油气井杆管柱力学研究现状和发展方向

!专题综述#

油气井杆管柱力学研究现状和发展方向

李子丰Ξ

　蒋　恕　阳鑫军

(燕山大学机械工程学院)

摘要　油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作,在各种力的作用下,处于十分复杂的变形

和运动状态。对油气井管柱进行系统的、准确的力学分析,具有重要的工程实用意义。鉴于此,介绍了油气井杆管柱的组成及研究油气井杆管柱力学的重要意义。重点阐述油气井管柱的运动状态、动力学基本方程、油气井杆管柱稳态拉力和扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱振动、杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统参数诊断和优选等方面的研究意义、研究应用现状和发展方向。 关键词　油气井　杆柱　管柱　力学研究　现状　发展方向

引 言

油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作,在各种力的作用下,处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统的、准确的力学分析,可以达到如下目的:

(1)快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道;

(2)准确地校核各种杆管柱的强度,优化杆管

柱设计;

(3)优化油气井井眼轨道;

(4)及时准确地诊断和正确处理各类井下问题;

(5)优选钻采设备和工作参数。油气井杆管柱力学主要研究油气井杆管柱的运动状态、油气井杆管柱力学基本方程及其在油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱振动、油气井杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统参数诊断和优选等方面的应用[1]。

本文主要介绍油气井杆管柱动力学基本方程及其应用。由于篇幅有限,其它油气井杆管柱力学研究方法就不做介绍。

油气井杆管柱的运动状态

11目的

油气井杆管柱的运动状态,是研究油气井杆管柱力学的基础。

21研究现状

油气井杆管柱的运动状态主要有轴向运动、横向运动、自转和公转(涡动),其中轴向运动包括起下钻、纵向振动;横向运动包括横向振动;自转包括绕自身轴线的旋转、扭转振动;公转(涡动)包括正向公转、反向涡动。

(1)在直井内,上部受拉段,钻柱绕自身轴线旋转;下部受压段,钻柱绕自身轴线旋转、反向涡动;钻柱若存在弯角则正向公转。

全井都有可能发生纵向振动和扭转振动,并导致钻柱破坏,地面观察明显。下部受压段易发生横向振动,并导致钻柱破坏,地面观察不明显。

(2)在斜井内,由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井壁产生滑动摩擦,导致纵向振动、横向振动和扭转振动减轻,反向涡动减轻或消失,所以在斜井中,钻柱振动导致的疲劳破坏较少。但在开始旋转钻柱时,由于逐段间接从静止的静摩擦状态

?

03?

石　油　机　械

CHINA PETROL EUM MACHIN ER Y

2002年　第30卷　第12期

Ξ

李子丰,教授,生于1962年,1983年毕业于大庆石油学院钻井工程专业,1986年获该院石油机械工程专业硕士学位,1992年于石油大学(北京)获油气田开发工程专业博士学位,现从事教学与科研工作。地址:(066004)河北省秦皇岛市。电话:(0335)8079211。

(收稿日期:2001-12-28)

向动摩擦状态转变,会产生滑振。31发展方向

关于钻柱的运动状态,目前主要是定性描述,虽然已经向定量描述钻柱的振动和涡动状态努力,但还没有获得工程实用的结果。今后的研究重点为钻柱的振动和涡动。

油气井杆管柱动力学基本方程[2,3]

11意义

完善油气井杆管柱力学理论,方便建立各种油气井杆管柱力学分析的数学模型。

21研究现状

做如下假设:

(1)杆管柱处于线弹性变形状态;(2)杆管柱横截面为圆形或圆环形;(3)略去剪力对杆管柱变形的影响。通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,建立了用于对油气井杆管柱进行动静力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。

由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程,现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到,所以,该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。

油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩

11意义

拉力和扭矩模型,尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时,可达到如下目的:

(1)优选井眼轨迹,使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小;

(2)选择和校核地面设备,优化杆管柱设计;(3)监测井下问题;(4)指导下套管作业;

(5)确定杆管柱与井壁的接触压力,估计套管的磨损程度和键槽是否存在;

(6)决定是否改变钻井液性能。21研究现状

以油气井杆管柱动力学基本方程为基础,考虑钻柱的运动状态、钻井液的结构力、粘滞力,建立了油气井杆管柱稳态拉力2扭矩模型,开发了实用

的计算机软件,较成功地应用于定向水平井钻柱和套管柱设计中。计算机软件可以应用于确定钻柱与井壁的摩擦系数、预测和计算钻柱的受力状态、优选井眼剖面、校核钻柱和监测井下岩屑床的严重程度等。

(1)转盘扭矩、大钩载荷与所钻井深和运动状态的关系如图1所示,其关系可用于优选钻井设备、井眼轨道和钻柱设计。

图1　地面载荷与所钻井深的关系

(2)杆管柱受力与测深的关系如图2。计算杆

管柱的拉力、扭矩、侧压力、安全系数、稳定性等

参数与测深的关系,可用于校核和设计杆管柱、优选井眼轨道、布置减阻接箍等。

(3)特殊作业杆管柱受力与测深的关系。计算震击器起震时,杆管柱的载荷和安全系数,需要的大钩载荷等。倒扣作业时,大钩应该提升的载荷和转盘应该施加的扭矩等。

(4)监测岩屑床等井下情况。通过地面测得的大钩载荷和转盘扭矩,可以定性判断岩屑床的沉积程度等井下复杂状况。

(5)监测套管和杆管柱的相对磨损程度。通过计算杆管柱与套管的接触压力、滑动距离,可以计算杆管柱和套管的相对磨损程度。

?

13?2002年　第30卷　第12期李子丰等:油气井杆管柱力学研究现状和发展方向

图2　钻柱受力与测深的关系

31发展趋势

(1)实时从大钩处测量载荷,消除从死绳载荷计算大钩载荷的误差;

(2)实时测量钻头扭矩与钻压(国外已经实现);

(3)实验研究摩擦系数与岩屑床厚度、岩石类型和钻井液性能等关系。

下部钻具三维力学分析

11意义

定量描述下部钻具组合的受力和变形,算出钻头与地层的作用力和钻头转角;选择底部钻具组合和钻进参数,使钻头按设计方向钻进。

21研究现状

从油气井杆管柱动力学基本方程出发,建立了通用下部钻具三维小挠度、大挠度静力学分析和三维小挠度动力学分析的数学模型。用加权余量法和最优化方法对三维小挠度静力分析数学模型求解,编制了分析软件,结合三维钻速方程,对水平井井眼轨道做了分析与预测,满足工程需要。

(1)钻具的增斜能力预测　输入钻具的结构参数、钻压和钻井液性能、已钻井眼等参数后,可以预测钻具的增斜能力。

(2)分析下部钻具的受力状态　计算指定的钻具放入指定的井眼中,钻头侧向力和钻头转角,亦即稳定器受力情况。

(3)分析各种因素对钻头侧向力和钻头转角的影响　凡是影响因素都作为一个自变量,研究钻头的侧向力和钻头转角随该因素的变化规律。该软件不但能分析常规钻具,也适用于转盘旋转弯外壳导向钻具的情况。

