岩石物理全参数计算及应力研究-llzlllo
常用岩石力学参数
常用岩石力学参数岩石力学是研究岩石在外力作用下变形和破裂行为的学科,它主要关注岩石的力学性质,包括强度、应力和应变等参数。
以下是一些常用的岩石力学参数。
1. 弹性模量(Young's modulus):弹性模量是衡量岩石对外力响应的能力的指标。
它表示单位应力下岩石的应变程度,通常以帕斯卡(Pa)为单位。
弹性模量越大,岩石的刚度越高,其抵抗变形的能力更强。
2. 柏杨比(Poisson's ratio):柏杨比用于描述岩石在受力作用下体积的变化情况。
它是岩石纵向应变和横向应变的比值,无单位。
柏杨比一般位于0.15到0.40之间,数值越大代表岩石越容易体积收缩。
4. 应力-应变曲线(Stress-strain curve):应力-应变曲线描述了岩石在受力过程中的应力和应变之间的关系。
根据曲线的形状,可以了解岩石的变形特性,如弹性变形阶段、塑性变形阶段和破裂阶段等。
应力-应变曲线是评估岩石稳定性和强度的重要工具。
5. 破裂韧度(Fracture toughness):破裂韧度是衡量岩石抵抗破坏的能力的参数,描述了岩石在外力作用下延伸至破断的能力。
破裂韧度越大,岩石的抗破坏能力越强。
6. 体积压缩模量(Bulk modulus):体积压缩模量是衡量岩石抵抗体积压缩的能力,代表岩石抵抗体积缩小的刚度。
体积压缩模量越大,岩石的抗压能力越强。
7. 粘聚力(Cohesion):粘聚力是指岩石内部颗粒间的粘结力,也被称为内聚力。
粘聚力越大,岩石的抗拉强度就越高。
8. 摩擦角(Friction angle):摩擦角用于描述岩石内颗粒间的摩擦性质。
摩擦角越大,岩石的抗剪强度越高。
9. 泊松比(Poisson ratio):泊松比是衡量岩石在拉伸或压缩过程中横向变形和纵向变形之间关系的参数。
泊松比越大,岩石的收缩性越高。
这些常用的岩石力学参数可以帮助工程师和地质学家了解岩石的力学性质,评估其稳定性和抗破坏能力,在工程设计和地质勘探中起到重要的作用。
岩石力学实验
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一、实验目的
1.熟练掌握岩石单轴抗压实验试件尺寸测量方法; 2.观察岩石试件破坏过程,准确分析其破坏类型; 3.根据试件破坏单轴压应力,计算岩石的单轴抗压强度; 4.熟悉岩石应力-应变曲线各阶段的意义,计算岩石弹性 模量与割线模量。
1.百分表;2.百分表架;3.试件;4.实验台
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四、实验步骤
(3) 试件直径测量
取岩石试件上中下三断面测量位置,采用游标卡尺分别测量垂直于中轴线 且互成90°方位的试件直径,填入试样尺寸记录表中,并分析直径误差。
上断面
中断面
下断面
互成90°测量
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四、实验步骤
(4) 试件长度测量 将试样断面分为相互垂直的4个方位,采用游标卡尺分别测量不同方
为此,需要在实验室内严格控制某些因素的情况下进行岩石力学实验,然后将所得结果 应用到实践中去。
取样
实验
应用
确定研究 工区、钻 取具有代 表性岩心
室内岩石力学 实验(单轴压 缩、巴西劈裂、 三轴实验等) 获得岩石力学 性质及参数
建立本构方程和破 坏准则,结合地质 环境特征(地应力、 温度、地层压力等) 进行工程实际应用 (如判定井壁破裂 坍塌条件等)
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岩石单轴抗压实验
➢ 实验目的 ➢ 实验原理 ➢ 实验仪器 ➢ 实验步骤 ➢ 结果处理 ➢ 报告编写
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一、实验目的
1、掌握岩石硬度的测定方法; 2、掌握岩石塑性系数的测定方法。
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岩石力学参数测定方法的研究与应用
岩石力学参数测定方法的研究与应用岩石力学参数是评估岩石力学性质的重要指标之一,它对于岩石工程的设计和施工具有至关重要的作用。
目前,岩石力学参数测定方法不断发展和完善,包括实验室试验、数值模拟以及现场测试等不同方法,这些方法都有其独特的优势和适用范围。
实验室试验实验室试验是最常见和广泛使用的岩石力学参数测定方法,它包括了许多标准试验和非标准试验。
其中,最常见的标准试验包括单轴压缩试验、三轴压缩试验、拉伸试验、剪切试验以及动态强度试验等。
单轴压缩试验是最简单和快速的试验之一,它可以得到岩石的抗压强度、弹性模量和泊松比等参数。
三轴压缩试验不仅可以得到压缩强度和剪切强度,还可以得到断裂面的取向和形态,这对于断裂机制的研究很有意义。
拉伸试验可以得到岩石的抗拉强度和弹性模量等参数,但是它比较复杂,需要特殊的设备和技术。
剪切试验是最能反映实际工程中的剪切破坏模式和承载力的试验之一,它可以得到剪切强度和岩石切线模量等参数。
动态强度试验是在高速冲击或爆炸荷载下进行,它能够得到岩石在动态负荷下的强度和变形性质,对于岩石爆炸冲击和地震等应变率较高的力学问题具有重要的意义。
虽然实验室试验可以得到较为精确的岩石力学参数,但是它在应用中存在一些局限性。
首先,实验室试验具有人为选择样品的局限性,无法全面反映岩石围压、自重和地下水等多种实际应力状态下的力学性质。
其次,实验室试验需要大量时间和人力物力的投入,成本较高。
此外,实验室试验不适用于大规模工程和现场建设的实时监测。
数值模拟数值模拟是一种计算机仿真技术,在模拟分析岩石力学性质和行为方面有着不可替代的优势。
数值模拟通常有两种类型:离散元模拟和有限元模拟。
