岩石力学性质及强度解析ppt课件.ppt

第三章 岩石力学性质及强度,3-1 岩石变形简介,岩块一般是指从岩体中取出的，尺寸不大的岩石,实验室试验的试件是岩块的一种。 岩体是指地下工程周围较大范围的岩石。 岩石从狭义说来包括岩块和岩体，广义说来应包括晶体，岩块、岩体和地壳。 岩石的力学性质，即岩石在受力之后所表现的特性的反映，主要有变形特性和强度特性,一些典型的破坏形态,岩石的变形特性，根据其破坏特征，可以分为弹性、弹塑性、塑性、粘性等(粘性又可分为粘弹性和粘塑性)等。,3-2 岩石的变形特性,弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度（d/dt）随应力大小而变化的性质。,脆性,物体受力后，在变形很小时就发生破裂的性质，叫做脆性。 岩石力学中：永久变形或全变形小于3%者为脆性破坏，大于5%者为塑性破坏，35%为过渡状态。 岩石的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之比作为脆性，用公式表示为：,理想弹性体,理想弹塑性体,线性硬化弹塑性体,理想粘性体,一、岩石在单轴压缩状态下的力学特性,1、曲线的基本形状 美国学者米勒将曲线分为6种。,一般岩石在室温和大气条件下的单向压缩试验曲线,（1）0A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限A。 （2）AB段：近似直线，弹性阶段，B 为弹性极限。 （3）BC段：屈服阶段，C为屈服极限。 （4）CD段：破坏阶段，D为强度极限，即单轴抗压强度。 （5）DE段：即破坏后阶段,E为残余强度。,刚度K：指物体产生单位位移所需的外力。,式中： K物体的刚度，kN/mm; p外力，N; u在外力作用下的位移。,弹性变形能W：,瓦威尔西克（Wawer Sik,1968）对岩石开始宏观破坏后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。,类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力应变曲线的破坏后区斜率为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩） 类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试件完全破坏，不但不需要试验机进一步作功，还要逐步卸载，才能作出破坏后区应力应变曲线。应力应变曲线的破坏后区斜率为正。这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）,1、弹性岩石：加载曲线和卸载曲线重合。 2、弹塑性岩石：卸载点应力高于弹性极限，产生回滞环 3、塑弹性岩石或塑弹塑岩石：回滞环,二、单轴压缩状态下反复加载和卸载时的岩石变形特性,1、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性,三、三轴压缩状态下的岩石变形特性,岩石在常规三轴试验条件下的变形特征通常用轴向应变1与主应力差(1-3)的关系曲线表示。,图26 三轴应力状态下大理岩的应力应变曲线,围压对岩石变形的影响,围压对岩石刚度的影响,砂岩：孔隙较多，岩性较软， 3增大，弹性模量变大。辉长岩：致密坚硬， 3增大，弹性模量几乎不变。,图26 三轴应力状态下大理岩的应力应变曲线,围压对岩石强度的影响,2、岩石在真三轴试验条件下的变形特性,岩石的真三轴试验在20世纪60年代才开始的。,（a）3常数， 极限应力1 随2增大而增大，但破坏前的塑性变形量却减小；破坏形式从延性向脆性变化； （b）2常数， 极限应力1 随3增大而增大，破坏前的塑性变形量增大，但屈服极限未变。破坏形式从脆性向延性变化。,四、岩石变形特性参数的测定,1、弹性模量E的确定 a、线弹性类岩石曲线呈线性关系，曲线上任一点P的弹性模量E：,b 曲线呈非线性关系,初始模量:,切线模量（直线段）：,割线模量：,工程上常用E50 ：,初始模量反映了岩石中微裂隙的多少。,切线模量反映了岩石的弹性变形特征,割线模量反映了岩石的总体变形特征。,c 具有粘性的弹性岩石,由于应变恢复有滞后现象，即加载和卸载曲线不重合，加载曲线弹模和卸载弹模也不一样。P点加载弹模取过P点的加载曲线的切线斜率，P点卸载弹模取过P点的卸载曲线的切线斜率。,d、弹塑性类岩石,2、变形模量,式中：Ee弹性模量； Ep塑性模量,3、 泊松比：岩石在单轴压缩条件下横向应变与纵向应变之比。,3-3 岩石的扩容,一 、岩石的扩容现象 岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍性质，是岩石在荷载作用下，其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。 扩容-是指岩石受外力作用后,发生非弹性的体积膨胀。 多数岩石在破坏前都要产生扩容，扩容的快慢和大小与岩石本身的性质、种类及其它因素有关。