(4)井眼轨道预测　利用已钻井眼几何参数、预计使用的钻具组合和钻进参数,可以对待钻井眼轨道进行预测。预测结果满足工程需要。

用于下部钻具力学分析的方法及其适用范围见表1。

表1　下部钻具力学分析方法和适用范围

力学分析方法

空间维数状态挠度大小

二三静态动态小大

能量法√—√—√—经典微分方程√—√—√—

纵横弯曲法√—√—√—

差分法√√√√√—

加权余量法√√√√√√

有限元法√√√√√√

31新型防斜工具的评价

传统的防斜方法主要是用降斜钻具组合小钻压钻进,也有用偏重钻铤的。目前,试验研究的防斜钻进工具主要有:

偏轴接头———在旋转钻进时于钻头附近接入偏轴接头能起到防斜和纠斜作用;但偏轴接头的公转导致钻具的强烈横向振动,经常破坏钻具。

柔性接头———在钻具的适当位置接入柔性铰,能起到防斜和降斜作用,但该钻具有顺弯走的趋势。

垂直钻进系统———该系统能垂向钻进;国外已经进行过试验,但寿命短。

41发展方向

下部钻具三维动力分析;在防斜的同时,提高钻具的使用寿命。

钻　柱　振　动

11意义

计算钻柱内的应力,校核钻柱的强度;分析钻柱破坏(断裂、粘扣)的原因,提出预防措施;选择合理的钻进参数。

?

2

3

? 石　油　机　械2002年　第30卷　第12期

21研究现状仅解决了纵向振动和扭转振动的频率响应;纵向与扭转耦合振动和横向振动研究较少。从减少钻具破坏的角度,提出钻进参数避开钻柱系统的固有频率。

31减震工具

目前,市场上有弹簧减震器、液力减震器和液力推进器3种。

弹簧减震器只改变钻柱系统的固有频率,但不隔断和吸收振动,使用效果时好时坏。

液力减震器可以有效地减少钻具的振动。对于液力推进器,当喷嘴压降一定时,适用的钻压也一定;钻压范围小。

41研究方向

结合减震器,进一步研究钻柱纵向振动和扭转振动的频率响应;开展纵向与扭转耦合振动的研究;开展钻柱横向振动的研究。

油气井杆管柱稳定性

11意义

石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆

柱在井筒中工作时,在某些井段经常处于压扭状态,发生正弦屈曲或螺旋屈曲。屈曲后,杆管柱内的应力急剧增加,与井壁的摩擦阻力增加,会发生自锁现象,严重时可发生强度破坏。

21研究现状

油气井杆管柱存在稳定、正弦屈曲和螺旋屈曲3种状态。①基本上仅限于静态;②部分非线性;

③稳定性状态判别;螺旋屈曲形状、内部应力近似计算。

31发展方向

(1)动态稳定性　根据旋转陀螺高速稳定、钻井液动力润滑原理推断,钻柱自转速度越高,钻柱的稳定性应该越好。应开展理论与实验研究,确定判断方法。

(2)非线性　连续油管应用日趋普遍,由于连

续油管的直径比井径小得多,非线性屈曲更普遍。

有杆泵抽油系统参数诊断和优选

11意义

计算抽油杆柱内的应力,校核强度;了解抽油泵的工作状况;优选抽油系统设备组成和工作参数。

21研究现状

从油气井杆管柱动力学基本方程出发,考虑井眼轨道、抽油杆柱构成、抽油杆与油管的滑动摩擦力及油液的内摩擦力,建立了定向水平井抽油杆柱纵向振动的微分方程。在此基础上,分别建立了定向水平井有杆泵抽油系统井下动态参数诊断和预测的数学模型。

(1)有杆泵抽油系统动态参数诊断技术———利用电子示功仪测得的光杆示功图,可以诊断出直井和定向井抽油杆和抽油泵的工作状况,并给出扶正器的合理分布。

(2)有杆泵抽油系统动态参数预测技术———目前直井有杆泵抽油系统动态参数预测技术理论上已经取得成功,并编制出计算软件;定向井有杆泵抽油系统动态参数预测技术数学模型虽已建立,但尚无数学解法。

31发展方向

定向井有杆泵抽油系统动态参数预测技术数学模型的数学解法和程序实现。

参　考　文　献

1　李子丰1油气井杆管柱力学1北京:石油工业出版社,

1996

2　李子丰,李敬元,马兴瑞等1油气井杆管柱动力学基本

方程及应用1石油学报,1999,20(3):87～90

3　李子丰,马兴瑞,黄文虎1钻柱力学基本方程及应用1

力学学报,1995,27(4):406～414

(本文编辑　王志权)

尊重自然　热爱自然　保护自然

?

33?2002年　第30卷　第12期李子丰等:油气井杆管柱力学研究现状和发展方向

～29

A self2rotary on2off connector for sucker rod is used to ensure the normal production of large pump wells. The connector can realize the connecting and disconnecting of sucker rod to and from the pump plunger at an ar2 bitrary position and angle by means of pulling and lowering the rod string.Rotated left,the connector can be disconnected from the plunger in a sand stuck pump.The design feature of the connector is described.

Subject Concept T erms　Linpan Oil Field　self2rotary on2off connector　design feature

application

Li Zifeng(Mechanical Engi neeri ng College,Y anshan U niversity,Qi nhuangdao City,Hebei Provi nce), Jiang Shu,Yang Xinjun.Current status and developing trend of mechanical study of rod and pipe strings in oil and gas w ells.CPM,2002,30(12):30～33

The significance of mechanical study of rod and pipe strings in oil and gas wells is indicated.The current status and developing trend of the study are expounded,concerning(1)movement of rod and pipe in oil and gas wells,(2)fundamental mechanical equations of rod and pipe in oil and gas wells,(3)tension and torque of rod and pipe in wells,(4)32D analysis of BHA,(5)vibration of drill string,(6)stability of pipe in wells,(7)diag2 nosis and prediciton of the data of sucker rod2pumping system.

Subject Concept T erms　oil and gas well　sucker rod string　pipe string　mechanical study

current status　developing trend

Zhang Fengzhu(N o.3Pet roleum M achi nery W orks,Jianghan Pet roleum A dm i nist ration,Tianmen City,Hubei Provi nce),Chen https://www.sodocs.net/doc/c117319240.html,pressor manufacturing basis construction:technical and market analysis.CPM,2002,30(12):34～37

A comprehensive evaluation of the technical base and market status of oil2related compressor manufacturing basis construction is made.Suggestions relative to the products developing trend and emphasis,basis location and cost control and overall planning are put forward.

