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1、 岩土钻掘工程学课 时： 60 学时 教 材：岩土钻掘工程学主讲人：主讲人：鄢泰宁（教授）鄢泰宁（教授）勘查与基础工程系2007-9-10国家精品课程第一章 岩土的物理力学 性质及其破碎机理 一、岩石的物理力学性质概述 二、土的物理力学性质特征 三、岩石在外载作用下的的破碎机理 四、岩石的可钻性及可钻性指标及坚 固性系数国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节岩石的物理力学性质概述、岩石的组组成与分类类岩石是矿矿物的集合体。矿矿物是具有一定成分和物理性质质的无 机物质质。根据其成因，岩石可分为三类：1、岩浆岩：岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处 的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝
2、而成。2、沉积岩：沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩 或早先形成的沉积岩)风化剥蚀的产物，经搬运、沉积和硬结 等成岩作用而形成的岩石。3、变质岩：变质岩是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身 在地壳中受到高温、高压及活动性流体的影响而变质形成的岩石。 Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程一般而言：金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩和变质岩中， 煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。 一、岩石按粘结状态的分类 1. 坚固岩石：通常具有高硬度，岩石破碎后其矿物质点之间的分子连接 力都不会恢复。坚固岩石分含石英和不含石英两类，前者硬 度高，难以钻掘。通常在生产中
3、会遇到无裂纹和裂隙性两种 坚固岩石。在完整的坚固岩石中施工时，孔（井）壁稳定不 必加固，而在强裂隙性岩石中穿过的孔（井）壁 必须加固。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2. 粘结性岩石粘结性岩石由粘土矿物或主要由粘土矿物粘结的碎屑岩细 粒组成，特征： 湿润条件下，被破坏之前可以有大的残余变形； 质点间的内聚力，随湿润不同可在很宽的范围内变化 ； 在粘结状态被破坏后，可采取高压和增湿的办法使其 内聚力得以恢复； 某些粘结性岩石（粘土岩、白垩）在湿润状态下具有 膨胀性，易造成孔（井）壁缩径或坍塌。 第一节岩石的物理力学性质概述
4、Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3. 松散性岩石松散性岩石由相互之间无粘结性的不同形状与尺寸的细粒 （砂、砾石、卵石、漂砾等）聚集 而成。在这类岩石中钻掘 的同时必须加固孔（井）壁，以防止坍塌。4. 流动性岩石流动性岩石（流砂层）由含水的砂质粘土类岩石（细砂 、亚砂土）组成。当砂粒之间存在着极细小的粘土颗粒时， 这类岩石具有较强的流动性。如果位于上覆岩层形成的高水 头压力 之下，则流砂会沿着钻孔上涌。因此在这类岩石中施 工必须一边钻掘一边加固孔（井）壁。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家
5、精品课程二、岩石的孔隙比与孔隙度1、岩石的孔隙比kP：岩石中的孔隙体积VP与岩石中固相骨 架的体积Vc 之比 kP=VP/Vc2、岩石的孔隙度P：岩石中的孔隙体积VP与岩石总体积V 的百分比岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。一般沉积岩具有高的孔隙 度，随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节 岩石的物理力学性质 三、岩石的密度与容重 1、岩石的密度s ：岩样的质量m与其总体积V之比。均质物 质的密度为质量与体积之比。 2、岩石的容重s：是岩样重量G与其总体积V之比 Date中国地质大学勘察与基
6、础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程四、岩石的结构和构造u 岩石结构说明岩石的微观组织特征。与矿物颗粒的大小、形 状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。u 岩浆岩主要具有块状结构，其构造特征对钻掘破碎岩石没有 显著影响。u 沉积岩的成因广泛，故其结构也比较复杂。碎屑岩具有碎屑 结构，按碎屑的大小可分为 q 砾状结构（碎屑直径2mm）、 q 粗粒结构（碎屑直径12mm）、 q 中砂结构（碎屑直径0.11m m）、 q 粉砂结构（碎屑直径0.010.1mm）。第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o 碎屑岩的胶结
7、形式也对岩石的力学性质有着显著影响。沉 积岩通常具有层状构造，它是由层理决定的。层理反映岩石 在垂直方向上成分的变 化，即岩石颗粒大小在垂直方向上的 改变，不同成分颗粒的交替，或者某些岩石颗粒的定向 排列 。层理导致岩石的各向异性。 o 变质岩是在高温高压下生成的，一般具有晶体结构、片理 状构造。所谓片理就是岩石沿平行 平面分裂为薄片的能力。 片理也会引起岩石的各向异性。 o 用各向异性系数来表征岩石在不同的方向上力学性质的差 异：Ka=x/x第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程岩石的物理性质是由岩石的组成结构所表现出来的性
8、质。岩石的物理性质有很多，本节主要研究影响岩石破碎 过程的物理性质，如粘结状态、孔隙度、密度、结构和构 造等。岩石的力学性质是在外载作用下才表现出来岩石抵抗 变形和破坏的能力。如强度、硬度、弹性、脆性、塑性和 研磨性等。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程五、岩石的强度 1、岩石的强度的基本概念岩石在载载荷作用下抵抗破坏的能力。破坏前所能承受的最大 载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为极限强度2、岩石的强度的类类型（1）根据受力条件，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉 强度、抗剪强度等；（2）根据应应力状态态，岩石强度
