岩石的力学性质及其影响因素

影响岩石工程地质性质的因素

矿物成分、结构、构造、水、风化作用

1．矿物成分

岩石是由矿物组成的,岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接的影响;

例如,石英岩的抗压强度比大理岩的要高得多,这是因为石英的强度比方解石的强度高的缘故,由此可见,尽管岩类相同,结构和构造也相同,如果矿物成分不同,岩石的物理力学性质会有明显的差别;

对岩石的工程地质性质进行分析和评价时,更应该注意那些可能降低岩石强度的因素;

例如,花岗岩中的黑云母含量过高,石灰岩、砂岩中粘土类矿物的含量过高会直接降低岩石的强度和稳定性;

2．结构

结晶联结是由岩浆或溶液结晶或重结晶形成的;矿物的结晶颗粒靠直接接触产生的力牢固地联结在一起,结合力强,空隙度小,比胶结联结的岩石具有更高的强度和稳定性;

联结是矿物碎屑由胶结物联结在一起的,胶结联结的岩石,其强度和稳定性主要取决于胶结物的成分和胶结的形式,同时也受碎屑成分的影响,变化很大;

例如：粗粒花岗岩的抗压强度一般在120～140Mpa之间,而细粒花岗岩则可达200～250Mpa;

大理岩的抗压强度一般在100～120MPa之间,而坚固的石灰岩则可达250MPa ;

3．构造

构造对岩石物理力学性质的影响,主要是由矿物成分在岩石中分布的不均匀性和岩石结构的不连续性所决定的;

某些岩石具有的片状构造、板状构造、千枚状构造、片麻状构造以及流纹构造等,岩石的这些构造,使矿物成分在岩石中的分布极不均匀;一些强度低、易风化的矿物,多沿一定方向富集,或成条带状分布,或形成局部聚集体,从而使岩石的物理力学性质在局部发生很大变化;

4．水

实验证明,岩石饱水后强度降低;当岩石受到水的作用时,水就沿着岩石中可见和不可见的孔隙、裂隙侵入,浸湿岩石自由表面上的矿物颗粒,并继续沿着矿物颗粒间的接触面向深部侵入,削弱矿物颗粒间的联结,使岩石的强度受到影响;

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。

一、名词解释：1、岩石力学：研究岩石的力学性状和岩石对各种物理环境的力场产生效应的一门理论科学，是力学的一个分支，同时它也是一门应用科学。

2、岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成的多种矿物颗粒集合体，是组成地壳的基本物质。

3、岩体：是地质体，它的形成于漫长的地质年代有关，它是一定工程范围内的自然地质体，经过各种地质运动，内部含有构造和裂隙。

4、结构面：①指在地质历史发展过程中岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。

5、岩石结构：结构面和结构体在岩体内的排列组合形式，称为岩体结构。

6、软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值

7、弹性模量：弹性范围内轴向应力与轴向应变之比。

8、变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比。

9、泊松比：岩石在单向受压条件下，横向应变与纵向应变之比

10、抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。

11、抗拉强度：是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值。

12、抗剪强度：是指岩石抵抗剪切破坏的能力

13、流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。

14、蠕变：在大小和方向都保持不变的外力作用下，变形随时间不断增长的现象。

15、准岩体强度：考虑裂隙发育程度，经过修正后的岩石强度称为准岩体强度。

16、完整性系数：是岩体中纵波速度和同种岩体的完整岩石中纵波速度之平方比。

17、普氏系数：岩石单轴抗压强度的十分之一。

18、RQD：指大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。

19、原岩应力：岩石是地球表层的物质，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应在，这种应力称为地应力或原岩应力。

１７４　西部探矿工程　２０１２年第ｌ１期　

深层岩石力学性质的影响因素分析　

张永清　，张　阳　，赵小龙　，李　洪　，陈春宇　

（１．西南石油大学，四川成都６１０５００；２．青海油田炼油厂，青海格尔木８１６０００）　

摘要：随着油气需求量的增大，我国的油气勘探开发不断向深部地层发展，而深层岩石处于高围压、　

高孔隙压力、高温度的环境中，其力学性质、破坏特征和浅层岩石有所不同。从围压、温度、中间应力　

三个方面入手，分析了其对深层岩石力学性质的影响，给出了深层岩石在高应力的岩石力学参数表达　

式，并分析了深层岩石的破坏特征。　

关键词：深层岩石；力学性质；中间应力；破坏特征　

中图分类号：ＴＥｌ２文献标识码：Ａ文章编号：１００４－－５７１６（２０１２）１ｌ一０１７４一Ｏ３　

石油和天然气作为战略资源对国家经济安全及　

国民经济的可持续发展有着重大的影响，目前我国　

油气的对外依存度越来越大，迫切需要在勘探开发　

上取得重大突破，于是勘探开发的目标由浅层逐渐　

走向深层。　

西北部盆地是我国油气资源的主要接替区，其资源　

量的７３　埋藏在深层［　；四川盆地及松辽盆地的钻井　

也多向深层发展＿２］。石油工程的工作对象是岩石＿３］，只　

有较好地掌握岩石的力学性质及规律，才能安全、高效　

地进行勘探和开发，而深层岩石的变形和强度都有别于　

水利水电工程、地下巷道工程等浅部地层的岩石＿４］，因　

此，有必要对深层岩石力学性质的影响因素进行研究和　

总结，以更好地为油气勘探开发服务。　

１　围压对深层岩石力学性质的影响　

１．１　围压对深层岩石强度特性的影响　

深层岩石虽然处于围压、高温度和高孑Ｌ隙压力的环　

境中，但高地应力对岩石的特性影响较大，在高地应力　

条件下岩石的力学性质也十分特殊。其强度特征、变形　

特征等都和浅层岩石有较大的不同。　

对于深层大理岩而言，其抗压强度随围压的增加而　

增加，两者有较好的乘幂关系；弹性模量基本不随围压　

的变化而变化［５－６］，而变形模量随围压的增大则有先增