Subject Concept T erms　oil industry　compressor　manufacturing basis　market prediction

Zhou Sunbiao(Huaz hong U niversity of Science and Technology,W uhan),Kang Y ihua,Niu Bin.R evie w of oilf ield w aste w ater treatment technique.CPM,2002,30(12):38～41

Various techniques for oilfield wastewater treatment at home and abroad are expounded.And it is pointed out that the widely2used oil removal2coagulating2filtering method has some disadvantages and especially will do harm to the environment.Thereby a new technique using jointly downhole oil2water separator,three2phase hy2 drocyclone and membrane separation is proposed.The prospect of oily wastewater treatment is forecast.

Subject Concept T erms　oily wastewater　wastewater reinjection　wastewater treatment

review

—

—

4

岩石力学研究进展报告

岩石力学研究新进展报告 姓名：XXX 学号：XXXXXXXX 专业：岩土工程

岩石力学研究新进展报告 1 引言 时光如白驹过隙，一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习，使我在岩石力学方面有了很大的启发，特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。 岩石力学可以作为固体力学的一个新分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门内涵深，工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题，输入给模型的基本参数很难确定，而且没有多少对过程（特别是非线性工程）的演化提供信息的测试手段。另一方面，对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场（应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相（固、液、气）影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，其大多数是高度非线性的。目前，岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的，可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此，近年来，多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起，为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法，更能激发研究者的创新精神，这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。 本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细观力学四部分的研究新进展做简要报告。由于时间和精力有限（最近导师安排的任务非常多，而且要准备英语和政治期末考试），每部分内容除第一大段的研究新进展综述外，只对近几年的三篇比较好的文献做分析说明，包括两篇中文学术论文和一篇外文学术论文，这12篇学术论文我都比较仔细的看了。以后若有机会和时间，我会在导师和各位老师同学的不吝赐教下，努力做岩石力学的创新性研究，届时会在文献综述部分查阅和介绍更多最新以及更优秀的文献。 2 分形岩石力学 从古至今，岩石已成为人们熟知的工程材料，它是由矿物晶粒、胶结物质和大量各种不同阶次、不规则分布的裂隙、薄弱夹层等缺陷构成，是一种成分和结构高度复杂的孔隙体。岩石力学经过近50年的发展，人们尝试用各种数学力学方法研究和描述岩石复杂的自然结构性状和物理力学性质，提出了多种岩石力学分析和计算方法，为解决实际工程中的岩石力学问题创造了条件。19世纪70年代Mandelbrot创立分形几何学，提出了一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，从此分形几何学广泛地应用于自然科学研究的各个领域，并且在经济学等社会科学也有很巧妙的应用。19世纪80年代，分形几何学开始应用于岩石力学研究，开始形成分形岩石力学这一门新兴交叉学科。人们逐渐发现岩石力学领域中的分形现象相当普遍，不仅岩石的自然结构性状、缺陷几何形态、分布以及地质结构产状、断层几何形态、分布都观察到分形特征或分形结构，而且岩石体强度、变形、破断力学行为以及能量耗

岩石力学研究的现状和未来

岩石力学研究的现状和未来 引言 岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的 一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且也是力学和地学相结合的一个基础学科。 岩石力学的发生与发展与其它学科一样，是与人类的生产活动紧密相关的。早在远古时代，我们的祖先就在洞穴中繁衍生息，并利用岩石做工具和武器，出现过“石器时代”。公元前2700年左右，古代埃及的劳动人民修建了金字塔。公元前6世纪，巴比伦人在山区修建了“空中花园”。公元前613-591年我国人民在安徽淠河上修建了历第一座拦河坝。公元前256-251年，在四川岷江修建了都江堰水利工程。公元前254年左右（秦昭王时代）开始出钻探技术。公元前218年在广西开凿了沟通长江和珠江水系的灵渠，筑有砌石分水堰。公元前221-206年在北部山区修建了万里长城。在20世纪初，我国杰出的工程师詹天佑先生主持建成了北京-张家口铁路上一座长约1公里的八达岭隧道。在修建这些工程的过程中，不可避免地要运用一些岩石力学方面的基本知识。但是，作为一门学科，岩石力学研究是从20世纪50年代前后才开始的。当时世界各国正处于第二次世界大战以后的经济恢复时期，大规模的基本建设，有力地促进了岩石力学的研究与实践。岩石力学逐渐作为一门独立的学科出现在世界上，并日益受到重视。

目前国际上已建和正建的大坝，高度超过300m，地下洞室的开挖跨度超过50m，矿山开采深度超过4000m，边坡垂直高度达1000m，石油开采深度超过9000m，深部核废料处理需要考虑的时间效应至少为1万年，研究地壳形变涉及的深度达50-60km，温度在1000oC以上，时间效应为几百万年。今后，随着能源、交通、环保、国防等事业的发展，更为复杂、巨大的岩石工程将日益增多。但是，国际上有许多工程由于对岩石力学缺乏足够的研究，而造成工程事故。其中最的是法国马尔帕塞（Malpasset）拱坝垮坝及意大利瓦依昂（Vajont）工程的大滑坡。 马尔帕塞薄拱坝，坝高60m，坝基为片麻岩，XXXX年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。瓦依昂双曲拱坝，坝高261.6米，坝基为断裂十分发育的灰岩。XXXX年大坝上游左岸山体发生大滑坡，约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢过坝顶，死亡3000余人。近年来，虽然岩石力学得到突飞猛进的发展，但与岩体失稳有关的大坝崩溃，边坡滑动，矿山瓦斯爆炸，围岩地下水灾害等惨剧仍时有发生。诸如此类的工程实例，都充分说明能否安全经济地进行工程建设，在很大程度上取决于人们是否能够运用近代岩石力学的原理和方法去解决工程上的问题。当前世界上正建和拟建的一些巨型工程及与地学有关的重大项目都把岩石力学作为主要研究对象。第一节国际岩石力学与岩石工程发展动态一、国际岩石力学学会成立前（XXXX）的概况 在国际岩石力学学会成立前，尤其是上世纪二战以后，为适应经济发展的迫切需要，各国都相继建立了一些机构对岩石力学进行专题研究。当时各国有代表性的研究机构如下：美国：（1）美国军部工程兵团(ACE,ArmyCorpsofEngineersU.S.A).

