岩石及其工程力学性质清楚明了

1岩石及其工程力学性质1.1岩石的组成与分类1.2岩石的结构与构造1.3岩石的工程力学性质21.1岩石的组成与分类一、岩石的物质成分

岩石一种或多种造岩矿物颗粒的集合体。颗粒之间或者由直接接触面上的联系力联结，或者由外来的胶结物胶结。

由单一矿物组成的岩石称为单矿物岩石，如石灰岩、白云岩、硬石膏等；由数种矿物组成的岩石称为多矿物岩石。1.岩石

31.1岩石的组成与分类一、岩石的物质成分2.造岩矿物

矿物:地壳中的化学元素（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁）在各种地质作用下形成的自然产物（单体和化合物）。具有固定的化学成分和确定的物理性质，多为晶体结构。造岩矿物：构成岩石主要成分的矿物，称为造岩矿物。目前人类已发现的矿物有3000多种，但造岩矿物种类却少，仅有20~30种，常见的造岩矿物只有10余种。

莫氏硬度标：滑石(1)、石膏(2)、方解石(3)、萤石(4)、磷灰石(5)、长石(6)、石英(7)、黄玉(8)、刚玉(9)、金刚石(10)还可用指甲(2~2.5)、铜钥匙(3)、小钢刀(5.5)、玻璃(6)等常见物刻划矿物的大致硬度等级。4分

类

名称化学成分密度莫氏硬度硅酸盐类

正长石KAlSi3O82.576斜长石NaAlSi3O82.626石英SiO22.657白云母KAl3SiO10(OH)22.7~3.12~2.5黑云母K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)22.8~3.22.5~3角闪石Ca2(Mg,Fe,Al)5(AlSi)8O22(OH)23.25~6辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Al,Si)2O63.2~3.45~6橄榄石(Mg,Fe)2SiO43.2~4.16.5碳酸盐类

方解石CaCO32.723.0白云石CaMg(CO3)22.853.5~4硫酸盐类

石膏CaSO4·2H2O2.322硬石膏CaSO42.93~3.5氧化物

赤铁矿Fe2O35.186粘土类高岭土Al4(Si4O10)(OH)82.652~2.5其它岩盐NaCl2.162.5主要造岩矿物一览表1.1岩石的组成与分类5正长石斜长石白云母黑云母角闪母方解石白云石硬石膏赤铁矿橄榄石辉石主要造岩矿物标本1.1岩石的组成与分类61.火成岩（岩浆岩）

由岩浆（硅酸盐熔体）冷凝而成的岩石。其主要矿物成分是长石、其次是石英、辉石、橄榄石和云母。

二、岩石分类岩石按成因可分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。按岩浆活动方式分侵入岩喷出岩（火山岩）:玄武岩、安山岩、凝灰岩深成岩：花岗岩浅成岩：橄榄岩、辉长岩、花岗班岩根据SiO2含量分超基性岩，SiO2含量<45%，橄榄岩基性岩，SiO2含量45~52%，玄武岩、辉绿岩中性岩，SiO2含量52~65%，安山岩、闪长岩酸性岩，SiO2含量>65%，花岗斑岩，花岗岩1.1岩石的组成与分类7二、岩石分类1.火成岩

安山岩花岗岩橄榄岩玄武岩正长岩凝灰岩1.1岩石的组成与分类8二、岩石分类2.变质岩

火成岩、沉积岩由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。

常见变质岩类型：

大理岩：由石灰岩或白云岩经重结晶变质而成，主要矿物成分为方解石，遇稀盐酸强烈起泡。

石英岩：由较纯的石英砂岩变质而成，主要矿物成分石英。

板岩：由粘土岩、粉砂岩或凝灰岩经区域低温动力变质作用形成的板状劈理发育的变质岩。

片麻岩：由酸性或中性喷出岩、浅成岩、长石砂岩、泥质岩经区域变质作用形成的具明显片麻状构造的变质岩。主要矿物成分由石英、长石、云母、角闪石等。

1.1岩石的组成与分类9二、岩石分类2.变质岩

1.1岩石的组成与分类大理岩石英岩板岩片麻岩10二、岩石分类3.沉积岩

母岩风化后产物经过搬运、沉积及成岩作用而形成的岩石。主要造岩矿物为：长石、石英、云母、粘土矿物、碳酸盐、硫酸盐和岩盐矿物。按成因分碎屑岩：由母岩风化后的碎屑物质经机械沉积作用形成。由碎屑颗粒与胶结物胶结而成。包括砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩等。

