岩石力学第三章:岩石的力学特性及强度准则
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岩石强度:岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。
破坏前岩石所能承受的最大载荷,单位面积上的最大载荷。
单轴抗压强度:岩石在单周压缩荷载作用下所能承受的最大压应力。
单周抗拉强度:岩石在单周拉伸荷载作用下达到破坏时,所能承受的最大拉应力。
岩石的三轴强度:岩石在三向压缩荷载作用下,达到破坏时所能承受的最大压应力。
抗剪强度:岩石在剪切荷载的作用下,达到剪切破坏前所能承受的最大切应力。
抗切强度:指正切应力为零时,岩石试件沿预定剪切面间断时最大切应力。
摩擦强度:指一定正应力作用下的试件,沿岩石中既有的层面,节理等破坏面再次剪切破坏时的最大切应力。
残余强度:当剪切面发生破坏后,能使破坏面保持滑动所需要的的较小切应力。
稳定蠕变:当岩石在某一固定的荷载持续作用下,其变形量虽然随时间的增长有所增加,蠕变变形的速率则随时间的增长而减少,最后变形趋于一个固定的极限值,这种蠕变称为稳定蠕变。
不稳定蠕变:当上述作用荷载较大时,蠕变不能稳定与某一极限值,而是无限增值直到破坏,这种蠕变称为不稳定蠕变岩石的长期强度:当岩石请打超过某一临界值时,蠕变向不稳定蠕变发展,否则为稳定蠕变相应的临界应力值即为岩石的长期强度。
岩石流变:指岩石的应力—应变关系与时间因素有关的性质。
蠕变:指应力保持不变时,应变随时间的增加而增长的现象。
松弛:指应变保持不变时,应力随时间的增加而减小的现象。
弹性后效:是指在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。
粘性流动:指蠕变一段时间后卸载,部分应变永久不恢复的现象。
泊松比:在材料的比例极限内,由均匀分的纵向应力所产生的横向应变与纵向应变之比的绝对值。
脆性:材料在外力作用下,仅产生很小的变形就断裂破坏的性质。
延性:只材料的结构,构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载力或达到以后而承载力还没有明显下降期间的变形能力。
粘性:是施加于物体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系起来的流体的一种宏观属性.变现为流体的内摩擦.弹性:在外力作用下变形,当外力除去后完全恢复原状的这种性能。
岩石强度准则岩石强度准则是指在地球物理实验中,用于解释岩石破裂和变形特性的一系列经验公式。
这些公式旨在解释岩石的力学行为,包括岩石的强度、抗压强度、剪切强度等等。
在地质勘探和工程建设中,理解和掌握岩石强度准则对于评估岩石材料和岩石结构的稳定性和安全性至关重要。
岩石强度准则主要包括三种类型:线性弹性准则、非线性弹塑性准则和非线性强度准则。
线性弹性准则在岩石破裂和变形方面提供了基本的框架。
这种准则假设岩石是一个线性弹性材料,其应力-应变关系是线性的。
根据胡克定律,在弹性阶段,岩石的应变与应力成正比,不同的岩石样本在相同的外力作用下会产生不同的变形。
线性弹性准则很有用,但是它不能解释岩石的破坏行为。
非线性弹塑性准则考虑到岩石具有一定的弹性和塑性,即在应力较高时,不仅产生弹性变形,也会发生塑性变形。
这种准则通过塑性部分来解释岩石的破坏行为。
非线性弹塑性准则适用于强度相对较弱的岩石,如软粘土、泥岩、煤层等。
非线性强度准则则更加复杂,因为它需要考虑许多因素。
在此准则下,岩石破裂是由于岩石内部的微裂缝发生扩展和融合而产生的。
由于岩石结构和化学成分的不同,不同类型的岩石会表现出不同的裂缝扩展机制。
值得注意的是,岩石的强度和变形特性通常是非均匀的,因此在研究岩石强度准则时,需要考虑多种因素,如岩石的孔隙度、水分、温度、压力等。
总的来说,掌握岩石强度准则对于地质勘探和工程建设具有重要意义。
不同的准则可以解释不同类型的岩石的破裂和变形行为,因此可以为岩石工程提供指导。
了解岩石强度准则也可以帮助我们更好地理解地球内部的结构和变化,为地球科学的研究提供线索。
3.5.岩石的强度准则3.5.1概述岩石中任一点的应力、应变增长到某一极限时,该点就要发生破坏。
用以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,称为岩石的强度准则(又称强度条件、破坏判据、强度判据)。
由于岩石的成因不同和矿物成分的不同,使岩石的破坏特性会存在着许多差别。
