岩石力学

岩石力学基础
复习指导
课程主要内容
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岩石的结构和组织
2 岩石的物理性质及工程分类
3
岩石的力学性质
4 本构关系和强度准则
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岩石的蠕变
6
地应力测量及计算
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测井解释及井壁稳定
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第1章 岩石的结构和组织特点
岩石的结构和分类 岩石的微观结构 岩石的宏观结构
成岩旋回图
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第二章 岩石的物理性质及工程分类
化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。硅质成分化学岩 的强度较高，但性脆易裂，整体性差。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩等具中 等强度，一般能满足水工设计要求，但存在于其中的各种不同形态的喀斯特， 往往成为集中渗漏的通道。易溶的石膏、岩盐等化学岩，往往以夹层或透镜体 存在于其他沉积岩中，质软，浸水易溶解，常常导致地基和边坡的失稳。
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复习完毕
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yz

2(1 E
v)
yz
z

1 E
[
z
v( x
y )]
zx

2(1 E
v)

zx
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
4.4 岩石的强度理论
定义：表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间
的函数关系，称为破坏判据（failure criterion)或称强度 准则、强度判据。
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第6章 地应力测量及计算
地应力的分布规律
通过理论研究，地质调查和大量的地应力测量资料的分析研究， 已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律： 1、地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的 函数。 2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。
3、水平应力普遍大于垂直应力。
4、平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小。 5、最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。 6、最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强 的方向性。
所谓岩石本构关系是指岩石的应力或应力速率与其应变或应变速率的关系。
岩石的弹性本构关系
对各向同性的线弹性岩石材料，根据胡克定律可得到其在直角坐标系下的
应力-应变关系为：
x

1 E
[
x
v(
y
z )]

xy

2(1 E
v) xy
y

1 E
[
y
v( z
x )]

5
第二章 岩石的物理性质及工程分类
3）变质岩的性质
变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相 近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩 石的力学强度较变质前相对增高。
变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会 使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于 片理构造方向上工程性质的变化。
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
4.1 应力及应力状态分析 应力的概念 ： S lim Q A0 A
与岩石形变和强度直接相关的是应力在其作用法线方向的分量及切线 方向的分量，其中，沿截面法线方向的应力分量称为正应力σ，切线方 向的应力分量称为剪应力。
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
σ1=F(σ2,σ3,σC,σt,C,Ф )
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
莫尔-库仑判据
f c tg
参数获得方法
1 3 N Rc
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第五章 岩石的蠕变
流变性是指：材料在应力、应变、温度、湿度、 辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规 律。
蠕变的定义： 岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢地增 长现象称为蠕变(Creep）。 应力松弛的定义： 若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少的现 象称松驰(Relaxation)或称应力松驰。
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第7章 测井解释与岩石力学
破裂压力计算
从力学上说，地层破裂是由于井内钻井液密度过大使井壁 岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度而造成的，即

'