浅谈钢管混凝土柱

浅谈钢管混凝土柱 摘要: 由于钢管商品混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在实际工程中的应用越来越多。从钢管商品混凝土柱工作原理、力学性能等方面,来显示钢管商品混凝土的优势。 关键词: 钢管商品混凝土柱; 钢筋商品混凝土柱; Abstract: As a result of concrete filled steel tube with high capacity, corrosion resistance, convenient construction and a series of advantages, it application in practical engineering more and more. This paper from the concrete filled steel tubular column working principle, mechanical properties and other aspects, to show the advantages of concrete filled steel tube. Key words: concrete filled steel tubular column; reinforced concrete column 钢管商品混凝土即在薄壁圆形钢管内填充商品混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的结构。它利用钢管和商品混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用，充分发挥这两种材料的优点，弥补彼此的缺点，因而具有良好地力学性能和经济性。在桥梁，工业厂房，高层建筑中的应用越来越广泛。 1、钢管商品混凝土的工作机理钢管商品混凝土的基本原理：在钢管中填充商品混凝土，在力的作用下，商品混凝土对钢管有力的作用，但同时钢管约束了商品混凝土，使管内商品混凝土处于三向受压的应力状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其抗

管柱力学

学科前沿油气井杆管柱力学结课报告 学院：车辆与能源学院 专业：石油与天然气工程 学生姓名：李欣 学号：S130******** 指导教师：李子丰教授

研究油气井内的杆管柱力学问题。首先由美国 A Lubinski 于1951年开始研究，李子丰于1996年出版《油气井杆管柱力学》（石油工业出版社），2008年趋于完善《油气井杆管柱力学及应用》（石油工业出版社）。主要内容为：油气井杆管柱及其在井下的运动状态、油气井杆管柱的载荷和失效方式，油气井杆管柱动力学基本方程及其在分析油气井杆管柱的稳定性、杆管柱的稳态拉力和扭矩、钻柱振动、下部钻具三维力学分析与井眼轨道预测、有杆泵抽油系统参数诊断与预测、热采井管柱力学分析和固井等方面的应用。 真理是世界上最珍贵的信仰，为了这一信仰，科研道路上涌现出了一批批坚定不移的科学家，他们用自己的执著和智慧为世人点亮了一盏盏明灯。燕山大学的李子丰教授就这样一位执著追求、甘于奉献的学者。自从事石油事业以来，李子丰教授十年如一日地辛勤工作，把自己的青春和热血都奉献给了祖国的石油事业，同时也对哲学和物理学领域的基本难题进行了深入不懈的研究。 如果说，科学研究是发现真理的舞台，那么，李子丰教授就是这舞台闪烁的明星，他身上体现出的一种为真理而献身的执著精神和勇敢正直的人格，不愧为我们当代年轻人学习的楷模。 结合石油工程科学和技术发展的需要，李子丰创立了有特色的油气井杆管柱力学理论体系。该理论体系主要包括：油气井杆管柱动力学基本方程；斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型；油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型；试油管柱力学分析的数学模型；压裂管柱力学分析的数学模型；定向井有杆泵抽油系统动态参数诊断与仿真的数学模型；钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型；下部钻具三维力学分析的数学模型；热采井套管柱力学分析的数学模型及预膨胀固井技术；割缝筛管力学分析的数学模型。如今，依据这些理论模型所编写的软件，已经广泛地应用于我国石油钻采作业中。 同时，上述研究成果基本上都是国家“八五”重点科技攻关项目石油水平井钻井成套技术、国家“九五”重点科技攻关项目侧钻水平井钻井采油配套技术和“863”项目海底大位移井井眼轨道控制技术的研究内容，不但在理论上取得了较大进步，在经济上也获得了巨大的效益，赢得了国内外石油工程界和力学界的一致好评。 油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作,在各种力的作用下, 处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统的、准确的力学分析, 可以达到如下目的: (1) 快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道; (2) 准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计; (3) 优化油气井井眼轨道;

钢管混凝土柱全寿命周期力学性能研究

目录 摘要..................................................................................................................................... I Abastract .................................................................................................................................... II 第1章绪论.. (1) 1.1 钢管混凝土全寿命周期的特点 (1) 1.1.1 钢管混凝土的特点及发展 (1) 1.1.2 全寿命周期的特点 (1) 1.2 课题的研究意义 (2) 1.3 相关课题的研究现状 (3) 1.3.1考虑钢管初应力的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (3) 1.3.2考虑混凝土脱空缺陷的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (6) 1.3.3考虑长期荷载作用的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (8) 1.3.4中空夹层钢管混凝土柱全寿命周期受力性能研究现状 (10) 1.4 文献综述小结 (10) 1.5 课题的创新性 (11) 1.6 课题的技术路线 (11) 1.7 本文主要研究内容 (11) 第2章圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能研究 (13) 2.1 引言 (13) 2.2 有限元模型的建立 (13) 2.2.1 材料本构模型 (13) 2.2.2 单元类型选取、界面接触定义和划分网格 (15) 2.3 考虑钢管初应力的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (15) 2.3.1 模型验证 (15) 2.3.2 初应力对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (17) 2.4 考虑混凝土脱空缺陷的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (19) 2.4.1 模型验证 (20) 2.4.2 脱空缺陷对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (21) 2.5考虑长期荷载作用的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (23) 2.5.1 模型验证 (23) 2.5.2 长期荷载对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (27) 2.6 圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能分析 (29) 2.6.1全寿命周期受力全过程分析 (29) 2.6.2影响承载力的参数分析 (33) 2.7 本章小结 (34)

北京科技大学考研岩石力学答案`

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持. 名词解释 1．岩石饱水系数（kw）：指岩石吸水率与饱水率的比值。 2．岩石吸水率：岩石在常温下吸入水的质量与其烘干质量的百分比。3．岩石饱和吸水率：岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入 水的质量与岩样烘干质量的比值。 4．岩石的天然含水率（W）：天然状态下，岩石中水的质量Mw与岩石烘 干质量Mrd的比值。 5．岩石的流变性：岩石的应力—应变关系与时间因素有关的性质，包括蠕 变、松弛和弹性后效。 6．岩石的蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。 7．岩石的松弛：当应力不变时，变形随时间增加而减小的现象。 8．弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。 9．岩石的各项异性：岩石的全部或部分物理力学性质随方向不同而表现出 差异的现象 10．岩石的粘性：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速率随应力增 加而增加的性质 11．弹性：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力（卸载）后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质。 12．塑性：物体在受力后变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质。 13．岩石的扩容：岩石在压力作用下，产生非弹性体积变形，当外力增加 到一定程度，随压力增大岩石体积不是减小，而是大幅增 加，且增长速率越来越大，最终导致试件破坏。这种体积 明显扩大的现象称为扩容。 14．岩石的长期强度：在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下，如持续 作用较长时间，由于流变作用岩石也可能发生破坏， 因此岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低。 通常把作用时间趋于无穷大的强度（最低值）称 为岩石的长期强度。 15．岩石的质量系数（RQD）：钻探时长度在10cm（含10cm）以上的岩芯 累积长度占钻孔总长的百分比。 16．岩石的抗冻系数（cf）：经冻融实验后，岩样抗压强度的下降值与冻融 前的抗压强度的比值 17．岩石的裂隙度（K）：指沿取样线方向单位长度上的节理数量。18．岩石的软化系数（）：饱水岩样的抗压强度与自然风干岩样的抗压强 度之比。 19．岩石的泊松比（）：岩石的横向应变与纵向应变的比值称为泊松 比 20．龟裂系数（完整性系数）：弹性纵波在岩体中的传播速度与在岩石中的 传播速度之比的平方。 21．等应力轴比：使巷道周边应力的均匀分布时的椭圆长短轴之比。22．零应力轴比：巷道设计时，不出现拉应力的椭圆长短轴之比。23．地应力：存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。（原岩应力）24．次生应力：岩体开挖扰动后，应力重新分布而产生的地压。 25．变形地压：由于岩体变形，应力重新分布而产生的地压。 26．膨胀地压：粘性吸水矿物吸水后产生膨胀而对支架产生的力。27．边坡崩塌：边坡表层岩体突然脱离母体，迅速下落且堆积子坡脚下，伴随岩石的翻滚和破碎。 28．边坡稳定系数（F）：沿最危险破坏面作用的最大抗滑力（或力矩）与 下滑力（或力矩）的比值。 即F=抗滑力/下滑力 29．岩石的边坡倾倒：有一组倾角很陡的结构面，将岩体切割成许多相互 平行的块体，而临近坡面的陡立块体缓慢地向坡外弯 曲和倒塌。 30．岩爆：岩石破坏后尚剩余一部分能量，这部分能量突然释放就会产生v 岩爆（冲击地压） 问答题 1.单轴压缩条件下岩石的全应力—应变曲线可将岩石的变形分成哪四个阶 段？各阶段的特征是什么？ 答：可分成孔隙裂隙压密阶段（OA段）

