岩石强度性质ppt课件.ppt

岩 石 力 学Rock Mechanics,主讲教师：蔚宝华联系电话：010-89733911-11电子邮箱：,岩块的强度特征,概述 岩石的抗压强度 岩石的抗拉强度 岩石的抗剪强度 强度准则,第一节 概述,第一节 概述,脆性破坏：岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。* 大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。* 产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生和发展的结果。,例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。,第一节 概述,延性破坏：岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格结位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。,有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏。,第一节 概述,岩体破坏的主要形式是弱面剪切破坏弱面剪切破坏：岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移。,如节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动，以及岩坡沿软弱面的失稳等，都属于弱面剪切破坏。,第一节 概述,岩石在破坏前后的应力-应变关系比金属材料复杂得多，岩石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这不仅取决于岩石性质，且受应力状态，地温，受荷时间等多种因素的影响。,第一节 概述,岩石强度：岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵抗破坏的能力。为了研究岩石的强度特征，经常将岩石制备成试件在实验室进行试验，依据试样应力状态的不同分为：岩石单轴抗压强度试验，抗拉强度试验，抗剪强度试验等。试验时将岩样制备成规定的试件然后按相应的试验规程进行试验。试验测定的强度指标分又可为：单轴抗压强度，单轴抗拉强度，抗剪切强度等。,第二节 岩石的抗压强度,一、岩石抗压强度的定义及研究意义1.岩石抗压强度的定义 岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破坏的极限能力，极限强度在数值上等于破坏时的最大压应力。2.测定岩石抗压强度的意义A 衡量岩块基本力学性质的重要指标B 建立岩石破坏判据的重要指标C 用来大致估算其他强度参数,第二节 岩石的抗压强度,二、岩石抗压强度测定,圆柱形试件：4.85.2cm ，高H=（22.5) 长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm; 两端面垂直于轴线0.25o,2.岩样标准,1.计算方法,P轴向破坏荷载A试件界面积,式中：,第二节 岩石的抗压强度,三、岩石试样的破坏形式 劈裂破坏 剪切破坏 延性破坏,第二节 岩石的抗压强度,2.试验条件方面的因素 试样的的几何形状及加工精度； 加载速率； 端面条件-端面效应； 层理结构-取心方式,3.环境的影响温度和湿度的影响,1.岩石自身性质的因素 岩石自身的性质（矿物组成、颗粒大小及形状、粒间连接、结构特征、微结构面、风化程度）对其抗压强度起决定作用,四、岩石抗压强度的影响因素,第二节 岩石的抗压强度,四、岩石抗压强度的影响因素岩石自身性质的因素,2 试验条件对岩石抗压强度的影响, 试样几何形状及加工精度的影响 多边形试样易引起应力集中，故易破坏；横截面形状对强度的影响：圆形六多边形四边形三边形试件；加工精度影响应力分布形式，如弯矩。 岩石具有尺寸效应：试样尺寸越大，岩石强度越低 圆形试件的优点：不易产生应力集中，好加工；对圆柱试件的尺寸要求：大于矿物颗粒的10倍；高径比：h/d(23)较合理，尺寸效应其抗压强度影响的经验公式：,2 试验条件对岩石抗压强度的影响, 加载速率对抗压强度的影响：加载速度越大，表现强度越高，我国规定加载速度为0.5-1.0MPa/s,2 试验条件对岩石抗压强度的影响, 端面条件：主要是端面摩擦力限制试样的横向膨胀,改变端部应力状态,层理结构强度各向异性,2 试验条件对岩石抗压强度的影响,3 环境对抗压强度的影响 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的23倍。见下表（Next page） 温度度：180以下不明显：大于180，湿度越高强度越小。注意：岩芯的保存尽可能的维持井下状况,第二节 岩石的抗压强度,第三节 单轴抗拉强度,1.定义： 岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力或极限强度在数值上等于破坏时的最大拉应力，岩石的抗拉强度比其抗压强度低得多。,2.意义： a）衡量岩体力学性质的重要指标 b）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线 c）选择建筑石材不可缺少的参数,3.