岩石的分类及性质（72清楚明了）

石油工工程岩岩石力力学PetroleumEngineeringRockMechanics教师师：：李相相臣电子邮邮箱：：li_xiangchen@126.com课程回回顾一个意意义：：为什什么学学习岩岩石力力学？？两个定定义岩石力力学的的定义义岩石的的定义义一个特特点：：岩石石力学学研究究对象象的特特点一个方方法：：研究究岩石石力学学的方方法主要要内内容容第一节节岩岩石石的分分类第二节节岩岩石石的物物理性性质第三节节岩岩石石的非非均质质性和和各向向异性性第一节节岩岩石石的分分类地球的的岩石石圈：：地球表表面的的固体体部分分。由由地壳壳和上上地幔幔顶部部岩石石组成成的地地球外外壳固固体圈圈层。。地球圈圈层分分为地球外外圈和地层内内圈。地球外外圈包包括大大气圈圈、水水圈、、生物物圈和和岩石石圈。。岩石的的组构构特征征1.岩石的的物质质组成成粘土矿矿物硅酸盐盐类矿矿物碳酸盐盐类矿矿物氧化物物类矿矿物组成岩岩石的的矿物物组成岩岩石的的矿物物成分分及其其相对对含量量在一一定程程度上上决定定着岩岩石的力学性性质2.岩石的的结构构岩石的的结构构：岩石内内矿物物颗粒粒的大大小、、形状状、排排列方方式及及微结结构面面发育育情况况与粒粒间连连结方方式等等反映映在岩岩块构构成上上的特特征。。其中中，粒粒间连连结分分结晶连连结与胶结连连结。颗粒形形状强强度度：粒粒状、、柱状状＞＞片片状＞＞鳞鳞状状颗粒大大小强强度：：细粒粒＞＞粗粗粒排列形形式强强度度：等等粒＞＞不不等等粒岩石的组构构特征微结构面：指存在于矿矿物颗粒内内部或矿物物颗粒间的的软弱面或或缺陷，包包括矿物解解理、晶格格缺陷、粒粒间空隙、、微裂隙、、微层理及及片理面、、片麻理面面等①降低岩石强强度②导致岩岩石力学性性质各向异异性岩石的微结结构面岩石的组构构特征裂缝性地层层套管损坏坏Elf公司的岩石石力学专家家Maury和Sauzy在研究裂缝缝性地层套套管损坏时时首先提出出了井眼周周围裂缝岩岩体的剪切切位移理论论并应用于于井壁稳定定性分析裂缝性地层层裂缝性地层层扰动产生生剪切位移移造成套管管变形裂缝岩体的的剪切位移移造成井眼眼缩径现象象剪切位移引引起的井眼眼形状变化化XYX方向井径降降低Y方向井径增增加剪切错动方方向不同剪切位位移方向的的井眼形状状井下电视测测井观测到到：裂缝岩体的的剪切位移移造成井眼眼缩径现象象井下电视测测井显示的的破碎性地地层在井眼眼周围产生生的剪切位位移的情况况剪切位移造造成井眼缩缩径的实例例（现场实实测结果）2002年，BP美国公司在在墨西哥湾湾遇到钻井井中井壁稳稳定问题。。井眼与地层层层理面夹夹角不同（（井斜角不不同），井井壁垮塌程程度、垮塌塌岩石大小小、形状不不同。Dusseault研究破碎性性地层井壁壁稳定性时时发现井壁壁是否稳定定与井眼尺尺寸有关，，井眼尺寸寸越大井壁壁越不稳定定。在研究层理理发育的各各向异性地地层井壁稳稳定性时发发现井壁稳稳定性与井井眼轴线和和地层层理理面的夹角角有关，认认为应尽可可能以垂直直与层理面面的方式进进入地层，，才能保持持井壁稳定定性。裂缝发育的的破碎性地地层层理发育的的各向异性性地层各向异性地地层加拿大科学学家的研究究结果基底型：彼此不发生生接触的矿矿物颗粒埋埋在玻璃体体中，这种种情况下胶胶结程度很很高，岩石石强度与胶胶结物有关关。接触型：仅仅在颗粒粒的接触点点存在胶结结物，这种种胶结程度度低，岩石石强度也不不大。间隙型：矿物颗粒彼彼此直接接接触，而颗颗粒的孔隙隙被胶结物物充填。