岩石力学

岩石力学定义：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用的科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。

应力：应力指物体在所受面力作用下内部产生的内力的集度。

正应力：应力在其作用截面的法线方向的分量。

剪应力：应力在其作用截面的切线方向的分量。

体力：分布在物体体积内的力。

面力：分布在物体表面上的力。

内力：物体本身不同部分之间相互作用的力。

正面：外法线沿着坐标轴的正方向的截面。

正面上的应力分量与坐标轴方向一致为正，反之为负。

负面：外法线是沿着坐标轴的负方向的截面。

负面上的应力分量与坐标轴方向相反为正，反之为负。

主平面：单元体剪应力等于零的截面。

主应力：主平面上的正应力。

强度（峰值强度）：在一定条件下，岩石发生破坏时单位面积所能承受的最大载荷。

残余强度：岩石完全破坏后所能承受的一个较小的应力值。

应变软化：指岩石达到峰值强度以后继续变形，其强度随变形量增加而降低/减少的特性。

塑性变形：岩石失去承载能力以前所承受的永久的变形。

屈服：有些材料在开始出现塑性变形之后，常在应力不变或应力增加很小的情况下继续产生变形，这种现象称为屈服。

屈服点：岩石从弹性转变为塑性的转折点有效应力：一般意义，是指对多孔渗水材料总的力学特征起主导作用的应力。

有效应力是外加或总应力和孔隙压力的函数。

切线杨氏模量：应力－应变曲线上某一确定点的斜率，一般取50%峰值强度点的斜率。

平均杨氏模量：应力－应变曲线上近似直线部分的斜率平均值割线杨氏模量：坐标原点与某一定点连线的斜率扩容：岩石在塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，它主要由于变形引起裂隙发展和张开而造成的岩石：岩石是组成地壳的基本物质，它由各种岩矿或岩屑在地质作用下按一定规律通过结晶联结成或借助于胶结物粘结组合而成。

岩体：是指天然埋藏条件下大范围分布的，由结构面和结构体组成的地质体。

岩石结构面的产状：即结构面在空间的产生状态和方位，用结构面上倾斜度最大的倾斜线与水平面成的夹角，以及对应倾向线的方位（从真北方向顺时针测得）来描述结构面的间距：一组结构面在法线方向上两相邻面的距离。

岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。

沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。

变质岩：不含油气。

二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。

1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。

有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。

2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。

其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。

达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。

则渗透率为1达西（D ）。

3、 岩石中的油、气、水饱和度。

…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。

通过粒度得孔隙度。

比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。

通过粒度组成估算比面。

孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。

2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。

4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。

（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。

岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。

其本构关系略。

6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。

岩石力学1.岩石与岩体的区别和联系？答：岩石是矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。

岩体，是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹（不整合、褶皱、断层、层里、节理、劈理等不连续面。

岩体=岩块+结构面。

岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干连续面，岩体的强度远低于岩石强度。

2.简述岩石力学的研究内容和方法？研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质②岩石和岩体的本构关系③工程岩体的应力、变形和强度理论④岩石室内实验⑤岩体测量和工程稳定监测。

研究方法：采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。

3.岩石的物理性质指标主要有哪些？它们是如何定义的？答：质量密度（单位体积的质量）；重度（单位体积的重量）；相对密度（岩石的干重量除以岩石的实体积所得的量与1个大气压下4摄氏度的纯水的重度的比值）；孔隙率（孔隙体积与总体积百分比）；孔隙比（孔隙体积与固体的体积之比）；含水率（天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量的百分比）；吸水率（干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重百分比）；饱水率（岩样在强制状态（真空、煮沸、高压）下，岩样的最大吸水重量与岩样烘干重量的百分比）；渗透性（在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力）；膨胀性（岩石浸水后体积增大的性质）；崩解性（岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能）；软化性（岩石与水相互作用时强度降低的特性）；抗冻性（岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性）。

岩石容重：单位体积的岩石的重量分为天然容重、饱和容重、干容重。

4简述岩石在单轴压缩条件下的变形、破坏特征并说明原因(论述)？分为四段：①孔裂隙压密阶段：应力-应变曲线呈上凹形，其斜率随应力增加而逐渐增大，包含永久变形；原因：试件中原有微裂隙在压应力作用下逐渐闭合。

一、名词解释：1、岩石力学：研究岩石的力学性状和岩石对各种物理环境的力场产生效应的一门理论科学，是力学的一个分支，同时它也是一门应用科学。

2、岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成的多种矿物颗粒集合体，是组成地壳的基本物质。

3、岩体：是地质体，它的形成于漫长的地质年代有关，它是一定工程范围内的自然地质体，经过各种地质运动，内部含有构造和裂隙。

4、结构面：①指在地质历史发展过程中岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。

②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。

5、岩石结构：结构面和结构体在岩体内的排列组合形式，称为岩体结构。

6、软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值7、弹性模量：弹性范围内轴向应力与轴向应变之比。

