岩石力学课件完整版

岩石力学目录第1章绪论第2章岩石的物理性质及工程分类第3章岩石的力学性质第4章岩石的本构关系和强度准则第5章岩石的蠕变第6章地应力测量及计算第1章绪论1.1

岩石力学的基本概念1.2

岩石力学的发展历史1.3

我国岩石力学的发展1.4

研究内容与研究方法1.5

岩石力学固有的复杂性1.6岩石力学在石油工程中的应用1.1岩石力学（

Rockmechanics）的基本概念岩石力学是研究岩石或岩体在外力作用下的应力状态（stressstate）、应变状态（strainstate）和破坏条件（failurecriterion

）等力学特性的学科，它是解决岩石工程(即与岩石有关的工程)技术问题的理论基础。

1.1岩石力学的基本概念应力和应力状态的描述1）正应力与剪应力应力1.1岩石力学的基本概念作用力与平面的关系可以呈任意方向，如果力是沿着面的法向作用，它就称为法向力（normalforce）。如果它与法向垂直，即与面平行，它就称为剪切力或剪力1.1岩石力学的基本概念2）应力方向的规定压应力+拉应力-1.1岩石力学的基本概念剪应力+剪应力-1.1岩石力学的基本概念yyzyx3121>

2>

3zzxzyxxzxy3）一点的应力状态1.1岩石力学的基本概念在岩石力学中，我们总是规定:12

3即用1

代表最大主应力，用3代表最小主应力，而

2

则表示中等主应力。

1.1岩石力学的基本概念

岩石属于固体，岩石力学应属于固体力学的范畴。一般从宏观的意义上，把固体看做连续介质。但是，岩体不但有微观的裂隙，而且有层理、片理、节理以及断层等不连续面。岩体不是连续介质，而且表现为各向异性（anisotropy）或非均质。岩石中若含水，它又表现为两相体。岩石力学是固体力学与地质工程的边缘科学。1.1岩石力学的基本概念1.1岩石力学的基本概念材料材料特征力学研究内容力学表征钢铁单项均匀各向同性变形及破坏弹塑性力学断裂力学损伤力学岩石多孔介质非均匀各向异性变形及破坏岩石力学（弹塑性力学、断裂力学、损伤力学流变力学、孔隙弹性力学）岩石材料与岩石力学岩石材料的特点：多相孔隙介质非均匀、各向异性环境相关性、尺度相关性、加载频率相关性

岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学、力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科，按其发展进程可划分四个阶段：（1）初始阶段（19世纪末～20世纪初）这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论，以解决岩体开挖的力学计算问题。

1.2岩石力学的发展历史

（2）经验理论阶段（20世纪初～30年代）该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。（3）经典理论阶段（20世纪30年代～60年代）这是岩石力学学科形成的重要阶段，弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，确立了一些经典计算公式，形成围岩和支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性质的影响受到重视，岩石力学文献和专著的出版，实验方法的完善，岩体工程技术问题的解决。1.2岩石力学的发展历史

岩石力学发展到该阶段已经成为一门独立的学科。在经典理论发展阶段，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。（4）现代发展阶段（20世纪60年代～现在）此阶段是岩石力学理论和实践的新进展阶段，其主要特点是，用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等方面的最新成果引入了岩石力学。而电子计算机的广泛应用为流变学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石力学与工程中的应用也提供了可能。1.2岩石力学的发展历史1.3我国岩石力学的发展

建国以后，我国陆续建立了一些研究岩石力学的研究机构，如中科院岩土力学研究所等。

1966年以前只有少数产业部门比较重视岩石力学的研究工作，例如水电、煤炭、冶金等。随着工程实践所取得的经验和教训，使得更多部门（如建筑、铁道、石油、国防、人防等）的有关技术人员认识到：必须充分了解岩石的力学性质，才能解决好岩石工程的技术问题。1.3我国岩石力学的发展

1976年以后，国内许多学术团体恢复活动并新建了一些有关岩石力学的学术组织。

1974年国际岩石力学第四次会议在瑞士召开，我国首次派出代表团参加了会议。

1981年成立了中国岩石力学与工程学会筹备组，随后成立了国际岩石力学中国小组。

1985年我国正式成立了中国岩石力学与工程学会，揭开了我国岩石力学研究的新序幕。随着国内岩石力学学科技术的发展，我国在世界岩石力学界的地位正在逐渐提高。1.3我国岩石力学的发展

在石油工程领域，岩石力学的科研工作开展的较晚，1977年以后才开始筹建岩石力学实验室，且国内只有华东石油学院（石油大学前身）开发系（现石油工程学院）一家。该实验室在六五期间开展了地层破裂压力预报技术的研究。七五期间开展了套管损坏机理及防治和复合盐膏层流变规律等一系列研究。1.3我国岩石力学的发展

八五期间，开展了更为广泛的研究工作，如地应力（insitestresses

）确定技术、井壁稳定（boreholestability

）技术、出砂机理（sandproductionprediction）、水力压裂（hydraulicfracture

）等研究。目前在石油行业研究岩石力学的机构也正在不断增加，如中石油集团公司的勘探开发研究院、胜利油田钻井研究院等。1.3我国岩石力学的发展1.4研究内容与研究方法

1)研究内容（1）岩石、岩体的地质特征内容包括：①岩石的物质组成和结构特征；②结构面特征及其对岩体力学性质的影响；③岩体结构及其力学特征；④岩体工程分类。

1.4研究内容与研究方法

（2）岩石的物理、水理与热力学性质岩石的物理性质是指岩石的孔隙度（porosity

）、渗透率（permeability

）、可压缩性、导电性、传热性的总称。岩石的水理性是指岩石与水相互作用所表现的性质，包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。1.4研究内容与研究方法

（3）岩石的基本力学性质

内容包括：①岩块在各种力学作用下的变形（deformation）和强度（strength

）特征以及力学指标参数；②影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度等；③岩石的变形（deformation）破坏机理及其破坏判据（failurecriterion

）。

1.4研究内容与研究方法

（4）结构面力学性质

内容包括：①结构面在法向压应力（compressive

stress

）及剪应力（shearstress

）作用下的变形（deformation）特征及其参数确定；②结构面剪切强度（shearstrength）特征及其测试技术和方法。

（5）原岩应力（地应力）分布规律及其测量理论与方法1.4研究内容与研究方法

（6）岩体力学性质

内容包括：①岩体变形（deformation）与强度（strength）特征及其原位测试技术与方法；②岩体力学参数的弱化处理与经验估计；③影响岩体力学性质的主要因素；④岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。1.4研究内容与研究方法