溶蚀型：胶结物不仅仅充填在矿矿物颗粒之之间，而且且进入到矿矿物颗粒本本身中，胶胶结强度很很高。岩石的主要要胶结类型型：岩石的组构构特征基底型接触型间隙型溶蚀型3岩石的构造造岩石的构造造：岩石的构造造是指岩石石组成成分分在空间上上相互排列列及所占的的位置。岩浆岩的构构造：块状构造、、流纹状构构造、气孔孔状构造、、杏仁状构构造沉积岩的构构造：层理构造变质岩的构构造：片理构造岩石的组构构特征流纹岩气孔状构造造杏仁状构造造沉积岩中的的层理构造造白云钾长片片麻岩岩石的地质质类型划分分1.岩浆岩：是是由岩浆凝凝结形成的的岩石。2.变质岩：矿矿物成分、、结构发生生变化形成成的岩石。。3.沉积岩：搬搬运、沉积积、成岩作作用而形成成的岩石。。母岩转变过程产生的岩石岩浆岩沉积岩变质岩风化作用热和压力熔融作用沉积岩变质岩岩浆岩沉积岩的分分类碎屑沉积岩岩：砾岩、、砂岩、粉粉砂岩、泥泥页岩化学沉积岩岩：石灰岩岩、白云岩岩、燧石、、蒸发岩生物沉积岩岩：煤、石石灰岩岩心照片砾岩岩心照片致密细砂岩岩岩心照片泥岩岩心照片硬脆性泥页页岩盐膏岩岩心照片4岩石的工程程分类以工程实用用为目的的的岩石类型型划分叫岩石的工程程分类(岩体的工程程分类)。主要目的的是指导工工程技术人人员合理选选择工程布布局及技术术处理方法法。完整岩块的的工程分类类编号类别单轴饱和抗压强度(MPa)代表性岩石I硬质岩>80中细粒花岗岩，花岗片麻岩，闪长岩，辉绿岩，安山岩，流纹岩，石英砂岩，硅质灰岩，硅质胶结砾岩II中等坚硬岩30-80灰岩，大理岩，白云岩，砂岩，钙质砾岩，板岩III软质岩<30泥质岩，泥质灰岩，部分凝灰岩，绿泥石片岩，千枚岩《岩土工程勘勘察规范》分类坚硬程度坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度，MPa>6030-6015-305-15<5岩体的工程程分类岩石：是固态矿矿物或矿物物的混合物物，由一种种或多种矿矿物组成，，具有一定定结构、构构造的集合合体。岩体：含有结构面的原生地地质体，，是由处处于一定定地质环环境中的的各种岩岩性和结结构特征征岩石所所组成的的集合体体。特点：显显著的不不连续性性。岩石质量量指标RQD岩石质量量指标RQD(RockQualityDesignation):长度大于10cm的岩心长长度之和和与钻孔孔总进尺尺的百分分比。(迪尔，1964.)RQD求取的经经验方法法1)RQD与裂隙频频率Kd之间存在在以下关关系：2)RQD与单位体体积岩石石中的节节理总数数Jv之间存在在以下关关系：当Jv<4.5时，RQD取100。根据RQD的岩体质质量分级级RQD<2525-5050-7575-90>90岩石质量描述很差差一般好很好等级IIIIIIIVV岩石的物物理性质质：物理性质质：物质质不需要要经过化化学变化化就表现现出来的的性质叫叫做物理理性质。。颜色、气气味、形形态、熔熔点、硬硬度、导导电性等等岩石的物物理性质质：指岩岩石的力力学、热热学、电电学、声声学、放放射学等等特性参参数和物物理量。。第二节岩岩石的的物理性性质岩石的物物理性质质岩石和土土一样，，也是由由固体、、液体和和气体组组成的多多相体系系。物理性质质是指岩岩石由于于三相组组成的相相对比例例关系不不同所表表现的物物理状态态。1.岩石的密密度2.岩石的孔孔隙性3.岩石的水水理性(一)岩石的密密度1.岩石的颗粒密度度岩石固体体部分的的质量与与其体积积的比值值。