8、变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比。

9、泊松比：岩石在单向受压条件下，横向应变与纵向应变之比10、抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。

11、抗拉强度：是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值。

12、抗剪强度：是指岩石抵抗剪切破坏的能力13、流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。

14、蠕变：在大小和方向都保持不变的外力作用下，变形随时间不断增长的现象。

15、准岩体强度：考虑裂隙发育程度，经过修正后的岩石强度称为准岩体强度。

16、完整性系数：是岩体中纵波速度和同种岩体的完整岩石中纵波速度之平方比。

17、普氏系数：岩石单轴抗压强度的十分之一。

18、RQD ：指大于10cm 的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。

19、原岩应力：岩石是地球表层的物质，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应在，这种应力称为地应力或原岩应力。

20、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力叫自重应力。

岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。

岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。

岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。

随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。

岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。

▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。

▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。

▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。

▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。

▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。

▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。

▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。

▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。

▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。

3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。

▪②预测岩爆。

▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。

▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。

名词解释：1.结构面：地质历史发展过程中，在岩体内部形成的具有一定方向、一定规模、一定形态、和特征的面状、缝状、层状、带状的地质界面。

2.重度r：岩石的单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力。

3.比重Gs：岩石的干的重力除以岩石的实体体积（不包括孔隙），再与4℃时水的重度相比。

4.孔隙率：岩石中试样孔隙体积与岩石试样总体积的百分比，是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数。

5.吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下，岩石吸入水的重力对岩石干重力之比的百分率。

6.饱水率：岩石试样在高压或真空情况下，强制吸入水的重量对岩石干重之比的百分率。

7.抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。

8.渗透系数：介质对某种物体的渗透能力。

9.膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。

10.崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并完全丧失强度的松散物质的性能。

11.模量比：弹性模量与单轴抗压强度的比值。

12.RQD：岩石质量指标。

岩心采取率：工程中采用直径为75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为54mm 的岩心长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。

13.体积模量K：平均应力与体积应变之比。

{[（σx +σy +σz ）/3 ]/(△V/V)}14.剪切模量G：材料在弹性变形阶段内剪应力和对应的剪应变的比值。

G=E/[2*(1+u)]15.弹性抗力系数k（岩石反力系数）：使隧洞周围的岩石达到一个单位变形时所需要的压力的大小。

16.测压比：平均水平应力σh,av与垂直应力σv的比值。

17.海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。

18.应力集中系数：地下洞室开挖后洞室上的一点切向应力与洞室开挖前洞壁上的天然应力的比值。

19.山岩压力：由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力。

20.岩石的坚固系数：将岩石看作没有凝聚力的大块散粒体时的内摩擦系数，包括由于凝聚力推到的摩擦系数与原岩石中的内摩擦系数之和。

岩石力学复习总结岩石的结构和组织特点1、岩石力学（Rock Mechanics）：研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。

2、矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物3、结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况4、构造: 岩石组成成分的空间分布及其相互间排列关系5、岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体6、结构面：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带7、岩块：指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体8、岩体：指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体9、岩体结构：指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。

其包括两个基本要素，即结构面和结构体10、岩石风化：岩石长期暴露在地表之后，经受太阳辐射热、大气、水及生物等作用，使岩石结构逐渐破碎、疏松，或矿物成分发生次生变化，称为风化f岩石风化定量指标岩石的物理性质风化空隙率Iw::快速浸水后风化岩石吸入水的质量mw与干燥岩石质量mrd之比波速比kv:风化岩石纵波波速Vcp与新鲜完整岩石纵波波速vrp之比风化系数kf:风化岩石饱和单轴抗压强度与新鲜完整岩石饱和单轴抗压强度之比常见的岩石结构类型:结晶联结,胶结联结,岩石中的微结构面微结构面:是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。

它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等重力密度：岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积)的重量称为重力密度，通常简称为重度质量密度：岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积)的质量称为质量密度，一般简称密度相对密度：岩石的干重量Ws除以岩石的实体积Vs（不包括岩石中孔隙体积）所得的量与1个大气压下4℃时纯水的重度γw的比值天然含水率：天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量Ws的百分比，简称含水率吸水率：指干燥岩样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量WW与岩样干重量Ws的百分比饱和吸水率：岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样的最大吸入水的重量Ww与岩样的烘干重量Ws的百分比渗透性：指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力岩石的膨胀性：指岩石浸水后体积增大的性质岩石的崩解性：指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能岩石的软化性：指岩石与水相互作用时强度降低的特性岩石的抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的性能岩石的热容性：在岩石内部及其与外界进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性岩石力学的性质弹性：是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力（卸荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质塑性：是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力（卸荷）后，变形又不能完全恢复的性质。

