岩石力学考试复习资料.doc

1 研究岩石力学的意义？（1）岩石力学来源于生产实践，与人类的生产活动紧密相关（2）岩石力学在国民经济建设中有广泛的应用（水利建设、民用建筑、采矿工程、核能工业、石油工程：井壁稳定性分析、水力压裂、出砂预测、地层可钻性预测钻头优选、定向射孔、套管损坏机理、地面沉降。确定井壁失稳机理和安全泥浆密度窗口。）（3）不重视岩石力学研究将造成工程事故2 井壁失稳的危害？引起井下复杂或事故（恶性卡钻、严重漏失井喷），严重影响钻探速度，造成经济损失，影响测井、固井质量，对储层产生损害，影响勘探成功率。3 岩石力学：岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用科学，是运用力学和物理学的原理研究岩石的力学和物理性质的一门科学。4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，具有一定的强度。5 岩石分类：岩浆岩、沉积岩、变质岩6 岩石力学研究对象的特点？不连续性：岩石物理力学性质呈现不连续变化的性质。不均匀性：指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。各向异性：是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。渗透性：有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。7 正断层：上盘相对下盘向下滑动。逆断层：断层上盘相对下盘向上滑动。8 节理：岩石中的裂隙或破裂面，沿着节理面两侧的岩块基本没有发生过相对位移或没有明显的相对位移9 岩石力学研究方法：科学试验和理论分析10 岩石的组构特征及对力学性质的影响？组成岩石的矿物：硅酸盐类矿物、粘土矿物、碳酸盐类矿物、氧化物类矿物。组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩石的力学性质。含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高花岗岩、闪长岩、玄武岩。含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低粘土岩、泥岩。CaCO3含量愈高，强度高。泥质含量高的，力学性质差。强度上：硅质铁质钙质泥质。粘土矿物： 蒙脱石含量高软，易变形，易水化。伊利石含量高硬脆，不易变形，不易水化。岩石的结构：颗粒大小 强度： 粗粒片状鳞状排列形式 强度： 等粒不等粒微结构面：降低岩石强度，导致岩石力学性质各向异性结晶连结胶结连结：基底型、接触型、间隙型、溶蚀型11 张性破裂面：是由张力形成的，在破坏过程中，破坏面两侧岩体仅沿破裂面法向发生分离位移。剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的滑错位移。12 岩石的物理性质？物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。（1）岩石的密度（2）岩石的孔隙性颗粒密度(s)：岩石固体部分的质量与其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量：s= ms/Vs块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，又有干密度（d）、饱和密度（sat）和天然密度（）之分，在未指明含水状态时一般指岩石的天然密度。孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用百分数表示)。一般岩石的孔隙度在0.1-0.35之间。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体积之比称裂隙率。孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩石的孔隙比(多以小数表示)e 孔隙比; n孔隙度13 岩石的水理性质？岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有：1.吸水性2.软化性3.抗冻性4.透水性吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比。岩石的饱和吸水率(Wp)：岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比。饱水系数：岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。软化性：岩石浸水饱和后强度降低的性质。抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。可溶性：是指岩石被水溶解的性能。膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的性能称膨胀性。崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈碎块状崩开散落的性能。14 应力： 正应力、剪应力。一点应力状态有9个分量。15 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16 应变：17 岩石变形的概念：指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。工程最常研究的是由于力的影响所产生的变形。18 分类：按照岩石的应力-应变-时间关系，可将其力学属性划分为弹性、塑性和粘性。19 弹性：一定应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力后能够立即恢复原有形状和尺寸大小的性质20 塑性：物体受力后产生变形，在外力去除后不能完全恢复原状的性质21 粘性：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22 空隙闭合应力：单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合的最下应力23 比例弹性极限或弹性极限：应力应变曲线保持直线关系的极限应力24 屈服应力：单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力25 扩容：压缩应力下岩石体积出现膨胀的现象称为岩石扩容26 峰值强度：单轴压缩下岩石所能承受的最大应力成为峰值强度27 变形的5个阶段： 空隙压密阶段(OA) 弹性变形阶段(AB) 微裂隙稳定发展阶段(BC) 微裂隙非稳定发展阶段(CD) 破坏后阶段(DE) 28 变形模量：是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型，这时变形模量又称为弹性模量29侧胀系数：是指单轴压缩条件下，径向应变与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型，这时侧胀系数又称为泊松比30 围压对变形破坏的影响：岩石破坏前应变峰值强度随s3增大而增大随s3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s3增大，岩石的塑性不断增大，随s3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，s3的大小称为“转化压力” 。随s3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。