化学岩:由母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用形成。包括石灰岩、白云岩、石膏、岩盐和生物化学岩等。1.1岩石的组成与分类11二、岩石分类3.沉积岩

（1）砾岩及角砾岩由50％以上大于2mm的粗大碎屑胶结而成，胶结物的成分有钙质、泥质、铁质及硅质等。砾岩：由浑圆状砾石胶结而成，岩性成分比较复杂，常由多种岩石的碎屑和矿物颗粒组成。角砾岩：由棱角状的角砾胶结而成，岩性成分比较单一，主要成分为石英和燧石。渤海湾馆陶底砾岩1.1岩石的组成与分类12二、岩石分类3.沉积岩

（2）砂岩由50％以上粒径介于2～0.1mm的砂粒胶结而成。按砂粒的矿物组成，可分为石英砂岩、长石砂岩和岩屑砂岩等。按砂粒粒径的大小，可分为粗砂岩、中砂岩和细砂岩。根据胶结物的成分。又可将砂岩分为硅质砂岩、铁质砂岩、钙质砂岩及泥质砂岩几个亚类。1.1岩石的组成与分类13二、岩石分类3.沉积岩

（3）粉砂岩主要由50%以上的粒径为0.1～0.01毫米的粉砂碎屑组成。按碎屑成分划分为石英粉砂岩、长石粉砂岩、岩屑粉砂岩（少见）和它们间的过渡类型。根据胶结物成分划分为泥质粉砂岩、铁质粉砂岩、钙质粉砂岩和白云质粉砂岩等。1.1岩石的组成与分类14二、岩石分类3.沉积岩

（4）页岩

由粘土脱水胶结而成，以粘土矿物为主，大部分有明显的薄层理，呈页片状。可分为硅质页岩、粘土质页岩、砂质页岩、钙质页岩及炭质页岩。除硅质页岩强度稍高外，其余岩性软弱，易风化成碎片，强度低，与水作用易于软化而丧失稳定性。1.1岩石的组成与分类15二、岩石分类3.沉积岩

（5）泥

岩一种由泥巴及粘土固化而成的沉积岩，其成分和页岩相似，但页理不明显。可分为粉砂质泥岩，钙质泥岩、硅质泥岩、铁质泥岩、炭质泥岩。颗粒粒径小于0.01mm.1.1岩石的组成与分类163.沉积岩

（6）石灰岩二、岩石分类

简称灰岩。矿物成分以方解石为主，其次含有少量的白云石和粘土矿物。常呈深灰、浅灰色，纯质灰岩呈白色。结晶结构，晶粒极细。由生物化学作用生成的灰岩，常含有丰富的有机物残骸。石灰岩中一般都含有一些白云石和粘土矿物，当粘土矿物含量达25％～50％时，称为泥灰岩；白云石含量达25％～50％时，称为白云质灰岩。1.1岩石的组成与分类173.沉积岩

（7）白云岩二、岩石分类是一种沉积碳酸盐岩。主要由白云石组成，常混入石英、长石、方解石和粘土矿物。呈灰白色，性脆，外貌与石灰岩很相似，但强度比石灰岩高，遇稀盐酸缓慢起泡或不起泡。按结构可分为结晶白云岩、残余异化粒子白云岩、碎屑白云岩、微晶白云岩等。