离散元模拟是一种基于颗粒形态的模拟方法,在破碎、变形和力学性质等方面有独特的优势。
它可以模拟岩石颗粒之间的相互作用和失稳破裂过程,实现了对于岩石力学行为的深入了解。
有限元模拟是一种广泛应用的数值模拟方法,它可以反映岩石力学性质和岩石固体力学行为的多种模式,包括静力学、动力学、线性和非线性问题等。
岩石水平应力系数计算公式
岩石水平应力系数计算公式岩石水平应力系数是指岩石在受到水平应力作用时的应变系数,它是岩石力学性质的重要参数之一。
岩石水平应力系数的计算公式可以帮助工程师和地质学家更好地了解岩石的力学性质,从而在工程设计和地质勘探中提供参考依据。
岩石水平应力系数的计算公式可以通过实验室试验或者现场观测来获取。
在实际工程中,通常采用实验室试验的方法来测定岩石水平应力系数。
下面将介绍岩石水平应力系数的计算公式及其相关内容。
岩石水平应力系数的计算公式如下:K = Δσ_h / Δε_h。
其中,K为岩石水平应力系数,Δσ_h为岩石受到水平应力变化时的应力变化量,Δε_h为岩石受到水平应力变化时的应变变化量。
岩石水平应力系数的计算公式可以通过岩石的拉伸试验来获取。
在拉伸试验中,可以通过施加不同的水平应力来观察岩石的应变变化情况,从而计算出岩石的水平应力系数。
通常情况下,岩石的水平应力系数是一个与应力大小相关的变化量,随着应力的增大而增大,因此在实际工程中需要对岩石的水平应力系数进行多次试验,以获取不同应力下的水平应力系数。
岩石水平应力系数的计算公式可以帮助工程师和地质学家更好地了解岩石的力学性质,从而在地质勘探和工程设计中提供参考依据。
通过岩石水平应力系数的计算公式,可以更准确地预测岩石在受到水平应力作用时的力学响应,从而为工程设计和地质勘探提供更可靠的数据支持。
在实际工程中,岩石水平应力系数的计算公式是一个非常重要的参数,它可以帮助工程师和地质学家更好地了解岩石的力学性质,从而为工程设计和地质勘探提供更准确的数据支持。
因此,在进行地质勘探和工程设计时,需要对岩石水平应力系数进行充分的考虑和分析,以确保工程设计和地质勘探的准确性和可靠性。
总之,岩石水平应力系数的计算公式是岩石力学性质研究中的重要内容,它可以帮助工程师和地质学家更好地了解岩石的力学性质,从而为工程设计和地质勘探提供更可靠的数据支持。
在实际工程中,需要对岩石水平应力系数进行充分的考虑和分析,以确保工程设计和地质勘探的准确性和可靠性。
岩石力学分析
岩石力学分析岩石力学是研究岩石在外力作用下的行为及其力学性质的学科领域。
它在工程、地质及其他相关领域中起着重要的作用。
岩石力学旨在理解岩石及其工程行为的基本原理,并为岩石工程和地质工程提供必要的技术支持。
在本文中,将介绍岩石力学的基本概念、分析方法和应用。
岩石力学的基本概念包括力学性质、岩石应力、应变和强度。
岩石的力学性质包括弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度等。
岩石的应力是指外部施加在岩石上的力,可以分为垂直应力和水平应力。
岩石的应变是指岩石在外部作用下产生的变形。
岩石的强度则是指岩石在外力作用下的抵抗能力。
岩石力学的分析方法主要有实验方法和理论计算方法。
实验方法通过对岩石样品进行物理试验来获得岩石力学性质的参数。
这些试验包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验等。
通过实验方法获得的数据可以用于计算岩石的强度和变形特性。
理论计算方法通过基于岩石性质和力学原理的数学模型来估算岩石的力学性质和行为。
这些方法包括有限元分析、解析方法和统计方法等。
岩石力学的应用十分广泛。
在地质工程中,岩石力学的研究可以用于评估岩石的稳定性和承载能力,为工程设计提供依据。
在土木工程中,岩石力学的研究可以用于评估地下工程的稳定性和安全性。
在矿山工程中,岩石力学的研究可以用于评估岩石的开采条件和矿山的可持续性。
此外,岩石力学还对水利工程、能源工程和环境工程等领域的设计和施工起着重要的作用。
然而,岩石力学研究仍然面临着一些挑战和问题。
首先,岩石力学的理论模型和计算方法尚不完善,需要进一步发展和改进。
其次,岩石的力学性质受到许多因素的影响,包括孔隙率、水分含量、温度等,因此需要考虑这些因素对岩石行为的影响。
此外,岩石力学的实验方法也有一定的局限性,例如,实验条件可能无法完全模拟实际工程条件。
因此,需要进一步研究和改进实验方法。
总之,岩石力学作为一门复杂的学科,对于工程和地质领域具有重要的意义。
通过深入研究岩石的力学性质和行为,可以为工程和地质设计提供可靠的依据。
岩石物理参数
岩石物理参数岩石物理参数岩石的弹性常数包括杨氏弹性模量E、泊松比V、剪切弹性模量G和体积弹性模量K等:泊松比:在材料的比例极限内,由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。
比如,一杆受拉伸时,其轴向伸长伴随着横向收缩(反之亦然),而横向应变e'与轴向应变e之比称为泊松比V。
材料的泊松比一般通过试验方法测定。
E-弹性模量,Es-压缩模量,Eo-变形模量。
E弹性模量和Eo变形模量一般是岩石力学或者岩体分析中用,弹性模量一般是通过岩样测试而得;变形模量一般在探硐或者建基面加反力测得,只有大型工程才做,特别是水利工程。
而压缩模量是土力学的中的参数。
§弹性变形,以εe表示;塑性变形,以εp表示;总变形,以ε表示。
§弹性模量E:把卸载曲线的割线的斜率作为弹性模量,即:E=PM/NM=ζ/εe§变形模量Eo:是正应力与总应变(ε)之比,即:§Eo=PM/OM=ζ/ε=ζ/(εe+εp)弹性模量=应力/弹性应变,它主要用于计算瞬时沉降;压缩模量和变形模量均=应力/总应变,压缩模量是通过现场取原状土进行实验室有侧限压缩实验得出的,而变形模量则是通过现场的原位载荷试验得出的,它是无侧限的。
弹性模量要远大于压缩模量和变形模量,而压缩模量又大于变形模量。
