岩石物理性质（精选14篇）
在传热分析中，热扩散率a（单位是m^2/s）是热导率λ与比热容c和密度ρ之比。
a=λ/（ρ·c）
其中：热导率λ（单位：W/(m·K)）
比热容（单位：J/(kg·K)）
密度（单位：kg/(m^3)）。
热扩散率又叫导温系数，它表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力。这个综合物性参数对稳态导热没有影响，但是在非稳态导热过程中，它是一个非常重要的参数。
对于普通的岩石来说，~ 10^-6 m^2/s。
在300K，空气的热扩散率是0.000024 m^2/s。
——《地源热泵系统工程技术规范》 虽然一般而言各类岩石的导热系数最大，砂土次之，黏土最小，但是由于岩石孔隙率低导致含水量低，因此岩石用于土壤换热器的换热持久性最差，黏土次之，砂土最好。这是由于土壤和岩石的比热远小于水的比热，一般常见的岩石比热大约是0.84KJ/Kg•K，而水的比热是4.19KJ/Kg•K，干土壤的比热在1.6KJ/Kg•K，单位水体中可以储存的温差能约是干土壤的1.2～2.3倍，岩石的2倍。因此土壤中含水量的高低对土壤源热泵的效果有明显的影响，土壤中水份的迁移还对过渡季节空调系统停止运行后地下土壤温度的自然恢复至关重要，特别是对土壤源热泵系统的持久运行作用很大。土壤比重：土壤密度与4℃时纯水密度之比。一般取2.65；火山石的物理与化学部分指标如下： 物理性能指标：性能指标单位检测结果性能指标单位检测结果火山石（玄武岩）的特性。
岩石的物理性质
土壤热物性变化
三、土壤温度一年内变化手工简单计算
夏季每延米散热60w/m，冬季取热量40w/m，夏冬两季的空调时间分别为120/90天，每天工作12小时。土壤比热为1200 J/(kg·K)，密度为2000kg/m3，埋管间距按照5米计算。１、面积25m2，厚度1米的土壤质量： 2000x25=50000kg
２、夏季放热量为：
X3600x12x120=311040000J
３、夏季过后土壤平均温度升高 311040000/1200/50000=5.184Ｋ ４、冬季取热量为
x3600 x12x90=155520000J
５、冬季土壤平均温度降低： 155520000/1200/50000=2.5922Ｋ
关键词：岩石物理建模,横波拟合,泥质含量,总孔隙度,孔隙长宽比
0 引言
近年来, 随着勘探难度的增大, 油气勘探方向逐渐由构造勘探向岩性勘探转变, 叠前反演技术和多波地震勘探技术得到了广泛的应用, 而横波信息是这两项技术不可缺少的要素。由于技术及成本上的原因, 油田上大多数测井或者某一研究目的的层段都没有做全波列测井。因此, 需要应用常规测井和岩石物理分析数据对横波数据进行拟合。
在以往的研究过程中, 大多是利用研究区内实测纵、横波时差曲线间存在的函数关系, 进行线性回归, 建立起研究区的经验公式;或者直接应用Castagna与Han总结的纵、横波速度经验转换公式, 进行横波曲线的拟合。对比实际横波资料发现, 这些方法无法对含油气层段横波曲线的变化进行合理的拟合, 而且进行流体替换很困难。另外, 经验公式只适合于局部地区, 而不具研究分析的普遍性。
岩石物理建模可以建立起弹性属性与岩石物理属性 (来自岩心和测井数据) 之间的关系, 是通过研究岩石岩性、孔隙结构、流体性质、地层温度和压力等特征来定量拟合横波曲线的有效方法之一。
1 研究方法
岩石物理建模横波拟合技术需要进行岩石、流体、孔隙等多数据、多参数的计算与分析。在岩石物理建模之前, 首先需要对测井曲线进行环境校正和标准化处理, 来消除井壁坍塌和测量年度以及不同仪器对测井数据的影响。
1.1 测井曲线标准化处理
首先, 要选择处于同一沉积环境, 全区分布稳定的一套泥岩段作为分析层段, 应用直方图分析方法, 对研究区内所有井同类曲线进行标准化处理。优选井曲线质量好, 无塌井现象出现的井为参考井, 运用直方图分析方法可以对全区的纵波时差、自然伽马、电阻率、密度和中子孔隙度曲线进行标准化处理 (图1) 。
1.2 岩石物理建模主要参数分析
应用标准化处理后的测井曲线, 首先选取有横波曲线, 且曲线质量较好的井曲线, 运用岩石物理的研究方法, 对相关的参数逐一进行分析。
