岩土的物理力学性质及其破碎机理资料教程

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。

1/15/2025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1/15/2025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。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1/15/2025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1/15/2025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

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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）、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1/15/2025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1/15/2025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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系五、岩石的强度1、岩石的强度的基本概念岩石在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）根据应力状态，岩石强度可分为单向、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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系影响岩石强度的因素（1）一般情况下，造岩矿物强度越高，岩石的强度也越高。沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度则降低。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的各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间。第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系（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）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍。（6）加载速度的影响：①

加载速度增加，岩石的强度提高；②

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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系六、岩石的硬度1、岩石的硬度的基本概念：岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。2、硬度与抗压强度的区别与联系（1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；（2）抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。

（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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系

3、影响岩石硬度的因素

（1）岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒越细、结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、裂隙发育的岩石硬度将会降低。（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。层理对岩石硬度的影响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值最小；平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.05～1.8倍。第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。（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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系

4、岩石硬度的测定

（1）静压入法：以1~5mm2的压头压入岩样表面，岩石破碎时的载荷Pmax除以接触面积S，则为岩石的硬度值Hy（通常称为压入硬度）。(Pa)（2）冲击回弹法：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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系七、岩石的变形特征及其分类

按岩石在压头压入时的变形曲线和破碎特性可分成三类：弹-脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时仅产生弹性变形，至A点最大载荷为Pmax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/δ>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Pmax

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/δ>2.5～5，即小于第一类岩石。

第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系

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破碎h/δ=1。计算这类岩石的硬度时只能用P0代替公式中的Pmax。

第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系八、岩石的弹性和塑性（1）衡量岩石弹性的指标主要是弹性模数E和泊松比μ。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）在钻探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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系岩石按塑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1>1~22~33~44~5>6~∞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。1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系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1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系（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大的载荷才能破坏岩石的连续性。（4）温度升高岩石的弹性模量变小，塑性系数增大，岩石表现为从脆性向塑性转化。在超深钻和地热孔施工中应注意这一影响。第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系九、岩石的研磨性

1、岩石研磨性：岩石磨损工具的能力。2、岩石磨损形式

（1）摩擦磨损：孔底岩石与切削工具相对滑动而产生的磨损。与所钻岩石的研磨性、切削工具的耐磨性、钻进规程参数有关；（2）磨粒磨损：孔底破碎岩屑对切削工具的磨损。与岩屑的硬度和研磨性、岩屑的数量（钻进速度）、钻孔冲洗的程度等有关。在金刚石钻进中这种磨损形式起着重要的作用，因为岩粉能磨蚀金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石出刃。第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系1、影响岩石研磨性的因素（1）岩石颗粒的硬度越大，研磨性也越强，石英岩具有强研磨性（2）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。（3）岩石颗粒形状越尖锐、颗粒尺寸越大，岩石的研磨性越强。（4）岩石表面粗糙，局部接触易产生应力集中，

研磨性增强（5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的岩石（如花岗岩）研磨性较强。岩石中较软的矿物（云母，长石）首先被破碎下来，使岩石表面变粗糙，同时石英颗粒出露，从而增强了研磨能力。（6）介质的影响，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低。第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系常用测定岩石研磨性的方法目前国际上还没有统一测定岩石研磨性的方法。通常用模拟某种钻进过程的方法，不同方法的结果难以相互比较。钻磨法:金属棒在载荷、转速下与岩石摩擦后的失重磨削法：硬合金刀具在压力下与岩石试件摩擦，以一定时间内刀具的失重微钻头钻进法：微型钻头在一定规程下钻磨岩样，一定时间内钻头的磨损。

第一节岩石的物理力学性质概述1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系第一节岩石的物理力学性质概述标准圆盘磨损法：用圆盘金属试样在压力下对岩石作滑动摩擦，以金属圆盘的磨损量表示岩石的研磨性指标。按此方法可把岩石的研磨性分成12个级别，而我国有关部门习惯于把岩石的研磨性分成弱、中、强三个等级。

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系自学内容安排

第二节土的物理-力学性质特征（自学P13~P15）一、土的基本组成二、土的物理性质特征（土的含水量、土的密实度、土的塑性指数和液性指数、土的渗透系数）三、土的力学性质特征（土的压缩性、土的抗剪性、土的极限平衡条件）四、土的工程分类1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系第三节

岩石在外载下的破碎机理

0、碎岩工具与岩石作用的主要方式根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理，可把碎岩刃具分：切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类。1、切削一剪切型钻头碎岩刃具以速度vθ向前移动而切削(剪切)岩石。工作参数是：移动速度vθ、轴向力Pz和切向力Pθ以及介质性质。

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系2、冲击型冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩的过程可用工具动能Tk和岩石变形位能U的方程式来表达（T＝U）：式中：m——钻头和冲击钻杆的质量；

vθ——钻头同岩石碰撞时的速度；δmax——钻头侵入岩石的最大深度；Pz（δ）——岩石抵抗钻头侵入的阻力。第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系3、钻头刃具不仅以Pz和Pθ作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速度vθ和冲锤对齿刃的冲击速度vz或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度vω。合成速度是：

或式中：；A0——冲锤单次冲击功；Q——冲锤重量；r——齿顶到牙轮瞬时旋转中心的距离。

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系一、外载作用下的岩石应力状态

切削具对岩石的压入破碎在孔底过程中起着重要作用。岩石在切削具切入、破碎之前，先产生弹性应力状态。钻头上的切削具与孔底岩石的作用可以看成是圆柱体、球形体、长方平底形压模与弹性半无限体所限制的平面的相互作用。讨论不同形状切削具在外载作用下的岩石应力状态。（一）平底圆柱形压头压入时应力状态