31 岩石的流变性主要包括以下几个方面：蠕变：在恒定应力条件下，变形随时间逐渐增长的现象松弛：应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象流动特征：指时间一定时，应变速率与应力的关系长期强度：指长期荷载（应变速率小于10-6s）作用下岩石的强度32 蠕变划分为三个阶段：初始蠕变阶段（减速蠕变阶段）、等速蠕变阶段（稳定蠕变阶段)、加速蠕变阶段33 Maxwell模型蠕变方程： 松驰方程：性质：有弹性变形、粘性流动，有松驰34 kelvin模型 蠕变方程： 卸载蠕变方程（后效）：描述的性质： a. 无瞬时弹性变形b. 无粘性流动（无永久变形）c. 有弹性后效d. 无松弛35 岩石破坏的形式主要有：1脆性破坏（* 拉伸破坏* 剪切破坏）2延性破坏36 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。37 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。38 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。39 岩石试样的破坏形式：劈裂破坏、剪切破坏、延性破坏40 岩石抗压强度的影响因素：（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（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41 岩石的强度准则：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，称为破坏判据或称强度准则、强度判据。 42声波时差测井、伽玛测井43 测井资料解释岩石力学参数-弹性参数岩石抗压强度：GR测井数据确定泥质含量：GCUR希尔奇指数，老地层2，第三系地层3.7抗拉强度： 粘聚力：内摩擦角：44由钻井液柱压力P引起的应力 ：45直井井眼周围地层应力状态46 直井井眼周围应力分布的特点是什么？47天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩体内部存在的应力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。48重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重布应力或二次应力。49进行地应力研究的意义：是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；50水平主应力的求取： 在沉积岩中，地应力的大小一般应用下述方法获得：构造地质力学方法、水力压裂法、室内岩心试验法、建立在测井资料上的方法地应力的方向一般用下述方法获得：井壁崩落椭圆法、压裂井井下电视法51出砂：是指在油气开采过程中砂粒随流体从油层中运移出来的现象。52出砂的危害：减产或停产作业、地面和井下设备磨蚀、套管损坏，油井报废、安全及环境问题53出砂的三种类型：不稳定出砂、连续性出砂、突发性大量出砂54 出砂来源：充填砂、骨架砂55出砂预测技术：出砂可能性的预测、出砂压差的预测、储层压力衰竭对出砂临界压差的影响、出砂量预测技术声波时差法B指数法Schlumberger指数法56 出砂可能性的预测：孔隙度法、岩石剪切模量与体积压缩系数比法、组合模量法57 水力压裂读图计算58 坍塌及破裂压力推导计算 岩石力学习题 1.什么叫岩石？什么叫岩体？它们之间的区别何在？答：岩石，是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。 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.岩石按照成因分成哪几类？其各自的成因及特征是什么?试举出几种岩石实例。答：按照成因，岩石可分成岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。岩浆岩是由岩浆冷凝而成的岩石。组成岩浆岩的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的连接是牢固的，具有较高的力学强度和均匀性（橄榄岩、流纹岩）。沉积岩是由母岩在地表经风化剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积、和固结作用而形成的岩石。沉积岩的物理力学特性与矿物和岩屑的成分，胶结物的性质有很大关系，另外，沉积岩具有层理构造（砾岩、页岩、泥岩）。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编制而形成的岩石。它的物理性质与原岩的性质、变质作用的性质和变质程度有关（片麻岩、板岩、大理岩）。3.什么叫岩石力学？其研究内容是什么？研究方法有哪些？答：岩石力学是研究岩石及岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏的规律，并在工程地质定性分析的基础上定量地分析岩体稳定性的一门学科。岩石力学研究的内容：(1)基本原理，包括岩石的破坏、断裂、蠕变及岩石内应力、应变理论等的研究；（2）实验室试验和现场原位试验，包括各种静力和动力方法，以确定岩块和岩体在静力和动力作用下的性状及tanti内的初始应力；（3）在实际应用方面，包括地表岩石地基的稳定和变形问题、岩石边坡的稳定性等问题的研究。研究方法有科学实验和理论分析相结合的方法。4.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）。5.岩石的容重、密度取决于何种因素？与岩石的力学性质有何相关性？答：岩石的容重、密度取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水量。岩石的重度在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣，通常岩石的重度愈大，其力学性质愈好。6.岩石的比重取决于何种因素？答：岩石的比重取决于组成岩石的矿物的相对密度，岩石中重矿物越多其比重越大，大部分岩石比重介于2.502.80之间。7.岩石含空隙指标与岩石力学性质有何关系？答：岩石含空隙指标值越大岩石力学性质就越差。8.岩石的吸水率取决于何种因素？与岩石力学性质有何关系？答：岩石吸水率大小取决于岩石中孔隙数量多少和细微裂隙的连通情况。吸水率愈大，岩石的力学性能就愈差。9.岩石的饱水指标与岩石的抗冻性有何相关性？答：岩石饱水指标反映岩石中张开型裂隙和孔隙的发育情况，对岩石的抗冻性有较大影响。饱水系数(吸水率与饱水率百分比)一般在0.50.8之间。试验表明，饱水系数91%时，可免遭冻胀破坏。10.岩石的软化、膨胀和崩解的机理是什么？它们与岩石的力学性质有何关系？答：岩石的软化机理，由于水分子进入颗粒间的间隙而消弱了颗粒间的联结造成的；崩解机理，由于水花过程中消弱了岩石内部结构的联结引起的；膨胀机理，经水化作用后相邻颗粒间产生的契劈效应，当契劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。岩石的软化、崩解和膨胀性质越好，岩石力学性质就越差。11.试推导用岩石的干容重、比重和水的容重表示岩石的空隙率和空隙比。答：已知岩石干容重；比重；水的容重 据土力学公式：空隙比e = ；空隙率12、岩石的吸水性与空隙率有什么关系？答案：因为岩石中包含空隙，才导致岩石吸水性的存在。空隙越多，吸水性越明显。岩石的吸水率是在常温常压下进行的，水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入，因此它与大开空隙率有关。岩石的饱和吸水率在高压(或真空)条件下浸水，一般认为水能进入所有开空隙中，因此它与开空隙率有关。13.试推导岩石吸水率与岩石大开空隙率的关系。解：设岩石的大开空隙率，大开空隙体积占总空隙体积的百分比为k，岩石相对密度为，则岩石吸水率与大开空隙率的关系表示如下：14.试推导岩石饱水率与岩石开型空隙率的关系。解：通常认为，在高压条件下水能进入岩样所有敞开的空隙中。所以，由上题可知，岩石饱和吸水率与开型空隙率的关系如下（为岩石相对密度，为大开空隙率）：15.何谓岩石强度，取决于哪些因素？答：岩石在