岩石力学发展史

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。例如，1912年海姆（A．Heim）提出了静水压力的理论。他认为地下岩石处于一种静水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等，均等于单位面积上覆岩层的重量，即γH。朗金（W．J．M．Rankine）和金尼克也提出了相似的理论，但他们认为只有垂直压力等于γH，而水平压力应为γH乘一个侧压系数，即λγH。朗金根据松散理论认为；而金尼克根据弹性理论的泊松效应认为。其中，λ、υ、φ分别为上覆岩层容重，泊松比和内摩擦角，H为地下岩石工程所在深度。由于当时地下岩石工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不准确的。 （2）经验理论阶段（20世纪初～20世纪30年代） （3）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。最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论。该理论认为，围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分。于是，确定支护结构上的荷载大小和分布方式成了地下岩石工程支护设计的前提条件。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。由于当时的掘进和支护所需的时间较长，支护和围岩不能及时紧密相贴，致使围岩最终往往有一部分破坏、塌落。但事实上，围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有的地下空间都存在塌落拱。进一步地说，围岩和支护之间并不完全是荷载和结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作用。因此，靠假定的松散地层压力来进行支护设计是不合

管柱力学

第一章管柱结构及力学分析 1.1水平井修井管柱结构 1.1.1修井作业的常见类型 修井作业的类型很多，包括井筒清理类的、打捞落物类的、套管修补类的。 1）井筒清理类 （1）冲砂作业。 （2）酸化解堵作业。 （3）刮削套管作业。 2）打捞类 （1）简单打捞作业。 （2）解卡打捞作业。 （3）倒扣打捞作业。 （4）磨铣打捞作业。 （5）切割打捞作业。 3）套管修补类 （1）套管补接。 （2）套管补贴。 （3）套管整形。 （4）套管侧钻。 在各种修井作业中，打捞作业约占2/3以上。井下落物种类繁多、形态各异，归纳起来主要有管类落物、杆类落物、绳类落物、井下仪器工具类落物和小零部件类落物。1.1.2修井作业的管柱结构 1）冲砂：前端接扶正器和冲砂喷头。

图1 冲砂管柱结构2）打捞：直接打捞，下常规打捞工具。 图2 打捞管柱结构3）解卡：水平段需下增力器和锚定器。 图3 解卡管柱结构

4）倒扣：水平段需下螺杆钻具和锚定器。 图4 倒扣管柱结构5）磨铣：水平段需下螺杆钻具、锚定器和铣锥。 图5 磨铣管柱结构6）酸化：分段酸化需下封隔器。 图6 分段酸化管柱结构

1.1.3刚性工具入井的几何条件 在水平井打捞施工中，经常使用到大直径、长度较大的工具，工具能否顺利通过造斜率较大的井段是关系到施工的成败关键，对刚性工具，如果工具过长或工具支径过大，工具通过最大曲率处将发生干涉。 对于简单的圆柱形工具，从图7可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 22)d 2/D R (2)/D (R 2L +--+= 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具直径。 图7 简单工具入井极限几何关系 图8 刚性工具串入井极限几何关系 对于复杂外形的工具或刚性工具串，从图8可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 222212)2 d 2d 2D R ()2D R ()2d 2d 2D R ()2D (R L ++--++++--+ = 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具中部直径；d 1—工具上端直径；d 2—工具下端直径。 1.2修井管柱力学分析 1.2.1修井管柱工况分析 1）修井作业管柱受力类型 （1）上提或下放作业。 上提下放过程中，管柱可能受到的力有：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、摩擦力、抽吸作用力、惯性力。

高等岩石力学答案

3、简述锚杆支护作用原理及不同种类锚杆的适用条件。 答：岩层和土体的锚因是一种把锚杆埋入地层进行预加应力的技术。锚杆插入预先钻凿的孔眼并固定于其底端，固定后，通常对其施加预应力。锚杆外露于地面的一端用锚头固定，一种情况是锚头直接附着在结构上，以满足结构的稳定。另一种情况是通过梁板、格构或其他部件将锚头施加的应力传递于更为宽广的岩土体表面。岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。岩土锚固的主要功能是： (1)提供作用于结构物上以承受外荷的抗力，其方问朝着锚杆与岩土体相接触的点。 (2)使被锚固地层产生压应力，或对被通过的地层起加筋作用(非顶应力锚杆)。