地堪报告中,一般给出的是土的压缩模量Es与变形模量Eo,而一般不会给出弹性模量E。
按规范的规定,在地基变形验算中要用的是压缩模量Es,但因Es是通过现场取原状土进行试验的,这对于粘性土来说很容易做到,但对于一些砂土和砾石土等粘聚力较小的土来说,取原状土是很困难的,很容易散掉,因此对砂土的砾石土通常都是通过现场载荷试验得到Eo,所以在地堪报告上,对于砂土的砾石土一般都仅给出Eo,即使给出Es,也是根据Eo换算来的,而不是试验直接得出的。
理论上Es和Eo有一定的关系,但根据该关系换算误差较大,所以二者关系一般都根据地区经验进行换算。
岩体力学特性及其参数确定 ppt课件
bc——广义粘聚力软化常数,反映了广义粘聚力的软化速度;
b——广义内摩擦角软化常数,反映了广义内摩擦角的软化速度。
rc、r、bc、b均为围压的函数。
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岩体力学参数的合理确定
二、确定岩体的体积模量K和剪切模量G
杨氏模量E和泊松比μ是表征材料力学属性的两个重要参数。但在一些情况下, E和μ并不能十分有效地反映材料的力学行为,如变形等。因此在一些数值模拟 软件中(如FLAC和UDEC),一般采用体积模量K和剪切模量G。K和G均由杨氏 模量E和泊松比μ转化而来,它们的关系如下:
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岩体力学参数的合理确定
三、岩体变形模量的确定 实际上岩体的结构面网络十分不规则,利用上述方法很难获得足够有效的数据。 此时Em与成组岩体结构面的几何力学性质有关,包括结构面组数m、各组结构 面产状nl、法线密度λ和平均半径a、各组面的抗剪强度及受力状态(k与h)以及裂 瞧水压力比及R。则Em可以写作如下两式:
目前的处理方法大多只能是从宏观上来把握这种材料的力学特性, 即把握岩体的宏观力学特性,并在某种假定下对问题进行简化,如简 化为平面应变问题,或开展大量的现场试验研究。
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岩体的力学特性
岩体破坏可以分为脆性破坏和塑性破坏两种形式。 由于岩体赋存环境的变异性,不能期望得到岩体参数的精确值,只能通 过实验室试验或通过对岩体宏观特性的统计分析来预测或估算岩体强度和变 形的可能范围。 经过试验对比,一般都认为诸如弹性模量、粘聚力和抗拉强度等煤岩体 力学性质的参数取值往往只有煤岩块相应参数值的1/5~1/3,有的差别可能 更大,比值达到1/20~1/10,而煤岩体的泊松比一般为煤岩块泊松比的 1.2~1.4倍。
ppt课件特性是通过实验室的三轴压缩试验获得的,实验室三轴压缩 试验可分为常规试验和真三轴试验,其中常规三轴试验是在径向压力(围 压)σr(σr=σ2=σ3)不变的情况下,增加轴向压力σ1直到岩石试件破坏,得 到某一围压作用下的应力-应变曲线,通过改变围压大小,得到一组不同围 压作用下的全应力-应变曲线。而真三轴压缩试验是在不同的侧压作用下, 即σ2≠σ3时,获得的全应力一应变曲线。
岩石力学参数测量与分析方法
岩石力学参数测量与分析方法引言岩石作为地球上最常见的固体物质之一,在地质、矿产资源开发以及工程建设中起着至关重要的作用。
了解岩石的力学性质和参数,对于地质灾害的预测和工程设计的可靠性具有重要意义。
本文将介绍一些常用的岩石力学参数测量与分析的方法,为相关领域的研究人员和工程师提供参考。
一、应力-应变曲线的测量与分析方法应力-应变曲线是描述岩石在外力作用下的变形行为的重要参数。
常用的测量方法包括压力试验、拉伸试验、剪切试验等。
其中,剪切试验是一种常用的测量岩石力学参数的方法。
在剪切试验中,通过施加一个水平剪切力和一个垂直压力,测量岩石样本在剪切力下的变形情况。
然后,根据变形和应力之间的关系,可以得到应力-应变曲线。
曲线的形状和斜率可以反映岩石的强度和变形能力。
二、弹性模量的测量与分析方法弹性模量是岩石力学中最基本的参数之一,它描述了岩石对外力作用下的弹性变形能力。
常用的测量方法包括静力弹性模量测定和动力弹性模量测定。
静力弹性模量测定方法主要是通过施加不同大小的压力或拉伸力,测量岩石样本的应力和应变关系,得到弹性模量。
而动力弹性模量测定方法主要是通过地震波传播的速度和岩石的密度来计算弹性模量。
三、抗压强度的测量与分析方法抗压强度是岩石力学中评价岩石抵抗外力压缩的能力的重要参数。
传统的抗压强度测量方法是在实验室中进行压力试验。
在压力试验中,岩石样本被垂直施加压力,然后记录岩石破裂的压力值。
除了传统方法外,近年来还出现了一些新的测量方法,如非接触式测量方法和声波测量方法。
这些方法不仅提高了测量的准确性,还能够在线实时监测岩石的抗压强度。
四、剪切强度的测量与分析方法剪切强度是岩石力学中评价岩石抵抗剪切破坏的能力的重要参数。
常用的剪切强度测量方法包括剪切试验和直剪试验。
剪切试验是一种常用的测量剪切强度的方法。
在剪切试验中,岩石样本在剪切力的作用下发生破坏,通过记录岩石破坏的剪切力值和剪切位移,可以计算剪切强度。
常用的岩土和岩石物理力学参数讲解
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下:)21(3ν-=EK)1(2ν+=EG (7.2)当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5,因为计算的K 值将会非常的高,偏离实际值很多。
最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计),然后再用K 和ν来计算G 值。
表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。
