3岩石力学性质及强度
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岩浆岩的工程性质评述岩浆岩的工程地质性质主要与岩浆凝固时的环境条件有关,不同成因条件,其矿物成分、结构、构造和产状差别很大,岩石颗粒间的连接力也有很大差异。
(1)侵入岩:是岩浆在地下缓慢冷凝结晶生成的,矿物结晶良好,颗粒之间连接牢固,多呈块状构造。
因此,侵入岩孔隙率低、抗水性强、力学强度及弹性模量高,具有较好的工程性质。
常见的侵入岩有花岗岩、闪长岩及辉长岩等。
从矿物上看,石英、长石、角闪石及辉石的含量越多,岩石强度越高,云母含量增加使岩石强度降低。
从结构上看,晶粒均匀细小的岩石强度高,粗粒结构及斑状结构岩石强度相对较低。
(2)喷出岩:是岩浆喷出地表后迅速冷凝生成的,由于地表条件复杂,使喷出岩具有很不相同的地质特征。
具有隐晶质结构、致密块状构造的粗面岩、安山岩、玄武岩等,工程性质良好,其强度甚至可大于花岗岩。
但当这类岩石具有明显的流纹、气孔构造或含有原生节理时,工程性质变差,孔隙度增加,抗水性降低,力学强度及弹性模量减小。
在具体评述岩浆岩的工程性质时,还必须充分考虑它的节理发育程度及风化程度。
沉积岩的工程性质评述沉积岩具有层理构造,层状及层理对沉积岩工程性质的影响主要表现为各向异性。
因此,沉积岩的产状及其与工程建筑物位置的相互关系对建筑物的稳定性影响很大。
同时由于组成岩石的物质成分不同,也具有不同的工程地质特征。
(1)碎屑岩:是碎屑颗粒被胶结构胶结在一起而形成的岩石。
它的工程性质主要取决于胶结物成分、胶结方式。
从胶结物成分看,按硅质、钙质、铁质、粘土质的顺序,强度依次降低。
从胶结方式看,基底式胶结的岩石胶结紧密,强度较高,受胶结物成分控制;孔隙式胶结岩石的工程性质与碎屑颗粒成分、形状及胶结物成分有关,变化很大;接触式胶结岩石的孔隙度大,透水性强,强度低。
(2)粘土岩:是工程性质最差的岩石之一。
粘土岩强度低、抗水性差、亲水性强。
当粘土岩有较多节理、裂隙时,一旦遇水浸泡,工程性质迅速恶化,常产生膨胀、软化或崩解。
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亲密相关,因此有必要讨论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许多,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。
要讨论这些简单因素对岩石力学性质的影响,只能在试验艾博希室内严格掌握某些因素的状况下进行。
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。
通常首先讨论在常温、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。
这样才能渐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转变造成的。
所谓脆性与延性至今尚无非常明确的定义。
一'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,或直接进展为延性流淌。
所谓延性流淌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%为过渡状况。
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,而必需在肯定的围压作用厂(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)非常简单,一般均不采纳。
普退采纳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。
假如上下垫块是带孔可渗透的,亦可通入孔隙流体压力以讨论孔隙压力的影响。
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。
1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和气体相组成的多相体系。
理论认为,岩石中固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用决定了岩石的性质。
在研究和分析岩石受力后的力学表现时,必然要联系到岩石的某些物理性质指标。
岩石物理性质:岩石由于其固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用所表现出来的性质。
主要包括基本物理性质和水理性质。
岩石在受到外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。
岩石的力学性质主要有变形性质和强度性质,在静荷载和动荷载作用时,岩石的力学性质是有所不同的,表现在性质指标的差异上。
岩石的物理力学性质通常通过岩石物理力学性质测试才能确定。
1.1 岩石的基本物理性质指标反映岩石组分及结构特征的物理量称为岩石的物理性质指标,这里主要是指一些基本属性:密度、比重、孔隙性、水理性等。
反映了岩石的组分和三相之间的比例关系。
为了测定这些指标,一股都采用岩样在室内作试验,,必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中进行现场试骀。
在选用岩样时应考虑到它们对所研究地质单元的代表性并尽可能地保持其天然结构。
最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。
下面分述各种物理性质指标。
1.1.1 岩石的密度和重度(容重)1、定义密度:单位体积岩石(包括岩石内空隙体积在内)所具有的质量。
重度(容重):单位体积岩石所受的重力。
2、计算式 密度:VM =ρ(g/cm 3,t/m 3) 容重度:VMg V W ==ρ(kN/m 3) 密度与重度的关系:γ=ρg 。
上述各式中,M —岩石质量;W —岩石重量;V —岩石体积(包括空隙在内);g 为重力加速度,g=9.8m/s 2,工程上一般取10m/s 2。
密度与容重的种类:天然密度ρ、干密度ρd 、饱和密度ρsat 。
天然密度与干密度的关系:ρ=ρd (1+0.01ω)(ω为含水率,以百分数计)。
3、影响因素影响岩石密度大小的因素:矿物成分、孔隙及微裂隙发育程度、含水量。
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。