石油工程岩石力学石油工程岩石力学是石油工程领域中的一个重要分支，它涉及到岩石在石油开采和开发中的应力变形特性、岩石破坏机理、岩石力学参数等方面的理论和实验研究。

岩石力学研究的最终目标是为石油开采提供可靠的技术支撑。

一、岩石的力学性质在石油工程领域中，岩石是非常重要的一个研究对象。

岩石的力学性质是岩石力学研究的核心，主要包括力学性质、物理性质和工程性质等方面。

1.力学性质岩石的力学性质包括弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等。

其中，弹性模量表示了岩石在受力时的弹性变形程度，剪切模量表示了岩石受到剪切应力时的抗剪能力，泊松比表示了岩石在受到应力时体积变化与形变变化的比值，强度则是岩石耐受破坏的极限应力。

2.物理性质岩石的物理性质包括密度、孔隙度、渗透性、热传导性、电导率等方面。

这些性质对于岩石的开采和开发非常重要。

例如，密度和孔隙度可以用来计算岩石的体积和储量，渗透性可以评估岩石中流体的运移特性，热传导性和电导率可以用来预测岩石下的油气储层的温度和电磁性质。

3.工程性质岩石的工程性质包括可塑性、变形能量、破坏模式和采油性能等方面。

这些性质对于岩石的开采和开发技术具有实际意义。

例如，可塑性可以评估岩石的塑性变形特性，变形能量可以评估岩石的变形能力，破坏模式可以指导岩石开采中的破裂预测和控制，采油性能可以指导油气的生产和提高开采效率。

二、岩石力学参数的测定岩石力学参数的测定是岩石力学研究中的关键问题之一，它关系到研究的可靠性和成果的实用性。

岩石力学参数的测定方法包括试验室测定和现场测定两种。

1.试验室测定试验室测定是一种传统的岩石力学参数测定方法，它包括标准试验和特殊试验两种。

标准试验包括压缩试验、引张试验和剪切试验等，通过标准试验可以获得岩石的弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等力学参数。

特殊试验包括三轴试验、比较试验、应力波传播试验等，可以获得岩石的动态特性及其耐久性等参数。

2.现场测定现场测定是一种新兴的岩石力学参数测定方法，可以直接获取岩石在地质环境下的实际力学参数。

第一章岩石的物理性质及岩石工程分类学习对象岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

学习内容岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数。

学习目的掌握有关概念，特别是掌握岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

掌握岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数等计算。

1.1 岩石及岩石的结构特征1岩石工程岩石力学的研究对象是岩石。

岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。

岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。

a、岩浆岩岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石，绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。

工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。

b、沉积岩沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。

沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。

颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。

沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。

沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。

工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。

c、变质岩变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。

它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。

因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。

工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。

1.岩石力学:岩石力学是一门研究岩石的物理、化学、力学性质的和岩体在环境条件下及荷载作用下应力、变形、和稳定性的学科，是固体力学的一个分支。

2.单轴抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。

三轴抗压强度：岩石在三轴压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大应力。

抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏时所能承受的最大抗应力。

抗剪强度：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力。

3.岩石的流变：岩石的应力—应变关系于试件因素有关的性质，主要变现为蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。

蠕变：当应力不变时变形随时间增长的现象。

4.蠕变：当应力不变时变形随时间增长的现象。

松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。

粘性流动是蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不回复的现象。

5..国际岩石力学学会将直径为50mm的圆柱体试件径向加载点荷载试验的强度指标值Is（50）确定为标准试验值。

6.7.莫尔强度理论：岩石材料达到极限状态时，某剪切面上的剪应力达到一个取决于正应力于岩石材料性质的最大值。

8.剪切模量：发生单位剪切变形所需要施加的剪应力泊松比：横向应变值比纵向应变值.9。

弹性模量：岩石发生单位变形所需要施加的力。

扩容现象：在法向应力作用下沿着具有一定粗糙度的裂面剪切时所产生的体积膨胀现象。

10.尺寸效应：岩体的力学性质因试件的尺寸不同而变化的现象。

岩体的初始应力:岩体在天然状态下所存在的内在应力。

11.凯泽效应:当应力达到和超过历史最高水平后，则最大点产生省发射。

凯泽点：从很少产生发射到大量产生发射的转折点12.地下硐室：指人工开挖或天然存在于岩体中具有不同断面形态和尺度特征且有不同用途的地下岩体空间结构。

13.围岩压力：指硐室周围岩体作用于支护结构上的荷载。

围岩应力：应力重分布后岩体中形成的新的平衡应力场。

(狭义地压)围岩压力：指围岩作用在支架上的压力。

（广义地压）：地下岩体因开挖所引起的力学效应的总称。