(1) 弹性模量。利用岩石骨架与流体的速度、密度可以分别计算出各自的岩石物理参数, 包括体积模量 (K) 、剪切模量 (μ) 、密度 (ρ) ;
其中Vp:纵波速度;Vs:横波速度;
(2) 泥质含量:应用自然伽马、自然电位与中子-密度交会三种方法计算出的三种泥质含量, 求取最小值生成泥质含量曲线VSH (公式3) , 作为最终参与建模的泥质含量。
(3) 总孔隙度计算。本次研究中, 通过反复试验对比, 总孔隙度应用视密度孔隙度ΦD (公式4) , 三种拟合曲线与实测曲线的误差最小。
其中ρMA:岩石骨架密度;ρ:密度测井数据;VSH:泥质含量;:干泥岩密度;ρF:孔隙流体密度。
根据钻、测、录井数据, 运用Biot-Gassmann方程进行流体替换[1,2]、Xu-White模型 (砂、泥岩) 进行岩性介质的混和[3], 结合地层温度、地层压力与油、气、水等物性参数, 计算出拟合的纵波、横波时差等曲线, 然后与实测的纵横波时差曲线进行对比, 调整岩石孔隙长宽比等参数, 校正模型与实测曲线之间的误差, 最终计算出与实测曲线误差最小的拟合曲线。然后运用建立起来的岩石物理模型, 对其他无横波井进行曲线拟合, 从而获得拟合横波数据。
2 实际应用
运用岩石物理建模方法, 对A1井目的层段 (T4-T5) 密度、纵波时差、横波时差曲线进行拟合, 与实测密度、纵波时差、横波时差曲线对比可见, 拟合效果很好, 不但实测、拟合曲线总体趋势一致, 而且内部细节的对应关系也比较相符。
应用相对误差的统计分析方法, 结合交会图来检验曲线的拟合效果, 纵、横波时差曲线相对误差主要分布于±0.2之间, 误差较小, 局部异常区域 (泥质含量在0.1~0.2之间) 是由于Xu-White模型适用于砂、泥岩沉积地层, 研究区目的层夹杂少量薄煤层所致。相关性很好, 获得了较高的拟合精度。应用同样的分析方法, 对研究区内其他两口有横波数据、五口无横波数据的井进行拟合, 纵波时差的统计相对误差小于7%, 横波时差的统计相对误差小于10% (表1) , 拟合精度较高。由此推论, 无横波数据的井, 应用建立起来的岩石物理模型, 获得的拟合横波数据也是可信的, 能够满足应用的精度要求。
3 结论
应用岩石物理建模方法进行横波拟合, 综合考虑了地球物理响应特征和岩石物理学特征, 能够更为客观地模拟地下岩石矿物和流体的响应特性, 研究结果表明:
(1) 岩石物理建模-横波拟合技术, 可以针对不同研究区域的地层沉积特征, 建立起相应的岩石物理模型, 研究方法更具针对性。
(2) 测井曲线的环境校正和标准化处理, 是进行岩石物理建模各项参数分析的前提条件, 保证了下一步建模过程中, 测井数据分析的一致性。
(3) 泥质含量、总孔隙度是岩石物理建模过程中两个主要计算参数, 本次研究中, 最终参与建模的泥质含量为自然伽马、自然电位和中子-密度测井数据交会计算的三种泥质含量的最小值, 总孔隙度应用视密度孔隙度ΦD, 拟合效果更佳。
(4) 通过误差交会图与测井解释图版联立分析, 调整岩石孔隙长宽比等参数, 校正模型与实测曲线之间的误差, 最终获得能够满足精度要求的拟合纵波和横波时差曲线, 在无横波数据井处 (井段) 得到拟合横波时差曲线。
参考文献
[1]Gassmann F.Elastic waves through a packingofspheres.Geophysics, 1951, 16 (4) :673~685.
[2]Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid saturated porous solid.Journal of the Acoustical Society of America, 1956, 28 (2) :168~191.
该课程为学科基础课程，适应专业有土木工程专业、水利水电工程专业；课程性质为选修
课程主要学习岩体的基本物理力学性质及测定方法，工程岩体在外荷作用下内应力的变化和表现出的性质及应力状态、应变状态以及对工程的影响，并用以解决工程问题和对工程进行可靠性评价。
