第一章-岩土性质及碎岩机理课件.ppt

1、岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学第一章第一章 岩土的物理力学性质及其破岩土的物理力学性质及其破碎机理碎机理 第一节 岩石的物理力学性质概述 第二节 岩石的自然性质 第三节 岩石的力学性质 第四节 土的物理力学性质 第五节 岩石在外载作用下的破碎机理岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学第一节第一节 岩石的物理力学性质概述岩石的物理力学性质概述一、岩石的组成与分类一、岩石的组成与分类 岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩岩浆岩、沉积岩沉积岩和和变质岩变质岩。岩浆岩岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。

2、壳裂隙上升冷凝而成。沉积岩沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。成分有颗粒和胶结物两大类。变质岩变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩本身在地壳中受到：由岩浆岩、沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学二、岩石的结构与构造二、岩石的结构与构造 岩石的结构：岩石的结构：表示岩石的表示岩石的微观微观组织特征，体现了岩

3、组织特征，体现了岩石中矿物或碎屑的粒度、形状和表面性质。石中矿物或碎屑的粒度、形状和表面性质。反映岩石非反映岩石非均质性和孔隙性。均质性和孔隙性。岩石的构造：岩石的构造：表示岩石的表示岩石的宏观宏观组织特征，它与岩石组织特征，它与岩石中矿物或碎屑彼此之间的组合形式和空间分布情况有关。中矿物或碎屑彼此之间的组合形式和空间分布情况有关。它决定着岩石的各向异性和裂隙性（有时称作节理）。它决定着岩石的各向异性和裂隙性（有时称作节理）。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系。存在环境有紧密的联系。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 岩浆岩：

4、岩浆岩：侵入岩具有显晶质结构，侵入岩具有显晶质结构，如图如图1-1，喷出岩，喷出岩具有隐晶质结构。主要具有块状构造、气孔状构造和流具有隐晶质结构。主要具有块状构造、气孔状构造和流纹状构造。其构造特征对钻进破碎岩石没有显著的影响。纹状构造。其构造特征对钻进破碎岩石没有显著的影响。沉积岩：沉积岩：碎屑岩具有碎屑结构，碎屑岩具有碎屑结构，如图如图1-2，混合岩或，混合岩或黏土岩具有泥状结构。主要具有层状构造，黏土岩具有泥状结构。主要具有层状构造，如图如图1-3，使使岩石呈现各向异性（对钻进有影响）岩石呈现各向异性（对钻进有影响）变质岩：变质岩：多具有晶体结构。主要构造特征是片理多具有晶体结构。主要构

5、造特征是片理（如石墨和滑石）。岩石沿平行平面分裂为薄片的能力（如石墨和滑石）。岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。叫做片理化。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 图1-1 晶体结构类型等粒、不等粒、斑状、纤维状图1-3 层理产生的原因 图1-2 胶结物的类型单晶、多晶、重结晶、充填、接触岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 图1-4 岩岩 石石 照照 片片花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩白云岩白云岩岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学第二节第二节 岩石的自然性质岩石的自然性质 岩石的自然性质：岩石的自然性质：岩石在生成过程中、构造变动和岩石在生成过程中、构造变动和风化过程中自然

6、形成的特性。风化过程中自然形成的特性。一、岩石的密度和孔隙度一、岩石的密度和孔隙度 密度：密度：单位体积岩石的质量。单位体积岩石的质量。1400-3700kg/m3间。间。容重：容重：单位体积岩石的重量。单位体积岩石的重量。N/m3。比重：比重：单位体积岩石骨架体积的重量。岩石体积单位体积岩石骨架体积的重量。岩石体积=固相骨架体积固相骨架体积+岩石中孔隙体积。岩石中孔隙体积。一般来说，密度一般来说，密度越高，强度越大。越高，强度越大。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学孔隙比：孔隙比：Vp-岩石中的孔隙体积；岩石中的孔隙体积；Vc-岩石岩石中固相骨架的体积。中固相骨架的体积。孔隙度：孔隙度：岩石中孔隙