测定方法： a）直接拉伸 b）间接法（劈裂法、点荷载法、三点弯曲法）,a）直接法,试验时将这种试件两端固定在拉力机上，然后对试样施加轴向拉力，直至试件破坏，试件的抗拉强度为：,缺点：试样制备困难，它不易与拉力机固定，且在试样断裂处附近往往有应力集中，同时难免在试件两端面有弯矩,关键技术：试件和夹具之间的连接；加力P与试件同心,B）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法,由巴西人Hondros提出,试件：实心圆柱50mm；厚度l=(0.5-1)D,试验：径向压缩破坏（张开）,要求： 荷载沿轴向均匀分布 破坏面必须通过试件的直径,B）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法,注： 端部效应 并非完全单向应力,计算公式：由弹性力学公式,式中：,t试验中心的最大拉应力，抗拉强度p 试验中破坏时的压力D 试件的直径t 试件的厚度,B）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法,C）点荷载试验法,是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法试件：任何形状，尺寸大致5cm，不做任何加工试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。,计算：,式中：P 试件破坏时的极限 D 加载点试件的厚度,统计公式：,要求:（由于离散性大），每组15个，取均值，即,建议：用5cm的钻孔岩芯为试件。,岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。,4 影响因素：结构面的影响（裂隙空隙）,常见岩石的抗拉强度,三、剪切强度,1.定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度,2.类型：,1）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,2）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,3）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。,抗剪试验又称摩擦试验,3、意义： 反映岩块的力学性质的重要指标 用来估算岩石力学参数及建立强度判据 4、抗剪断强度的测试方法： 1）直剪试验 2）变角板剪切试验 3）三轴试验,三、剪切强度,1）直剪试验,直剪试验在直剪仪上进行，按库仑定律求岩块的剪切强度参数C、值。,变角板剪切试验,P压力机的总压力A破坏面面积试件倾角f圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数,楔形剪切仪,试验设备,破坏面应力计算：,试验结果处理,讲了强度准则后我们在回过头来看如何对试验结果进行分析,第四节 三轴压缩强度,定义：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大轴向应力测定方法:在一定的围压3下，对试件进行三轴试验时，岩块的三轴压缩强度1m(MPa)为：,围压对变形破坏的影响,岩石破坏前应变峰值强度随3增大而增大随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3的大小称为“转化压力” 。随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。,围压对变形破坏的影响,围压对变形破坏的影响,围压对变形破坏的影响,利用三轴试验确定抗剪强度,根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度1m和相应的3以及单轴抗拉强度t。在-坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与轴的夹角及其在轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角()和粘聚力(C)。,抗剪试验又称摩擦试验,试验结果处理,讲了强度准则后我们在回过头来看如何对试验结果进行分析,利用三轴试验确定抗剪强度,根据一组试件(4个以上)试验得到的三轴压缩强度1m和相应的3以及单轴抗拉强度t。在-坐标系中可绘制出岩块的强度包络线。除顶点外，包络线上所有点的切线与轴的夹角及其在轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角()和粘聚力(C)。,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。 1=F(2,3,C,t,C, ),第五节 岩石的强度准则,强度参数和强度准则,莫尔判据莫尔-库仑判据格里菲斯判据八面体强度判据,第五节 岩石的强度准则,莫尔认为：材料在极限状态下，剪切面上的剪应力就达到了随法向应力和材料性质而定的极限值时，发生破坏。也就是说，当材料中一点可能滑动面上的剪应力超过该面上的剪切强度时，该点就产生破坏，而滑动面的剪切强度又是作用于该面上法向应力的函数。,一、莫尔判据,判断岩石中一点是否会发生剪切破坏时，可在莫尔包络线上，叠加上反映实际研究点应力状态的莫尔应力圆，如果应力圆与包络线相切或相割，则研究点将产生破坏；如果应力圆位于包络线下方，则不会产生破坏。,一、莫尔判据,1、抛物线型,n是待定系数,如何表达成主应力的表达形式？如何确定n？,从强度曲线上的一点M的应力状态出发,莫尔园（Mohrs Circle）,1、抛物线型,1、抛物线型,适用于岩性较坚硬至较软弱的岩石，如泥灰岩、砂岩、泥页岩等岩石。,1、抛物线型,2. 双曲线型,适用于砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬、较坚硬岩石。,3.直线型,莫尔强度理论实质上是一种剪应力强度理论。它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破坏。