本课程研究内容：介绍基本原理和试验方法以及与工程建设密切相关的岩基、岩坡、地下洞室等问题，着重于基础知识。
学习该课程的目的：
掌握工程岩体在外荷载作用下的内应力的变化和表现出的各种性质以及应力状态、应变状态对工程的影响，掌握岩体的基本力学性质及其测定方法，并用以解决工程问题和对工程进行可靠性评价。
学习本课程后应具备的能力：
1、能够运用岩石的物理性质和岩体结构状态对岩石（体）分类，估算无支护条件下的洞壁最长稳定时间。
2、能够进行岩体力学性质的室内外实验和资料分析。
3、对岩体应力状态、变形状态和破坏条件进行全面分析和评价。
4、能够计算山岩压力，评价岩体稳定性，并进行喷锚支护设计。
5、掌握有压隧洞围岩和衬砌的应力计算和有压隧洞围岩最小覆盖层厚度计算。
6、初步掌握岩坡的加固方法。
学分与学时
学分为2分.学时为32学时。
建议先修课程
土力学与地基基础、工程地质和水文地质、材料力学、弹性力学。
推荐教材或参考书目
推荐教材：
（1）《岩石力学》（第三版）第11次印刷 徐志英主编.中国水利水电出版社.1993年
参考书目：
（2）《岩体力学》（第一版）第1次印刷.沈明荣、陈建峰主编.同济大学出版社.2006年。
教学目标
1明确说明对象，理清文章思路。2.掌握说明顺序中逻辑顺序。
3.认识岩石记录时间的功能，培养学生的探索意识和科学精神。教学重点
1.帮助学生理清文章的思路，弄清说明的层次。教学难点：
1.帮助学生理清文章的思路，弄清说明的层次。教学步骤
一、导入新课
先来欣赏图片，第一张“恐龙化石”、第二张“三叶虫化石”、第三张自然界中的沉积岩。（屏幕显示）。我们看到的这些岩石，在保存古代生物的同时，还记下了时间的痕迹。那么，岩石是怎样记录时间的呢？带着这个问题，我们一起来学习《岩石历史的见证》。首先我们来学习《时间的脚印》。
二、作者介绍（学生介绍，教师补充）
三、整体感知课文
1．请同学们大声朗读课文，理清文章思路。
明确：全文共31个自然段，可分成三个部分。提纲如下：（屏幕显示）第一部分(1-4)引出话题：岩石是大自然记录时间的重要方式之一。
第二部分(5-29)岩石是怎样记录时间的。第三部分（30-31）读懂岩石记录的意义。
2．课文的第一部分告诉我们，岩石是大自然记录时间的重要方式。那么，岩石是如何记录时间的呢？ 朗读课文，小组讨论:(1)岩石的运动规律是什么？
被破坏--被搬运、被堆积--重新生成岩石。这是总起段。（2）岩石从被破坏到生成新的岩石，经历了怎样的变化？ 岩石→小石子→沙砾、泥土→沉积→重压→胶结→新岩石（学生复述、点击，显示流程图）
这是一幅沉积岩的图片，岩石像书页一样平卧着，一层一层叠在一起，最早形成的“躺”在最下面。根据层与层的顺序，我们就可以知道过去的年月。
现在，请同学们思考。我们研究岩石的形成过程是为了说明什么？
岩石的厚度及生成顺序记下了时间的踪迹。这是岩石记录时间的第一种方式。
3、请同学们朗读《山旺化石——万卷书》，进一步了解岩石记录时间，并思考山旺村原来是什么样子？我们怎样知道的？（学生朗读思考回答，教师点拨）
4、岩石记录时间的第二种方式是它保存了许多的历史痕迹。①岩石记录了地壳的活动 ②岩石记录了气候的变化（插入说明方法：举例子）
③岩石记录了古代生物状况 ④岩石记录了地球历史的发展过程 ⑤岩石记录了自然界转瞬即逝的活动（学生总结，屏幕显示）小结:普普通通的岩石上，竟有着如此丰富的历史记录。可以说，岩石是一部无字的史书。
4．通过学习课文，我们对岩石有了新的认识，了解这些内容对现实生活有什么意义？
明确：增加知识、寻找宝藏，造福人类（屏幕显示）
四、总结
文章从岩石可以记录时间写到岩石怎样记录时间，最后写了读懂岩石记录的重大意义，这种依据事物内在联系、逐层进行说明的顺序，就是逻辑顺序。
有一天，像往常一样，爱丽丝和它的朋友们在海底捉迷藏。爱丽丝躲进一块“岩石”下面，这可是它从未见过的岩石。可这块“岩石”突然说话了：“哪个调皮的家伙藏在了我的肚子下面?”
爱丽丝吓了一跳，叫道：“谁在说话呀?”
“你躲在我的身下，还不知道是谁在说话吗?”
“岩石也会说话吗?”爱丽丝很紧张地说。
“我可不是岩石，我是海龟呢?”
“海龟?你从哪里来的，怎么会出现在这里，为什么长得这么奇怪?”