7、体积与岩石总体积之比。一般岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说，隙度越大，强度越低。来说，隙度越大，强度越低。含水量：含水量：烘干前后岩样重量差与干岩样重量之比。烘干前后岩样重量差与干岩样重量之比。W=(Gw-Gd)/Gd 岩石的孔隙越大，裂隙越多，水对它的影响就越大。岩石的孔隙越大，裂隙越多，水对它的影响就越大。如石灰岩，用水浸透后，强度下降明显。如石灰岩，用水浸透后，强度下降明显。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学二、岩石的内聚性二、岩石的内聚性内聚性：岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度。内聚性：岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度。按内聚性的大小岩石分三类按内聚性的大小岩石分三类1、坚固岩石（、

8、坚固岩石（较大的联结力和内摩擦力）较大的联结力和内摩擦力）其特征在于通常具有高硬度，无论在高压力还是在其特征在于通常具有高硬度，无论在高压力还是在湿润条件下，当岩石破碎后，其矿物质点之间的分子连湿润条件下，当岩石破碎后，其矿物质点之间的分子连接力都不会恢复。坚固岩石分含石英和不含石英两类，接力都不会恢复。坚固岩石分含石英和不含石英两类，前者硬度高，难以钻掘。通常在生产中会遇到完整（无前者硬度高，难以钻掘。通常在生产中会遇到完整（无裂纹）的和裂隙性的两种坚固岩石。在完整的坚固岩石裂纹）的和裂隙性的两种坚固岩石。在完整的坚固岩石中施工时，孔（井）壁稳定不必加固，而在强裂隙性岩中施工时，孔（井）壁稳

9、定不必加固，而在强裂隙性岩石中穿过的孔（井）壁必须加固。石中穿过的孔（井）壁必须加固。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学2、粘结性岩石（、粘结性岩石（有一定的联结力，取决于湿度和外力）有一定的联结力，取决于湿度和外力）由粘土矿物或主要由粘土矿物粘结的碎屑岩细粒组由粘土矿物或主要由粘土矿物粘结的碎屑岩细粒组成（如粘土、亚粘土、白垩、铝矾土）。其特征是：成（如粘土、亚粘土、白垩、铝矾土）。其特征是：在湿润条件下，粘结状态被破坏之前可以有大的残在湿润条件下，粘结状态被破坏之前可以有大的残余变形；余变形；质点之间的内聚力，随湿润的程度不同可以在很宽质点之间的内聚力，随湿润的程度不同可以在很宽的范围内变化；的

10、范围内变化；在粘结状态被破坏之后，可采取高压和增加湿润的在粘结状态被破坏之后，可采取高压和增加湿润的办法使其内聚力得以恢复；办法使其内聚力得以恢复；某些粘结性岩石（粘土岩、白垩）具有膨胀性，即某些粘结性岩石（粘土岩、白垩）具有膨胀性，即在湿润状态下体积膨胀，易造成孔（井）壁缩径或坍在湿润状态下体积膨胀，易造成孔（井）壁缩径或坍塌。塌。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学3、松散性岩石、松散性岩石 在干燥或被水饱和时，无联结力。在干燥或被水饱和时，无联结力。松散性岩石由相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、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。

11、在这类岩石中钻掘的同时必卵石、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。须加固孔（井）壁，以防止坍塌。4、流动性岩石、流动性岩石 无联结力，无联结力，流动性岩石（或流砂层）由含水的砂质流动性岩石（或流砂层）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钻孔上涌。因此在

12、这类岩石中施工必须一边钻掘一边加固孔（井）壁。固孔（井）壁。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学第三节第三节 岩石的力学性质岩石的力学性质 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。和表面特性。变形特性：变形特性：弹性、脆性、塑性和弹塑性；弹性、脆性、塑性和弹塑性；强度特性：强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度；度和抗弯强度；表面特性：表面特性：硬度和研磨性。硬度和研磨性。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学一、岩石的变形特征及其分类一、岩石的变形特征及其分类

13、 1、岩石的分类、岩石的分类 如右图，做压入试验时，记录下如右图，做压入试验时，记录下载荷载荷P与侵入深度与侵入深度的相关曲线。的相关曲线。按岩石在压头压入时的变形曲线按岩石在压头压入时的变形曲线和破碎特性可把岩石分成以下三类：和破碎特性可把岩石分成以下三类：岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（1）弹）弹-脆性岩石脆性岩石（如花岗（如花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）岩、石英岩、碧石铁质岩）弹脆性岩石在压头压入时弹脆性岩石在压头压入时仅产生弹性变形，至仅产生弹性变形，至A点最大点最大载荷为载荷为Pmax处便突然完成脆处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为碎穴的深度为h。