(3)加固并增加地层强度，也相应地改善了地层的其他力学性能。 (4)当锚杆通过被锚固结构时．能使结构本身产生预应力。 (5)通过锚杆，使结构与岩石连锁在一起，形成一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效地承受拉力和剪力。 锚杆的这些功能是互相补允的。对某一特定的工程而台，也并非每一个功能都发挥作用。 若采用非预应力锚杆，则在岩土体中主要起简单的加筋作用，而且只有当岩土体表层松动变位时，才会发挥其作用。这种锚固方式的效果远不及预应力锚杆。效果最好与应用最广的锚固技术是通过锚固力能使结构与岩层连锁在一起的方法。根据静力分析，可以容易地选择锚固力的大小、方向及其荷载中心。由这些力组成的整个力系作用在结构上，从而能最经济有效地保持结构的稳定。采用这种应用方式的锚固使结构能抵抗转动倾倒、沿底脚的切向位移、沿下卧层临界面上的剪切破坏及由上举力所产生的竖向位移。 岩土的锚杆类型： (1)预应力与非预应力锚杆 对无初始变形的锚杆，要使其发挥全部承载能力则要求锚杆头有较大的位移。为了减少这种位移直至到达结构物所能容许的程度，一般是通过将早期张拉的锚杆固定在结构物、地面厚板或其他构件上，以对锚杆施加预应力，同时也在结构物和地层中产生应力，这就是预应力锚杆。 预应力锚杆除能控制结构物的位移外，还有其它有点： 1安装后能及时提供支护抗力，使岩体处于三轴应力状态。 2控制地层与结构物变形的能力强。 3按一定密度布臵锚杆，施加预应力后能在地层内形成压缩区，有利于地层稳定。 4预加应力后，能明显提高潜在滑移面或岩石软弱结构面的抗剪强度。 5张拉工序能检验锚杆的承载力，质量易保证。 6施工工艺比较复杂。 (2)拉力型与压力型锚杆 显而易见，锚杆受荷后，杆体总是处于受拉状态的。拉力型与压力型锚杆的主要区别是在锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或受压状态。拉力型锚杆的荷载是依赖其固定段杆体与灌浆体接触的界面上的剪应力(粕结应力)由顶端(固定段与自由段交界处)向底端传递的。锚杆工作时，固定段的灌浆体易出现张拉裂缝．防腐件能差。

油气井

石油工程专业—油气井工程模块 ●油气井工程学科对国民经济和社会发展的重要作用 油气井工程是建设地面通往地下油气资源通道的综合性工程技术，是发现和开采地下油气资源必需的直接手段，其投资约占整个石油天然气勘探、开发成本的50%左右。油气井工程是多学科综合的应用学科，深井、复杂井、海洋井的钻井能力历来是一个国家综合科技水平的具体体现。 我国国民经济的高速发展和人民生活水平的持续提高，造成了对油气能源需求的大幅度增加。为了满足国家对油气能源的需求、保证国民经济的良性持续发展，我国的油气勘探开发技术、尤其是油气井工程技术必需有大的进步：以更低的成本、更快的速度，发现、利用更多的石油和天然气。而目前油气井技术已成为提高油气勘探开发的瓶颈之一,因此，油气井工程学科应是国家重点发展的学科之一。 ●西南石油大学本学科点的历史 西南石油大学的“油气田开发工程”学科最早起源于1958年该校的“开发系”及其下设的“钻井、采油、油藏工程、油气田开发、油田化学、海洋石油工程”共6个本科专业和相应的研究室、教研室，分别于1958、1978、1986、1991年开始招收本科、硕士、博士和博士后，于1988年成为国家首批重点学科。当时该学科包含“油气田开发工程”与“油气井工程”两个学科方向，1990年国家将其调整为“油气田开发工程”和“油气井工程”两个新的二级学科，“油气井工程”即成为单独的国家重点学科。该学科点于2001年通过了教育部的再次申报、评审，继续保留国家重点学科。 本学科学术方向： 钻井过程控制理论与技术：在钻井过程中的井眼轨迹控制、破岩清岩控制、钻井信息技术、钻井过程仿真等领域连续承担了国家“863”项目、国家自然科学基金项目、省部级项目和油田协作项目。在三维井眼轨迹计算方法、井底水力增压机理、深井复杂井防止井下事故、提高机械钻速、井下参数测量、钻井过程仿真、“虚拟现实”模拟及数据处理技术等研究领域取得了重要进展，参与了国内油田大位移井、小井眼短半径侧钻水平井、深井超深井复杂井钻井等重大工程项目的设计和施工，并提供了技术和决策支持。 油气井工作液化学与力学：以井筒工作液化学与流体力学的功能控制、化学处理剂研制与作用机理分析、工作液与环境（压力、温度、地层、流体等）相互作用等基础研究为重点，研究解

《岩石力学》2017年秋学期在线作业(一)

《岩石力学》2017年秋学期在线作业（一） 一、单选题（共 10 道试题，共 50 分。） V 1. 格里菲斯强度准则不能作为岩石的宏观破坏准则的原因是（）。 A. 该准则不是针对岩石材料的破坏准则 B. 该准则没有考虑岩石的非均质的特性 C. 该准则忽略了岩石中裂隙的相互影响 满分：5 分 2. 岩石的变形能力越大，岩石的（）越大。 A. 脆性 B. 塑性 C. 刚性 满分：5 分 3. 在地下，岩石所受到的应力一般为（）。 A. 拉应力 B. 压应力 C. 剪应力 满分：5 分 4. 岩石的弹性模量一般指（）。 A. 割线模量 B. 切线模量 C. 割线模量、切线模量及平均模量中的任一种 满分：5 分 5. 一般情况下，岩石的抗拉强度（）抗压强度。 A. 等于 B. 小于 C. 大于 满分：5 分

6. 原地应力状态与工程施工的关系是（）。 A. 有关 B. 无关 C. 不确定 满分：5 分 7. 岩石的峰值强度随围压的增加而（）。 A. 增大 B. 减小 C. 不变 满分：5 分 8. 已知某岩石的饱水状态与干燥状态的抗压强度之比为0.72，则该岩石（）。 A. 软化性强，工程地质性质不良 B. 软化性强，工程地质性质较好 C. 软化性弱，工程地质性质较好 满分：5 分 9. 在原地应力的水平和垂直应力中一般来讲比较大的是（）。 A. 垂直应力分量 B. 最大水平主应力分量 C. 最小水平主应力分量 满分：5 分 10. 在应力应变全过程变化曲线的四个阶段中，应变硬化现象发生在哪一阶段（）。 A. 微裂隙的压密阶段 B. 线弹性变化阶段 C. 塑性变化阶段 满分：5 分 二、判断题（共 10 道试题，共 50 分。） V 1. 岩石中的孔隙和裂隙越多，岩石的力学性质越好。 A. 错误

岩石力学研究最新进展报告

. 岩石力学研究新进展报告 ： XXX 学号：XXXXXXXX 专业：岩土工程

岩石力学研究新进展报告 1 引言 时光如白驹过隙，一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习，使我在岩石力学方面有了很大的启发，特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。 岩石力学可以作为固体力学的一个新分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门涵深，工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题，输入给模型的基本参数很难确定，而且没有多少对过程（特别是非线性工程）的演化提供信息的测试手段。另一方面，对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场（应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相（固、液、气）影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，其大多数是高度非线性的。目前，岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的，可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此，近年来，多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起，为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法，更能激发研究者的创新精神，这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。 本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细