“我从遥远的海岸边来的，那里有很多不一样的生物呢，也许你会觉得它们长得更奇怪，其实只是因为你每天生活这里没有见过而已。”
“那我能去那边看看吗，我也想去看看外面的世界。”爱丽丝很向往地说。
从这一天开始，它就不停地告诉自己，一定要去看看外面的世界。可它的朋友们却觉得不可能实现的，因为它长得太小啦，路程又很远。可爱丽丝却觉得自己一定能行，只要出发就会到达。但要实现这个梦想，还要做很多的准备。于是，它开始每天在水草边练习游泳，可它的朋友们在水草里继续玩耍，还不停地跟它说：“你过来跟我们一起玩吧，路程太远了，你不可能到的，你个子这么小，游泳能有多快呀!”爱丽丝却很坚定地回答说：“路程再远，只要出发，就一定能到达!”它不再理会朋友们，继续练习游泳，只期待着可以早一天出发。
终于有一天，爱丽丝“嗖”地一下，从水草边像飞一样地游了过去，它看到了朋友们惊讶的眼神，它明白自己终于可以启航了。在朋友们的祝福声中，它收拾好了自己的行李出发了。经过了不知道多少个日日夜夜，慢慢地，它感受到了阳光照进海水，有一点点刺眼却温暖了它的身体。它知道自己已经快到海面了，这颗激动的心让它加快了前进的脚步。
L37井区位于陈家庄凸起北坡罗家鼻状构造带。工区内主力含油层系为沙四段和沙一段段地层。油藏类型有构造、构造-岩性、岩性等油藏。目前该区有利储层预测难原因主要有以下两方面:沙一段生物灰岩和砂岩储层薄, 现有资料难以分辨;沙四段砂砾岩体厚度大, 泥岩隔层薄, 难以细分期次并进行储层有效预测。叠前反演是以多角度部分叠加的地震资料为基础, 利用振幅系数随炮检距的变化隐含的岩性参数信息, 从实际地震记录中直接识别油气和岩性, 定性地进行地震油藏描述, 因此对储层进行岩石物理分析及有效的叠前敏感属性优选对有效储层的识别十分重要。
2 岩石物理参数研究
为了建立不同岩性与各种测井信息参数之间的关系, 对研究区域16口钻遇目的层井的岩性与其对应的各种测井信息参数进行了参数统计。通过不同测井组合交会分析, 以期建立不同岩性与测井参数之间的关系模式。
通过对沙一段地层内不同岩性与各种测井参数的交汇结果表明, 沙一段有效储层敏感的测井参数为:声波时差、自然电位, 其次为电阻率, 自然伽马。同时, 能够分辨出储层参数分布范围, 沙一段灰岩储层声波时差分布小于310u s/m, 自然电位值分布大于110m v, 电阻率的分布大于10Ω·m, 自然伽马分布小于6API的特点 (如图1) 。
沙四段地层的有效储层以中砾岩为主, 夹有泥岩、含砾砂岩。通过对沙四段储层不同的测井组合交汇分析得出, 能够较好分辨沙四段岩性的敏感测井曲线为声波, 自然伽玛, 中子孔隙度, 自然电位。根据交汇结果和不同岩性在交汇图上的分布, 沙四段储层主要具有相对高速 (4500m/s—5500m/s) , 相对高电阻率 (10Ω·m—15Ω·m) , 和相对低自然伽马 (30API—55API) 的特点 (如图2) 。
在沙四段主要的储集性体砂砾岩中, 具有储集性的砂砾体孔隙度大于8%, 因此将Φ>8%的地层进行孔隙度与不同测井系列交汇分析, 通过分析确定了能够反映Φ>8%储层敏感岩电参数为电阻率和声波时差, 该类储层具有相对高电阻率 (13Ω·m
通过以上分析, 明确本区沙一段和沙四段储层的岩电特征 (表1) :沙一段生物灰岩, 沙四段砂砾岩储层相对于泥岩隔层均具有相对高速, 高电阻率, 低自然伽马的岩电特点;沙一段生物灰岩的储层相对于泥岩隔层能够用自然电位区分;而沙四段的孔隙度大于8%的储层, 由于含有油气的原因, 其速度略微低于不含油气的中砾岩体。
3 油藏地球物理特征研究
3.1 储层的地震反射特征
生物灰岩具有相对的强波阻抗的特点, 表现为强振幅, 低频率连续反射的特点, 其震幅强度在4750-5400之间;砂岩储层对应于较强振幅, 中低频连续性较好的反射特点, 其振幅强度在2200-2800之间;泥岩、泥灰岩则表现为高频、弱反射的特点。由于岩性组合方式不同, 其对应的地震反射轴形态也有所不同。在灰岩的发育区, 同相轴表现为“单轴单峰”的形态;在灰岩和砂岩的发育区则表现“单轴双峰”的形态, 因此针对该特点, 我们对地震相进行划分, 从划分结果看出L37井位于生物灰岩、砂岩的发育区, 而L902井则位于泥岩、油泥岩较发育的地区, 与实际钻井的结果较为吻合, 能够较好的预层储层的展布 (图3) 。