（7）工程岩体的稳定性

内容包括：①各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力（stress）、位移分布特征；②各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形（deformation）破坏特征；③各类工程岩体的稳定性分析与评价等。（8）岩石工程稳定性维护技术，包括岩体性质的改善与加固技术等。1.4研究内容与研究方法

（9）各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用。（10）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。

模型模拟试验包括数值模型模拟、物理模型模拟等，这是解决岩石力学理论和实际问题的一种重要手段。而原位监测既可以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否，同时也可以及时地发现问题并采取相应的合理措施加以解决。1.4研究内容与研究方法

2)研究方法

由于岩石力学是一门边缘交叉科学，研究的内容广泛，对象复杂，这就决定了岩石力学研究方法的多样性。根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属学科领域的不同，岩石力学的研究方法可大概归纳为以下四种：（1）工程地质研究方法（2）科学实验方法（3）数学力学分析方法（4）整体综合分析方法。1.4研究内容与研究方法

（1）工程地质研究方法

着重于研究与岩石和岩体的力学性质有关的岩石和岩体地质特征。如用岩矿鉴定方法，了解岩体的岩石类型、矿物组成及结构构造特征；用地层学方法、构造地质（structuralgeology

）学方法及工程勘察方法等，了解岩体的成因、空间分布及岩体中各种结构面的发育情况等；用水文地质学方法了解赋存于岩体中地下水的形成与运移规律等等。1.4研究内容与研究方法

（2）科学实验方法

科学实验是岩石力学发展的基础，它包括实验室岩石力学参数的测定、模型试验、现场岩体的原位试验及监测技术、地应力的测定和岩体构造的测定等。试验结果可为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。同时，还可以用某些试验结果（如模拟试验及原位应力、位移、声发射监测结果等）直接评价岩体的变形和稳定性，及探讨某些岩石力学理论问题。

1.4研究内容与研究方法

（3）数学力学分析方法

数学力学分析是岩石力学研究中的一个重要环节。它是通过建立工程岩体的力学模型和利用适当的分析方法，预测工程岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为岩石工程设计和施工提供定量依据，其中建立符合实际的力学模型和选择适当的分析方法是数学力学分析中的关键。目前常用的力学模型有：刚体力学模型、弹性及弹塑性力学模型、流变模型、断裂力学模型、损伤力学模型、渗透网络模型、拓扑模型等等。

1.4研究内容与研究方法

（4）整体综合分析方法。

由于岩石力学与工程研究中每一环节都是多因素的，且信息量大，因此必须采用多种方法并考虑多种因素（包括工程的、地质的及施工的等）进行综合分析和综合评价，特别注重理论和经验相结合，才能得出符合实际情况的正确结论。

就岩石工程而言，整体综合分析方法又必须以不确定性分析方法为指导。因为在岩石工程问题中，存在着工程的、地质的及施工的多方面的不确定性因素。只有采用不确定性研究方法，才能彻底摆脱传统的固体力学、结构力学的确定性分析方法的影响，使研究和分析的结果更符合实际，更可靠和实用。1.4研究内容与研究方法

1.5岩石力学固有的复杂性(intrinsiccomplexity)

岩石力学体现了与一般应用力学领域有关的一系列原理、主要知识和各种分析方法。那么为什么要把岩石力学做为一门独立的工程学科呢？有如下六个方面的原因：

1)岩石的破裂特性（fracturecharacteristic)

一般工程力学所建立的理论并不能直接应用于岩石的破裂情况。

2)尺寸效应(scaleeffect)

岩体中普遍存在着节理和由于其它地质成因生成的裂隙，形成宏观不连续面。岩体的强度和变形特征受岩石材料的性质和各种地质结构面的共同影响。1.5岩石力学固有的复杂性

一般认为，在钻进过程中，钻头破碎岩石反应出的特征是完整岩石的强度特征。在节理岩石中开挖巷道可以反应节理系统的性质。此时巷道的最终断面取决于节理的空间方位。

1959年马尔巴赛拱坝基岩内部的破坏，就是由于被断层和节理切割成的一块岩体移动的结果。对于较大尺寸的岩柱，节理岩体可显示出准连续介质的特性。可见工程对象与岩体之间相对尺寸的不同，处理办法也不同。1.5岩石力学固有的复杂性

3)抗拉强度(tensilestrength)

岩石由于其抗拉强度低而不同于其它常见的工程材料（混凝土除外）。进行单轴抗拉强度实验的岩石试件破坏时的应力比单轴压缩实验的值低一个数量级。原因是岩石中的节理和其它裂隙只能抵抗极小的拉应力或根本不能抵抗拉应力。所以在一些工程中假设岩体的抗拉强度为零，为此把岩石称为“无拉伸”材料。对于钻井工程中的井身结构设计来说，岩石的“无拉伸”材料性质意味着井壁一旦出现拉应力，就将发生井漏事故。1.5岩石力学固有的复杂性

4)地下水的影响(undergroundwater)

地下水有两种方式影响岩体的力学性质。最为明显的是通过有效应力(effectivestress)原理起作用。承压水会减小岩石的有效法向应力，因此减小了由于摩擦而可能产生的潜在抗剪力，减小岩石的最终强度。另一个影响是地下水对特种岩石和矿物的有害作用。例如，粘土层在存在地下水时可以软化，降低岩体强度，并增加岩体的变形。

1.5岩石力学固有的复杂性

地下水对岩体性质的影响在油气工程中是值得重视的。在钻井过程中，水基钻井液会逐渐浸入泥质岩石而使其强度降低，产生井壁失稳现象；注水是提高采收率的主要措施之一，而水的注入会改变泥质砂岩、页岩的强度、孔隙度和渗透率等性质、导致出砂、产量降低等等。

5)风化(weathering)

风化的定义是岩石由于其表面受到大气和水溶解的作用而发生化学或物理变化，这一过程类似于发生在普通材料上的腐蚀作用。由于风化对完整材料力学性质及岩石表面摩擦系数有重要影响，所以风化对工程有着利害关系。风化会引起岩石性质持续地降低，而表面摩擦系数则会逐步降低。1.5岩石力学固有的复杂性6)外力(outsidestress)