14、这时破碎穴。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面面积明显大于压头的端面面积，即积，即h/5。图图 压头压入条件下的岩石变形曲线图压头压入条件下的岩石变形曲线图 P-压头载荷；压头载荷；P0-从弹性变形过渡到塑性变形的载荷；从弹性变形过渡到塑性变形的载荷；Pmax-岩石产生脆性破碎的载荷；岩石产生脆性破碎的载荷；-岩石产生弹性变形的侵深；岩石产生弹性变形的侵深；-变形角变形角 岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（2）弹塑性岩石弹塑性岩石（如大理（如大理岩、石灰岩、砂岩）岩、石灰岩、砂岩）弹塑性岩石在压头压入时弹塑性岩石在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑首先产生弹性变形，然后塑性变形。至性变形。至B点载

15、荷达点载荷达Pmax时才突然发生脆性破碎。这时才突然发生脆性破碎。这时破碎穴面积也大于压头的时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而端面面积，而h/=2.55，即，即小于第一类岩石。小于第一类岩石。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（3）高塑性和高孔隙性岩高塑性和高孔隙性岩石石 高塑性（粘土、盐岩）高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）区别于前二孔隙石灰岩）区别于前二类，当压头压入时，在压类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，也不会在压入作破碎穴，也不会在压入作用下产生脆性破碎，用下产生脆性破碎，h/=1。岩土钻凿工程学岩土钻

16、凿工程学2、岩石弹性和塑性、岩石弹性和塑性 弹性：虎克定律，弹性模量弹性：虎克定律，弹性模量 E。塑性：塑性系数来定量地表征岩石塑性及塑性：塑性系数来定量地表征岩石塑性及脆性的大小。脆性的大小。塑性系数塑性系数K为岩石破碎前耗费的总功为岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前的弹性破碎功与岩石破碎前的弹性破碎功AE之比。之比。对于弹脆性岩石，岩石破碎前耗费的总对于弹脆性岩石，岩石破碎前耗费的总功功AF与弹性破碎功与弹性破碎功AE相等，相等，K=1；而弹塑性岩石：而弹塑性岩石：K=2-5；对于高塑性岩石对于高塑性岩石:很明显很明显K=6。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学岩石按塑性系数的大小可分成三类六级

17、，如表岩石按塑性系数的大小可分成三类六级，如表1-2所示。所示。岩石类别岩石类别弹脆性弹脆性弹塑性弹塑性高塑性高塑性低塑性低塑性高塑性高塑性级别级别123456塑性系数塑性系数1122334456表表12 岩石按塑性系数的分级岩石按塑性系数的分级 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。相反。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学影响岩石弹性、塑性的主要因素：影响岩石弹性、塑性的主要因素：E与与K相反相反1、岩石物质成分：、岩石物质成分：E：石英含量大，：石英含量大，E大。大。2、岩石结构构造：、岩石结构构造：E:颗粒小，颗粒小，E大

18、；层理：大；层理：平行大于垂直平行大于垂直3、应力状态、应力状态:E:单向大于多向单向大于多向4、载荷性质、载荷性质:E：动载大于静载：动载大于静载5、温度、温度:E：高温：高温E小小岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学二、岩石的强度特性二、岩石的强度特性（一）概念（一）概念 强度是固态物质在外载（静或动载）作用下抵抗破强度是固态物质在外载（静或动载）作用下抵抗破坏的性能指标。岩石在给定的变形方式（压、拉、弯、坏的性能指标。岩石在给定的变形方式（压、拉、弯、剪）下被破坏时的应力值称为岩石的强度极限剪）下被破坏时的应力值称为岩石的强度极限。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学图图 岩石单轴抗压试验岩石单轴抗压试

19、验 1岩样；岩样；2球座；球座；3钢垫板钢垫板 图图 岩石单轴拉伸试验岩石单轴拉伸试验1岩样；岩样；2夹头；图中尺寸单位：夹头；图中尺寸单位：cm岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学图图 圆盘劈裂试验圆盘劈裂试验图图 剪切试验剪切试验1岩样；岩样；2上下剪切模具；上下剪切模具；3模套；模套；4斜锲块；斜锲块；5上下垫板；上下垫板；6钢滚子钢滚子岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（二）分类（二）分类1、按受外力条件：抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度；、按受外力条件：抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度；2、按应力状态：单向、双向、三向应力状态下的强度；、按应力状态：单向、双向、三向应力状态下的强度；3、按加载速度：静载强度、