3.2 叠前敏感属性优选
沙四段地层砂岩具有高速的特点, 该区具有中低孔隙度的粉砂岩速度比孔隙度高的砂岩速度高。当孔隙度不变时, 随着泥质含量的增大, 纵波速度减小, 但与纵波速度相比, 横波速度对岩性变化较纵波速度更为敏感。从纵横波速度与泥质含量交会图 (图4、图5) 上分析得出, 砂岩速度高于泥岩, 并且砂岩具有低Vp/Vs的特点。
4 实例应用
针对储层和CRP道集的入射角范围, 对叠前道集进行了角道集转换, 依据远、中、近道集对于油气所反映的信息不同来预测储层的分布。沙四段砂砾岩体振幅具有明显的振幅随偏移距变化的特征。因此, 该区含油气较好的区域就位于振幅变化随着偏移距的增大而减小的区域。沙四段1砂组平面预测图 (图6) 在多次叠加的区域能够较好的预测储层与实际钻井吻合程度较高。
5 结论
本文通过对L37井区的岩性油藏岩石物理参数进行了分析, 优选了反映储层敏感岩电参数和叠前属性, 总结了井区有效储层的定量识别标准。并且得到如下结论:
(1) 沙一段地层, 生物灰岩速度高, 声波时差能够很好的反应出岩性的变化, 此外, 自然伽玛, 电阻率也能够较好的区分储层的岩性变化。
(2) 沙四段地层内, 砂岩具有高速、低泊松比的特征;砂岩速度高于泥岩, 中低孔隙度的粉砂岩速度比孔隙度高的砂岩速度高。
(3) 横波速度对岩性变化较纵波速度更为敏感, 更好的识别储层岩性的变化。
摘要：本文结合L37井区多口井的实钻井数据, 在测井数据及理论模型计算结果分析的基础上, 进行了该区典型井岩电特征统计及分析, 总结了储层岩石物理敏感参数定量标准。以分角度叠加的地震资料为基础, 分析地震波振的变化特征, 综合利用纵波速度, 横波速度, 泊松比等弹性参数, 在交汇分析的基础上, 进行叠前敏感属性优选, 从而可以更好的进行储层的有效识别及分布规律的预测。
关键词：岩石物理分析,叠前敏感属性,储层预测
参考文献
课堂教学是一门有遗憾的艺术”。每堂课下来都有一些闪亮的地方，遗憾和不足之处，需要教师在课后自觉地进行深刻的“反思”，挖掘隐藏在各种现象背后的教学理念、教学方法、教学行为等方面的种种问题。
《岩石书》这节内容本身比较枯燥，岩石的作用虽然被大家所接受和认识，然而就课本上的内容，能帮助学生了解的知识非常有限，因此我就学校本身的资源，拍摄校园内的岩石景观引入课堂，大大提高了学生的学习热情和兴趣。学生的兴趣被激起，探究心理得到加强进一步有利于问题的形成
在教学时，我首先引导学生在课前收集的有关矿石和岩石用途，再组织同学进行交流和展示，在学生的发言的过程中有不够清楚或错误的地方，课有学生进行提问与插话，通过这样的形式，使学生更加深刻的认识到岩石和矿物在生产和生活中的用途很广，人类的生存离不开岩石和矿产资源。从而很自然的引出岩石和矿物的保护和利用。我接着说：既然我们已经知道了岩石和矿物的作用很广，那么人们从哪里得到岩石和矿产呢？为什么说矿产是不可再生的资源呢？然后，引导学生分组汇报，学生由于对岩石和矿产的形成不很了解，不能很好的回答，我给予了必要的补充，并建议学生很好地利用课本资源，认真阅读资料库。
深入挖掘教材知识的内涵适度扩展其外延。在课堂上我呈现大量情景，让学生都想学，都会学，都学会。为此我大量收集各种与教学内容有关的信息，既有学生熟悉的乍浦建筑，也有学生不熟知的大峡谷，内容多样，扩展了学生的视野，也让学生充分了解到生活环境中离不开岩石和矿物。
《岩石书》教学反思
《岩石书》这篇课文，通过小朋友川川和磊磊跟勘探队员的对话，讲述有关岩石书的故事。课文是以对话的形式来写的，于是我把教学重点放在指导学生分角色朗读课文上。但课文中对话的提示语有的在前，如：磊磊说“这书上有图画吗？”有的提示语在中间，如：“太好了，太好了！”川川和磊磊一齐跳起来，拍着手说，“我们长大了，也来读这本大书！”有的提示语在后，如：“这书上写着什么呢？”川川和磊磊一起问。有些对话没有提示语，如2、3、4、5自然段的对话。所以，在分角色朗读之前，要先引导学生结合课文插图，读懂那句话是哪个角色说的，特别对没有提示语的对话，要引导学生通过说话的内容来确定是谁说的话。然后让学生在小组中分角色试读。以小组为单位分角色读、师生分角色读、小组派代表到讲台上赛读等形式进行朗读训练。我注意让每个学生都有充当角色朗读的机会，激发他们朗读的兴趣。通过朗读，使学生懂得了为什么叫“岩石书”，岩石书上“写”着什么，告诉我们什么，读了这本“书”有什么作用等等。从而激发学生热爱大自然，爱科学，爱地质科学的兴趣。