1.1岩石的组成与分类18第1讲岩劝石及其凯工程力据学性质1.充1岩石程的组台成与进分类1.2岩石赏的结族构与捏构造1.3岩石满的工洪程力影学性议质19一、岩石身的结葵构1.2岩石羽的结鹅构与冲构造岩石吓的结戒构是穷由组电成岩从石的转矿物狐结晶动程度支、颗贸粒大境小及易形状箩、连营结方毒式和碧微结觉构面然所决欺定的疯微观捆组织障特征矛。结构对励岩石工仔程力学穗性质的盛影响：1）颗粒咱愈细，着岩石强浴度及硬纱度愈高乒；2）颗粒泡间连结痕强度愈拍大，岩仪石强度或及硬度嫂愈高；3）微结箱构面愈鸡发育，疮岩石强孕度愈低泊。201.裂2岩石的林结构与黄构造一、岩石御的结数构1.岩石颗进粒间的谋连结方剖式根据颗居粒间的雷连结方防式不同食，可将匆岩石分瓶为结晶够结构和责胶结结龟构。（1）结晶结构

颗粒通过结晶相互嵌合在一起，结构致密。按结晶程度分按晶粒大小分全晶质结构半晶质结构玻璃质结构粗晶结构（>1mm）中晶结构（1~0.1mm）隐晶结构（0.1~0.01mm）微晶结构（0.01~0.02mm）21（2）胶暮结结伴构岩石颗棍粒通过况胶结物喘胶结在昨一起。按胶结钻物成分泥质犬胶结钙质徐胶结铁质病胶结硅质胶住结按胶结修形式分基底胶启结孔隙胶农结接触胶含结胶结回强度桌：硅奏质>铁质>钙质>泥质1.2岩石挥的结违构与圆构造一、岩石的富结构1.岩石船颗粒供间的僚连结谱方式22微结构予面（或绵缺陷）侮，是指傅存在于陶岩石中换矿物颗竿粒内部籍、矿物炭颗粒及横矿物颗宵粒集合磨体之间专微小的岩弱面及译空隙。睬包括矿呆物的解炭理、晶典格缺陷舟、晶粒奸边界、刃粒间空害隙、微据裂纹等陆。岩石为微结构雷面发育工的多孔仓介质。低微结构侮面对岩赢石力学构性质有陷着重要音的影响术：①大舒大降低轧岩石的套强度②微文结构面木具有方夜向性时我，常导么致岩石刃的各向搅异性。1.2岩石瞎的结步构与安构造一、岩石刮的结通构2.微结构递面（缺询陷）23岩石桑的构蔬造是松由岩椒石组孝分在殃空间声上的训分布南方式颈及相写互间需的位俗置关肝系所钩决定复的宏纳观组湾织特漏征。葱典型逝的构际造特怀征有贯：流告纹构俊造、严层理灶、片鲁理、模节理握和孔幅隙度务等。1.臭2岩石优的结耕构与香构造二、岩石缓的构搬造构造对习岩石工浪程力学牢性质的译影响：1）流纹构才造、层酸理和片盛理等常忆造成岩夹石的各橡向异性筋；2）岩溜石孔酬隙度浅愈大灭，其灾强度俘和硬便度愈畏低；241.火成岩颠的构造志特征块状构洽造：矿物全分布伞杂乱标无章还，呈射致密铜块状浙。如诞花岗改岩等螺。流纹状吩构造：由于越熔岩克流动卧，由郊一些扫不同卖颜色煌条纹脆和拉判长气县孔等缘瑞定向排列蛮所形成环的流动租状构造疾。仅出哀现于喷弹出岩中其，如流纹转岩等摊。气孔胆状构票造：岩浆烘凝固暴时，膝挥发者性气泻体未申能及痒时逸胸出，归在岩雁石中梳留下许多哥圆形、跃椭圆形镜或长管扶形的孔灵洞。杏仁肯状构因造：岩石国中的库气孔道被后短期矿师物（与如石记英、掉方解忧石等捎）填僻充所形见成的该形似礼杏仁胁的构炒造。弃如某寄些玄石武岩浇和安均山岩针。条带乞状构雄造：矿物颗挽粒呈条推带状分般布。1.膀2岩石迹的结后构与密构造二、岩石即的构赵造251.火成岩价的构造刚特征1.房诚2岩石著的结蹈构与拿构造二、岩石的牛构造26片理税发育符是变宏质岩技的典咏型构皱造特堵征片麻岩片岩板致岩2.变质垒岩的铃构造界特征1.梦2岩石的剧结构与偿构造二、岩石的轧构造27层理和周孔隙度言是沉积李岩的典帆型构造势特征。层与嚼层之迫间的例界面引，称余为层面。上捉下两双个层白面间村成分句基本等均匀捎一致聚的岩宾石，加称为岩层。它强是层续理最洪大的担组成作单位端。一沙个岩贞层上稼下层茫面之阁间的槐垂直雨距离米称为顶岩层惕的厚摸度。在短距弯离内岩浇层厚度描的减小题称为变价薄；厚罢度变薄确以至消杜失称为尖灭；两端蜻尖灭就止成为透镜调体；大厚眯度岩层围中所夹诸的薄层巩，称为夹层。3.沉积岩祝的构造爷特征1.掘2岩石嗓的结吊构与嚷构造二、岩石鸣的构些造28第1讲岩贝石及其介工程力碧学性质1.屠1岩石蛛的组彼成与毛分类1.廉2岩石还的结镜构与朽构造1.3岩石液的工将程力膨学性本质291.简单部应力嘴条件芦下岩室石的假变形嚷特性一、岩石的闪力学性滨质1.澡3岩石迁的工恳程力趟学性陷质YPo典型岩育石的应崇力应变穴曲线岩石呜从开概始受遗力到组最终瞎破坏没经历闸了弹单性变晓形阶冠段（OY段）、堆弹塑性岗变形阶先段（YP段）向和脆碰性破雷坏阶融段（P点以后蓬）。在弹千性变惊形区(OY段)，应力吧只引起艳岩石中继孔隙、默微裂纹纠的压密败和骨架掩的压缩匹变形，烂应力卸四除后全赏部变形吴得以恢朝复。弹贫性应变报的量级藏很小，偶一般在0.0指05以下禁。OY段的斜虹率是常皆数或接同近常数胃，其斜兴率定义开为岩石笑的杨氏冶弹性模低量，应谦力应变应关系服秆从虎克共定律。301.历3岩石的绕工程力续学性质1.简单应敞力条件欧下岩石替的变形醋特性在弹塑粱性变形告阶段(Y窄P)。岩石解内部产浊生新裂蚂纹并不裹断扩展钱，当细昂小裂纹辛越来越限多并互苏相连通南，最终群形成较主大的贯谁穿裂缝歪时，即块将达到装岩石的惯强度极杏限。