各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况,横切各向同性弹性模型需要5中弹性常量:E1, E3,ν12,ν13和G13;正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E1,E2,E3,ν12,ν13,ν23,G12,G13和G23。
这些常量的定义见理论篇。
均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。
一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。
表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ,如果土粒是可压缩的,则要用到比奥模量M 。
纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。
其取值依赖于分析的目的。
分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态(见理论篇第三章流体-固体相互作用分析),则尽量要用比较低的K f ,不用折减。
这是由于对于大的K f 流动时间步长很小,并且,力学收敛性也较差。
在FLAC 3D 中用到的流动时间步长, tf 与孔隙度n ,渗透系数k 以及K f 有如下关系:'f f k K nt ∝∆ (7.3) 对于可变形流体(多数课本中都是将流体设定为不可压缩的)我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。
f'K nm k C +=νν (7.4)其中3/4G K 1m +=νf 'k k γ=其中,'k ——FLAC 3D 使用的渗透系数k ——渗透系数,单位和速度单位一样(如米/秒) f γ——水的单位重量考虑到固结时间常量与νC 成比例,我么可以将K f 的值从其实际值(Pa 9102⨯)减少,利用上面得表达式看看其产生的误差。
岩石的基本物理力学性质及其试验方法2
第二讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之二)一、内容提要:本讲主要讲述岩石的变形特性、强度理论二、重点、难点:岩石的应力-应变曲线分析及岩石的各种强度理论。
三、讲解内容:四、岩石的变形特性与岩石的强度特性一样,岩石的变形特性也是岩石的重要力学特性。
只有对岩石的变形特性的变化规律有了足够的了解,才能应用某些数学表达式描述岩石的变形特性,进而运用这些表达式计算岩石在外荷载作用下所产生的变形特性,并评价其稳定性。
在实际的工程中,经常遇到岩石在单轴和三轴压缩状态下的变形问题。
(一)岩石在单向压缩应力作用下的变形特性1. 岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。
岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。
以下先介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。
1)典型的岩石应力-应变曲线分析图15-1-17例示了典型的应力-应变曲线。
根据应力-应变曲线的变化,可将其分成OA,AB,BC三个阶段。
三个阶段各自显示了不同的变形特性。
(1)OA阶段,通常被称为压密阶段。
其特征是应力-应变曲线呈上凹型,即应变随应力的增加而减少。
形成这一特性的主要原因是存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。
(2)AB阶段,也就是弹性阶段。
从图15-1-17可知,这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。
若在这一阶段卸荷的话,其应变可以恢复,由此可称为弹性阶段。
这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。
即弹性模量E和泊松比。
所谓弹性模量,是指应力—应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。
就模量的概念而言,岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。
在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量E和割线模量E50,E50是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值,其实质代表了岩石的变形模量。
所谓泊松比,是指在弹性阶段中,岩石的横向应变与纵向应变比之值。
岩石的主要物理性质和力学性质ppt课件
c
P A
端部效应
破坏形态
岩石的单轴抗拉强度σt
直接拉伸试验
t
P A
岩石的剪切强度τf:岩石抵抗剪切破坏的能力。
十、 影响岩石力学性质的因素
(1)矿物成分对岩石力学性质的影响 矿物硬度大,岩石的弹性越明显,强度越高。 如岩浆岩,橄榄石等矿物含量的增多,弹性越明显,
强度越高; 沉积岩中,砂岩的弹性及强度随石英含量的增加而
在整堂课的教学中,刘教师总是让学 生带着 问题来 学习, 而问题 的设置 具有一 定的梯 度,由 浅入深 ,所提 出的问 题也很 明确
六、岩石的抗冻性
岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能,
是评价岩石抗风化稳定性的重要指标。
岩石的抗冻性用抗冻系数Cf表示,指岩石试样在 ±250C的温度期间内,反复降温、冻结、融解、升
在整堂课的教学中,刘教师总是让学 生带着 问题来 学习, 而问题 的设置 具有一 定的梯 度,由 浅入深 ,所提 出的问 题也很 明确