岩石教堂地处赫尔辛基市中心, 是1969年从一整块天然岩石中炸穴挖建而成的, 由著名建筑师Timo和Tuomo Suomalainen兄弟设计。教堂内壁未经任何修饰, 凹凸不平, 接近顶部的墙体是用炸碎的岩石堆砌而成, 岩壁和碎石弥漫着原始的色调;金壁辉煌的拱顶由铜箍缠绕而成, 隐约映射着烛光。阳光从玻璃天窗洒下, 岩壁上的巨型管风琴传来或浑厚或明快的音乐, 把人们带入纯朴自然的艺术境界。这所气氛前卫的新型基督教教堂里除了举行宗教仪式, 还定期举办音乐会, 而且是举行婚礼的热门场所。
相机:Canon EOS 5D MarkII
快门速度:1/25秒
光圈:F4.0
焦距:1 4
ISO:400
一、实验材料短缺
每个科学教师都配备的有相应的教学用具，教学用具中有各个单元的教学用具，对于第二单元来说，教具尤为重要。前三课牵涉到岩石和矿产，如果没有具体的岩石和矿物，很难通过图片给学生描述清楚，我在网络上搜索相关视频，也没有描述很具体很贴合课本的。困惑之余，我想到“学在郑州”的平台，可以借鉴其他老师的优质课，但我打开学习之后我发现他们是以小组为单位，每个小组都有相同的材料盒，所以，关于实验材料的部分我还是无法借鉴，于是乎，每节课我都只能在讲相关岩石的时候给他们展示一下，下课前再逐一让他们观看甚至触摸，虽然会耽误一些时间，但总归他们是满意的。
二、学生发散无边无际
美国地理学家彼特·卡勒门和他的同事在阿曼的沙漠地区做研究时, 发现一片光秃、裸露的橄榄岩。经检测, 橄榄岩中的矿物质与二氧化碳的反应速度10倍于其被深埋于地下的反应速度。
卡勒门使用传统的碳同位素法鉴定这些岩石, 发现它们大概形成于9600万年前, 并且现在的一些活跃地区还有新的橄榄岩形成。他们估计, 阿曼的橄榄岩每年自然吸收1万到10万吨的二氧化碳, 这个数字比初步估算的要多得多。
卡勒门发现, 与空气隔绝的地下橄榄岩像海绵一样疏松而柔软, 一旦暴露于空气中, 就会迅速与二氧化碳发生化学反应。然而, 一旦暴露于外, 它的表面很快就变得坚硬而致密, 就像石灰岩或大理石, 不可能让内部的橄榄岩石继续和二氧化碳发生反应。
为了解决这个问题, 有人提出了一个常见的解决方案。那就是把橄榄岩运到石头加工厂, 磨成细粉, 这样就可以完全和二氧化碳发生反应。但是这个方案会消耗 (hào) 巨大的资金和能源, 要产生这些能源还可能会排放大量的二氧化碳。后来, 卡勒门想出了一个巧妙的解决方案。那就是利用地下热能和化学反应自身产生的热能来促进二氧化碳的吸 收。这个方案的具体做法是:先打造一个几百米深的隧道管, 把二氧化碳和一些热水输送到橄榄岩的岩层中, 高水温可以让橄榄岩和二氧化碳的反应速度提高10万倍。这个反应一旦启动, 反应过程会自然生成大量的热量。在热能和水的作用下, 表层橄榄岩不断粉碎, 使其更多地暴露于这种富含二氧化碳的溶液中。而地球自身产生的热量也会对这一过程产生帮助, 因为越往地核方向深入, 温度越高。而阿曼的橄榄岩从地表一直向地下延伸20千米。
科学家认为, 上述方案所耗费的能源很少, 十分合算。但是这个方案会遭遇施工难题, 因为此前没有人做过这样奇特的工程。随着岩石的粉碎, 隧道管要不断深入, 而且要保证隧道管不漏气。如果这个方案能够实施, 仅仅阿曼一地就可以吸收40亿吨二氧化碳。而大气中因人类活动释放出的二氧化碳大约只有300亿吨, 主要因燃油使用而产生。地球上还有一些地区有大片的橄榄岩层, 如果这个方案能够实施, 全球气候变暖的趋势就可以得到有效遏 (è) 制。
分析了岩石全应力-应变曲线的特征、岩石在受载过程中同时引起弹性模量的降低和产生塑性应变的现象,提出了弹性模量、塑性应变与损伤成正比的`基本假设和准静态损伤过程的概念,分析了损伤变量与损伤应变能释放率二者之间的依存关系,并定义了这两个概念.依据能量守恒定律,提出了岩石准静态损伤过程的数学模型,建立了无因次损伤演化和本构方程,并对其特点进行了分析,所建立的数学模型仅需3个材料常数,而且,可较为方便地确定.岩石全应力-应变曲线的峰前和峰后只用一个损伤演化方程,且与试验曲线能较好地吻合.