它不不包含孔孔隙在内内，因此此其大小小仅取决决于组成成岩石的的矿物密密度及其其含量。。颗粒密度度固体部分分质量固体部分分体积(一)岩石的密密度2.岩石的块体密度度是指岩石石单位体体积内的的质量，，按岩石石的含水水状态，，又有干干密度（（ρd）、饱和和密度（（ρsat）和天然然密度（（ρ）之分，，在未指指明含水水状态时时一般指指岩石的的天然密密度。d=drysat=saturated常见岩石石的密度度岩石名称密度(g／cm3)岩石名称密度(g／cm3)花岗岩2.52～2.81石灰岩2.37～2.75闪长岩2.67～2.96白云岩2.75～2.80辉长岩2.85～3.12片麻岩2.59～3.06辉绿岩2.80～3.11片岩2.70～2.90砂岩2.17～2.70大理岩2.75左右页岩2.06～2.66板岩2.72～2.84(二)岩石的孔孔隙特性性孔隙度：岩石中孔孔隙体积积与岩石石总体积积之比(多用百分分数表示示)。裂隙率：岩石中各各种节理理、裂隙隙的体积积与岩石石总体积积之比称称裂隙率率。孔隙度与与裂隙率率含义相相同，孔孔隙度多多用于相相对松散散土、石石，裂隙隙率多用用于结晶晶连接的的坚硬岩岩石。一般岩石石的孔隙隙度在10%-35%之间。孔隙比：岩石中孔孔隙的体体积与固固体颗粒粒体积之之比称岩岩石的孔孔隙比(多以小数数表示)。(二)岩石的孔孔隙特性性孔隙比和和孔隙度度可以互相相换算：：密度是实实验指标标，只有有通过实实验才能能得到具具体数值值，而孔孔隙度和和孔隙比比是计算算指标。。孔隙比孔隙度岩石的饱饱和密度度为2.65g/cm3，干密度度为2.49g/cm3，计算岩岩石的孔孔隙比和和颗粒密密度。例题：岩石在水溶液作用下表现出出来的性质，，称为水理性质。主要包括：：(三)岩石的水理性性质吸水性软化性抗冻性膨胀性崩解性1.岩石的吸水性性岩石在一定的的实验条件下下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性性。吸水率(Wa)：岩石试件在大大气压力和室室温条件下自自由吸入水的的质量(mw1)与岩样干质量量(ms)之比，用百分分数表示。1.岩石的吸水性性岩石的饱和吸吸水率(Wp)：是指岩石试件件在高压(一般压力为15MPa)或真空条件下下吸入水的质质量(mw2)与岩样干质量量(ms)之比，用百分分数表示。岩石的吸水率率(Wa)与饱和吸水率率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩岩石中大、小小开空隙的相相对比例关系系。2.岩石的软化性性岩石浸水饱和和后强度降低的性质，称为为软化性软化系数(KR)为岩石试件的的饱和抗压强强度(σcw)与干抗压强度度(σc)的比值岩石中含有较较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石的的软化性较强强，软化系数数较小。KR＞0.75，岩石的软化化性弱，工程程地质性质较较好KR＜0.75，岩石软化性性较强，工程程地质性质较较差常见岩石的软软化系数弹性模量随含含水量的变化化情况泊松比随含水水量的变化情情况粘聚力随含水水量的变化情情况内摩擦角随含含水量的变化化情况3.岩石的抗冻性性岩石抵抗冻融融破坏的能力力，称为抗冻性。抗冻系数(Rd)：岩石试件经经反复冻融后后的干抗压强强度(σc2)与冻融前干抗抗压强度(σc1)之比，用百分分数表示。