S
t
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第7章 测井解释与岩石力学
斜井的井壁稳定分析 建立转换关系
1)、先将坐标1、2、3以3为轴，按右手定则旋转Ω角， 转变为x1、y1、z1坐标；
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第6章 地应力测量及计算
地应力的测量方法 水力压裂(hydraulic fracture )地应力测试方法 声发射法 波速各向异性
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第6章 地应力测量及计算
孔隙压力的变化对地应力的影响
孔隙压力的变化 地应力的变化
弹性力学推导
如果地层孔隙压力降低 ，△σ 为负号，表示地应力减小； 如果地层孔隙压力升高， △σ 为正号，表示地应力增加。
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第五章 岩石的蠕变
初期 蠕变
稳态 蠕变
瞬态 蠕变
典型蠕变曲线的三个阶段
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第五章 岩石的蠕变
蠕变模型
常用的流变元件
1）、弹性元件
2）、塑性元件
3）、粘性元件
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第五章 岩石的蠕变
基本流变模型
麦克斯韦尔(Maxwell）模型 伏埃特 (Voigt）/开尔文(Kelvin）模型
鲍格斯(Burgers)模型
岩石的工程性质 岩石的物理性质 岩石的工程分类
3
第二章 岩石的物理性质及工程分类
岩石的工程性质
1）岩浆岩的性质 岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建
筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。 深成岩具结晶联结，晶粒粗大均匀，孔隙度小、裂隙较不发育，岩块
大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩石往往由多种矿物结晶组成， 抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎，故应 注意对其风化程度和深度的调查研究。
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第6章 地应力测量及计算
地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分
清楚的问题。30多年来的实例和理论分析表明，地应力形 成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块 边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋 转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水 压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的 应力场。其中，构造应力场和重力应力场是现今地应力场 的主要组成部分。
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第7章 测井解释与岩石力学
抗钻强度
泊松比
弹性模量
抗压强度
岩石力学 参数
切变模量
抗剪强度
岩石硬度
体积模量
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第8章 井壁稳定的力学机理
井壁不稳定的原因
力学因素 物理化学因素 水力因素
实质：井眼围岩的应力状态与岩石破坏准则的关系，即 力学的不平衡问题
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第7章 测井解释与岩石力学Hale Waihona Puke Baidu
井壁围岩应力分析
由于：
xy yx yz zy zx xz
所以：
x y xy z yz xz zx yx zy
中，实际上独立的应力 分量只有6个。
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
应力平衡微分方程
根据微分单元体x方向平衡，∑Fx=0，则
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
量，以百分数表示。 岩石中细颗粒越多，它的比表面就越大，反之就越小。
膨胀性、崩解性及软化性 热理性
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第三章 岩石的力学性质
岩石的强度性质 岩石的变形性质
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
4.1 应力及应力状态分析 4.2 应变及应变状态分析 4.3 岩石的应力应变关系 4.4 岩石的强度理论
r

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第7章 测井解释与岩石力学
依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼 受力进行分解
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第7章 测井解释与岩石力学
坍塌压力计算
从力学角度来说，造成井壁坍塌的原因主要是由于井 内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本 身的强度而产生剪切破坏造成的。
破坏准则：摩尔-库仑
C tan
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
微分单元体的变形
正应变与位移分量之间的关系
显然微分线段伸长，则正应变ε x,ε y,ε z 大于零；反之则小于零。
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
微分单元体的变形
剪应变与位移分量之间的关系
xy
yx
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
4.3 岩石的应力应变关系
浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、抗风化性能较深成岩 强，但斑状结构岩石的透水性和力学强度变化较大，特别是脉岩类，岩体 小。
喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙，透水性较大。此外， 喷出岩多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和整 体稳定性影响较大。
4
第二章 岩石的物理性质及工程分类
6
第二章 岩石的物理性质及工程分类
岩石的物理性质
强度 其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。
岩石的密度
孔隙度 岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。 渗透性 在压力作用下，岩石允许流体通过的性质 油气水饱和度 储集层岩石的孔隙中，某种流体占据孔隙空间的体积百分数。
粒度组成与比表面积 岩石的粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒含
2)、再将坐标x1、y1、
z1以y1为轴，按右手定则
旋转Ψ角，变为x、y、z
φ
坐标。
Ω
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第7章 测井解释与岩石力学
变换后的坐标关系
x cos cos cos sin sin 1

y

sin
cos
0


2
z sin cos sin sin cos 3
2）沉积岩的性质 碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著。
此外，碎屑的成分、粒度、级配对工程性质也有一定的影响。 粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸
水后易软化和泥化。若含蒙脱石成分，还具有较大的膨胀性。这两种岩石对水 工建筑物地基和建筑场地边坡的稳定都极为不利，但其透水性小，可作为隔水 层和防渗层。
4.2 应变及应变状态分析 应变的概念
由于载荷作用或者温度变化等外界因素等影响，物体内各点在 空间的位置将发生变化，即产生位移。
刚体位移 变形
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第4章 岩石的本构关系和强度准则
单元体棱边的伸长和缩短--正应变
棱边之间夹角的变化--切应变或剪应变
εx、εy、εz表示x，y，z轴方向棱边的相对伸长度，即正应变。 用γxy、γyz、γzx表示x和y，y和z，z和x轴之间的夹角变化，即切应变。