岩石的主要物理性质
岩石由固体,水,空气等三相组成。 一、密度(ρ)和重度(γ): 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的 重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体 积。
二、比重(Δ)
岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水 的质量之比值。岩石固体体积,就是指不包括孔隙 体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定, 其计算公式为:
Ws Vs w
式中:Δ——岩石的比重; Ws——干燥岩石的质量(g); Vs——岩石固体体积(cm3);
ΔW — 40C时水的密重。
W (g/cm3),γ=ρg(kN /m3)
V
岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地,岩 石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。
岩石力学研究内容与方法
基本理论材料实验研究内容工程应用岩石应力岩石强度岩石变形岩石渗流岩石动力学岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等,以及相应的试验方法。
抗压、抗拉、抗剪(断)强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则以及相应的试验方法。
单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变(应力-应变-时间关系)和扩容。
渗透性(渗透系数确定)、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制(抽水、排水、灌浆帷幕以延长渗径)等。
爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石力学特性、应力波在岩石内传播规律、地面振动与损害等。
基本理论岩石地基岩质边坡地下洞室岩石破碎岩石爆破研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题;水库边坡、高坝岸坡、渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题地下电站、水工隧洞、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩稳定和变形,地下开挖施工以及围岩加固(如固结灌浆、锚喷、预应力锚固)问题将岩石破碎成各种所要求的规格,以作为建筑材料(建筑物面石、土坝护石、堆石坝和防波堤石料、混凝土骨料等);定向爆破筑坝,巷道掘进和采矿等工程应用(从研究方向划分)坝基、坝肩防渗工程大跨度高边墙水流冲刷水库诱发地震库岸稳定及加固露天采矿边坡设计、加固技术巷道稳定性岩爆、瓦斯等预测、矿井突水采空区地面塌陷及地面沉降路边边坡稳定性铁路隧道洞口稳定性隧道设计和施工技术隧道施工的地质超前预测高地应力区的岩爆地铁施工技术地基的处理与加固大型的地下洞室地面建筑物沉降及体偏岩石地应力渗透性地球物理勘探钻探技术与采油(水压致裂)。
岩石的基本物理力学性质及其试验方法-知识归纳整理
第一讲 岩石的基本物理力学性质及其试验想法(之一) 一、内容提要:本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验想法,岩石的强度特性。
二、重点、难点:岩石的强度特性,对岩石的物理力学性能等指标及其试验想法作普通了解。
一、概述岩体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(力场)的变化作出反应的一门力学分支。
所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下,按一定规律聚集而成的自然体。
由于成因的不同,岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。
岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。
通常以为岩体是由岩石和结构面组成。
所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不延续面,它包括一切地质分离面。
这些地质分离面大到延伸几公里的断层,小到岩石矿物中的片理和解理等。
从结构面的力学来看,它往往是岩体中相对照较薄弱的环节。
所以,结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性,控制岩体的强度和变形。
【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。
A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩 答案:A 【例题2】片麻岩属于( )。
A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案:C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性,控制岩体的强度和变形的是( )。
A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小 答案:C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验想法 (一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的,也是在岩石工程中最常用的指标。