作 者：秦跃平张金峰 王林 作者单位：中国矿业大学(北京校区)安全工程系,北京,100083 刊 名：岩石力学与工程学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 年，卷(期)： 22(4) 分类号：O346.5 关键词：损伤力学 岩石性质 数学模型 无因次
一、规则式岩石园
规则式相对自然式而言，常建于街道两旁，房前屋后，小花园的角隅及士山的一面坡上。外形常呈台地式，栽植床排成一层层地，比较规则。景观和地形简单，主要欣赏岩生植物及高山植物，见图80 。
二、墙园式岩石园
这是一类特殊的岩石园。利用各种护士的石墙或用作分割空间的墙面缝隙种植各种岩生植物。有高墙和矮墙两种。高墙需做40cm深的基础，而矮墙则在地面直接垒起。建造墙园式岩石园需注意墙面不宜垂宫，而要向护士方向倾斜，石块插入士壤固定，也要由外向内稍朝下倾斜，以便承接雨水，使岩石缝里保持足够的水分供植物生长，石块之间的缝隙不宜过大，并用肥土填实，竖直方向的缝隙要错开，不能直上直下，以免土壤冲刷及墙面不坚固，
石料以薄片状的石灰岩较为理想，既能提供岩生植物较多的生长缝隙，又有理想的色彩效果，见图81。
三、容器式微型岩石园
一些家庭中常趣味性地采用石槽或各种废弃的动物食槽、水槽，各种小水钵石碗、陶瓷容器进行种植，见图82。种植前必须在容器底部凿几个排水孔，然后用碎砖、碎石铺在底层以利排水，上面再填入生长所需的肥士，种上岩生植物。这种种植方式便于管理和欣赏，可到处布置。
四、自然式岩石园
1 断裂力学理论
对材料和构件在裂纹尖端的应力使用弹塑性理论进行研究,对裂纹扩展规律进行研究,建立裂纹开展的判断依据,考察裂纹对结构自身的影响。
裂缝的扩展有两种观点:一种是能量分析的方法,这种观点认为产生新裂纹所需要的能量要与裂纹开展释放出来的能量相等。另一种观点认为,裂纹开展是由于裂纹尖端应力场强度达到了临界值。
物体内部细小裂纹引起的应力集中导致了物体的断裂破坏,在裂纹扩展的过程中会释放一定的势能,这些势能进而转化为在裂缝扩展过程中克服材料阻力所做的功。这种力为裂纹扩展力,由于它包括系统各个部分的贡献,所以裂纹扩展力是一个全局性,而不是局部性的参数。应力强度是对作用于裂纹尖端的力进行量化,裂纹的发展情况将由它来决定,而不是单纯的取决于外力,这种应力分布是建立在经典线弹性理论基础上的。应力强度因子K取决于外荷载,物体形状以及裂纹长度。所以,在均匀线弹性介质中的任一种特定形式的裂纹,裂纹端部应力场的强度由应力强度因子表征。
裂纹的扩展类型有三种(见表1):1)张开型(又称拉伸型);2)滑移型(又称纵向剪切型或面内剪切型);3)撕裂型(也叫横向剪切型或面外剪切型)。一般情况下的裂纹面是空间曲面,但在实际工程中都是用平面裂纹来解决。
在处理张开型裂纹扩展问题上,线弹性断裂力学取得了很大的成功。然而在工程上经常遇到的是一些复合变形状态,复合裂纹在荷载和裂纹方位不对称分布、材料各向异性以及裂纹快速传播都可以形成。
2 岩石破坏类型及受压裂纹的扩展
岩石破坏类型分为纵向破坏、剪切破坏、拉伸破坏。
纵向破坏主要是在单轴压力下产生的与σ1方向平行的裂缝,位移方向与σ1垂直。这种破坏类型常表现在煤矿中煤层柱侧面掉落的现象。
剪切破坏是在围压和轴压的共同作用下出现的,裂缝与σ1方向成一定角度,其角度与内摩擦系数有关。这种破坏类型多出现在断层和地震中。
拉伸破坏是在单轴拉伸的情况下出现的,破坏面明显分离,面与面之间没有错动。
岩石断裂力学是研究岩石介质在地下的破坏,因而它要面临压力条件。受压裂纹大多数是闭合裂纹,闭合裂纹有以下特征:
1)因为闭合裂纹面之间只产生滑动,所以是剪切破坏。
2)由于摩擦的本构关系,使裂纹面之间的作用力成非线性问题,同时还影响裂纹端部的发展。
在进行的平板实验中,受压切口的扩展呈现出以下特征:在切口端部开始扩展,初始裂缝方向与切口方向不一致,偏移很大的角度;裂缝的扩展是一条曲线,朝最大压应力方向渐进。
闭合裂纹扩展部分为张性,使得局部体积膨胀。当大量裂纹同时扩展,将导致整个试件各向异性以及体积的膨胀。在受压条件下的裂缝是不能自动继续破坏的,只有在荷载增加时才会继续扩展。
3 微裂缝的演化
材料中裂纹的扩展并不是简单的延伸,裂纹端部首先产生微裂缝,在临界状态下这些微裂缝开始集结,最终与宏观裂缝合并。微裂缝刚形成时的密度不高,它们相互之间的作用可以忽略,将每一个微裂缝看作独立的。当裂缝的密度达到一定程度时,相互之间的作用就不能再忽略。
岩石的破坏大致分为两个阶段:第一阶段,裂纹随机产生并累积;第二阶段,裂纹进入有序的演化,进而相互归并,这个时候的裂纹数量以及尺度加速发展,进入非稳定破坏阶段。微裂缝先是在较大范围内不均匀的产生,由于微裂缝间的相互作用,使得一些裂缝愈合,产生新的裂缝。