,体积应力：,体积模量：,岩石的体积变形可用下式表示：,二、岩石的体积应变体积应变单位体积的改变，称为体积应变,三、岩石的体积应变曲线,在E、为常数的情况下，岩石的体积应变曲线可分为三个阶段：,在E点后，曲线向左弯曲，开始偏离直线段，开始出现扩容，表示岩体内部开始产生微裂隙。E点应力称为初始扩容应力。,1、体积变形阶段（OE）：弹性变形阶段，曲线呈线性变化。,2、体积不变阶段（EF） 随应力增加，岩石体积虽有变形，但体积应变增量近于0，体积大小几乎无变化，且有,F点为突变点。3、扩容阶段（FG）： 随应力增加，岩石体积不是减小而是增大，最终导致试件破坏。此时，已不是常数。,3-5 岩石的强度特性,概念：（1）屈服：岩石受荷载作用后，随着荷载的增大，由弹性状态过渡到塑性状态，这种过渡称为屈服。（2）破坏：把材料进入无限塑性增大时称为破坏。（3）岩石的强度：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石在外力作用下，当应力达到某一极限值时便发生破坏，这个极限值就是岩石的强度。,一、岩石的单轴抗压强度C,端部效应,破坏形态,为了消除端部效应，国际岩石力学学会推荐采用高径比（h/d)为2.53.0的试件做抗压试验。 根据h/d1的试件的抗压强度计算h/d1的岩块的抗压强度：,式中：c1 h/d=1的试件抗压强度； c h/d1的试件抗压强度。,国际岩石力学学会室内试验委员会规定对于抗压强度试验要求圆柱形试件的尺寸精度是： (1)试件的端面平坦，误差小于002毫米； (2)试件的端面应垂直于试件轴，误差小于0001弧度 (35分)； (3)试件的每侧面应是光滑的，凹凸不平自由度和试件在整个长度范围内应平直到0.3毫米以内； (4)通过量测互成直角的两个直径的平均值，其位置大约在试件的上部、中部和下部，试件的直径误差应小于01毫米。这个平均直径将用来计算横截面积。试件高度的精度应在10毫米之内。,岩石单向抗压强度与石英含量的关系,碳酸盐类岩石极限抗压强度与密度之间关系,式中：Is点荷载强度指标，,对于风化严重，难以加工成试件的岩石，可根据点荷载试验计算岩石的抗压强度：,2、岩石单轴抗压强度分类,我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：,二、岩石的单轴抗拉强度t,1、直接拉伸试验,轴向拉伸钢模 a一安装示意图；b一连杆；c一接头 1一岩石试件(515)；2一环氧树脂胶；3一连杆； 4一孔径30；5一球座；6一接头,2、间接拉伸试验,圆盘试件：,A 劈裂法（巴西试验法）,方形试件：,式中：P破坏时的荷载，N; d 试件直径；cm； t试件厚度，cm； a，h方形试件边长和厚度，cm。,不规则试件（加压方向应满足h/a1.5 ）：,式中：P破坏时的荷载，N; a加压方向的尺寸； h厚度； V不规则试件的体积。,由于岩石中的微裂隙，在间接拉伸试验中，外力都是压力，必然使部分微裂隙闭合，产生摩擦力，从而使测得的抗拉强度值比直接拉伸法测得的大。,B 点荷载试验法 经验公式：,式中：P破坏时的荷载，N； D 试件直径；cm。 试件直径1.273.05cm,岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，,三、岩石的抗剪强度,1、剪切面上无压应力的剪切试验,试件尺寸：直径或边长不小于50mm，高度应等于直径或边长。改变P,即可测得多组、，作出曲线。,2、剪切面上有压应力的剪切试验,3、斜剪试验,作用于剪切面上的法向力N和切向力Q： N = Pcos Q = Psin剪切面上的法向应力和剪应力为：,用楔形垫板改变倾斜压模倾角,4. 三轴压缩剪切试验,抗剪强度曲线：= c+tg,四、围压下岩石的力学性质指标测定,岩石三轴试验是为了模拟井下地层岩石的实际受力状态而测定岩石在围压作用下的抗压强度、变形模量、弹性模量及泊松比。,岩石的三轴抗压强度、变形模量、弹性模量、泊松比及剪切模量分别为：,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,岩石在三轴压缩下的极限应力1c为三轴抗压强度，它随围压增大而升高。,按照莫尔强度理论,可按下式计算三向抗压强度:,1c 岩石的三向抗压强度；c 岩石的单向抗压强度； 岩石的内摩擦角。,小 结： 1无论岩石在什么状态的应力条件下(压、拉、剪、弯、扭)，其破坏形式基本上只有两种：拉伸和剪切。 2 三向等压三向不等压双向压单向压剪切(包括扭转)弯曲单向拉伸； 3从试验数量来看，单向压缩试验、 圆盘劈裂试验最多。,岩石的破坏形式,就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型： 1、拉破坏 2、剪切破坏 3、塑性流动破坏,岩石力学的弹性变形,弹性模量, E泊松比, v体积模量, K剪切模量, G,3-6 岩体强度的测定（现场测试）,1、岩体单向抗压强度和准岩体强度（1）单向抗压强度c,试件:边长(0.51.5）m，高度不小于边长的立方块。