在YP段，岩叮石的变悬形是不寨可逆的秘，应力刻卸除后梨变形得占不到完刮全恢复闪。从弹假性到发鞭生塑性敬行为的程过渡点Y，通栋常称犯为屈径服点侵，相某应的瓦应力珠称为第屈服楚应力愿。峰很值点P的应力副值称为汉强度极止限，简泼称强度炎。在脆个性破查坏阶爆段(P点以仔后)，岩石床的变形味主要是善贯穿岩满样内裂缎缝（破央裂面）逗两侧的悟岩块沿雀破裂面油滑移和催张开，弓应力迅推速下降芦，岩石卧解体。一、岩石宰的力胡学性炼质311.抢3岩石开的工栋程力打学性厕质1.简单崖应力没条件景下岩单石的置变形仍特性一般规娱律：1）当岩剩石受力仰很小因吴而变形付很小时神，可以吩看作是徒弹性体虑，基本砍服从虎吴克定友律。框常用独杨氏他弹性悦模量E、泊孟松比μ、剪爸切弹捕性模错量G和体积捧弹性系阴数K等参数盲来表征河岩石的香弹性性引质。2）当僻岩石医中的寒应力左超过与其屈裕服应冻力后蛾，岩恩石成查为弹辅塑性厕体，悬其应力应私变关折系呈琴非线照性，幅不再迈服从庄虎克慕定律申。3）在简秒单应力炉条件下挡，岩石炸的破坏拣为脆性暂破坏，小即在变芒形量很熟小（小于3%）时就剪发生破做裂。一、岩石画的力察学性章质321.3岩石芳的工角程力镜学性哭质2.三轴护应力螺条件汪下岩席石的倒变形苍特性σ3=0σ3=23.5σ3=500σ3=850σ3=1650σ3=3260XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.5σ1-σ3，MPaσ1-σ3，MPa三轴应力条件下岩石的应力应变曲线随着监围压筝的增猛大，杯岩石殖表现辞出由阅脆性张到塑既性的京转变肃，并哪且围清压越乌大，辫岩石拣破坏述前所婶呈现铜的塑即性也必就越国大。致岩石赏由脆唇性转粪变为跌塑性锦的围厌压，裁称为椅“脆-塑转化疑临界围佳压”。一、岩石的兵力学性脉质33（1）抗压蚂强度>抗剪瞎强度>抗弯拉强度>抗拉碧强度（2）随着巩围压的异增加，做岩石强触度增大裂。1.3岩石扁的工茄程力吵学性扩质3.岩石乒的强眨度特盖性典型岩石抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度花岗岩砂岩石灰岩1110.090.1~0.120.150.030.06~0.20.06~0.10.02~0.040.02~0.050.04~0.1岩石攀抗压鬼强度剂与其挂它强础度的绘比值一、岩石的伤力学性尾质34岩石牢可钻冶性是白指岩乘石被太钻碎禽的难冻易程外度，桌表征邀岩石霸抵抗浊钻进辜的能泻力。1.烤3岩石傲的工宴程力身学性剥质二、岩石绸可钻吗性1.概念岩石可伶钻性在餐钻井工斥程中的棉应用（1）破岩候工具设叉计（2）钻直井破校岩方妄法和提钻头桥类型旦优选（3）钻速劝度和周春期预测（4）钻井筒生产定产额编制35关于贝岩石离可钻芝性的掉两种赢种观镇点：观点1：岩石拖可钻性坚是岩石绵的固有虫属性，贡是岩石句的坚固杏性在钻孔殊方面诸的表勤现。橡该观肉点认絮为，边难破肝碎的误岩石阔用各需种方法都均难破碎死，可以公用一个创统一的品指标表明征岩石早在各种破遇碎条徐件下涛的抗逮破碎欠能力信，不迎受钻渡井破鹅岩方骑式和盯技术条或件等寄因素暂的限吩制。观点2：岩石怖可钻性非不仅取坏决于岩莲石的物想理力学肿性质，粮而且还与钻郑井破茂岩方标法、乱钻进竿技术猎条件患等因打素有妥关。播钻进袍破岩方式靠不同，巩岩石破需碎难以毯程度也吩就不同注。“确定可江钻性的唯收一方法野是在岩巧石中实释际钻进”。1.3岩石的夕工程力愁学性质2.评价未方法二、岩石可仰钻性36力学性舍质法利用进岩石盾力学太性质(强度、端硬度等)评价黎岩石班可钻沾性。比功法用破候碎单雾位体湖积岩务石所玩消耗检的能率量评病价岩阴石可贷钻性页。微钻圾法用微型扭钻头在墓微钻实哥验台上阳模拟钻悟进测定浪岩石可泳钻性。实钻姨法用现板场一像定技克术条腿件下疑的实辣际钻唇进速勉度表热示岩努石可忧钻性洞。1.3岩石寻的工紫程力躺学性帝质1.浙3岩石昼的工近程力观学性烧质2.评价方向法二、岩石可裙钻性37（1）岩石孩力学性钢质法实验装打置：50~10圾0t材料朗实验圾机实验岩看样：加载责速度推：0.5枝MPa五/s（MP僻a）岩石单惑轴抗压耐强度实描验机1.榆3岩石土的工粉程力惯学性盘质2.评价方挂法①抗沈压强度二、岩石可裳钻性38普氏（直普洛托烤奇雅可旱诺夫，192孕6）坚统固性舌系数满：抗压强度MPa≥200150~20080~15050~8030~5015~308~156~85~63~5普氏系数2015~<208~<155~<83~<51.5~<30.8~<1.50.6~<0.80.5~<0.60.3~<0.5等级ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ类别最坚固很坚固坚固较坚固中等较软弱软弱土质岩石松散岩石流砂岩石日普氏篮分级（1）岩石阴力学性乘质法1.3岩石头的工惜程力射学性劝质2.评价方悟法①珍抗压胖强度二、岩石可丢钻性39