《岩石力学》考研计算题

某均质岩体的纵波波速是，横波波速是，岩石容重，求岩体的动弹性模量，动泊松比和动剪切模量。 解：弹性理论证明，在无限介质中作三维传播时，其弹性参数间的关系式如下： 动泊松比 动弹性模量 动剪切模量G，按公式 计算题（普氏理论，次生应力） 1抗拉强度的公式是什么巴西法p41. St=2P/πD·t=D·t P-劈裂载荷 D、t-试件直径、厚度 2将岩石试件单轴压缩压应力达到120MPa时，即破坏，破坏面与最大主应力方向夹角60 度，根据摩尔库伦准则计算1岩石内摩擦角2正应力为零时的抗剪强度（就是求C） α=45°+ψ；τ=C+fσ=C+σtanψ增加公式Sc=2Ccosψ/（1 - sinψ） 3计算原岩自重应力的海姆假说和金尼克假说的内容和各自的公式p85 海姆假说：铅垂应力为上覆掩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅垂应力相均衡。 公式：σ1=σ2=σ3=ρgz=γz 金尼克假说：铅垂应力仍是自重应力σz=γz，而水平方向上，均质岩体相邻微元体相互受到弹性约束，且机会均等，故由虎克定律应有εx=[σx-ν(σy+σz)]/E=0 εy=[σy-ν(σx+σz)]/E=0，得到自重力的水平分量为σx=σy=νγz/（1-ν） 例题求在自重作用下地壳中的应力状态：如果花岗岩，泊松比，则一公里深度以下的应力是多少

解：因为地壳厚度比地球半径小的多。在局部地区可以把地表看作一个半平面，在水平方向为，深度也无限。现考 虑地面下深度Z 处的一个微小单元体。它受到在它上边岩、土体重量的压力。在单位面积上，这个重量是 ， 其中， 是它上面物体的体积，是物理单位体积的重量，因此： 如果单元体四周是空的，它将向四周膨胀，当由于单元体四周也都在自重作用下，相互作用的影响使单元体不能向四周扩张。即 ； 解之，则得： 对于花岗岩，，一公里深度以下的应力为： 由此可见，深度每增加一公里，垂直压力增加 ，而横向压力约为纵向压力的三分之一。 绪论典型题解 岩石和岩体的概念有何不同 答：所谓岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体是在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。 在力学性质上，岩体具有什么特征 答：岩体具有不连续性、各向异性、不均匀性、岩石块单元体的可移动性、赋存地质因子这五条特征。 ------------------------------------------------------------------- 岩石和岩体的基本物理力学性质典型题解 某岩石试件，测得容重3 /9.1cm kg =γ，比重△＝，含水量%29=d ω，试求该岩样的孔隙比v ε，孔隙度n ，饱和度 r S 和干容重d γ。 解：孔隙比：83.019 .1) 29.01(69.21) 1(=-+= -+?= γ ωεd v 孔隙度：%3.45%10083 .0183 .0%1001=?+=?+= v v n εε 饱和度：%9483 .0% 2969.2=?= =ε ω G S r 干容重：)/(47.183 .0169 .213cm g d =+=+?= εγ

高等岩石力学读书报告

高等岩石力学 读书报告 学院：国土资源工程学院 专业：地质工程 姓名：曾敏 学号：2006201071 高等岩石力学读书报告 岩石力学是研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，它是力学的一个分支。研究的目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是近代发展起来的一门新兴学科，是一门应用性的基础学科。对于岩石力学的定义有很多种说法，这里推荐一种较广义、较严格的定义：“岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论科学，同时也是应用科学；它是力学的一个分支，研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应。”这个定义既概括了岩石力学所研究的破碎与稳定两个主要方面的内容，也概括了岩石受到一切力场作用所引起的各种力学效应。岩石力学的理论基础相当广泛，涉及固体力学、流体力学、计算数学、弹塑性理论、工程地质和地球物理学等学科，并与这些学科相互渗透。 岩石力学主要理论基础及与其他学科的结合 岩石力学是一门应用性的基础学科。它的理论基础相当广泛，涉及到很多基础及应用学科。岩石力学的力学分支基础 1、固体力学 固体力学是力学中形成较早、理论性较强、应用较广的一个分支，它主要研究可变形固体在外界因素(如载荷、温度、湿度等)作用下，其内部各个质点所产生的位移、运动、应力、应变以及破坏等的规律。在采矿工程中用到的固体力学主要有：材料力学，结构力学，弹、塑性力学，复合材料力学，断裂力学和损伤力学。如把采场上覆岩层看作是梁或板结构用的就是结构力学理论；采用弹性力学研究巷道周围的应力分布。 2、流体力学 流体力学主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。对于地下采矿工程来说，其研究对象就是地下水与瓦斯等矿井气体。 3、爆炸力学 爆炸力学主要研究爆炸的发生和发展规律，以及爆炸的力学效应的利用和防护。它从力学角度研究爆炸能量突然释放或急剧转化的过程，以及由此产生的强冲击波(又称激波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。同时爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科。地下开采中的巷道掘进，露天开采中的采剥都要进行爆破。 4、计算力学 计算力学是综合力学、计算数学和计算机科学的知识，以计算机为工具研究解决力学问题的理论、方法，以及编制软件的学科。从20世纪50年代以来，它在力学的各分支学科和边缘学科中得到了很大的发展，无论是在科学研究还是工程技术中均得到了广泛应用，现在它已成为力学除理论研究和实验研究之外的第3种手段。常见的计算力学方法并已广泛用到数值模拟计算中的有：材料非线性有限元法、几何非线性有限元法、热传导和热应力有限元法、弹性动力学有限元法、边界元法、离散元法、无网格法、有限差分法、非连续变形分析等。以计算力学为基础的数值模拟方法在采矿工程中的研究应用也正广泛地开展起来。

岩石力学研究的现状和未来

引言 岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且也是力学和地学相结合的一个基础学科。 岩石力学的发生与发展与其它学科一样，是与人类的生产活动紧密相关的。早在远古时代，我们的祖先就在洞穴中繁衍生息，并利用岩石做工具和武器，出现过“石器时代”。公元前2700年左右，古代埃及的劳动人民修建了金字塔。公元前6世纪，巴比伦人在山区修建了“空中花园”。公元前613-591年我国人民在安徽淠河上修建了历史上第一座拦河坝。公元前256-251年，在四川岷江修建了都江堰水利工程。公元前254年左右（秦昭王时代）开始出钻探技术。公元前218年在广西开凿了沟通长江和珠江水系的灵渠，筑有砌石分水堰。公元前221-206年在北部山区修建了万里长城。在20世纪初，我国杰出的工程师詹天佑先生主持建成了北京-张家口铁路上一座长约1公里的八达岭隧道。在修建这些工程的过程中，不可避免地要运用一些岩石力学方面的基本知识。但是，作为一门学科，岩石力学研究是从20世纪50年代前后才开始的。当时世界各国正处于第二次世界大战以后的经济恢复时期，大规模的基本建设，有力地促进了岩石力学的研究与实践。岩石力学逐渐作为一门独立的学科出现在世界上，并日益受到重视。 目前国际上已建和正建的大坝，最大高度超过300m，地下洞室的最大开挖跨度超过50m，矿山开采深度超过4000m，边坡垂直高度达1000m，石油开采深度超过9000m，深部核废料处理需要考虑的时间效应至少为1万年，研究地壳形变涉及的深度达50-60km，温度在1000oC以上，时间效应为几百万年。今后，随着能源、交通、环保、国防等事业的发展，更为复杂、巨大的岩石工程将日益增多。但是，国际上有许多工程由于对岩石力学缺乏足够的研究，而造成工程事故。其中最著名的是法国马尔帕塞（Malpasset）拱坝垮坝及意大利瓦依昂（Vajont）工程的大滑坡。 马尔帕塞薄拱坝，坝高60m，坝基为片麻岩，1959年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。瓦依昂双曲拱坝，坝高261.6米，坝基为断裂十分发育的灰岩。1963年大坝上游左岸山体发生大滑坡，约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢过坝顶，死亡3000余人。近年来，虽然岩石力学得到突飞猛进的发展，但与岩体失稳有关的大坝崩溃，边坡滑动，矿山瓦斯爆炸，围岩地下水灾害等惨剧仍时有发生。诸如此类的工程实例，都充分说明能否安全经济地进行工程建设，在很大程度上取决于人们是否能够运用近代岩石力学的原理

