2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——巖石力學(xué)物理模擬與工程設(shè)計(jì)應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)的概念，并說(shuō)明它們?cè)趲r石力學(xué)分析中的意義。二、解釋相似律的基本原理。在進(jìn)行巖石力學(xué)物理模擬時(shí)，需要滿(mǎn)足哪些主要的相似條件？請(qǐng)列舉并簡(jiǎn)述其中兩個(gè)關(guān)鍵相似條件。三、簡(jiǎn)述莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則的基本思想，并說(shuō)明該準(zhǔn)則適用于哪種類(lèi)型的巖石破壞。四、某油氣田在鉆井過(guò)程中遇到了井壁垮塌問(wèn)題。請(qǐng)簡(jiǎn)述巖石力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度）如何幫助工程師理解該問(wèn)題，并提出可能的解決方案或改進(jìn)措施。五、物理模擬實(shí)驗(yàn)在巖石力學(xué)研究中具有重要作用。請(qǐng)比較物理模擬與數(shù)值模擬在研究目的、方法、優(yōu)缺點(diǎn)方面的主要區(qū)別。六、在利用地球物理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)估算地應(yīng)力時(shí)，通常需要結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)。請(qǐng)簡(jiǎn)述這一過(guò)程的基本原理，并說(shuō)明其中可能涉及的主要巖石力學(xué)性質(zhì)。七、對(duì)于一項(xiàng)儲(chǔ)層壓裂改造工程，巖石力學(xué)的哪些方面需要被考慮？請(qǐng)簡(jiǎn)述在進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，如何應(yīng)用巖石力學(xué)原理來(lái)預(yù)測(cè)和優(yōu)化壓裂效果。八、簡(jiǎn)述有限元法（FEM）在巖石力學(xué)數(shù)值模擬中的應(yīng)用基本思想。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，如何驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性？九、結(jié)合地球物理學(xué)背景，舉例說(shuō)明巖石力學(xué)物理模擬或數(shù)值模擬在評(píng)估大型地下工程（如隧道、水電站大壩）穩(wěn)定性中的應(yīng)用。十、設(shè)想一個(gè)地球物理勘探場(chǎng)景，例如利用地震資料推斷區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。請(qǐng)簡(jiǎn)述巖石力學(xué)知識(shí)在這一推斷過(guò)程中的作用，以及可能需要考慮的關(guān)鍵巖石力學(xué)參數(shù)。試卷答案一、應(yīng)力狀態(tài)描述了作用在巖石內(nèi)部某一點(diǎn)的各個(gè)方向的應(yīng)力分量（如σx,σy,σz及剪應(yīng)力分量）。它決定了巖石的變形和破壞狀態(tài)。應(yīng)變狀態(tài)描述了巖石因應(yīng)力作用而產(chǎn)生的相對(duì)變形（如εx,εy,εz及剪應(yīng)變分量）。應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)是分析巖石力學(xué)行為的基礎(chǔ)，是建立本構(gòu)關(guān)系、進(jìn)行強(qiáng)度分析和預(yù)測(cè)變形的關(guān)鍵輸入。二、相似律是確保物理模擬結(jié)果能夠外推到原型的一種理論依據(jù)，它要求模型與原型在對(duì)應(yīng)物理量上的比值（相似常數(shù)）保持一致。主要相似條件包括：幾何相似（模型與原型的幾何尺寸按同一比例縮放）、運(yùn)動(dòng)相似（模型與原型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持相似）、動(dòng)力相似（模型與原型的受力情況保持相似，應(yīng)力比相等）、熱相似（如果涉及溫度變化，模型與原型的溫度場(chǎng)變化規(guī)律相似）、時(shí)間相似（模型與原型的時(shí)間過(guò)程按比例縮放）等。其中兩個(gè)關(guān)鍵相似條件：幾何相似是基礎(chǔ)，確保了模型與原型的形態(tài)對(duì)應(yīng)；動(dòng)力相似是核心，保證了模型與原型的力學(xué)行為相似，通常通過(guò)滿(mǎn)足牛頓相似準(zhǔn)則（FρL2=常數(shù)）或富卡爾當(dāng)準(zhǔn)則（Fr=常數(shù)）等實(shí)現(xiàn)。三、莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則是一種基于工程經(jīng)驗(yàn)提出的判別巖石破壞的強(qiáng)度理論。它認(rèn)為當(dāng)巖石內(nèi)部某點(diǎn)的最大剪應(yīng)力達(dá)到某一極限值時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，該極限值與該點(diǎn)的最大主應(yīng)力之間存在線性關(guān)系（τ=σ-σf，其中τ為抗剪強(qiáng)度，σ為最大主應(yīng)力，σf為單軸抗壓強(qiáng)度的一半）。該準(zhǔn)則主要適用于表現(xiàn)明顯脆性行為的巖石，尤其是在低圍壓下的剪切破壞。四、巖石力學(xué)參數(shù)幫助工程師量化巖石的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性。例如，低彈性模量和低泊松比可能意味著巖石較軟、易變形，抗壓縮強(qiáng)度低則表明巖石抵抗破碎的能力弱，這些都是井壁垮塌的直接原因。工程師可以根據(jù)這些參數(shù)評(píng)估井壁的穩(wěn)定性，選擇合適的鉆井液密度進(jìn)行泥漿護(hù)壁，優(yōu)化鉆頭尺寸和鉆速，設(shè)計(jì)更有效的套管程序和固井方案，或采用強(qiáng)化地層、注漿等措施來(lái)提高井壁承壓能力。五、研究目的：物理模擬側(cè)重于直觀展示巖石在特定邊界條件下的力學(xué)行為和破壞過(guò)程，驗(yàn)證理論假設(shè)；數(shù)值模擬側(cè)重于定量預(yù)測(cè)復(fù)雜幾何形狀、邊界條件和載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)分布及長(zhǎng)期演化。