巖石的工程力學(xué)性質(zhì)(編輯修改稿)
2024-10-08 20:55 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 板巖 2～ 8 ～ 輝長(zhǎng)巖 7～ 15 ～ 片巖 1～ 9 ～ 玄武巖 6～ 12 01～ 片麻巖 1～ 10 ～ 砂 巖 ～ 10 ～ 石英巖 6～ 20 ～ 主要內(nèi)容 一、巖石的應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線 二、簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度 三、復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度 四、巖石的抗壓入破碎強(qiáng)度 五、影響因素分析 OA段： 曲線稍向上凹，這反映了巖石試件內(nèi)部裂隙逐漸被壓密， 壓實(shí)過(guò)程 AB段： 它的斜率為常數(shù)或接近于常數(shù)， 彈性變形階段， 其斜率定義為巖石的彈性模量 E 點(diǎn) B：發(fā)生彈性到塑性行為過(guò)渡點(diǎn)，稱為屈服點(diǎn)， σ S稱為屈服應(yīng)力 。 CD段：曲線下降，是由于裂縫發(fā)生了不穩(wěn)定傳播，新的裂隙分叉發(fā)展，使巖石開始解體。 最高點(diǎn) C的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限 σ C(如為單軸 試驗(yàn)便稱為單軸抗壓強(qiáng)度 ) 一、巖石的應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線 BC段：隨著載荷的繼續(xù)增大，變形和載荷呈非線性關(guān)系，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這是破壞的先行階段。這一段應(yīng)力 應(yīng)變曲線的斜率隨著應(yīng)力的增加逐漸減小到零，曲線向下凹，在巖石中引起不可逆變化。 塑性變形階段。 強(qiáng)度 獲取 方法： 對(duì)具體的巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn) 二、簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度 巖石的強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度 抗彎曲強(qiáng)度 通常情況下： 抗壓 抗剪 抗彎 抗拉強(qiáng)度 在巖樣上施加軸向壓縮載荷直至破壞時(shí) 單位面積上的載荷 ，通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)來(lái)獲得。 巖石抗壓強(qiáng)度： 實(shí)驗(yàn)要求： *施加壓力的方向應(yīng)平行于巖心的軸線 *巖樣長(zhǎng)度 L應(yīng)適當(dāng)， L/D很小時(shí)，試件中的應(yīng)力分布趨于三軸應(yīng)力狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度； L/D很大時(shí)，將發(fā)生彈性不穩(wěn)定破壞；L/D應(yīng)適中，一般以 L/D=~。 *盡量減小端面效應(yīng)，設(shè)法降低試件端面與加壓板間的摩擦。 *試件尺寸取決于組成巖石的顆粒的尺寸，試件直徑與最大顆粒尺寸的比值至少為 10：1。因此，原則上應(yīng)盡量采用較大直徑的試件。建議采用 ~。 按抗壓強(qiáng)度對(duì)地層進(jìn)行分類 地層 極軟 軟 中軟 中 硬 極硬 抗壓強(qiáng)度（ MPa） 25 2550 5075 75100 100200 200 直接測(cè)量： 把巖樣加工成拉伸試樣，置于材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下 (或稱單軸抗拉伸狀態(tài) )的拉伸試驗(yàn)。巖樣拉斷時(shí) 的應(yīng)力值即為巖石的抗拉伸強(qiáng)度。 巖石抗拉伸強(qiáng)度 可通過(guò) 直接和間接 抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)確定 實(shí)驗(yàn)要求： *設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膴A緊機(jī)構(gòu)； *制備一定形狀的巖樣； *確保加載方向嚴(yán)格平行于巖樣軸線。 巴西劈裂實(shí)驗(yàn)： 將一個(gè)薄圓盤試件 （ 直徑 40mm*厚度 25mm） 沿其直徑方向加載 ， 在沿著加載直徑上分布著垂直于加載方向拉伸應(yīng)力 ， 如圖所示 。 間接測(cè)量方法： 巴西劈裂實(shí)驗(yàn) 圓盤的破裂從 圓中心 開始 ,當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到巖樣的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件在 加載點(diǎn)連線上 呈現(xiàn)清晰的破裂。巖石的抗張強(qiáng)度可按下式計(jì)算 (r半徑， t厚度 )： trPt0?? ??三、復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石強(qiáng)度 首先用液壓 p使其四周處于三向均勻壓縮的應(yīng)力狀態(tài) ，然后保持此壓力 （ 圍壓 ） 不變 ， 對(duì)巖樣加載 ， 直到使其破壞 。 可以進(jìn)行三軸 壓縮 試驗(yàn)，也可以進(jìn)行三軸 拉伸 試驗(yàn)。 常規(guī)三軸試驗(yàn) (a)液壓作用下的壓（拉）試驗(yàn)（常規(guī)三軸試驗(yàn)） σ 1 σ 2 = σ 3 (b)用三個(gè)液缸的柱塞進(jìn)行的三面壓縮試驗(yàn)（真三軸試驗(yàn)） σ 1 σ 2 σ 3 三軸應(yīng)力作用下巖石機(jī)械性質(zhì)的變化 兩方面顯著變化 研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（或稱臨界壓力）對(duì)深井鉆井具有重要意義： 脆性破壞和塑性破壞是兩種具有本質(zhì)差別的破壞形式，需分別用 不同的破碎工具 （如不同結(jié)構(gòu)的鉆頭類型），采用 不同的破碎方式 （沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等），以及 不同的破碎參數(shù) （鉆壓、轉(zhuǎn)速及水力參數(shù)等）的組合。因此，確定巖石的脆 — 塑性轉(zhuǎn)變的“臨界壓力”將為設(shè)計(jì)和合理選擇使用鉆頭提供科學(xué)依據(jù)。 ? 巖石在三軸應(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度增大。 ? 隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大 。巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）稱為臨界壓力。 四 、 巖石的抗壓入破碎強(qiáng)度 （ 硬度 ） （ formation hardness） ? 巖石的硬度 是巖石抵抗其它物體表面壓入或侵入的能力 。 ? 硬度與抗壓強(qiáng)度區(qū)別： ① 前者只是固體表面的 局部 對(duì)另一物體壓入或侵入時(shí)的阻力 ， 而后者則是固體抵抗固體 整體 破壞時(shí)的阻力 。 ② 前者反映巖石 顆粒的硬度 ，其對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中工具的磨損起重大影響； ③ 后者反映巖石的 組合硬度 ，其對(duì)鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎速度起重大影響。 ? 測(cè)量巖石硬度的方法 靜壓入法、沖擊回彈法（擺球硬度） 。 石油工業(yè)主要是利用 靜壓入 的方法測(cè)量巖石硬度（巖石的壓入硬度是
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