岩土的物理力学性质及其破碎机理

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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：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第一节岩石的物理力学性质概述○、岩石的组成与分类岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定成分和物理性质的无机物质。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而

2、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。9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系一般而言：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

3、不含石英两类，前者硬度高，难以钻掘。通常在生产中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9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系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：①湿润条件下，被破坏之前可以有大的残余变形；②质点间的内聚力，随湿润不同可在很宽的范围内变化；③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；④某些粘结性岩

4、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9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系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。

5、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9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系二、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9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系第二节岩石的物理力学性质三、岩石的密度

6、与容重1、岩石的密度ρs：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γs：是岩样重量G与其总体积V之比9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系四、岩石的结构和构造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。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。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砾状结构（碎屑直径＞2mm）、粗粒结构（碎屑直径1~2mm）、

7、中砂结构（碎屑直径0.1~1mm）、粉砂结构（碎屑直径0.01~0.1mm）。。第一节岩石的物理力学性质概述9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系碎屑岩的胶结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。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

8、岩石的各向异性。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9/17/2021中国地质大学勘察与基础工程系岩石的物理性质是由岩石的组成结构所表现出来的性质。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9/17/2021中国地质大学勘察与