对于一般工程岩石力学，其作用的外力是容易分析的，但是，对于地下的岩石，其受到的外力的分析与计算是十分困难的。而精确地分析与计算作用于地下岩石的原地应力是非常必要的。1.5岩石力学固有的复杂性

解决油气藏开发中存在的复杂问题的客观要求，促进了与油气藏开发相关的岩石力学的研究与发展，目前国内外油气开发中岩石力学的研究主要集中在以下几方面:1）实际环境下的岩石力学性质及在开采过程中的变化规律；2）石油开采中的流固耦合问题及孔隙结构的变形和垮塌；3）应力场、渗流场和温度场作用下的流固耦合分析；4）油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究；5）地应力测试技术；6）地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的分布规律；7）实际地层环境下的岩石物性和声学的响应特性；8）岩石物理力学性质的井下地球物理解释；9）井眼稳定、出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下工程研究；10）水力压裂力学研究；11）流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究。1.6岩石力学在石油工程中的应用

1.岩石力学在石油工程中的应用包括哪几个方面？2.岩石力学的发展分为几个方面？3.岩石力学研究常用的方法有哪些？

思考题1.程远方.编著，油气工程岩石力学，石油大学胶印，1998年。2.蔡美峰.主编，岩石力学与工程，科学出版社，2002年。3.刘向君.罗平亚.主编，岩石力学与石油工程，石油工业出版社，

2004年10月。4.陈庆宣.王维襄.等编著，岩石力学与构造应力场分析，地质出版社，1998年3月。5.重庆建筑工程学院.同济大学.编，岩体力学，中国建筑工业出版社，1981年10月。6.高德利.主编，油气钻井工程力学进展，石油大学出版社，1996年12月。ReferenceBook:第2章岩石的物理性质及工程分类

2.1岩石的工程性质2.2岩石的物理性质指标2.3岩石的非均质性和各向异性2.4岩石的工程分类岩石的组成

岩石是由一种或几种矿物按一定方式结合而成的天然集合体。矿物是均匀的，通常是由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列（结构）的均匀固体，不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质。常见的矿物有：长石、石英、辉石、角闪石、云母、橄榄石、方解石、白云石、石膏、石墨、黄铁矿等。

岩浆岩：以哪些矿物为主，哪些矿物次之？沉积岩：以哪些矿物为主，哪些矿物次之？（砂岩成分）变质岩：以哪些矿物为主，哪些矿物次之？第1章的复习岩石的结构岩石中矿物(及岩屑)颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面(即内部缺陷)。结晶联结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。胶结联结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连接。如沉积碎屑岩，部分粘土岩之结构连结。

胶结物：P7：硅质胶结或铁质胶结>钙质胶结>泥质胶结（岩石强度）碎屑岩具有三种基本类型：P7①基质胶结类型：颗粒彼此不直接接触，完全受胶结物包围，岩石强度基本取决于胶结物的性质。②接触胶结类型：只有颗粒接触处才有胶结物胶结，胶结一般不牢固，故岩石强度低，透水性较强。③孔隙胶结类型：胶结物完全或部分地充填于颗粒间的孔隙中，胶结一般较牢固，岩石强度和透水性主要视胶结物性质和其充填程度而定。第1章的复习岩石的结构岩石的微观结构：是以岩石内部结构的不完全性(火成岩、变质岩)和颗粒间的胶结情况的不均匀性(沉积岩)为特点的。图1-2砂岩的强度与其石英含量及胶结的关系图1-4岩石的强度与其密度间的近似关系岩石的宏观结构是以岩石的断裂(即岩石的裂隙性)和层理等为特点的。第1章的复习1）岩浆岩的性质

岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。

深成岩具结晶联结，晶粒粗大均匀，孔隙度小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩石往往由多种矿物结晶组成，抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎，故应注意对其风化程度和深度的调查研究。

浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、抗风化性能较深成岩强，但斑状结构岩石的透水性和力学强度变化较大，特别是脉岩类，岩体小。喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙，透水性较大。此外，喷出岩多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和整体稳定性影响较大。2.1岩石的工程性质2）沉积岩的性质碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著，如硅质基底式胶结的岩石比泥质接触式胶结的岩石强度高、孔隙率小、透水性低等。此外，碎屑的成分、粒度、级配对工程性质也有一定的影响，如石英质的砂岩和砾岩比长石质的砂岩更好。

粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥化。若含蒙脱石成分，还具有较大的膨胀性。这两种岩石对水工建筑物地基和建筑场地边坡的稳定都极为不利，但其透水性小，可作为隔水层和防渗层。化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。硅质成分化学岩的强度较高，但性脆易裂，整体性差。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩等具中等强度，一般能满足水工设计要求。易溶的石膏、岩盐等化学岩，往往以夹层或透镜体存在于其他沉积岩中，质软，浸水易溶解，常常导致地基和边坡的失稳。2.1岩石的工程性质塔里木油田库车克拉大北3井

2006年6月开钻，华北油田70148钻井队。7000米钻机。

2007年6月钻穿3000米砾石层。进入膏盐层（塑性强）高密度钻井液。钻穿膏盐层（7000米---当时的目的层）后，钻井液漏失严重，缩径，卡钻（7068米）。在微弱的油气显示的基础上，决断继续钻。

2007年6月8日，解卡，6400多米侧钻，钻至7050米进入目的层，钻至7090米油气显示强烈。停钻。试油气：

5mm的喷嘴，27MPa，28万方/天。

2.1岩石的工程性质3）变质岩的性质变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。

变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。

岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。岩体在一般情况下是非均质的、各向异性的不连续体。岩体就是由结构面、结构体这两个基本单元所组成的组合体。

岩体和岩石的概念是不同的。岩石是矿物的集合体，其特征可以用岩块来表征，其变形和强度性质取决于岩块本身的矿物成分、结构构造；岩体则是由一种岩石或多种岩石组成，是由结构面和结构体构成的组合体，其变形和强度性质取决于结构面和岩体结构的特性。2.1岩石的工程性质

岩石的物理性质是指岩石的强度、密度、孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。在砂岩的扫描电子显微镜照片，我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流体组成的多相体。2.2岩石的物理性质2.2岩石的物理性质

砂岩的扫描电子显微镜照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙

2.2岩石的物理性质

孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例如，岩石中孔隙体积增加1％，会导致岩石弹性参数变化10倍，或者更多,也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化。岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。岩石的物理性质与其力学性质密不可分，因此，研究岩石的物理性质是岩石力学研究的一个重要内容。1）岩石的强度（rockstrength）

