3岩石力学性质及强度解析

第二章岩石的基本物理力学性质第一节概述第二节岩石的基本物理性质一岩石的密度指标1 岩石的密度:岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。

（1）天然密度：是指岩石在自然条件下，单位体积的质量，即（2）饱和密度：是指岩石中的孔隙全部被水充填时单位体积的质量，即（3）干密度：是指岩石孔隙中液体全部被蒸发，试件中只有固体和气体的状态下，单位体积的质量，即（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。

2 岩石的颗粒密度：是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。

公式二岩石的孔隙性1 岩石的孔隙比：是指岩石的孔隙体积与固体体积之比，公式2 岩石的孔隙率：是指岩石的孔隙体积与试件总体积的比值，以百分率表示，公式孔隙比和孔隙率的关系式：三岩体的水理性质1 岩石的含水性质（1）岩石的含水率：是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数，即（2）岩石的吸水率：是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。

2 岩石的渗透性：是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。

它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。

四岩体的抗风化指标1 软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。

它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数：2 岩石耐崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。

岩石耐崩解性指数：是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。

它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。

3 岩石的膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。

（1）岩石的自由膨胀率：是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。

（2）岩石的侧向约束膨胀率：是将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得膨胀率。

（3）膨胀压力:岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。

五岩体的其他特性1 岩石的抗冻性:岩石抵抗冻融破坏的性能。

岩浆岩的工程性质评述岩浆岩的工程地质性质主要与岩浆凝固时的环境条件有关，不同成因条件，其矿物成分、结构、构造和产状差别很大，岩石颗粒间的连接力也有很大差异。

(1)侵入岩：是岩浆在地下缓慢冷凝结晶生成的，矿物结晶良好，颗粒之间连接牢固，多呈块状构造。

因此，侵入岩孔隙率低、抗水性强、力学强度及弹性模量高，具有较好的工程性质。

常见的侵入岩有花岗岩、闪长岩及辉长岩等。

从矿物上看，石英、长石、角闪石及辉石的含量越多，岩石强度越高，云母含量增加使岩石强度降低。

从结构上看，晶粒均匀细小的岩石强度高，粗粒结构及斑状结构岩石强度相对较低。

(2)喷出岩：是岩浆喷出地表后迅速冷凝生成的，由于地表条件复杂，使喷出岩具有很不相同的地质特征。

具有隐晶质结构、致密块状构造的粗面岩、安山岩、玄武岩等，工程性质良好，其强度甚至可大于花岗岩。

但当这类岩石具有明显的流纹、气孔构造或含有原生节理时，工程性质变差，孔隙度增加，抗水性降低，力学强度及弹性模量减小。

在具体评述岩浆岩的工程性质时，还必须充分考虑它的节理发育程度及风化程度。

沉积岩的工程性质评述沉积岩具有层理构造，层状及层理对沉积岩工程性质的影响主要表现为各向异性。

因此，沉积岩的产状及其与工程建筑物位置的相互关系对建筑物的稳定性影响很大。

同时由于组成岩石的物质成分不同，也具有不同的工程地质特征。

(1)碎屑岩：是碎屑颗粒被胶结构胶结在一起而形成的岩石。

它的工程性质主要取决于胶结物成分、胶结方式。

从胶结物成分看，按硅质、钙质、铁质、粘土质的顺序，强度依次降低。

从胶结方式看，基底式胶结的岩石胶结紧密，强度较高，受胶结物成分控制；孔隙式胶结岩石的工程性质与碎屑颗粒成分、形状及胶结物成分有关，变化很大；接触式胶结岩石的孔隙度大，透水性强，强度低。

(2)粘土岩：是工程性质最差的岩石之一。

粘土岩强度低、抗水性差、亲水性强。

当粘土岩有较多节理、裂隙时，一旦遇水浸泡，工程性质迅速恶化，常产生膨胀、软化或崩解。

岩石的力学特性及强度准则岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。

由于在石油工程中，并壁稳定、出砂分析、水力压裂、储层物性变化等都与岩石力学性质亲密相关，因此有必要讨论岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。

影响岩石力学性质的因素许多，例如岩石的类型、组构、围压、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等。

要讨论这些简单因素对岩石力学性质的影响，只能在试验艾博希室内严格掌握某些因素的状况下进行。

岩石的变形特性，最直观的表达方法是通过应力一应变关系曲线及应变随时间变化的曲线来表示。

通常首先讨论在常温、常压（即室温与通常大气压）条件下岩石的力学性质，然后再考虑其他影响因素下岩石的力学性质。

这样才能渐渐弄清在地质条件下，综合因素对岩石力学性质的影响。

岩石在常温、常压下一般产生脆性破坏，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性。

，岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的转变造成的。

所谓脆性与延性至今尚无非常明确的定义。

一'般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形较小。

延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或直接进展为延性流淌。

所谓延性流淌IC现货商是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质* 对于岩石而言，破坏前的应变或永久应变在3%以下可作为脆性破坏，5%以上作为延性破坏，3% 一5%为过渡状况。

由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态，所以对岩石力学性态的测定不能靠简单的单轴压缩试验方法，而必需在肯定的围压作用厂（必要时还要考虑温度的作用）进行试验测定。

真三轴试验（岩石上三个主方向的作用力均不等）非常简单，一般均不采纳。

普退采纳的是常规三轴压缩试验方法，一般用圆柱形岩样，在其横向施加液体围压，即在水平的两个主方向上的应力相等且等于围压久，如图1—1所示。

假如上下垫块是带孔可渗透的，亦可通入孔隙流体压力以讨论孔隙压力的影响。

在试验过程中把岩样放在高压室中先对岩样四周用围压油加压至所需的值9c（需要时亦可加孔隙压至所需的夕。

岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。

岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。

岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。

随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。

岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。

-1・5岩石变形性质的几个基本概念・1）弹性（elasticity）：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称为弹性。

・弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：・线弹性体：应力－应变呈直线关系。

・非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。

・2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。

・不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。

・在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。

・理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.・3）黏性（viscosity）:物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。

・应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关・其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），・4）脆性（brittle）:物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

・5）延性（ductile）:物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。

・1・7岩石变形指标及其确定・岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。

3）全应力－应变曲线的工程意义・①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。

・②预测岩爆。

・若A>B,会产生岩爆・若B>A，不会产生岩爆③预测蠕变破坏。

・当应力水平在H 点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。

第一讲 岩石的基本物理力学性质及其试验想法(之一) 一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验想法，岩石的强度特性。

二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验想法作普通了解。

一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周 围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。

所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。

由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。

岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。

通常以为岩体是由岩石和结构面组成。

所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不延续面，它包括一切地质分离面。

这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。

从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对照较薄弱的环节。

所以，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。

【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。

A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩 答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。

A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。

A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小 答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验想法 (一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。

1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度 是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。

岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。

其试验想法见相关的国家标准。

岩石颗粒密度可按下式计算2 岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。