试验喊岩样叶：50秃×5互0×恐50献mm；φ40~60首×H袭30~50压头哀：1~5mm2平底圆绘柱形工债具钢或透硬质合下金材料册局部必抵抗当硬物慰压入称其表父面的熄能力诞。（1）岩石斜力学性桃质法1.3岩石逮的工拖程力惨学性择质2.评价方边法②压魔入硬度哨（史氏许硬度）二、岩石啊可钻错性40（1）岩石核力学性擦质法1.3岩石泻的工缝程力衣学性愁质2.评价方萍法②被压入挣硬度尸（史四氏硬盛度）二、岩石可风钻性41类别软中软中硬硬坚硬极硬级别123456789101112硬度MPa<100100~250250~500500~10001000~15001500~20002000~30003000~40004000~50005000~60006000~7000>7000岩石压聪入硬度括分类表（1）岩解石力售学性榨质法1.文3岩石牢的工宝程力狼学性戴质2.评价矮方法②压度入硬度线（史氏待硬度）二、岩石可招钻性42（2）微局钻法码（尹筹宏锦融，石姿油行渐业标土准)2.评价方棍法1.证3岩石的类工程力市学性质微钻头实验装置1。岩心；2。微钻头；3。岩屑杯；4。涡轮涡杆5。杠杆；6。砝码；7。钻深表；8。调平丝杠9。岩心座；10。压紧丝杠二、岩石可忆钻性43试验条膀件钻压：89责0N转速锤：55r纳pm钻头直丛径：31.萌75m棵m钻孔深仪度：2.圾4m吉m可钻性斥指标：钻孔迟时间T，秒写；系统误诞差修正亩公式：可钻驻性级撒值：（2）微钻纲法（尹驳宏锦，鬼石油行叶业标准)2.评价方写法1.快3岩石贞的工捉程力朽学性煮质二、岩石怠可钻根性44级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ钻时s级值<22~<33~<44~<55~<66~<77~<88~<99~<10≥10名称一级二级三级四级五级六级七级八级九级十级类别极软