质量损失率(Km)：冻融试验前前后干质量之之差(ms1－ms2)与试验前干质质量(ms1)之比，以百分分数表示。Rd＞75％，Km＜2％，抗冻性高吸水率Wa＜5％、软化系数数KR＞0.75，饱水系数小小于0.8的岩石，抗冻冻性高。3.岩石的抗冻性性4.岩石的膨胀性性膨胀性：岩石吸水后体体积增大引起起岩石结构破破坏的性能称称膨胀性。一般含有粘土土矿物的岩石石均具有—定的膨胀性，，特别是含有有蒙脱石类矿物物的岩石膨胀性性最大。在铁路建设中中，膨胀岩地地段路堑边坡坡坍滑将造成成严重危害。。钻井工程中，，钻遇膨胀性性岩石容易导导致井眼缩径径、井壁坍塌塌等问题。5.岩石的崩解性性崩解性：岩石被水浸泡泡，内部结构构遭到完全破破坏呈碎块状状崩开散落的的性能。具有有强烈崩解性性的岩石和土土，短时间内内即发生崩解解。我国西北地区区的黄土，在在水中浸泡一一天左右即崩崩解，西南某某地风化钙泥泥质粉砂岩置置于水中仅十十多分钟就全全部崩解了。。(四)岩石的热理性性质岩石的热理性性是指岩石温度度发生变化时时所表现出来来的物理性质质。（热胀冷缩）温度升高体积膨胀强度降低变形特性改变变体胀系数与线线胀系数体胀系数：温温度上升1℃所引起的体积积增量与初始始体积的比值值。线胀系数：温温度上升1℃所引起的长度度增量与初始始长度的比值值。岩石的导热率率岩石的导热率率是度量岩石的的热传导能力力的参数，是是指当温度上上升1℃时，热量在单单位时间内传传递单位距离离的损耗值。。岩石导热率的的影响因素：：矿物组成、结结构构造以及及赋存环境。第三节岩岩石的各向异异性和渗透性性岩石的不连续续性岩石的不均匀匀性岩石的各向异异性岩石的渗透性性1.岩石的不连续续性岩石中普遍存存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面面，都会使结构构面两侧附近近的岩石物理理力学性质呈现不连续变变化。对于裂隙性岩岩石，通常采采用裂缝率作作为定量评价价岩石被裂隙隙切割后破碎碎程度的指标标。岩石中的裂隙隙单向裂隙(或或裂隙频率)单向裂隙指一组结构面面的法线方向向上每单位长长度(m)内，法线与结构面面的交割数目目，以Kd(1/m)表示。即单向向裂隙率的倒倒数为成组结结构面之间的的平均间距，，以d表示。式中：Kd—单向裂隙（1/m）d—结构面间平均均间距(m)平面裂隙率平面裂隙率Ka是指岩石单位位面积上诸裂裂隙所占有的的面积总与总总面积的比值值。式中：li—第i条裂隙面长度度(m)；ti—第i条裂隙面的宽宽度(m)；A—被测量的岩石石总面积(m)。不均匀性：是指天然岩体体的物理、力力学性质随空空间位置不同同而异的特性性。分析现场场岩体试验资资料时可采用用综合性的统统计特征—偏差系数V(%)来估算岩体的的不均匀性。。标准差估计值值各观测值xi的算术平均值值2.岩石的不均匀匀性3.岩石的各向异异性岩石各向异性性是指天然岩体体的物理力学学性质随空间间方位不同而而异的特性，，具体表现在在它的强度及变形特特性等各方面。在天然岩体条条件下，使岩岩体具有各向向异性的基本本原因是由于于岩石内普遍遍存在着层理、片理、、夹层和定向裂隙（断断层）系统所致。目目前在实际工工程中对于成成层岩体往往往考虑其平行行于层理和垂垂直于层理方方向的差异性性。对于不不具有有层理理的岩岩体，，则把把它视视为各各自同同性体体。4.岩石的的渗透透性岩石能能透过过水的的能力力称为为岩石石的渗透性性。有压水水可以以透过过岩石石的孔孔隙、、裂隙隙而流流动，，不同同岩石石或裂裂隙性性不同同的