岩石的强度主要取决于矿物强度（mineralstrength）、结构联结形式、岩石的结构和整个构造。对于火成岩、变质岩、化学沉积岩来说，化学结构连结起主要作用，因此，其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。对于碎屑沉积岩来说，其胶结（cementation）物对强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联结强度（cementationstrength）。不同胶结物的联结强度不同：硅质、铁质＞钙质＞泥质。2.2岩石的物理性质2）岩石的密度

岩石密度是指单位体积内岩石的质量，单位为g/cm3。它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数。岩石密度又分为颗粒密度和块体密度。颗粒密度：岩石的颗粒密度(ρs)是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。它不包括孔隙在内，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。块体密度：块体密度(或岩石密度)是指岩石单位体积内的质量，按岩石试件的含水状态，又有干密度(ρd)、饱和密度(ρsat)、和天然密度(ρ)之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。2.2岩石的物理性质3）岩石的孔隙度(porosity)

岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。岩石的总体积V总由基质的体积V基和孔隙体积V孔两部分组成，则岩石的孔隙度φ表示为：

φ=

上式中，φ值为无因次量，称为绝对孔隙度。2.2岩石的物理性质

在油田开发中，参与渗流的连通孔隙才是有效的，对于那些封闭孔隙，尽管其中有油气储存，但是很难开采出来，因此称为无效孔隙。这样就把孔隙度分为有效孔隙度和无效孔隙度两种。岩石的有效孔隙度，是指岩石中有效孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。有效孔隙体积是指参与渗流的连通孔隙体积，以φ有效、V连通分别表示岩石的有效孔隙度和连通孔隙体积，则：

Φ有效=2.2岩石的物理性质

实际储层岩石孔隙度值的范围如下：砂岩孔隙度：10-40％，它取决于砂岩的性质及其胶结状态。（油层物理中立方体47.6％，菱面体25.96％）石灰岩和白云岩孔隙度：5-25%

粘土或页岩孔隙度：20-45％，它取决于粘土（或页岩）的成因和埋藏深度。按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准为：

φ<5％极差储层

5％＜φ<10％差储层

10％＜φ<20%良好储层

φ>20％特好储层2.2岩石的物理性质3）岩石的渗透性(rockpermeability)

在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。习惯上人们常常把那些在地层压力条件下流体比较容易地沿着连通的孔隙、喉道、裂缝、溶洞流动的岩石，例如砂岩、裂缝性碳酸盐岩称为渗透性岩石；而把流体难于在其中流动的岩石、粘土或页岩、石膏、岩盐等称为非渗透性岩石。但是这种提法是不严格的，因为一方面渗透是有条件的，另一方面同一种岩石的渗透能力也是不断变化的。

2.2岩石的物理性质

最先研究岩石渗滤能力大小这一现象的是法国工程师达西。他利用人工砂体研究了水的渗滤。达西的实验表明人工砂体单位面积水流的体积变化率Q/A与进口和出口两个端面间的水头差ΔH成正比，而与砂体的长度成反比。即：2.2岩石的物理性质

后来的研究者发现，达西定律(Darcy’slaw)可以应用于其它流体，把上式中的比例常数k改写为k／μ、μ为流体的粘度,k为表征岩石性质的系数，即渗透率，就可以了。后来经进一步修正，得到达西定律的通式为:上式中：Q为通过孔隙介质的流量，厘米3／秒；

A为流体通过的横断面积，厘米2

；

µ

为流体的粘度，厘泊；

k为岩石的渗透率，达西；

dp/dx为单位长度上的压力降，大气压／厘米。2.2岩石的物理性质

达西定律成立的前提条件是：

(1)假设流体与岩石之间不发生物理化学反应；

(2)渗滤介质中只存在一种流体。

渗透率的单位是达西，它的物理意义是孔隙介质允许粘度为1厘泊的流体，在压力梯度为1大气压／厘米的作用下，通过截面面积为1平方厘米的流量为1立方厘米／秒，此时孔隙介质的渗透率称为1达西。

2.2岩石的物理性质

实际油藏大多是油水（或气），甚至是油、气、水三相共存于孔隙中。注水开发的油田，油水不仅是共存而且还同时流动。为了研究多相流体在岩石中的渗滤能力与性质，引入了绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率的概念。绝对渗透率K

岩石完全为某种流体所饱和时，岩石与流体之间不发生物理化学反应，在压力作用下岩石允许该种流体所通过能力的大小。（达西所描述的渗透率）

2.2岩石的物理性质

有效渗透率Ke

当岩石为两种或多种流体饱和时，岩石允许其中某种流体渗滤能力的大小。不论此时其流体流动与否。相对渗透率Kr

岩石的有效渗透率与绝对渗透率的比值。2.2岩石的物理性质4）岩石中的油气水饱和度(saturation)

储层岩石的孔隙空间中，总是会有油气水三相。在油层温度和压力下，岩石孔隙空间中的流体是按一定方式分布的。储集层岩石的孔隙中，某种流体占据孔隙空间的体积百分数，称为该流体的饱和度。若储集层的孔隙中只含有油和水两相，油和水所占据的孔隙空间分别为Vo、Vw，岩石的孔隙度为φ，岩石中的孔隙总体积为Vp，岩石的总体积为Vb，则含油饱和度So和含水饱和度Sw分别为：

2.2岩石的物理性质S0=Sw=

且有：So+Sw=1

若储集层中，除含油和水外，还含有气体，则含气饱和度为：

Sg=

此时，油气水的饱和度应满足：

So＋Sw＋Sg＝12.2岩石的物理性质5）岩石的粒度组成与比表面积

岩石的粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒含量，以百分数表示。粒度组成的通用分析方法是筛分析法（sieveanalysismethod）。即采用孔径不同的一系列筛子将岩心颗粒按大小分成数组，然后称量每组的质量即可得到每个粒度范围内的质量百分比。筛孔的表示法通常是按每英寸长的孔数来表示的，称为目。对于粒度小于0.074-0.053mm的细粒，一般用沉降分析法确定。岩石的粒度组成可以决定岩石的许多物理性质。如根据各种颗粒的数量比值，可确定岩石的孔隙度(porosity)、容积比重(specificvolume)、渗透率(permeability)、毛细管力(capillaryforce)等。

2.2岩石的物理性质

根据颗粒大小将碎屑岩（conglomerate）分为如下三大类：(主要粒度组成是指其质量百分比必须达到50-80％的颗粒)