,式中:P试件破坏时的作用力，N; A试件横截面面积，m2。,(2)、 准岩体强度,完整性系数K：,式中：V岩体、 V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。准岩体抗压强度: cm=Kc准岩体抗拉强度: tm=Kt式中：c 、t为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。,2、岩体抗剪强度现场测定,（1）双千斤顶法,式中：、试件剪切面上的正应力和剪应力；F试件剪切面面积；N法向力；Q斜向力；横向推力与剪切面的夹角，通常为150。,(2) 单千斤顶法,现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。,3、现场三轴强度试验,试件尺寸：2.8m1.4m2.8m,一般 h2a,矩形截面.加压装置：千斤顶，应力枕。,3-7 影响岩石力学性质的因素,一、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。 如岩浆岩，橄榄石等矿物含量的增多，弹性越明显，强度越高； 沉积岩中，砂岩的弹性及强度随石英含量的增加而增高；石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而增高。 变质岩中，含硬度低的矿物（如云母、滑石、蒙脱石、伊利石、高岭石等）越多，强度越低。,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、伊利石、高岭石等）的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。,二、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 岩石的结构指岩石中晶粒或岩石颗粒的大小、形状以及结合方式。岩浆岩：粒状结构、斑状结构、玻璃质结构；沉积岩：粒状结构、片架结构、斑基结构；变质岩：板理结构、片理结构、片麻理结构。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。岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。宏观上，块状构造的岩石多具有各向同性特征，而层状构造岩石具有各向异性特征。,三、水对岩石力学性能的影响,岩石中的水,水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性和水理性（吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）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。,结合水（连结、润滑、水楔作用）,重力水（自由水）（孔隙压力、溶蚀及潜蚀作用）。,1、连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力将矿物颗粒拉近，起连结作用。这种作用相对于矿物颗粒间的连结强度非常微弱，故对岩石力学性质影响很小，但对于被土充填的结构面的力学性质影响很明显。2、润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连结的岩石，当水浸入时，可溶盐溶解，胶体水解，导致矿物颗粒间的连结力减弱，摩擦力降低，水起到润滑作用。,3、水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸引力将水分子拉到自己周围，在颗粒接触处由于吸引力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入，这种现象称为水楔作用。,水楔作用的两种结果：一是岩石体积膨胀，产生膨胀压力；二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结，产生润滑作用，岩石强度降低。,4、孔隙水压力作用：对于孔隙或裂隙中含有自由水的岩石，当其突然受荷载作用水来不及排出时，会产生很高的孔隙水压力，减小了颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度。5、溶蚀潜蚀作用：水在岩石中渗透的过程中，可将可溶物质溶解带走（溶蚀），有时将岩石中的小颗粒冲走（潜蚀），从而使岩石强度大为降低，变形增大。,水对岩石强度的影响通常用软化系数表示。,试验表明：潮湿岩石比干燥岩石的极限强度和崩裂强度均小，弹性模量也小。,砂质页岩单向抗压试验结果,粘土质砂岩三向抗压试验结果,岩石保水前后变形对比a)保水前 b)保水后,砂岩拉伸应力轴向应变曲线,石灰岩拉伸应力轴向应变曲线,由于地壳内放射性物质蜕变放热等原因，在地表几十公里的范围内，地温随着离地表的深度的增加而增加。