岩石力学上分析

（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www.meibo6162.com
（6）岩体力学性质 内容包括： ①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 www.meibo6162.com ②岩体力学参数的弱化处理与经验估计； ③影响岩体力学性质的主要因素； ④岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。
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。
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。
第一章
一、
绪
论
（Introduction to Rock Mechanics ）
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。
（4）结构面力学性质 内容包括： ①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； ②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。
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。
（7）工程岩体的稳定性
内容包括： ①各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力（ stress ）、
位移分布特征；
②各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形（deformation ） 破坏特征；
③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。
成 岩 旋 回 图
第二节 岩石的结构特点及其对强度的影响
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。
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。
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
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。
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。
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。
3、变质岩(Metamorphic Rock)
在地球内部高温或高Biblioteka Baidu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
（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
（3）岩石的基本力学性质
内容包括： ①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； ②影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度 等； ③岩石的变形（deformation ）破坏机理及其破坏判据 （failure criterion ）。
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。
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。
第二章 岩石的组成与岩石的物理性质
第一节
一、岩石的组成
岩石的组成与结构
地壳(earth‘s 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。
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。
四、 油气工程中的岩石力学问题
（ Applications of rock mechanics in petroleum engineering）
①岩石破碎机理及地层可钻性；
②岩石力学与地球物理勘探综合研究； ③钻探技术与井壁稳定性；
④岩石力学与采油技术（水力压裂、出砂与防砂、水平钻孔）；
⑤油藏变形及地面下沉； ⑥岩石应力与岩石渗透性。
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。
（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。
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：
①岩石的物质组成和结构特征； ②结构面特征及其对岩体力学性质的影响；
③岩体结构及其力学特征；
④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。
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 ）
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。