9、可分为单向、两向、三向应 力状态下的强度；（3）根据加载速度，有静载强度和动载强度。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程影响岩石强度的因素（1）一般情况下，造岩矿矿物强度越高，岩石的强度也越高 。沉积积岩的强度取决于胶结结物所占的比例及其矿矿物成分。细细粒岩石的强度大于同一矿矿物组组成的粗粒岩石。（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度则则降低。因此，一般岩石的强度随埋深的增大而增大。（3）岩石的强度具有明显显的各向异性。垂直于层层理方向 的抗压压强度最大，平行于层层理的抗压压强度最小，在与层层理斜交方向上的抗压压强度介于两者
10、之间间。第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程（4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。岩石的抗压强度最大，抗剪强度约为抗压强度的10%。因此，钻掘过程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。（5）多向应应力状态态下的岩石强度比简单应简单应 力状态态下的强度高 出许许多倍。（6）加载速度的影响： 加载速度增加，岩石的强度提高； 加载速度对塑性岩石强度的影响大，对脆性岩石强度的影 响小。第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程六、岩石的硬度 1、岩石的硬度的基本
11、概念：岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压压入（侵入）其表面的能力。2、硬度与抗压压强度的区别别与联联系（1）岩石的硬度与抗压压强度一般存在正比例关系；（2）抗压压强度是固体抵抗整体破坏时时的阻力，而硬度则则是固体表面对对另一物体局部压压入或侵入时时的阻力。（3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3、影响岩石硬度的因素（1）岩石中坚坚硬矿矿物愈多、胶结结物的硬度越大、岩石的颗颗 粒越细细、结结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、裂隙发发育的岩石硬度将会降低。（2）岩石的硬度具有
12、明显显的各向异性。层层理对对岩石硬度的 影响与对对岩石强度的影响相反。垂直于层层理方向，硬度值值最小；平行于层层理方向，硬度最大；两者之间间可相差1.051.8倍。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程（3）在各向均匀压缩压缩 的条件下，岩石的硬度增加。在常压压下硬度越低的岩石，随着围压围压 增大，其硬度值值增长长越快。（4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国
13、地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程4、岩石硬度的测定 （1）静压压入法：以15mm2的压压头压头压 入岩样样表面，岩石破碎时时的载载荷Pmax 除以接触面积积S，则为岩石的硬度值值Hy（通常称为压为压 入硬度）。( Pa ) （2）冲击击回弹弹法：利用重物落在岩石表面后回弹高度或回弹角度或回弹次数来确定岩石的硬度。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程七、岩石的变变形特征及其分类类 按岩石在压头压入时的变形曲线和破碎特性可分成三类： o 弹-脆性岩石 （花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时仅产
14、生弹性变形，至A点最大载荷为P max 处便突然脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h。这时 破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即 h/5。 2. 弹-塑性岩石 （大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑性变形。至B点 载荷达P max 时突然发生脆性破碎。这时破碎穴面积也大于 压头的端面面积，而h/ 2.55，即小于第一类岩石。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3. 高塑性和高孔隙性岩石 （粘土、孔隙石灰岩、盐岩）区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆 锥形破碎穴，不会在压入作用下产生脆性
15、破碎 h/=1。计算 这类岩石的硬度时只能用P0代替公式中的P max。 第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程八、岩石的弹弹性和塑性（1）衡量岩石弹弹性的指标标主要是弹弹性模数E和泊松比。弹弹性模数：弹性范围内应力与应变的比值，(Pa)或 (MPa)。泊松比：弹性变形阶段横向应变与纵向应变的比值，无量纲 值。（2）在钻钻探过过程中衡量岩石塑性程度的塑性系数K：塑性系数：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形的能量之比 。第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程岩石按塑
16、性系数的分级第一节岩石的物理力学性质概述岩石类别弹-脆性弹-塑性高塑性 低塑性高塑性 级别123456塑性系数1122334456一般岩浆岩和变质岩的弹性模量大于沉积岩，而塑性系数则 相反。 Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程影响岩石弹性和塑性的主要因素：（1）岩浆岩和变质岩：造岩矿物的弹性模量，岩石的弹性 模量。沉积岩：弹性取决于岩石的碎屑和胶结物及胶结状况。 弹性模量次序：硅质胶结最大，钙质胶结次之，泥质胶结最 小。（2）造岩矿物的颗粒越细，岩石越致密，岩石的弹性模量越 大。岩石的弹性模量也具有各向异性。岩石的弹性模量第一节岩石的物理力学性质概述Date中国地质大学勘察与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程（3）单向压缩时表现为弹-脆性，各向压缩时表现出不同程 度的塑性，意味着在各向压缩下需要更