此外,不同的受力状态也将影响其强度特性。
人们根据岩石的不同破坏机理,在大量的试验基础上,加以归纳、分析描述,建立了多种强度准则。
本节将着重介绍在岩石力学中最常用的强度准则。
3.5.2库仑准则3.5.2.1基本思想库仑准则是一个最简单、最重要的准则,属于压剪准则。
库仑(C.A.Couloumb )于1773年提出最大剪应力强度理论,纳维尔()在库仑理论的基础上,对包括岩石在内的脆性材料进行了大量的试验研究后,于1883年完善了该准则,所以又被称为库仑—纳维尔准则。
该准则认为,固体内任一点发生剪切破坏时,破坏面上的剪应力(τ)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(ϕσtan )之和,即:tan C f C τσσϕ=+=+ (3.29)这就是库仑准则的基本表达式。
3.4.2.2库仑准则参数的几何与物理意义在στ-平面上式(3.29)的几何图,如图3.36所示,库仑准则是一条直线。
由图可见:图3.36库仑准则的几何图(1)当0σ=时,C τ=,C 为纵轴(σ轴)截距;物理意义为:岩石试件无正压力时的抗剪强度,通常称为岩石的内粘聚力。
(2)当0C =时,ϕσσtan =,通常称ϕ为岩石的内摩擦角,ϕtan 为岩石的内摩擦系数。
C ,ϕ是表征岩石抗剪强度的两个重要参数。
3.5.2.3库仑准则的确定方法岩石强度准则反映岩石固有的属性,因此一定要求来源于试验。
常用于确定库仑准则的试验有两种,角模压剪试验和三轴压缩试验。
(1)角模压剪试验 如图3.10所示,作一系列不同倾角α的压剪试验,并由式(3.7)计算出不同倾角的破坏面上的正应力σ和剪应力τ;再在στ-平面描点作出强度准则曲线,或用数理统计方法确定其方程。
岩石的力学特性及强度准则岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。
由于在石油工程中,并壁稳定、出砂分析、水力压裂、储层物性变化等都与岩石力学性质密切相关,因此有必要研究岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。
影响岩石力学性质的因素很多,例如岩石的类型、组构、围压、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等。
要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响,只能在实验艾博希室内严格控制某些因素的情况下进行。
岩石的变形特性,最直观的表达方法是通过应力一应变关系曲线及应变随时间变化的曲线来表示。
通常首先研究在常温、常压(即室温与通常大气压)条件下岩石的力学性质,然后再考虑其他影响因素下岩石的力学性质。
这样才能逐渐弄清在地质条件下,综合因素对岩石力学性质的影响。
岩石在常温、常压下一般产生脆性破坏,但深埋地下的岩石却表现为明显的延性。
,岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的改变造成的。
所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义。
—’般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏,破坏后塑性变形较小。
延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏,或直接发展为延性流动。
所谓延性流动IC现货商是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质*对于岩石而言,破坏前的应变或永久应变在3%以下可作为脆性破坏,5%以上作为延性破坏,3%一5%为过渡情况。
由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态,所以对岩石力学性态的测定不能靠简单的单轴压缩试验方法,而必须在一定的围压作用厂(必要时还要考虑温度的作用)进行试验测定。
真三轴试验(岩石上三个主方向的作用力均不等)十分复杂,一般均不采用。
普退采用的是常规三轴压缩试验方法,一般用圆柱形岩样,在其横向施加液体围压,即在水平的两个主方向上的应力相等且等于围压久,如图1—1所示。
如果上下垫块是带孔可渗透的,亦可通入孔隙流体压力以研究孔隙压力的影响。
在试验过程中把岩样放在高压室中先对岩样四周用围压油加压至所需的值9c(需要时亦可加孔隙压至所需的夕。