,大理岩受温度影响的应力应变曲线,四、 温度对岩石力学性能的影响,1、不同温度下岩石的变形特征和强度,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。,灰岩受温度影响的应力应变曲线,试验表明：随着温度的升高，碳酸盐类及硅酸盐类岩石都是弹性极限和强度极限降低，弹性模量减小，屈服点愈来愈明显，塑性增加，即岩石从脆性向塑性转化。,五、 加载速度对岩石力学性能的影响,加载速度对岩石的变形性质和强度指标有明显的影响：加载速度越快，测得的弹性模量越大，强度指标越高。 国际岩石力学学会（ISRM)建议加载速度为0.51MPa/s,一般从开始试验直至岩石试件破坏的时间为510分钟。,六、 风化对岩石力学性能的影响,风化程度不同，对岩石力学性质的影响程度也不同：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。一般：抗水性降低，亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增 强），强度降低，压缩性加大，孔隙性增加，透水性增强（但当风化剧 烈，粘土矿物较多时，透水性又趋于降）。总之，岩体在风化营力作用下，岩体的力学性质大大恶化。,七、 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。例如坚硬的花岗岩在很高的地应力条件下，表现出明显的塑性变形。这与试验结果吻合。,1侧限压力的影响 随着侧限压力的增大，岩石的弹性极限随着提高，塑性增加。 2孔隙压力的影响 对于多孔裂隙的岩石，由于地下液体或气体渗入岩石的孔穴、裂隙中，致使岩石的强度降低。孔隙压力是抵销了侧限压的影响，所以孔隙压力提高使岩石变脆。3上覆岩层的影响 一般上覆岩层的影响可以看成为对侧限压力的影响。上覆岩层的压力大，侧限压力也会随着增大。4井筒内液柱压力的影响 增大液柱压力就相当于在三轴试验时增大岩石的侧限压力。,岩块在三向力作用下变形特性,干砂岩在不同侧限压的三向应力状态下的变形曲线湿砂岩在不同侧限压的三向应力状态下的变形曲线,三向压缩条件下大理岩的应力-应变曲线,三向压缩条件下石灰岩的应力-应变曲线,孔隙压力对不同岩石屈服强度的影响,砂岩用不同孔隙压力试验应力应变曲线,碳酸盐类岩石极限抗压强度与孔隙度的关系,3-8 岩石的其它力学性质指标,岩石的力学性质指标包括： 岩石的强度、可钻性、研磨性、硬度、塑性系数,一、 岩石的抗压入破碎强度（硬度）,岩石硬度是指岩石抵抗其它物体压入的破碎强度，即是在压头压入岩石后，岩石产生第一次体积破碎时接触面上单位面积的载荷。塑性系数是指岩石在压头压入后，岩石产生第一次体积破碎时破碎消耗的总功与弹性变形功的比值。,平底圆柱压头,岩石硬度和塑性系数计算公式为：,根据测定岩石硬度、塑性系数的试验原理，两指标在一定程度上能相对地反映出岩石的抗破碎能力和岩石特性，故岩石硬度、塑性系数在地层岩石分类定级中仍是一个较重要的方法。,岩石硬度分级表,岩石塑性系数分级表,所有岩石的压入试验曲线可以分为三种典型的形态：,平底圆柱压头压入岩石时的变形曲线(a)脆性岩石(例如石英岩) (b)塑脆性岩石(例如大理岩) (c)塑性岩石及多孔岩石(例如塑性泥岩及多孔砂岩和灰岩),二、岩石的研磨性,岩石研磨性表征了岩石使破岩工具磨损的一种特征，研磨性指标是决定钻头选型和钻头使用寿命最重要因素，研磨性大小与钻头寿命密切相关，进而影响钻速快慢和钻井成本。,1.试验用圆管 空心圆管试件外径：120.05mm，内径：80.05mm,杆长：80mm表面粗糙度：内外圆面为1.6，端面为0.8。 圆管材料为A3钢，硬度为HRB7075，圆管轴线与端面垂直度：小于0.02。2试验条件 试验在立式钻床上进行，在轴压300N 、转速500rpm 、冷水冷却试件条件下，每次用空心圆管试件两端各研磨岩石试样5分钟，然后用高精度电子天平称空心圆管试件在清洗、烘干后的重量。,砂岩的研磨性与其压入硬度成反比，随着砂岩胶结 强度的降低，砂岩的研磨性增大。2.沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其 胶结硬度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶 结强度越小的岩石，其研磨性越高。3.盐岩，泥岩和一些硫酸盐岩、碳酸盐岩(当不含有石 英颗粒时)属于研磨性最小的岩石，其次应为石灰岩 和白云岩等。属于低研磨性的岩石，火成岩的研磨 性一般属于中等或较高，要看这些岩石中所含长石 和石英成分的多少以及颗粒度和多晶矿物间的硬度 差而定。,三、岩石可钻性,岩石可钻性是指在钻进过程中，岩石对钻头破碎岩石的相对阻抗程度，它是衡量钻头破碎岩石难易程度的标准。试验采用8片厚2.5mm砂轮整形片及7个垫片组装成直径为31.75mm的微型钻头，在钻压890N，转速55rpm试验条件下，预钻深0.41mm（以保证钻头各齿与岩石均匀接触），工作钻深2.4mm，测量工作钻深所需的时间（秒），定为岩石的可钻性。,岩石可钻性分级表,四川地区侏罗系、三迭系地层十种岩石物理性质试验结果,