中国地质大学(北京)岩石力学大题目.doc

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岩石力学

微结构面对岩石工程性质的影响

微结构面的存在将大大降低岩石（特别是脆性岩石）的强度（格里菲斯强度理论）：

由于岩石中这些缺陷的存在，当其受力时，在微孔或微裂隙（缺陷）末端，易造成应力集中，使裂隙可能沿末端继续扩展，导致岩石在比完全无缺陷时所能承受的拉应力或压应力低得多的应力值的作用下受到破坏。

故认为缺陷是影响岩石力学性质的决定性因素。

由于微结构面在岩石中常具有方向性（如裂隙等），因此它们的存在常导致岩石的各向异性。

缺陷能增大岩石的变形，在循环加荷时引起滞后现象；还能改变岩石的弹性波波速，改变岩石的电阻率和热传导率等

岩石（岩块）的力学性质的含义

岩石的变形特征是指岩石试件在各种荷载作用下的变形规律，其中包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律，它反映了岩石的力学属性；

岩石强度是指岩石试件在荷载作用下开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。

岩石的变形特征和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴试验机上所得到的应力-应变曲线来描述。

由于试验条件不同（单轴的或三轴的，刚性的或非刚性的），所得到的试验结果也会各不相同

影响岩石强度的主要因素

岩石自身性质:

矿物组成及岩性,颗粒大小及形状,粒间连接方式,微结构面及结构特征,风化程度.

实验条件:

试件形状及尺寸,尺寸越大，试件强度越低....试件加工精度,两加载端面不平行度过大，会导致试件局部应力过大而提前破坏....端部效应,使试件受到横向约束，导致试件强度增大,增大试件高径比，可降低端部效应影响。

但高径比过大会出现“压杆失稳”，导致强度降低....加载速率,加载速率增加，强度和弹模增加，峰值应力越明显.....温度和湿度.温度越高，强度越低,含水量越高，强度越低

抗剪强度的类型

抗剪断强度：

指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力

抗切强度：

指试件上的法向应力为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力

摩擦强度：

指试件在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面（层面、节理等）再次剪切破坏时的最大剪应力

两个表征岩石变形特性的指标

变形模量:

:

应力-应变曲线上的任何点与坐标原点相连的割线的斜率，表示该点所代表的应力的变形模量,,在线性弹性材料中，变形模量等于弹性模量

泊松比:

:

是指在单轴压缩条件下,横向应变与轴向应变之比

岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大

单轴压力试验,完整的岩石应力-应变曲线可分为四个区段

OA段：

曲线稍微向上弯曲，属于压密阶段，这期间岩

石中初始的微裂隙受压闭合

AB段：

接近于直线，近似于线弹性工作阶段

BC段：

曲线向下弯曲，属于非弹性阶段，主要是在平

行于荷载方向开始逐渐生成新的微裂隙以及裂隙的不稳

定，B点是岩石从弹性转变为非弹性的转折点

CD段：

为破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴抗压强度RC

AB段特性

对大多数岩石来说，在AB这个区段内应力-应变曲线具有近似直线的形式，这种应力-应变关系可用下式表示σ=EεE是岩石的弹性模量，即OB线的斜率

BC段特性

第三区段BC的起点B往往是在C点最大应力值的2/3处，从B点开始，岩石中产生新的拉张裂隙，岩石模量下降，应力-应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐降低到零。

