工程概论第1章岩石的工程力学性质教学幻灯片.ppt

岩石的变形性质：弹性模量和泊松比 产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律： σ=E? 弹性模量 ：岩石每增加单位应变所需增加的应力。 式中：E－弹性模量；?－应力；?－应变 泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。 常见岩石的弹性模量与泊松比 岩石名称 弹性模量 (104MPa) 泊松比 岩石名称 弹性模量 (104MPa) 泊松比 花岗岩 5～10 O.1～0.3 页 岩 O.2～8 0.2～O.4 流纹岩 5～10 O.1～0.25 石灰岩 5～10 0.2～0.35 闪长岩 7～15 O.1～O.3 白云岩 5～9.4 0.15～0.35 安山岩 5～12 0.2～O.3 板岩 2～8 O.2～0.3 辉长岩 7～15 0.1～0.3 片岩 1～9 O.2～O.4 玄武岩 6～12 01～0.35 片麻岩 1～10 0.1～0.35 砂 岩 0.5～10 O.2～0.3 石英岩 6～20 0.08～0.25 主要内容 一、岩石的应力—应变曲线 二、简单应力条件下岩石的强度 三、复杂应力条件下岩石的强度 四、岩石的抗压入破碎强度 五、影响因素分析 OA段：曲线稍向上凹，这反映了岩石试件内部裂隙逐渐被压密，压实过程 AB段：它的斜率为常数或接近于常数，弹性变形阶段，其斜率定义为岩石的弹性模量E 点B：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，σS称为屈服应力。 CD段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。 最高点C的应力称为强度极限σC(如为单轴 试验便称为单轴抗压强度) 一、岩石的应力—应变曲线 BC段：随着载荷的继续增大，变形和载荷呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。 强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验 二、简单应力条件下岩石的强度 岩石的强度 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 抗弯曲强度 通常情况下： 抗压抗剪抗弯抗拉强度 在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，通过单轴抗压试验来获得。 岩石抗压强度： 实验要求： *施加压力的方向应平行于岩心的轴线 *岩样长度L应适当，L/D很小时，试件中的应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；L/D很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/D应适中，一般以L/D=2.5~3.0较好。 *尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压板间的摩擦。 *试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为10：1。因此，原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用2.2~2.6厘米直径的试件。 按抗压强度对地层进行分类 地层 极软 软 中软 中 硬 极硬 抗压强度（MPa） 25 25-50 50-75 75-100 100-200 200 直接测量： 把岩样加工成拉伸试样，置于材料拉伸试验机上进行简单应力状态下(或称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。 岩石抗拉伸强度 可通过直接和间接抗拉伸强度试验来确定 实验要求： *设计恰当的夹紧机构； *制备一定形状的岩样； *确保加载方向严格平行于岩样轴线。 巴西劈裂实验： 将一个薄圆盘试件（直径40mm*厚度25mm）沿其直径方向加载，在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力，如图所示。 间接测量方法：巴西劈裂实验 圆盘的破裂从圆中心开始,当拉应力达到岩样的抗拉强度时，试件在加载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度可按下式计算(r半径，t厚度)： 三、复杂应力条件下的岩石强度 首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样加载，直到使其破坏。 可以进行三轴压缩试验，也可以进行三轴拉伸试验。 常规三轴试验 (a)液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验） σ1 σ2 = σ3 (b)用三个液缸的柱塞进行的三面压缩试验（真三轴试验） σ1 σ2 σ3 三轴应力作用下岩石机械性质的变化 两方面显著变化 研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井具有重要意义： 脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用不同的破碎工具（如不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的组合。因此，确定岩石的脆—塑性转变的“临界压力”将为