1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度 是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。
岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。
其试验想法见相关的国家标准。
岩石颗粒密度可按下式计算2 岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。
岩石物理方程解释
Reuss 模型:此模型为Reuss 在应力均匀恒定的情况下,相当于各个岩石模块的并联组合,容易得出∑==Ni ii R M M 11φ. 模型如右所示:推导过程:因为有i dV dV =∑,由d V VPM =,则可得到()i i R iP V PV M M ϕ=∑又因为假设岩石内应力各向相同,则容易得出∑==N i ii RMM 11φ,即可得出岩石体积模量的最小值。
Voigt 模型:此模型为Voigt 在岩石中各矿物的应变均匀情况下,相当于岩石模块的串联组合,容易得出V iiM Mφ=∑. 模型图如右所示:推导过程:因为有i i P P φ=∑,同理dVP MV=,即有i Vi idV dV M M V V φ=∑,又因为假设岩石中各矿物的应变均匀相同即i idV dV φ=,即可得∑=i i V M M φ,即可得出岩石体积模量的最大值。
Wyllie 模型:此模型为Wyllie 在沉积岩中发现孔隙度和速度之间的简单单调关系,即完全理想情况,岩石各向同性即可得出岩石速度f f iMi W νφνφν+=∑,则可得出岩石的平均速度,然后根据体积模量和速度的关系即可得出岩石的集体模量W M . 模型图如右:Hill 模型:Hill 模型为Hill 提出用上下边界求平均值的方法来对岩石有效弹性模量进行切合实际的评价即可得出2R VH M M M +=.Reuss、Voit和Hill模型所得体积模量对比Reuss、Voit和Hill模型所得剪切模量对比孔隙流体为水,泥质和石英各为占一半的岩石体积模量界限值对比孔隙流体为水,泥质和石英占骨架比7:3和1:1的岩石体积模量界限值对比Qua:Cla=1:1 Qua:Cla=7:3孔隙流体为水,泥质和石英各为占一半的岩石体积模量界限值对比(下面两条无意义)孔隙流体为空气,泥质和石英各为占一半的岩石体积模量界限值对比Gassman 方程:主要讨论岩石体积模量在不同压力下的不同值。
4讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法之二(下).doc
岩石的体积应变特性4.岩石的体积应变特性岩石体积应变的变化规律也是从另一个角度反映岩石变形特性的重要方面。
图15-1-25中的体积应变占v是根据弹性力学中的基本假设条件,按卜-式求得:EH =^~= E1+E2+E3(15-1-24)ffi 1S-1-25 Westerly花囱岩的应力•应变曲线式中Av—体积增量;V—试件的原体积;占1、占2、占3—分别为最大主应变,中间和最小主应变。
图中的曲线反映了体积应变与主应力之间的变化规律。
在假三轴试验条件下,体积应变在很大程度上受最小主应变£2=占3的影响。
从图中可知,当作用的外荷载较小时,体积应变表现出线性变化,且岩石的体积随荷载的增大而减小。
然而,当外荷载达到一定的值之后,体积应变经过了保持不变的阶段,开始发生体积膨胀的现象。
这一现象在岩体力学中被称作扩容。
所谓扩容,是指岩石受外力作用下,发生非线性的体积膨胀,且这一体积膨胀是不可逆的。
产生扩容现象的主要原因是岩石试件在不断地加载过程中,由于在岩石中的存在微裂纹张开、扩展、贯通等现象,使岩石内孔隙增大,促使其体积也随之增大。
这一体积变化的规律在三向压缩和单向压缩试验中都会出现。
但是,由于围压的增大会出现扩容量随之减弱的现象。
【例题15】在假三轴试验条件下,岩石的体积变化表现为()。
A.减小一不变一增大B.减小一不变一减小C.增大一不变一增大D.减小一不变一减小答案:A【例题16】在进行单向压缩试验时岩石会出现扩容现彖,产生扩容现彖的主要原因是()0A.岩石试件在不断地加载过程中,由于在岩石中的存在微裂纹张开、扩展、贯通等现象,使岩石内孔隙增大,促使其体积也随之增大B.岩石试件在不断地加载过程中,由于在岩石中的存在微裂隙闭合现象,使岩石内孔隙减小,促使其体积也随之减小C.岩石试件在不断地加载过程中,由于在岩石中的存在微裂隙闭合现象,使岩石内孔隙减小,而其体积却随Z 增大D.岩石试件在不断地加载过程中,由于在岩石中的存在微裂隙闭合、张开现象,使岩石内孔隙减小、增大,由于单位时间内增大量大于减小量,从而促使其体积也随之增大答案:A(三)岩石的流变特性在上几节屮所讨论的岩石变形特性都是在加载后瞬时的变形特性,这些变形与时间无关。
岩石物理 RockPhysics
– It’s imperative to know the range of applicability of a theory or model 对于一个理论,一定要弄懂它的应用区间
• Interpretation 解释
– Seismic data measures the overall effects of many factors 地震测 到的是各种影响的总和
– Rock physics quantifies/decomposes these factors 岩石物理对这 些因素分解、定性
– What are the relationships between rock/fluid and seismic properties? 地震性质与岩性、流体类型之间的关系是什么