砂岩主要粒度组成1-0.1mm

细砂岩主要粒度组成0.1-0.0lmm

粉砂岩主要粒度组成小于0.0lmm

岩石的比表面积是指单位体积的岩石内颗粒的总表面积。单位用厘米2／厘米3表示。岩石中细颗粒越多，它的比表面就越大，反之就越小。砂岩小于950厘米2／厘米3

细砂岩950-2300厘米2/厘米3

粉砂岩大于2300厘米2/厘米3

2.2岩石的物理性质6）膨胀性、崩解性及软化性(水理性质：1～6)

泥页岩地层和富含粘土矿物的地层与外来流体接触后，因粘土矿物具有较强的亲水性，致使岩石中颗粒间的水膜增厚，或者是水渗入矿物晶体内部，从而引起岩石的体积或长度膨胀，这就是岩石的膨胀性。由于吸水膨胀作用，致使岩石内部出现非均匀分布的应力，加之有的胶结物被溶掉，因而造成岩石中颗粒及其集合体分散，称之为岩石的崩解性。

2.2岩石的物理性质

岩石的软化性是指岩石浸水后引起其强度降低的性能，这种浸水造成岩石强度降低的作用称为水对岩石的软化作用。而岩石抵抗水软化作用的能力主要取决于岩石中亲水性和易溶性（可溶性）矿物或胶结物的类型和含量，此外也与岩石中孔隙及裂隙的发育程度密切相关。泥页岩地层是石油钻井过程中遇到的最主要的地层类型，而粘土矿物又大量存在于各种储集层和非储集层中，因此，石油开发过程中，研究地层与外来水溶液接触时所表现出来的各种物理、化学作用过程对于石油开发具有重要的指导意义。2.2岩石的物理性质7）岩石的热理性

岩石的热理性是指岩石温度发生变化时所表现出来的物理性质。与其他力学材料一样，岩石也具有热胀冷缩的性质，并且有时表现得相当明显。当温度升高时，岩石不仅发生体积及线膨胀，而且其强度也要降低，变形特性也随之改变。表征岩石热理性的参数主要有体胀系数、线胀系数、热导率等。2.2岩石的物理性质

（1）体胀系数及线胀系数

岩石受热后体积或长度发生膨胀的性质称为热胀性，常用体胀系数和线胀系数来度量。

体胀系数是指温度上升1℃所引起体积的增量与其初始体积之比。

线胀系数是指温度上升1℃所引起长度的增量与其初始长度之比。一般认为，岩石的体胀系数为线胀系数的三倍。2.2岩石的物理性质

（2）热导率

岩石的热导率是度量岩石的热传导能力的参数。岩石的热导率是指当温度上升1℃时，热量在单位时间内传递单位距离时的损耗值。岩石的热导率不仅取决于它的矿物组成及结构构造，而且还与其赋存的环境关系密切。岩石的热理性是稠油热采过程中，研究地层中热传播速度、热效率、地层热稳定性所必需的重要参数，同时，也是钻井过程中分析井壁热稳定性所必须的基础参数。

2.2岩石的物理性质

岩石除具有孔隙性、渗透性、水理性、热理性等特征外，还具有放射性、磁性、导电性和弹性等特征。不同岩石所具有的放射性、磁性、导电性和弹性等特征的差异，是石油工业利用地球物理测井研究和分析地下岩层岩性、孔隙结构以及开展岩石力学研究的基础和依据。2.2岩石的物理性质8）岩石的非均质性和各向异性

岩石的结构和构造特征决定了岩石的非均匀性、各向异性和裂隙性。岩石非均匀性、各向异性和裂隙性是岩石材料区别于其他力学材料的最突出的结构特征。

1）非均质性

岩石的非均质性是表征岩石的物理、力学等性质随空间而变化的一种性质。2.3岩石的非均质性和各向异性

岩石组成物质粒度、圆度等性质的非均质性，决定了岩石的非均质性。岩浆岩中的晶体颗粒，有的小到显微镜下也难观察，有的大到数十厘米；沉积岩中，有的小到肉眼不能看见，像石灰岩、泥岩和粉砂岩中的微细颗粒，也有的粒度达数十厘米，如砾岩中的粗大颗粒。同一地点同一种岩石，矿物或岩屑颗粒的尺寸往往也相差很大。一般地说，在其他条件相同的情况下，岩石组成物质的颗粒越细小、岩石越致密、颗粒大小越均匀、一致，则其力学性质越均匀。2.3岩石的非均质性和各向异性2）各向异性

岩石的各向异性是由其生成条件所决定的。岩浆在运移、冷凝成岩过程中，会使片状、板状、柱状矿物做定向排列，形成典型的流纹构造、流线构造和流层构造等。岩石在变质作用过程中，会使原岩中那些本来没有明显方向性排列的片状、板状、柱状矿物，重新做定向排列，或新产生一些变质矿物做定向发育，形成片麻岩的麻理构造、片岩的片理构造和板岩的板理构造。层理是沉积岩最普遍的构造，也叫做层状构造，是由沉积岩石在成分或结构上的变化所表现出的层次叠置现象。

2.3岩石的非均质性和各向异性2.4岩石的工程分类1）岩石按坚硬程度分类《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)规定岩石的坚硬程度可按表2-1分类。表2-1岩石坚硬程度分类坚硬程度坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度(MPa)fr>6060≥fr>3030≥fr>1515≥fr>5fr≤52.4岩石的工程分类风化程度野外特征风化程度参数指标压缩波速度vp(m/s)波速比kv风化程度kt未风化岩质新鲜，偶见分化痕迹>50000.9～1.00.9～1.0微风化结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色。有少量风化裂隙4000～50000.8～0.90.8～0.9中等风化结构部分破坏，沿节理面有次生矿物。风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩心钻方可钻进2000～40000.6～0.80.4～0.8强风化结构大部分破坏，矿物成分显著变化，分化裂隙发育，岩体破碎。用镐可挖掘，干钻不易钻进1000～20000.4～0.6<0.4全风化结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进500～10000.2～0.4-残积土组织结构已全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性<500<0.2-2）岩石按风化程度分类表2-2岩石按风化程度分类表2.5思考题1.岩石的工程性质包括哪些？2.岩石的工程性质包括哪些？3.岩石的物理性质包括哪些？4.简述岩石的非均质性及其影响因素。5.简述岩石的各向异性及其影响因素。第3章岩石的力学性质3.1概述3.2岩石的强度性质3.3岩石的变形性质3.4影响岩石力学性质的因素一、概述