反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特性，并能解释岩石在三向等拉时会破坏，而在三向等压时不会破坏（曲线在受压区不闭合）的特点。忽略了中间主应力2的影响适用于剪破坏，不适用于拉破坏、膨胀或蠕变破坏。,一、莫尔判据,二、莫尔-库仑判据,固体内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力()应等于或大于材料本身的抗切强度(C)和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力(tg)之和。,按照库仑-纳维尔理论，岩石的强度包络线是一条斜直线，破坏面与最小主平面的夹角恒等于45/2。库仑-纳维尔判据适用于坚硬、较坚硬的脆性岩石产生剪切破坏的情况，而不适用于拉破坏的情况。该判据没有考虑中间主应力2的影响。,三、格里菲 斯判据这是格里菲斯在研究“为什么玻璃等脆性材料的实际抗拉强度比由分子理论推算的强度低得多”这一问题后提出了脆性破坏理论。他认为：脆性材料中包含有大量的微裂纹和微孔洞。材料的破坏是由于这些微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展、联合的结果，,岩石就是这样一种包含大量微裂纹和孔洞的脆性材料，因此，格里菲斯理论为岩石破坏判据提供了一个重要理论基础。,剪应力表达式:主应力表达式:,判据的表达式,由格里菲斯判据可得1.按格里菲斯判据，当时，即 =，基本上与库仑-纳维尔判据相接近。2.该判据非常适用于脆性岩石的拉破坏情况。,修正的格里菲斯判据（考虑摩擦效应f,C）,四、八面体强度判据八面体:指空间坐标中每个卦限取一等斜面，八个等斜面构成的多面体，称为八面体。八面体强度判据认为岩石破坏的原因是八面体上的剪应力（8）达到了临界值所引起的。八面体应力,米赛斯强度判据：岩石单向受力至屈服时，当8达到八面上的极限剪应力时，岩石屈服(或破坏)。,该判据适用于以延性破坏为主的岩石。八面体强度判据的优点是考虑了中间主应力的作用。,德鲁克-普拉格（rucker-Prager）判据:,一、库仑-纳维尔判据,适用条件：低应力或坚硬、较坚硬的岩石的剪切破坏.,二、莫尔判据1. 斜直线型：同库仑-纳维尔判据2. 二次抛物线型：,适用条件：高应力或软弱、较软弱岩石的剪切破坏,破坏判据小结,3. 双曲线型： 适用条件：中等应力或较坚硬岩的剪切破坏。,三、格里菲斯判据,适用条件：非常适用于脆性岩石的拉破坏。,修正的格里菲斯判据,四、八面体强度判据,该判据适用于以延性破坏为主的岩石。,测井解释基础,电法测井：以研究岩石及其孔隙流体的某种电学性质为基础，利用电法测井仪器采集数据信息测量岩石导电性的：微电极、双侧向、微球形聚焦测井、微电阻率成像测井测量岩层介质电特性的：电磁波传播测井、介电测井测量岩层电学特性的：自然电位测井,测井解释基础,声波测井：以研究岩石及其孔隙流体的某种声学性质为基础。根据所研究岩石的声学性质，可分为三类：测量声波传播速度：声波时差测井、偶极横波测井测量声波能量：井周声波成像测井、变密度测井测量井下自然噪声：噪声测井,测井解释基础,核测井：以研究岩石及其孔隙流体的某种核物理性质为基础。伽玛测井：研究伽玛辐射为基础自然伽玛测井、自然伽玛能谱测井、地层密度测井中子测井：研究中子、岩石及其孔隙流体相互作用超热中子测井、热中子测井核磁测井：利用核磁现象研究地层自由流体含量核磁共振测井,测井资料解释岩石力学参数-弹性参数,所需测井数据：纵波时差、横波时差、密度,注意：量纲变换,测井资料解释岩石力学参数-弹性参数,测井资料解释岩石力学参数-弹性参数,横波时差数据,动静态转换,测井资料解释岩石力学参数-弹性参数,测井资料解释岩石力学参数-强度参数,岩石抗压强度所需测井数据：纵横波时差、密度、泥质含量,GR测井数据确定泥质含量,测井资料解释岩石力学参数-强度参数,GCUR希尔奇指数，老地层2，第三系地层3.7,抗拉强度粘聚力,测井资料解释岩石力学参数-强度参数,内摩擦角,测井资料解释岩石力学参数-强度参数,请总结一下弹性参数和强度参数的求取用到了那些测井数据,井眼周围地层应力状态,井眼周围地层应力状态,意义？井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗口的确定基础出砂预测研究的基础,假设条件：地层均质各向同性线形弹性，小变形轴向平面应力或平面应变,井眼周围地层应力状态,三维问题转化为二维问题,直井井眼周围地层应力状态,h,二维平面应变模型,直井井眼周围地层应力状态,依据线弹性、小变形应力叠加原理对井眼受力进行分解,请回忆弹性基础中厚壁筒及小孔应力集中,由钻井液柱压力P引起的应力,直井井眼周围地层应力状态,无剪应力，只与井眼半径R和地层的矢径r有关,直井井眼周围地层应力状态,由水平最大地应力 所引起的井周应力分布,直井井眼周围地层应力状态,由水平最小地应力 所引起的井周应力分布,直井井眼周围地层应力状态,钻井液渗流效应,Page-106,直井井眼周围地层应力状态,直井井眼周围地层应力状态,井壁应力状态：,直井井眼周围地层应力状态,直井井眼周围应力分布的特点是什么？,直井井壁坍塌和破裂,一点应力状态九个应力分量,一点应力状态应力张量,一点应力状态的张量表达,一点应力状态剪应力互等定理,岩石处于静平衡状态受力平衡和力矩平衡,一点应力状态剪应力互等定理,由力矩平衡：,得出：,同理：,一点应力状态剪应力互等定理,一点应力状态应力变换,依据应力平衡原理,变换夹角,一点应力状态应力变换,主应力,莫尔园（Mohrs Circle）,莫尔园（Mohrs Circle）,一点应力状态应力变换,y,应力分量：,一点应力状态应力变换,三维空间的主应力计算,展开,一点应力状态应力变换,应力不变量,不变：不随坐标系的改变而改变,一点应力状态应力变换,一点应力状态应力变换,八面体应力,一点应力状态应力变换,应力偏量,应力偏量的不变量,