– Do the predicted or inverted properties make physical sense? 预测或反演来的特性是否有物理意义
– But seismic attributes are influenced by physical and geological properties of rocks and fluids 但岩石、流 体的物理及地质特性影响地震属性
Rock physics helps us understand the relationships among attributes 岩石物理帮我 们理解各种属性间的关系
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第三章 岩石物理参数计算及应力研究第一节 岩石物理参数计算地层岩石是地应力的载体,岩石物理性质对地应力的传递、衰减、集中、分散都会产生很大的影响,岩石物理参数与岩体赋存的地应力密切相关,岩石物理参数计算是地应力研究的必然步骤。
通过纵、横波时差和密度等测井资料,可以计算地层条件下的岩石动态弹性模量,在此基础上,可以进行地应力分析、井眼稳定性分析、地层出砂分析、以及人工压裂设计等方面的研究。
岩石物理参数包括岩石弹性参数和岩石机械强度参数。
岩石弹性参数主要有泊松比μ、杨氏模量E 、剪切模量G 、体积模量K 、体压缩系数b C 和ma C 、有效应力系数系数α(比奥特系数);岩石机械强度主要有单轴抗压强度c σ、岩石的抗剪强度0C 和岩石抗张强度t s ,以及内摩擦角ϕ等。
1、岩石弹性参数对于各向同性均匀介质岩石来说,利用牛顿第二定律和三维虎克定律,经数学推导,可导出计算声波速度在岩石介质中的波动方程:P ∆=-+-=+=t E G V 1)21)(1()1(2p μμρμρλ (3-1-1) s s t E G V ∆=+==1)1(2μρρ (3-1-2)根据上述的波动方程,可以得出各种弹性参数与声波时差的关系式。
①泊松比定义为横向应变与纵向应变之比。
22225.0p s ps t t t t ∆-∆∆-∆=μ (3-1-3)②切变模量定义为施加的应力与切应变之比。
a t G s b⨯∆=2ρ (3-1-4)③杨氏模量定义为施加的轴向应力与法向应变之比。
)1(2μ+=G E(3-1-5) ④体积模量定义为静水压力与体积应变之比。
a t t K s pb b ⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆=22341ρ (3-1-6)⑤体积压缩系数定义为体积模量的倒数。
即:b b K C 1= (3-1-7)⑥有效应力系数(Boit)表示孔隙压力对岩石变形的影响,即:b ma C C -=1α=K b /K ma (3-1-8)式中:b ρ为岩石体积密度,3cm g ;s t ∆、p t ∆为纵、横波时差,ft s μ。
公式中的a 为单位转换系数。
具体选择方法如下:如果密度单位为3/cm g ,时差单位为ft s /μ,弹性参数单位为psi ,则101034.1⨯=a ;如果密度单位为3/cm g ,时差单位为ft s /μ,弹性参数单位为MPa ,则71029.9⨯=a ;如果密度单位为3/cm g ,时差单位为m s /μ,弹性参数单位为MPa ,则910=a 。
因此,利用阵列声波测井提供的纵、横波时差以及常规测井提供的密度资料就可以进行岩石弹性参数计算。
但是由于费用等原因,并不是每口井都开展声波全波列或阵列声波测井,因而不能直接获取横波时差资料,在研究中则可以通过构造内某些井已有的横波时差曲线资料来建立横波时差曲线计算式。
研究表明,横波时差与纵波时差、地层密度和纵波波阻抗之间有很好的相关性。
通过对安棚地区4口井的纵横波时差曲线进行分析后,建立了纵横波时差经验关系式:34.1358.579.1+-∆=∆b p s t t ρ (3-1-9) 904.0=R图3-1是由上式纵横波时差关系式得出的横波时差与实测横波时差的关系图,从图中可以看出,大部分点分布在斜率约为450的直线上,计算的横波时差与实测横波时差近似相等。
图3-1-1 合成横波时差与实测横波时差关系图当研究区内没有一口井具有横波时差资料时,则可用下面的公式来合成横波时差曲线:()()()mas fp map pmas fs mas s t t t t t t t t ∆-∆∆-∆∆-∆+∆=∆ (3-1-10)式中:mas t ∆、map t ∆为岩石骨架的横波时差和纵波时差,ft s μ;fs t ∆、fp t ∆为流体的横波时差和纵波时差,ft s μ。
2、岩石动、静态弹性参数之间的转换方法岩石弹性参数的常用测定方法有动态法和静态法两种。
静态法是通过对岩样进行静态加载测其变形得到,所得弹性参数称之为静态参数;动态法则是通过测定超声波在岩样中的传播速度转换得到,所得弹性参数称之为动态参数。
因此,用测井资料计算得到的弹性参数是动态参数。
根据地下岩层的应力形成、赋存和起作用的机理,特别是在应力幅值、加载速度和所引起的岩石变形等方面,更接近岩石静态测试的条件,另外,现有的力学本构关系一般是基于静态参数建立的,因此,在地应力计算和实际工程中应采用岩石的静态弹性参数。
大量研究资料表明岩石的动态、静态弹性参数具有很好的相关性,且大部分情况下岩样的静态参数弹性模量小于其动态值。
岩石动、静态弹性参数间存在较大差别,其原因主要是岩石中微裂缝和孔隙的存在。
岩石这种孔隙的弹性材料有别于各向同性、均质的线弹性体。
微裂缝的存在对岩石静态变形的影响较大,而超声波可以绕过一些微裂缝传播。
在实际应用时,可通过岩石力学动、静态同步测试建立动、静态参数间的关系,从而把测井得到的动态参数转换为静态参数。