岩石力学性质主要是指岩石的变形(deformation)特征及岩石的强度(strength)。岩石的变形特征：岩石试件在各种载荷作用下的变形规律。如：弹性形变、塑性形变、延性流动和破坏规律。岩石的强度：岩石试件在各种载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，反映了破坏规律。3.1概述一、概述

影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型、组构、围压(confiningpressure)、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等等。载荷大小MP

载荷时间s3.1概述

对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩石力学性质逐一进行研究，才能认识到哪些是主要影响因素，哪些是次要因素。从而得出某些参数，建立岩石的本构方程(constitutiveequation)和破坏准则(failurecriterion)，为进一步研究分析提供一定模式与依据。要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响，只能在实验室内严格控制某些因素的情况下进行。然后将所得结果应用到实践中去验证，修正，直到与实际相符。3.1概述岩石的本构关系:

在应用有限元、边界元、离散元等数值计算方法，还是应用损伤力学、断裂力学等解析方法研究岩石力学理论和工程问题时，都要涉及岩石的应力应变关系。这种应力应变关系称为岩石的本构关系或本构方程。岩石的本构问题是岩石力学研究的基本问题，同时一直是岩石力学研究热点之一。由于岩石结构非均质和非连续的复杂性，到目前为止，还没有一个统一、成熟的岩石力学本构关系。3.1概述

建立岩石本构关系一般通过两个途径：

1、利用岩石单轴或三轴试验获得的应力应变曲线，通过数理统计的回归方法建立本构方程；2、在实验观察的基础上，提出某些基本假设，从而建立一个力学模型，并推导出相应的本构方程。3.1概述二、岩石的破坏形式

3.1概述图3-1岩石的破坏形式(a)、(b)脆性断裂破坏；(c)脆性剪切破坏；(d)延性破坏；(e)弱面剪切破坏三、岩石的破坏机理

（仔细阅读P26～

27）

在未经受力的试件中，观察到各种形状的微空穴，有些圆形、三角形或其他不规则形状，也有长条形，没有明显方向性。空穴的特点是端部成圆形或钝角形，极少锐角形。最小宽度约1um或更小。有些微裂纹中间为不宽的“桥”断开，如果在低倍数的视野里，会被看成细长的空穴。试件加载后，微空穴发生变化：结晶颗粒边界上的微裂纹发展，其长度常常达到晶体颗粒的大小，裂缝变宽，有的空穴发展由基质穿过结晶；裂纹间的桥被破坏，形成长达l0～100um的微裂纹；新出现两端尖锐的脆性微裂纹；联通的空穴与新生成的微裂纹数量增多；联通的空穴和裂纹有的相互交叉，并逐渐有方向也大约平行于主应力方向（图3-1B）。加载到一定应力水平，几乎所有结晶颗粒边缘都出现晶间裂纹，某些裂纹在接近最大主应力方向上增大了宽度。而且，所有加载形成的裂纹均是张性裂纹。

（课后自己做实验）

3.1概述一、岩样的制备（samplepreparation）

室内进行岩石力学性质实验，首先应采集研究地层的岩石试件。为了保持岩样（rocksample）原有物理力学性质（例如矿物成分、粒度、结构、构造、裂隙、节理发育程度等等），最好进行密闭取心（coring）。然后将钻井岩心（core）切割成(5×l0cm)圆柱体；但有时也可采用(5×5×10cm)的长方柱体。按国际岩石力学学会（InternationalSocietyforRockMechanics）建议，试件长度与宽度（或直径）之比为2.5~3.0之间（我国多采用2.0~2.5之间）。3.2岩石的强度性质

图3-1Rockcorepreparation3.2岩石的强度性质

图3-2制备岩样的程序样品采集和岩石学审查钻岩心端面切割端面磨平几何形状检验环境存放样品包裹（围压实验）实验3.2岩石的强度性质

图3-33.2岩石的强度性质

二、实验研究的基本方法

将岩石试件放置在常规压力机（loadframe）或刚性压力机（loadframestiffness）上进行加载，其应变可以通过在试件上粘贴应变片（straingauge），由电阻应变仪测定。当载荷递增时（通过压力机读数能看出），可以得到施加在试件上的压应力σ=P/A（其中P为载荷，Ａ为试件横截面面积）及对应的应变（ε=△h/h）。在连续加载中（一般试验采用每秒5～8×105Pa的速度加载），应力、应变在直角坐标系中绘制的曲线，称为应力一应变曲线（stress-straindiagram）。3.2岩石的强度性质

图3－43.2岩石的强度性质

图3-5贴应变片的操作程序3.2岩石的强度性质

图3－6应力应变曲线3.2岩石的强度性质

3.2岩石的强度性质应力-应变曲线（P28的详细分析）OA段：试件内部裂缝逐渐被压密；AB段：应力与应变呈线性关系，斜率为杨氏弹性模量E；BC段：应力-应变曲线的斜率逐渐减小到零，B屈服点（屈服应力）；CD段：试件内部新裂缝产生，开始解体，呈脆性性态。（后面P42详细分析）图3－7应力应变曲线3.2岩石的强度性质

三、岩石的应力—应变曲线3.2岩石的强度性质

四、岩石的抗压强度

试件尺寸：（圆柱体D=5cm、7cm；长方柱体D=5×5cm、7×7cm）试件圆柱形h=(2～2.5)D

试件立方柱形h=(2～2.5)A0.5

这里D为试件的横断面直径，A为试件的横断面积。当试件高度不足时，其两端与加荷板之间的摩擦力可以影响到测定强度的结果。为了使试件两端平整光滑，可以用石膏浆将它摩光滑，有时也可利用混有碎粘土的液体硫磺进行摩光。抗压强度：

3.2岩石的强度性质

图3-3抗压试验（β—破坏角；1—剪切破坏面)3.2岩石的强度性质

图3-4岩石试件在单轴压缩时的破坏3.2岩石的强度性质

表3-1岩石的单轴抗压强度Rc和抗拉强度Rt（P32）岩石名称Rc(MPa)Rt(MPa)岩石名称Rc(MPa)Rt(MPa)花岗岩100～2507～25石灰岩30～2505～25闪长岩180～30015～30白云岩80～25015～25粗玄岩200～35015～35煤5～502～5玄武岩150～30010～30片麻岩50～2005～20砂岩20～1704～25大理岩100～2507～20页岩10～1002～10板岩100～2007～20