在这一范围内，岩石将发生不可恢复的变形，加载与卸载的每次循环都是不同的曲线。

这阶段发生的变形中,能恢复的变形叫弹性变形,而不可恢复的变形，称为塑性变形或残余变形或永久变形

CD段特性

第四区段CD，开始于应力-应变曲线上的峰值C点，是下降曲线，在这一区段内卸载可能产生很大的残余变形

小结

分三全阶段

1）原生微裂隙压密阶段（OA级

特点：

①曲线应变率随应力增加而减小；塑性变形（变形不可恢复）,原因：

微裂隙闭合（压密）

2）弹性变形阶段（AB段

特点：

曲线是直线,,弹性模量，E为常数（变形可恢复）,,原因：

岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应力为屈服极限

3）塑性变形阶段（BC

特点：

曲线软化现象；②塑性变形，变形不可恢复；③应变速率不断增大,,原因：

新裂纹产生，原生裂隙扩展

岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著

典型的蠕变曲线（分三阶段）

（1）初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）AB

特点：

①有瞬时应变OA,②应变率随时间增长而

减小；③卸载后，有瞬时恢复变形，后弹性后效，

弹性后效，变形经过一段时间后，逐渐恢复的现象

（2）稳定蠕变阶段（BC）（较长）

特点：

①应变率为常量；②卸载：

有瞬弹性恢

复，弹后，粘流，粘性流动，不可恢复的永变形

（3）非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）

特点：

①应变率剧烈增加；②曲线向上伸；③一般此阶段比较短暂

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

1）矿物硬度的影响

矿物硬度大，岩石的弹性越明显，强度越高

2）不稳定矿物的影响

化学性质不稳定的矿物，如黄铁矿、霞石以及易溶于水的盐类，如石膏、滑石、钾盐等，具有易变性和溶解性。

含有这些矿物的岩石其力学性质随时间而变化

3）粘土矿物的影响

含有粘土矿物（蒙脱石、高岭石等）的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大

2、岩石的结构构造对岩石力学性质的影响

1）岩石结构的影响

岩石的结构对岩石力学性质的影响主要表现在结构的差异上。

例如：

粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高

2）岩石构造的影响

岩石的构造——指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式

3、水对岩石力学性能的影响

水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性和水理性有关。

水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面：

连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用。

4、温度对岩石力学性能的影响

一般而言，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低。

岩石在高温高压下产生微裂隙

5、加载速度对岩石力学性能的影响

加载速度越快，测得的弹性模量越大，强度指标越高。

6、受力状态对岩石力学性能的影响

岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，而与岩石的受力状态有关，随着受力状态的变化，其脆性和塑性时可以相互转化的。

7、风化对岩石力学性能的影响

1）降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，使岩体分裂成更小的碎块，进一步破坏岩体的完整性2）岩石在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物所代替，特别是产生粘土矿物，并随着风化程度的加深，这类矿物逐渐增多3）由于岩石和岩体的成分结构和构造的变化，岩体的物理力学性质也随之变化

软岩典型蠕变曲线的三个阶段

一般而言，软弱岩石的典型蠕变曲线可分为三个阶段

第Ⅰ阶段：

称为初始蠕变段

在此阶段的应变—时间曲线向下弯曲

应变与时间大致呈对数关系

第Ⅱ阶段：

称为等速蠕变段或稳定蠕变段

在此阶段内变形缓慢，应变与时间近于线性关系

第Ⅲ阶段：

称为加速蠕变段

此阶段内呈加速蠕变，将导致岩石的迅速破坏

地应力的成因

地应力的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；

地幔热对流和地球内应力；

地心引力和地球旋转；

岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。

另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场

地应力场的组成

地应力场是下述各种应力场的叠加，其中构造应力场和自重应力场是主要组成部分。

（1）大陆板块边界受压引起的应力场；

（2）地幔热对流引起的应力场；

（3）由地心引力引起的应力场；

（4）岩浆侵入引起的应力场；

（5）地温梯度引起的应力场；

（6）地表剥蚀产生的应力场。

影响地应力场分布的主要因素

影响因素：

地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等.特别是地形和断层的扰动影响最大.在具有负地形的峡谷或山区，地形的影响在侵蚀基准面以上及以下一定范围内表现特别明显.一般来说，谷底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中越明显最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面相平行。

近地表或接近谷坡的岩体，其地应力状态和深部及周围岩体显著不同，并且没有明显的规律性。

随着深度不断增加或远离谷坡，地应力分布状态逐渐趋于规律化，并且显示出和区域应力场的一致性。

在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动。

断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象。

由于断层带中的岩体一般都较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积累，所以成为应力降低带，其最大主应力和最小主应力与周围岩体相比均显著减小。

同时，断层的性质不同，对周围岩体应力状态的影响也不同。

水力压裂增产增注的原理:

（1）改变流体的渗流状态：

使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，降低了能量消耗。

（2）降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：

裂缝内流体流动阻力小。