方法：物理模擬通過(guò)制作縮比模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；數(shù)值模擬通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和求解偏微分方程實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：物理模擬直觀、直觀性強(qiáng)、結(jié)果易于理解；數(shù)值模擬靈活、可處理復(fù)雜問(wèn)題、可進(jìn)行參數(shù)敏感性分析和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。缺點(diǎn)：物理模擬成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、模型與原型存在相似性偏差、實(shí)驗(yàn)條件難以完全復(fù)現(xiàn)原型；數(shù)值模擬結(jié)果依賴(lài)于模型假設(shè)和參數(shù)精度、計(jì)算量大、需要專(zhuān)業(yè)軟件和知識(shí)。六、利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)估算地應(yīng)力通常需要結(jié)合巖石的力學(xué)性質(zhì)，特別是巖石的彈性模量（E）、泊松比（ν）和脆性指數(shù)（BI）?；驹硎牵菏紫韧ㄟ^(guò)測(cè)井資料（如聲波時(shí)差、密度、中子、電阻率等）計(jì)算或估算巖石的力學(xué)參數(shù)；然后結(jié)合巖石的孔隙壓力數(shù)據(jù)，利用巖石力學(xué)公式（如基于三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式）建立地應(yīng)力（特別是最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3）與巖石力學(xué)參數(shù)、孔隙壓力（σp）之間的關(guān)系，例如σ1≈σmin+σE*(BI/(1-2ν))和σ3≈σp+σE*((1-2ν)/(1-ν))（公式可能簡(jiǎn)化或有不同形式）；最終估算出地應(yīng)力的大小和方向。其中涉及的主要巖石力學(xué)性質(zhì)是彈性模量、泊松比和脆性指數(shù)。七、巖石力學(xué)在儲(chǔ)層壓裂改造工程中需考慮：巖石的力學(xué)強(qiáng)度（抗壓、抗拉強(qiáng)度）、變形特性（彈性模量、泊松比）、脆性指數(shù)、孔隙度、滲透率以及地應(yīng)力狀態(tài)。進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用巖石力學(xué)原理來(lái)預(yù)測(cè)水力裂縫的擴(kuò)展方向和形態(tài)（受地應(yīng)力影響）、計(jì)算裂縫的延伸長(zhǎng)度和復(fù)雜度、評(píng)估巖石破裂壓力、優(yōu)化壓裂液類(lèi)型和用量以避免提前破裂或傷害儲(chǔ)層、設(shè)計(jì)合適的支撐劑濃度和用量以形成高導(dǎo)流能力的人工裂縫，并預(yù)測(cè)壓裂后儲(chǔ)層的滲透率改善程度和增產(chǎn)效果。八、有限元法（FEM）在巖石力學(xué)數(shù)值模擬中的應(yīng)用基本思想是將連續(xù)的巖石介質(zhì)離散為由大量小單元（節(jié)點(diǎn)和單元）組成的計(jì)算網(wǎng)格，基于物理定律（如平衡方程、幾何方程、本構(gòu)關(guān)系）在每個(gè)單元內(nèi)建立近似方程，然后通過(guò)單元方程的組裝形成全局方程組，最后求解該方程組得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變等場(chǎng)量。驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性通常通過(guò)：對(duì)比模擬結(jié)果與理論解（如果存在）；與物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；檢查結(jié)果的物理合理性（如應(yīng)力集中部位、變形模式）；進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，考察結(jié)果對(duì)關(guān)鍵參數(shù)變化的響應(yīng)；與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（如地應(yīng)力測(cè)量、鉆孔變形觀測(cè)）進(jìn)行對(duì)比。九、巖石力學(xué)物理模擬或數(shù)值模擬在評(píng)估大型地下工程穩(wěn)定性中的應(yīng)用實(shí)例包括：利用物理模擬模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖應(yīng)力重分布、位移發(fā)展、塑性區(qū)擴(kuò)展和潛在失穩(wěn)面形成，以評(píng)估隧道圍巖的穩(wěn)定性并優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)；利用數(shù)值模擬分析大型水電站大壩在自重、水壓力、地震荷載等作用下的應(yīng)力、變形和滲流場(chǎng)，評(píng)估大壩及壩基的穩(wěn)定性，優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)和防滲措施；利用數(shù)值模擬模擬基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境（如建筑物、地下管線）的影響，預(yù)測(cè)地表沉降和位移，評(píng)估環(huán)境影響并設(shè)計(jì)相應(yīng)的地基加固和變形控制方案。十、在利用地震資料推斷區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，巖石力學(xué)知識(shí)的作用體現(xiàn)在：首先，需要理解地震波（P波、S波）在不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石中的傳播速度（如縱波速度Vp、橫波速度Vs）會(huì)發(fā)生變化，特別是S波速度對(duì)巖石的脆性（受應(yīng)力狀態(tài)影響）敏感；其次，需要利用地震資料反演獲得地下的介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)，結(jié)合巖石力學(xué)知識(shí)，將速度信息轉(zhuǎn)化為巖石的力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、密度），并認(rèn)識(shí)到這些參數(shù)本身就蘊(yùn)含了巖石受力狀態(tài)的信息；最后，需要結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造背景和巖石力學(xué)理論（如最大主應(yīng)力通常垂