3.2岩石的强度性质

影响岩石的抗压强度的因素可分为两方面：一方面岩石本身，如颗粒大小、矿物成分、颗粒联结及胶结情况、块体密度、层理和裂隙的特性和方向、风化程度和含水情况等等。另一方面是试验方法，如试件大小、尺寸相对比例、形状、试件加工情况和加荷速率等等。综合分析，有以下11个方面：

1）结晶程度和颗粒大小岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响是显著的。一般来说，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强度高。（P30）

2）胶结情况对沉积岩来说，胶结情况和胶结物对强度的影响很大。石灰质胶结的岩石强度较低，而硅质胶结的具有很高的强度。泥质胶结的岩石强度最低，软弱岩石往往属于这类。（P30）

3）矿物成分不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度，这是由于矿物本身的特点，不同的矿物有着不同的强度。但即使相同矿物组成的岩石，也因受到颗粒大小、连结胶结情况、生成条件等影响，它们的抗压强度也可相差很大

（石英>300MPa）3.2岩石的强度性质

4)生成条件岩石的生成条件直接影响着岩石的强度。在岩浆岩结构中，形成具有非结晶物质，则就要大大地降低岩石的强度。生成条件的影响的又一方面就是埋藏深度，埋藏愈深，岩石受压愈大，孔隙率愈小，因而岩石强度增加。图3-5石英类岩石的抗压强度与孔隙率的关系。3.2岩石的强度性质

5）水的作用水对岩石的抗压强度起着明显的影响。当水侵入岩石时，水就顺着裂隙孔隙进入润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的侵入改变了岩石物理状态，削弱了粒间联系，使强度降低。

6）块体密度的影响块体密度也常常是反映强度的因素，如石灰岩的块体密度从1500kg/m3增加到2700kg/m3，其抗压强度就由5MPa增加到180MPa。

7）风化作用风化作用对岩石的强度有重要影响。例如，未风化的花岗岩的抗压强度一般超过100MPa，而强风化的花岗岩的抗压强度可降至4MPa。

8）试验方法主要影响因素有试件形状、尺寸、岩样加工程度、压力机的加压板和岩样的加压面之间的接触情况、加荷速率等等。一般而言，圆柱形试件的强度高于棱柱形试件的强度，这是因为后者应力集中之故。而在棱柱形试件中，截面为六角形试件的强度高于四角形，而四角形的又高于三角形。这种影响称为“形状效应”，岩石试件的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高，这一现象称为“尺寸效应”，这是由于试件内分布着从微观到宏观的细微裂隙，它们是岩石破坏的基础。试件尺寸愈大，细微裂隙愈多，破坏的概率也加大，因此强度降低。3.2岩石的强度性质

9)加荷速率加荷速率对岩石强度也有影响，因为快速的加荷方式就具有动力的特性。加荷速率增加，其抗压强度也就增大。表3-2中列出了在两种不同的加荷速率时，测出的砂岩和辉长岩的抗压强度，由此看出加荷速率的重大影响。表3-2加荷速率对抗压强度的影响岩石名称单轴抗压强度(MPa)到破坏的时间30秒到破坏的时间0.03秒增加强度(%)砂岩辉长岩568450218282303.2岩石的强度性质

10)长度效应圆柱体试件长度与直径之比(L/D)对试验结果有很大影响。图3-6单轴抗压强度长度效应图3.2岩石的强度性质

11)端部效应进行压缩试验时，试件的端部效应也必须予以注意。如图3-3所示，当试件由上、下两个铁板加压时，铁板与试件端面之间存在摩擦力，因此在试件端部存在剪应力，并阻止试件端部的侧向变形，所以试件端部的应力状态不是非限制性的，也不是均匀的。只有在离开端面一定距离的部位，才会出现均匀应力状态。为了减少“端部效应”，必须在试件和铁板之间加润滑剂，以充分减少铁板与试件端面之间的摩擦力。同时必须使试件长度达到规定要求，以保证在试件中部出现均匀应力状态。

3.2岩石的强度性质

五、岩石的抗拉强度图3-7岩石直接抗拉试件3.2岩石的强度性质

图3-8岩石劈裂试验(a)加荷情况；(b)试件开裂；(c)试件内应力分布3.2岩石的强度性质

3.2岩石的强度性质

应力的平均值为：

在水平向直径平面内，产生最大的压应力为(在圆柱形的中心处)：

圆柱形试样的抗拉强度：

立方体试样的抗拉强度：

抗压与抗拉强度的关系：3.2岩石的强度性质

六、岩石的抗剪强度1）直接剪切试验图3-9直接剪切试验及试件制备(a)直接剪切(b)试件(c)不规则试件1-测力计；2-旋转接合1-岩样；2-砂浆3.2岩石的强度性质

2）楔形剪切试验

图3-10楔形剪切仪1、3-上、下压板；2-倾角；4-夹具

3.2岩石的强度性质

图3-11楔形剪切试验结果3.2岩石的强度性质

3）三轴压缩试验图3-12-a三轴试验加载示意图3.2岩石的强度性质

1-施加垂直压力；2-侧压力液体出口；3-侧压力液体进口；4-密封设备；5-压力室；6-侧压力；7-球状底座；8-试件图3-12-b常规三轴试验装置示意图3.2岩石的强度性质

图3-13极限莫尔应力圆3.2岩石的强度性质

图3-14角闪岩的三轴试验结果3.2岩石的强度性质

表3-3某些岩石的凝聚力、内摩擦角参考值岩石种类凝聚力(MPa)内摩擦角(度)花岗岩14～5045～60粗玄岩25～6055～60玄武岩20～6050～55砂岩8～4035～50页岩3～3015～30石灰岩10～5035～50石英岩20～6050～60大理岩15～3035～503.2岩石的强度性质