由于研究区及其邻近区块没有条件做岩石力学试验,本次研究引用了辽河油田和大庆油田的实验结果:d s E E 7095.02526.0+=(3-1-11) 37.036.0d s μμ⨯= (3-1-12)式中:s E 、s μ为静态杨氏模量和静态泊松比;d E 、d μ为动态杨氏模量和动态泊松比,即测井资料计算结果。
式(3-11)和式(3-12)的相关系数分别为0.75和0.86。
3、岩石机械强度参数目前,岩石机械强度参数还没有理论计算式,一般通过岩石力学测试来确定。
为了克服岩石力学试验存在的测试费用昂贵和数据量少等缺点,研究人员通过岩石力学试验建立了岩石强度参数的经验计算式:⑴单轴抗压强度C σDeer 和Miller (1996)根据大量的室内试验结果建立了砂泥岩的单轴抗压强度与岩石动态杨氏模量d E 和地层泥质含量sh V 之间的关系:①砂泥岩地层()sh d sh d c V E V E ⋅+-=008.010045.0σ(3-1-13)②碳酸盐岩地层 ()sh d sh d c V E V E ⋅+-=008.010026.0σ (3-1-14) 式中:c σ和d E 的单位为MPa ;泥质含量为小数,由自然伽马测井资料确定。
⑵岩石粘聚力0C (内聚强度或抗剪切强度)根据Brules 和Coates 的研究结果,粘聚力0C 的计算公式为:()()sh d d d b p V v C 78.0111211044.524150+⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⨯-⨯=-μμμρ (3-1-15)式中:d μ为岩石动态泊松比,无量纲;b ρ为岩石的体积密度,单位为3cm g ;p v 为岩石的纵波速度,s m ;sh V 为地层的泥质含量,小数。
①岩石的抗张强度t s40C s t = (3-1-16) ②岩石的内摩擦角ϕ对于岩石内摩擦角ϕ的确定,斯伦贝谢和西方阿特拉斯公司在计算时假定岩石的所有内摩擦角ϕ都为030,这与实际情况有一定的误差,岩石类型和组成岩石的颗粒的相对大小对内摩擦角有影响。
一般岩石的摩擦角在150~450之间。
根据Brie 强度公式,摩擦角与泊松比之间关系有:15)11(30+--=μμϕ (3-1-17)另外,内摩擦角也可以按石油大学提出的经验关系式进行计算:()21log 654.220M M ++⨯+=ϕ(3-1-18)其中:0785.193.58C M -=。
具体采用哪个公式,视实际情况而定。
4、岩石物理参数计算实例分析根据上述参数计算公式,利用的相应测井资料对安塞油田的几口井进行岩石机械特性进行分析。
从安2051和泌356井的岩石物理参数成果图(图3-1-2、图3-1-3)可以看出,这两口井地层岩石的各种弹性模量参数(动态)比较大,杨氏模量在40000MPa-65000MPa 之间,即岩石的抗破坏能力比较强。
从图中还可以看出,泥岩层的抗剪切强度和单轴抗拉强度比砂岩层的大,这是在储层改造时为什么泥岩层能作为遮挡层的原因之一。
当然,井壁岩石的破坏不仅与岩石本身的强度有关,还与地应力有关。
一般情况下,若不考虑地应力的影响,泥岩抗破坏的能力比砂岩强。
图3-1-2 安2051井岩石机械特性成果图图3-1-3 泌356井岩石机械特性成果图图3-1-4 安2051井实测横波、合成横波及力学参数对比图计算各种弹性模量参数需要同时具备有纵、横波时差,并且弹性模量是计算地应力及各种破裂压力的基础参数,因此,纵、横波时差是地应力研究中的重要原始数据。
在缺乏横波时差资料的情况下,可由纵波时差以及密度来合成横波时差。
下面给出了安2051井采用实测横波时差和合成横波时差计算弹性力学参数的对比图。
从图3-1-4看出,合成的横波时差与实测横波时差几乎相等,并且分别由这两种时差计算得出的各种弹性参数曲线基本重合,只有少数深度点相差较大,从总体上来讲,通过合成的横波来计算弹性力学参数的精度还是比较高的。
因此,在缺乏横波时差的情况下,可以由纵波时差与密度资料来合成横波时差,并且能获得比较准确的弹性力学参数,进而进行地应力以及井壁稳定性等方面的分析。
第二节 地应力大小及方位1、地应力地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力,也成岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
它是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其他因素而引起介质内部单位面积上的作用力。
地壳中的不同地区,不同深度地层中的地应力的大小和方向随空间和时间的变化而变化构成应力场。
地层中每一个质点的地应力都有其大小和方向,其中包括最大水平主应力H σ、最小水平主应力h σ、垂向应力v σ的大小和方向。
地应力是石油勘探与开发中的一个重要基础参数。
含油气盆地构造的形成和演化是在一定的地应力场作用下的产物,只有弄清含油气盆地、含油气区块的地应力场分布,才能正确认识古构造行迹的发生演化历史,才能有效地分析和解决油气勘探开发的有关问题。
现在已经认识到地应力对油气勘探开发的作用和影响越来越多地从各个方面表现出来,如:地质构造形成玉演化是构造应力作用及变化的结果;储层中油气运移和聚集与地应力有关,油气总是由强应力区向弱应力区运移;天然裂缝和裂隙面与最大主应力方向平行;油田应力场状态决定着断层的形态和分布;在渗透率各向异性、低渗透率油田中,主渗透率方向与最大目前最大水平主应力方向一致;在钻井过程中,井壁的稳定性与地层岩石的力学性质、地层剖面的地应力状态有密切关系;油井采油过程中的出砂与地层的岩石力学性质、油层的应力环境、出砂指数有关;油层改造过程中,地应力场状态、地层岩石的力学性质决定着水力压裂的裂缝的形态、方位、高度和宽度,影响着压裂的增产效果等等。
地应力的大小、方向、分布规律及其演化史是油气勘探开发中地应力研究的主要内容,而岩石的力学性质、储层的孔隙压力、地层温度、构造应力、重力及地层剥蚀等是影响油田应力场状态的主要因素。