石油工程专业岩石力学详解.pptVIP

岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。 岩石属于固体，岩石力学应属于固体力学的范畴。一般从宏观的意义上，把固体看做连续介质。 但是，岩体不但有微观的裂隙，而且有层理、片理、节理以至于断层等不连续面。岩体不是连续介质，而且表现为各向异性或非均质。岩石中若含水，它又表现为两相体。从这些方面来看，岩石力学又是固体力学与地质科学的边缘科学。 一点的应力状态 分正应力、剪应力两大类。 由六个独立的应力分量描述： [?]={?x,?y,?z,?xy,?yz,?zx} 主应力和应力不变量 一点的应力也可以由3个主应力分量描述： [?]={?1,?2,?3} I1= ?x+?y+?z= ?1+?2+?3 I2= ?x ?y+?y ?z +?z ?x-(?xy2+?yz2+?zx2) I3= ?x ?y ?z+2 ?xy?yz?zx-(?x ?yz2+ ?y ?zx2+ ?z ?xy2) 常规三轴抗压实验 在岩石力学中，我们总是规定 ?1 ??2 ? ? 3， 即用?1 代表最大主应力，用?3 代表最小主应力，而? 2 则表示中等主应力。 分析一点应力状态最常用的工具是莫尔应力圆，简称莫尔圆。我们着重介绍二维应力状态下莫尔圆的应用。 所谓二维应力状态，是指与第三角标有关的应力分量皆为零的状态，即 ? 33 = ? 32 = ? 31 = 0 ， (4.3) 这也就是通常所指的平面应力状态。 Mohr’s stress circle 莫尔于1900年提出，当一个面上的剪应力与正应力之间满足某种函数关系时，即 沿该面会发生破裂，这就是莫尔破裂准则。其中函数f的形式与岩石种类有关。不难看出，莫尔准则是库仑准则的一般化。因为库仑准则在平面上代表一条直线，而莫尔准则代表了平面中的一条曲线AB。 15 莫尔-库伦强度破坏准则 15 莫尔-库伦强度破坏准则 16 格里菲斯强度理论 6 线应变与剪应变 6 线应变与剪应变 6 线应变与剪应变 R A C l d 断层带 变形前的卵石 变形后的卵石 图2.9 卵石和断层变形应变量的估计 6 线应变与剪应变 6 线应变与剪应变 7 岩石变形的应力应变特性 7 岩石变形的应力应变特性 阶段一：微裂隙闭合阶段； 阶段二：线弹性应力应变阶段； 阶段三：稳定状态的微破裂阶段； 阶段四：不稳定状态的破裂阶段。 虎克定律 胡克定律的简单表达式是应力与应变在单向压缩或拉伸时的线性关系 8 弹性参数 泊松系数 现有一个各向同性材料的方块体或圆柱体在单向受压情况下沿轴向方向缩短，则沿径向方向变长 理想的不可压缩材料的泊松系数等于0.5，实际材料的泊松系数小于0.5。 8 弹性参数 刚性模量 各向同性材料的方块体受到简单的剪应变作用时，沿剪切平面（方向和形状不变的平面）就会产生一定的剪应力。这一平面上的剪应力与剪应变之比 称为刚性模量 8 弹性参数 体应变是体积的变化与最初体积之比 8 弹性参数 体积模量 一弹性体受到附加的静压力增量?P的作用时会引起体积应变Q，静压力增量与体积应变的比值为体积模量。 称为体积模量或不可压缩性。1/K称为压缩系数。 8 弹性参数 8 弹性参数 8 弹性参数 9 环境对岩石力学的影响 在一定围压条件下，随着温度的升高，岩石由脆性向延性转化。 温度升高产生延性的原因是：由于岩石内部分子的热运动增强，削弱了它们之间的内聚力，使晶粒面容易产生滑移。 在室温下，其屈服应力与强度较高，随着温度升高，屈服应力与强度下降，并且逐渐转化为延性。 9 环境对岩石力学的影响 10 本构方程 10 本构方程 10 本构方程 11 岩石流变特性及其本构方程 蠕变的三个阶段 过渡蠕变 稳态蠕变 加速蠕变 　　　　　　　　图５-９(a) 元件模型 （弹簧、阻尼器及摩擦块（片）元件分别代表弹性、粘性及塑性） ? 11 岩石流变特性及其本构方程 11 岩石流变特性及其本构方程 12 岩石孔隙 圆球的立方堆积 Porosity = 48% 12 岩石孔隙 圆球的菱形堆积 Porosity = 27 % 12 岩石孔隙 Porosity = 14% 两种圆球粒度的堆积 12 岩石孔隙 13 岩石的破坏 13 岩石的破坏 14 库伦一纳维尔破坏准则 这个准则认为岩石沿某一面发生剪切破裂时，不仅与该面上剪应力大小有关，而且与该面上的正应力大小也有关系。岩石的破坏并不是沿着最大剪应力的作用面产生的，而是沿着其剪应力与正应力组合达到最不利的一面产生破裂。 14 库伦一纳维尔破坏准则 14 库伦一纳维尔破坏准则 * 张卫东 副教授 0532办）13854661