我国岩石力学问题的现状和发展

我国岩石力学问题的现状和发展 本文的立意在于描述中国岩石力学在土木工程、地质工程、采矿工程、水利工程、交通工程等的领域出现的主要问题的同时应用岩体力学的知识探讨和处理这类问题的一些现状和特征。如何使岩石力学与工程充分应用于工程实践中去，发挥出更大的效益是目前我国面临的主要问题。由于岩体力学在处理工程问题的重要地位，使得我国在拓展岩石力学在理论概念和工程技术上变得更加迫切。我们要采取多重综合集成的途径，去发展适应新生产力的岩石力学。 关键词岩石力学问题，智能化，岩石力学的系统与系统动力学的多种集成，多重综合集成, 科技化 岩体力学的时代背景岩体力学是介于地学与力学两门学科之间的边缘学科，虽然说不是一门系统的学科，但其能解决传统的土力学不能解决的岩石问题，因此它在各种工程的领域都有广泛的应用。随着现阶段的矿山开采的智能化和集成化，处理岩体的问题越来越需要应用岩体力学的问题来完成设计和施工。近几十年来，尽管国内的工程规模和复杂程度的不断加大，我国岩石工作者经过不懈努力，已经累积了在复杂地质条件下修建多种岩石工程的丰富经验。使得岩体力学的研究工作有了飞速的发展。这为笔者对本文的编写提供了丰富的资料。但是从总体上看，与国际先进水平相比，尚有一定的差距。尤其在综合运用研究成果，并将成果转化为生产力产生效益这一方面，尚嫌不足。并且不少岩体力学出来的新科研成果，未能充分应用于工程实践中去，发挥出更大的效益。

我国岩体力学的发展历史和现状在新中国成立前，岩体力学研究基本上属于空白的。尽管我们的祖先们曾创造过世界瞩目的工程建设，如长城和岷江都江堰。但是岩体力学作为一门单独的学科进行研究还是相对起步较晚的。在中华人民共和国成立之后，我国充分发挥社会主义制度的优越性，对岩体力学中的一些前沿课题，在全国范围内组织力量进行了一系列的科技攻关。即便是在文化大革命期间，岩体力学业的研究工作遭受到极大的干扰，我国的科技人员仍然发挥自强不息的爱国主义精神，在很多的重点水电工程(如葛洲坝，刘家峡)、矿山(工程如金川镍矿)、铁路工程(如成昆线)，做出了突出的贡献。并且在总结了一系列的成功的经验与失败的教训后,我国的科研工作者解决了像葛洲坝和三峡坝区以及秦山核电站等重大的岩石施工的建设项目。这些成就都使得岩体力学的研究工作取得了重大成果，这些理论成果在国际上也占有重要的地位。 在取得重大的实践成功的基础上，我国在岩体力学的理论的研究进行了系统的的集成。自1978年以来，我国陆续在全国性的学会上成立了专门岩体力学的研究机构。如中国煤炭学会岩石力学专业委员会、中国水利学会岩土力学专业委员会等。并成立了相应的专门期刊。这些的工作和成就，大大提高了我国的岩体力学的水平。 我国岩体力学面临的问题 随着取得成就的同时,面临的问题也逐渐突出而来。 ①岩体力学的理论与技术研究中的有3个核心问题。这三个核心问题是:时间不可逆，多层次了系统与非线性，以及不确定的原始数

岩石力学研究新颖进展报告材料

岩石力学研究新进展报告 ：XXX 学号：XXXXXXXX 专业：岩土工程

岩石力学研究新进展报告 1 引言 时光如白驹过隙，一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习，使我在岩石力学方面有了很大的启发，特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。 岩石力学可以作为固体力学的一个新分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门涵深，工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题，输入给模型的基本参数很难确定，而且没有多少对过程（特别是非线性工程）的演化提供信息的测试手段。另一方面，对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场（应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相（固、液、气）影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，其大多数是高度非线性的。目前，岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的，可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此，近年来，多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起，为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法，更能激发研究者的创新精神，这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。 本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细观力学四部分的研究新进展做简要报告。由于时间和精力有限（最近导师安排的任务非常多，而且要准备英语和政治期末考试），每部分容除第一大段的研究新进展综述外，只对近几年的三篇比较好的文献做分析说明，包括两篇中文学术论文和一篇外文学术论文，这12篇学术论文我都比较仔细的看了。以后若有机会和时间，我会在导师和各位老师同学的不吝赐教下，努力做岩石力学的创新性研究，届时会在文献综述部分查阅和介绍更多最新以及更优秀的文献。 2 分形岩石力学 从古至今，岩石已成为人们熟知的工程材料，它是由矿物晶粒、胶结物质和大量各种不同阶次、不规则分布的裂隙、薄弱夹层等缺陷构成，是一种成分和结构高度复杂的孔隙体。岩石力学经过近50年的发展，人们尝试用各种数学力学方法研究和描述岩石复杂的自然结构性状和物理力学性质，提出了多种岩石力学分析和计算方法，为解决实际工程中的岩石力学问题创造了条件。19世纪70年代Mandelbrot创立分形几何学，提出了一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，从此分形几何学广泛地应用于自然科学研究的各个领域，并且在经济学等社会科学也有很巧妙的应用。19世纪80年代，分形几何学开始应用于岩石力学研究，开始形成分形岩石力学这一门新兴交叉学科。人们逐渐发现岩石力学领域中的分形现象相当普遍，不仅岩石的自然结构性状、缺陷几何形态、分布以及地质结构产状、断层几何形态、分布都观察到分形特征或分形结构，而且岩石体强度、变形、破断力学行为以及能量耗