三、温度对岩石性质的影响

随温度升高，岩石的屈服极限，强度降低，由脆性转化为塑性，延性；弹性模量变小。

四、孔隙、孔隙压力对岩石性质的影响

孔隙：原生孔隙和次生孔隙

孔隙压力：孔隙中有流体，所以液体对颗粒表面的垂直压力，称为孔隙压力。（粒度和埋藏深度决定）

1、孔隙压力对岩石应力的影响：

有效围压取决于围压和孔隙压力之差，即孔隙压力抵消围压的影响。延性随空隙压

力的增大而减小，岩石由延性转化为脆性。强度随孔隙压力的增大而减小

2、孔隙度的影响

孔隙度增加，岩石的强度减小，延性增加。（强度下降的原因：随岩石孔隙度增加，集中应力便增加，承载面积减小，凸峰自由度减小。延性增加原因是，孔隙闭合，

造成类似的延性变形。）

五、应变率的影响（即作用的时间）

造成岩石的破坏是内部裂纹扩展而成，若岩石裂纹发育时间充分，则其易破坏，强度降低。

总结：

岩石的强度和测度

一、岩石的破坏形式

张性破坏、剪切破坏（破裂角和摩擦角的关系是：）和流动

二、岩石的抗压强度及其影响因素（从实验的角度）

1、组成岩石颗粒越细小，强度越高；容重越大，强度越高；胶结物胶结能力越强，强

度越高。平行于层理抗压强度最小，垂直于层理抗压强度最大。（内因）

2、端面应力集中，形状与大小，加载速率（如前）（外因）

三、抗拉强度（采用巴西法测量）

岩石的抗拉强度远低于抗压强度，主要是孔隙作用，对拉很敏感，还有组分的影响。

四、岩石的抗剪强度及影响因素

1、抗剪强度的定义：限制性剪切强度：考虑了岩石内部的粘聚力和内摩擦力

非限制性剪切强度：只考虑粘聚力。

内摩擦力和外载有关，粘聚力是本身具有。

2、经实验得莫尔强度包络线（略去），看出岩石的剪切强度曲线反应了影响剪切强度

的两个参数：粘聚力C和内摩擦角Φ.C为包络线与纵轴的截距，Φ为包络线切线与

横轴的夹角。随围压增大的剪切破坏时，Φ减小，C增加。

3、莫尔强度包络线（后面有）的应用：包络线与应力圆相交——岩石破坏

相切——岩石处于极限应力状态

相离——岩石不破坏

4、补充应力圆的画法（省掉）

岩石的流变性

一、流变性

定义：在长期载荷下，应变、应力随时间变化的性质成为岩石的流变性。

弹性变形与时间无关

概念区分塑性变形

粘性流动：与时间有关

蠕变：应力不变，但变形却随时间而变

流变现象松弛：应变不变，应力随时间变小

弹性后效：加载或卸载后，弹性应变之后于应力的现象。

二、岩石的蠕变性态的实验研究

1、单轴、三轴实验

2、表明在足够长的时间内，应力低于或高于弹性极限聚能产生蠕变现象，但不同的恒

定载荷作用下，蠕变曲线不同。

3、蠕变图（重点）

分三个阶段：过渡蠕变阶段——稳定蠕变阶段——加速蠕变阶段，任何一段的持续时间跟岩石的种类、所受载荷的大小、温度有关。

4、由岩石的蠕变引出岩石的长期强度

岩石的长期强度是随外载的作用时间延长而降低的（即岩石在受到低于强度极限的载荷时，只要作用时间足够，岩石也破坏）。一般长期强度和瞬时强度的比值为0.4～

0.8。

三、影响蠕变性态的因素