岩石力学上分析

一、岩石力学（Rockmechanics）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（stressstate）、应变状态（strainstate）和破坏条件（failurecriterion）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。第一章绪论（IntroductiontoRockMechanics）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。（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（failurecriterion）。（4）结构面力学性质内容包括：①结构面在法向压应力（compressivestress）及剪应力（shearstress）作用下的变形（deformation）特征及其参数确定；②结构面剪切强度（shearstrength）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。（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。（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。（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．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（structuralgeology）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。（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。（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。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(scaleeffect)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(tensilestrength)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。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(effectivestress)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。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。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。四、油气工程中的岩石力学问题（Applicationsofrockmechanicsinpetroleumengineering）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。第一节岩石的组成与结构一、岩石的组成地壳(earth‘scrust)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。第二章岩石的组成与岩石的物理性质矿物（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。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(IgneousRock)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(SedimentaryRock)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。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。3、变质岩(MetamorphicRock)在地球内部高温或高压的情况下，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(Rockcycle)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。成岩旋回图一、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。第二节岩石的结构特点及其对强度的影响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。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(Rocksalt)，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（rockstrength）岩石的强度主要取决于矿物强度（mineralstrength）、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（cementationstrength）。不同胶结物的联结强度不同：硅质、铁质＞钙质＞泥质。岩石力学性质主要是指岩石的变形(deformation)特征及岩石的强度(strength)。影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型、组构、围压(confiningpressure)、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等等。第三章岩石的力学性质及其影响因素对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩石力学性质逐一进行研究，才能认识到哪些是主要影响因素，哪些是次要因素。从而得出某些参数，