４）现场强度试验图3-15岩体现场抗剪试验图3-16角闪岩的三轴试验结果1-加压钢枕；2-侧力钢枕；3-传压钢板；

4-岩石试件；5-千分表3.2岩石的强度性质

图3-17强度曲线3.2岩石的强度性质

图3-18现场直接剪切试验时试件垂直位移曲线(σ=0.1MPa；垂直位移向下为正)3.2岩石的强度性质

图3-19岩体三轴强度试验装置1-试件；2-垫块；3-扁千斤顶；4-传力柱；5-横向扁千斤顶；6-钢架；7、8-千分表3.2岩石的强度性质

3.2岩石的强度性质

3.3岩石的变形性质

一、岩石的变形特征

Deformationcharacteristics

1）岩石变形的概念3.3岩石的变形性质

如果已知应变，则可用下式计算应力：3.3岩石的变形性质

G为岩石的剪切模量，λ为拉梅常数，可用E和μ来计算体积弹性模量K，它表示平均应力与体积应变之比，即

3.3岩石的变形性质

2）岩石变形性质应力-应变关系可用下式表示图3-20几种典型的岩石的应力-应变曲线线性弹性完全弹性弹性弹塑性图3-8岩石应力应变全过程曲线3）常温下岩石应力应变全过程3.3岩石的变形性质

该曲线可分为四个阶段：

(1)OA曲线载荷由零逐渐增加到A点，曲线呈现微微向上弯曲的形状。这是岩石试件内部存在一定微裂隙（crack），当载荷增加时，试件逐渐被压密所导致的结果。该段曲线凹曲程度，取决于岩石中容易被压密的裂隙（crack）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不太明显。3.3岩石的变形性质

(2)AB曲线一般AB线段呈近似直线，其斜率称为弹性模量E。加载是在Ｂ点以下OB区间内时，若卸去载荷，则变形完全可恢复，没有永久变形，所以OB区间为弹性变形阶段。曲线上B点是产生弹性变形的应力极限值，称为弹性极限(elasticlimit)。事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷后，总会或多或少地保留部分永久应变，这是由于被压密的微裂隙（crack）不可能完全恢复所导致的结果。3.3岩石的变形性质

(3)BC曲线当载荷继续增加超过B点后，该曲线呈向下弯曲形状，这说明应力增加不大，而应变增加很多。在超过B点的曲线上任一点（例如E点）卸载，应力一应变曲线将沿EO1路径下降，直到完全卸载下降到与横坐标轴相交点O1，这表示岩石试件内应力完全消失，但应变确不能完全恢复，仍保留的一部分应变OO1称为塑性应变或永久应变（permanentstrain），已恢复的应变称为弹性应变(elasticstrain)。3.3岩石的变形性质

在岩石力学中将B点的应力称为屈服应力(yieldstress)。卸载后再重新加载，则沿曲线O1R上升到与原曲线BC相联结，这样造成了一个滞回环，在R点以后随着载荷继续增加仍沿曲线ＢＣ上升到该曲线最高点C。如果在R点以后再卸载又会出现新的塑性应变，它似乎把弹性极限从B点提高到R点，这种现象称为应变硬化（strainhardening）。3.3岩石的变形性质

应力应变曲线最高点C的应力值称为抗压强度（compressivestrength）它表示岩石在这种条件下所能承受的最大压应力。对一般岩石，抗压强度约为弹性极限的1.5~3倍。从B点开始，在BC线段范围内，岩石试件不断产生微破裂以及在粒内或粒间产生滑移，这就是岩石破坏前所具有的明显非弹性变形，这种现象称为扩容（dilation

）。由于达到Ｃ点时微破裂的数量和扩展长度集聚增加，岩石具有显著的非弹性体积膨胀，直到C点有明显的破裂面形成。3.3岩石的变形性质

(4)ＣＤ曲线岩石试件在刚性压力机作用下，应力应变曲线达到C点，已有宏观破裂面形成，但尚未完全破裂成几块，岩石内部尚有部分联结，仍能承受一部分载荷，但其承载能力越来越小。从C点开始曲线逐渐下降。3.3岩石的变形性质

若在CD曲线上任一点G及时卸载，则沿着GK曲线下降，直到完全卸载，达到点K处，表示岩石产生较大的永久应变OK。若再加载，则曲线又会沿KH线上升，直到Ｈ点与CD曲线相联结，但H点的应力低于G点应力。这与在曲线BC线段中卸载后再加载的情况完全不同，前者卸载后再加载应力值上升，后者应力值下降，这说明CD线段岩石的强度不断下降，直到CD线段上某一点，由于破裂面上内聚力完全丧失，则岩石试件破裂成几块。

3.3岩石的变形性质

岩石达到应力峰值（peakstress）以后的特征可分为两种类型：一类称为稳定破裂传播型，特点是：当载荷超过岩石试件承载能力的峰值后，试件中所储存的应变能，还不足以使破裂继续扩展；另一类称为非稳定破裂传播型，特点是：当载荷超过岩石试件承载能力的峰值后，尽管试验机不再对岩石试件做功，而岩石试件中储存的应变能足以使破裂继续扩展，最后导致试件破坏。3.3岩石的变形性质

综上所述，岩石试件在载荷的作用下，试件内部首先产生微裂隙压密变形，当载荷逐渐增加，达到屈服极限(yieldlimit)时，就开始产生微破裂（有微破裂面），随后微破裂逐渐扩展。当达到破坏强度时，宏观破裂面已逐渐形成，最后导致试件完全破裂成几块。因此，变形、破裂是相互依存的两个不同发展过程，在变形达到一定阶段，既包含着破裂的因素，而破坏阶段的到来也是变形不断发展的结果，所以，破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。3.3岩石的变形性质

4）典型应力一应变曲线类型

据R.P.Miller对28类岩石进行岩石力学性质实验结果，将单轴压缩下应力-应变曲线概括地划分成如图3-22所示的六种类型。第一种类型为弹性变形（elasticdeformation），由加载直至破坏，应力-应变曲线（stress-straindiagram）近似线性特征，例如玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩和坚硬的石灰岩等。第二种类型为弹-塑性变形，应力-应变曲线在接近破坏载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等。第三种类型为塑弹性变形，应力-应变曲线在低应力下表现出向上弯曲的现象，随后近似线性关系，直至破坏．例如砂岩、花岗岩等。3.3岩石的变形性质

图3-22在单轴压缩下岩石的典型应力-应变曲线类型弹性；(b)弹-塑性；（c）塑-弹性；(d)塑-弹-塑性；(e)塑-弹-塑性；(f)弹-塑-蠕变3.3岩石的变形性质

第四种类型和第五种类型为塑-弹-塑性变形，应力-应变曲线均呈现S形曲线。这两种曲线不同之点：前者近似直线部分较陡，且初始阶段压缩性较小。例如变质岩中大理石和片麻岩。后者直线部分较缓，表示同样应力(stress)下变形(deformation)量较大，且初始阶段具有高度压缩性。它们之间的共同特点是在接近破坏时均显示出