（二）球形压头压入时岩石的应力状态

（三）轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系1、平底圆柱形压头压入时应力状态刚性平底压头以作用力P沿z轴压入弹性半无限体，其接触面上的压力分布在初期是不均匀的（图1-6），边缘处的应力集中使岩石产生局部破碎或塑性变形，而后，压力便趋于均匀分布。

第三节

岩石在外载下的破碎机理

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在压力均匀分布的前提下，根据弹性力学布希涅司克问题和应力叠加原理，求出岩体内沿对称轴上各应力分量为：

第三节

岩石在外载下的破碎机理

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各应力分量随z轴的变化情况（如图）。随z的增加，σz减小的慢，σr=σy减小的快；剪应力τ随z的变化开始由小到大，到一个临界深度z0处τ达最大值。在载荷中心z=0处：

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系若将τ对z求导，并使其等于零，则：

设μ=0.25，则z0=0.62a，τmax=0.345p。这表明在z轴上，最大剪应力所在的深度约等于压头半径的2／3。而最大剪应力约为均匀压强的l／3。由于最大剪应力点是压碎岩石的发源处，且平底圆柱形压头压入时应力存在两个极值点，应引起重视。

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系第三节

岩石在外载下的破碎机理

压头下相对剪应力的等值线分布图1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系

2、球形压头压入时岩石的应力状态

球体压人时，接触球面（半径为a）上的压力分布是不均匀的。其数值是随着压力点离开压力面中心的距离r的增加而不断减小的一个函数(如图)，即：在压力中心处：在压力边缘处：

第三节

岩石在外载下的破碎机理

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同样根据弹性力学布希涅司克问题集中应力作用原理，岩体内沿对称轴上的各应力分量为：

第三节

岩石在外载下的破碎机理

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各应力分量随z轴的变化：剪应力τ随z的变化开始由小到大，在临界深度z0处τ达最大值。在压力面中心处（z=0）有：

；

如果设μ=0.25，根据计算，z0=0.5a，τmax=0.40p

，同样存在两个极值点，但都在z轴上。

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系3、轴向力和切向力共同作用时岩石的应力状态回转钻进中，碎岩工具一般以轴向、切向载荷同时作用于岩石。此时，岩石的应力分布与只有轴向载荷时不同。

只有轴向力作用时，等应力线分布是均匀对称的。轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的。第三节

岩石在外载下的破碎机理

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在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切向力作用的后方则产生拉应力；在半无限体内形成正应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ）。压缩区Ⅰ随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区Ⅱ则与上述情况相反。

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系二、工具压入时的岩石破碎机理1.平底压模压入时第一极值带环形裂纹，开始ac伸展比ao快；∵远离自由面，ac伸展迅速减慢；第二极值带朝边缘发展，形成镰刀极限区；极限区的体积和压力↑，排开周围的力↑；c点迅速到达自由面并与从o点来的裂隙相遇；产生aob主压力体和mon剪切体体；∵

抗剪强度小，周围岩石突然崩离，压模下落；aob体被压头压碎

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系2.球状切削具压入时开始时，切削具与岩石接触的是一个点；外载↑，切削具和岩石产生弹性变形，接触面↑；接触面中心的正应力最大，首先出现裂隙；随外载增加，接触面增大，产生与原有裂隙平行的新裂隙系；外载继↑，弹变总值↓，应力↑，裂隙深度↑；以后的破碎过程与平底压模时类似。图1-12说明压入岩石时的跳跃过程第三节

岩石在外载下的破碎机理

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三、在动载下岩石的破碎过程与静压入时没有本质性区别。当冲击能量不大时，边缘出现裂纹带;冲击能↑，边缘之外便出现环形崩离体——脆性破碎第一形态。随着冲击能的↑，崩离体的体积稍有↑。冲击能量达一定值后，压头底下的岩石发生与静压入时相似的脆性破碎——脆性破碎第二形态。继续↑冲击能，余裕的能量使压头的侵深有所增加，并使接触面周围有岩石崩离体出现。冲击能达到相当大的数值时，则出现——第三破碎形态。整个岩石破碎过程同样具有跳跃性。第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系四、影响碎岩效果的因素

1.载荷大小的影响实践表明，钻进速度vm与比压P的关系曲线可分成三个区段：表面破碎

切削具与岩石的接触压力远小于岩石硬度，切削具不能压入岩石。岩石破碎是由接触摩擦功引起的，钻进速度低。这种变形破碎方式称为岩石的表面破碎区。疲劳破碎轴向载荷↑但<岩石硬度，使岩石晶间联系破坏，多次加载疲劳裂隙发展众多裂隙交错，产生粗岩粒分离，称为疲劳破碎区。

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系3)体积破碎切削具上的载荷继续↑，接触压力≥岩石硬度，切削具有效地切入岩石，切下岩屑，称为体积破碎，会分离出大块岩石，破碎效果好。2.破碎工具形状的影响

3.破碎工具加载速度的影响

4.液柱压力的影响

第三节

岩石在外载下的破碎机理

1/15/2025中国地质大学勘察与基础工程系第四节

岩石的可钻性指标

一、岩石可钻性的概念1、岩石可钻性的概念岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。在钻探生产中通常用机械钻速作为衡量岩石可钻性的指标，单位是m／