软中软中中硬硬极硬油矿地庭层可钻忍性分级敬标准（滑石油行邻业标准棒）（2）微钻厘法（尹植宏锦，课石油行古业标准)2.评价弹方法1.3岩石的户工程力汤学性质二、岩石可川钻性45大庆占油田店：胜利渔油田交：中原狮油田泰：河南油是田：长庆颠油田柜：四川县油田直：1.嗽3岩石售的工担程力阵学性池质3.岩石可秆钻性的缴预测方点法二、岩石蚂可钻腾性（1）区域并经验公饥式法46①蜻抗压歇强度活与测谜井资总料的军相关锐关系1.胃3岩石围的工逆程力趴学性戒质二、岩石可芝钻性（2）测弄井资为料预友测法4.岩石可篮钻性的岸预测方苏法47②严压入丈硬度驼与测糕井资殖料的财相关号关系1.3岩石揪的工托程力摆学性社质二、岩石苹可钻应性（2）测鸭井资遥料预豆测法4.岩石乖可钻孕性的脑预测具方法481.3岩石的唱工程力聚学性质二、岩石叙可钻哭性（2）测瞒井资慨料预高测法③可陡钻性级垮值与测艇井资料限的相关氧关系4.岩石障可钻志性的障预测童方法49岩石磨梢损工具本能力称低为岩石砍的研磨塞性。岩石聋研磨赤性在馒钻井鼠工程球中的享应用辣：预测琴钻头光寿命钻头设牧计钻头选码型和钻粮进参数哨优选制定材赌料消耗胁定额和踢编制工黄程与预烟算1.3岩石的鼻工程力怖学性质三、岩石涌研磨女性1.概念50（1）摩擦纯磨损两个清相互浴接触晒的物咬体，越在外更力作汁用下裙发生伯相对水运动