裂纹端部存在高度应力集中,在张应力集中区首先出现微裂缝的发展。在剪应力区张应力弱,微裂缝要在荷载加大的情况下才会出现。内端部的应力集中区比外端部的小,因而内端部的微裂缝发育面积要比外端部小。
4 裂纹尖端应力—应变场
对地下岩体来说,经常承受的是压应力,所以地下岩体比较重要的是对压剪裂纹的研究。在工程中对裂纹的研究往往是不考虑闭合效应的,不考虑闭合效应的裂纹用端部压应力与剪应力具有应力奇异性来模拟。
本文将各类裂纹尖端各个应力分量归纳为一个统一的表达式:
式(1)说明对每一种类型的裂纹端部应力场的分布规律是相同的,其大小则完全取决于参数K。所以K是表征裂纹端部应力场的唯一物理量,因而称为应力场强度因子或应力强度因子。在裂纹端部的应力具有奇异性,而应力强度因子正是用以描述这种奇异性的参数。
由式(2)知,即,因而可以得出式(3):
式(3)即应力强度因子K的定义。在多裂纹的问题中,应力强度因子的理论解只在少数情形下才会有。如图1所示,当a与b趋于相等时,也就是相邻2条裂纹的尖端无限接近,多裂纹形式的应力强度因子与单个裂纹形式的差别将趋于无穷大;但当a<0.5b时,也就是相邻2条裂纹尖端的距离比单个裂纹的长度长,此时多裂纹形式与单裂纹形式下裂纹尖端的应力强度因子趋于相同。
每一种类型的裂纹端部应力场分布是相同的,大小完全取决于K,因而K是裂纹端部应力场的唯一物理量。只要其K相同则裂纹端部应力场与应变能场就相同,因此K表明了裂纹端部的物理状态,因此它是度量裂纹稳定程度的参数。应力强度因子K取决于外荷载,边界条件以及裂纹相互之间的作用,都会反映在裂纹尖端的应力强度因子中。
裂纹尖端的应力强度因子K具有一定的共性,因此在岩石工程应用中提供了较为方便的途径。对于多裂纹形式下的裂纹尖端都具有一定距离,所以应力强度因子离的都比较近,因而对这种情况下无理论解时K的估计值或近似值可以通过理论计算得到。双向加压使得边界和裂纹相互之间的作用较为明显,即无穷大板单条裂纹尖端应力强度因子与多裂纹情况下的理论值不同,而裂纹局部应力强度具有一定的相似性。因此,在双向加压的条件下,当多条裂纹的尖端间距一定时,对K的估计值或近似值也是可以得到的。对岩体而言,不管是单裂纹还是多裂纹,对采取什么方法也没有限制,只要能知道K(裂纹尖端的应力强度因子),就能得到连续的裂纹尖端应力—应变场。
5 裂纹扩展条件
由于某种原因,假设在无限板中的斜裂纹发生了微小的虚拟扩展,岩体的具体构形、裂纹尺寸、外力以及材料性质将决定微小的虚拟扩展是不是真的会发生。岩体工程中,在压应力作用下经常遇到裂纹表面发生闭合的情况,此时,闭合的裂纹面之间将产生相互的作用力,这种作用力可以使用裂纹之间的正应力σ0与剪应力τ0=μfσ0组成的表达式来表达,其中,μf为裂纹表面的滑动摩擦系数,实质上,这是纯Ⅱ型裂纹在闭合状态下的行为。因而可以得出式(4):
应当指出,纯Ⅱ型裂纹在闭合状态下,不同于一般非闭合下的纯Ⅱ型裂纹。只有岩石材料的K(Ⅱ)e与一般非闭合裂纹的抗脆断能力有关;岩石材料的K(Ⅱ)e和闭合面上的摩擦剪应力都与闭合裂纹的抗脆断能力有关。使得问题的物理关系极其复杂的原因是裂纹的剪应力与裂纹面之间的相对滑移量和滑移速度都有一定的关系。目前此项研究还很不成熟,这个问题还要以后继续深入研究。
6 结语
目前,断裂力学在岩石中的研究与应用存在问题较多,难度较大。岩体内裂纹在受压情况下闭合,裂纹的边界条件也会随之发生变化,因此,必须对闭合裂纹尖端的应力场与位移场同时进行研究,以及对分支裂纹的尖端应力强度因子计算研究,对它们的研究就必须发展脆断模拟与弹塑性断裂模拟。建立出一套标准方法,可以适用于岩石静、动态断裂韧性的测定,并研究岩石两种状态的断裂韧性与传统力学性能之间的关系。
分析岩石多裂纹之间贯通机理的依据依然是断裂力学中的裂纹尖端应力—应变场,从理论方面讲述了多裂纹之间的贯通模式以及发展机理。在多裂纹尖端之间的间距合适的情况下,可以通过公式得到较好的估算值,进而可以得到裂纹尖端的应力—应变场,为多裂纹之间的贯通模式以及发展机理提供了理论基础。
摘要：在断裂力学的基础上,研究了岩石破坏类型和受压裂缝的扩展,并对微裂缝演化进行了探讨,提出利用断裂力学中的裂纹尖端应力和应变场的分布情况,可以预测和制止岩体的失稳。基于能量平衡建立岩石裂纹的扩展条件,进而导出断裂稳定性准则。指出岩石断裂力学中存在的一些问题,并对研究要点进行了总结,为岩石断裂问题研究提供了理论依据。
关键词：断裂力学,裂缝,岩石裂缝,能量平衡
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