20、动载强度。、按加载速度：静载强度、动载强度。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（三）影响因素（三）影响因素 影响岩石强度的因素基本上可分为影响岩石强度的因素基本上可分为自然因素自然因素和和工工艺因素艺因素两大类。两大类。1、自然因素自然因素（1）造岩矿物：造岩矿物：一般一般造岩矿物强度造岩矿物强度高者其岩石的高者其岩石的强度也高。但沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例强度也高。但沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。胶结物所占的比例愈大，则胶结物强及其矿物成分。胶结物所占的比例愈大，则胶结物强度对岩石强度的影响愈大，被胶结的造岩矿物的强度度对岩石强度的影响愈大，被胶结的造岩矿物的强度对岩石强

21、度的影响愈小。细粒岩石的强度大于同一矿对岩石强度的影响愈小。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。物组成的粗粒岩石。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 （2）孔隙度：孔隙度：岩石的岩石的孔隙度孔隙度增加，密度降低，其增加，密度降低，其强度则降低，反之亦然。因此，一般岩石的强度随埋强度则降低，反之亦然。因此，一般岩石的强度随埋深的增大而增大。深的增大而增大。（3）各向异性：各向异性：岩石的强度具有明显的岩石的强度具有明显的各向异性各向异性。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强度最小，在与层理斜交

22、方向上的抗压强度介于两者之间。之间。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学2、工艺因素：工艺因素：（1）受力条件：受力条件：岩石的岩石的受力条件受力条件导致岩石的强度值导致岩石的强度值差异很大。不同受力条件下的岩石强度相对值如表差异很大。不同受力条件下的岩石强度相对值如表11所列。所列。岩石岩石不同受力条件下的岩石强度相对值不同受力条件下的岩石强度相对值抗压抗拉抗弯抗剪花岗岩10.020.040.08.0.09砂岩10.020.050.060.200.100.12石灰岩10.040.100.080.100.15 拉拉弯弯 剪剪 压压拉拉=(1/101/15)压压;弯弯=1/5-1/12 压压;剪剪=1/

23、5-1/11压压岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 （2）应力状态：多向应力状态应力状态：多向应力状态下的岩石强度比简下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍。单应力状态下的强度高出许多倍。（3）加载速度：加载速度：外载作用速度的增加使岩石的应变速率增大，外载作用速度的增加使岩石的应变速率增大，大幅度地提高了岩石的强度；大幅度地提高了岩石的强度；加载速度对塑性岩石强度的影响大于对脆性岩加载速度对塑性岩石强度的影响大于对脆性岩石强度的影响。石强度的影响。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 （4）岩样的线性尺寸岩样的线性尺寸：随岩样线性尺寸增加，：随岩样线性尺寸增加，岩石的强度降低。这主要是裂隙及孔洞存在

24、几率增岩石的强度降低。这主要是裂隙及孔洞存在几率增加的缘故。因此，测定和对比岩石强度时，必须有加的缘故。因此，测定和对比岩石强度时，必须有线性尺寸的规定，否则不能比较。线性尺寸的规定，否则不能比较。（5）湿度和温度湿度和温度：随湿度增加，岩石强度下降；：随湿度增加，岩石强度下降；对花岗岩，随温度增加，抗压强度下降。对花岗岩，随温度增加，抗压强度下降。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学三、岩石的硬度三、岩石的硬度（一）概念（一）概念 岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表表面面的能力。的能力。硬度与抗压强度既有联系，又有区别。硬度与抗压强度既

25、有联系，又有区别。联系：联系：硬度硬度=（1+2）强度；）强度；5-20倍；倍；区别：区别：抗压强度是固体抵抗抗压强度是固体抵抗整体破坏整体破坏时的阻力，而硬度则是固时的阻力，而硬度则是固体表面对另一物体体表面对另一物体局部压入或侵入局部压入或侵入时的阻力。时的阻力。因此，硬度指标更接近于钻凿过程的实际情况。因此，硬度指标更接近于钻凿过程的实际情况。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（二）影响因素（二）影响因素 影响岩石硬度的因素也可分为自然因素和工艺因影响岩石硬度的因素也可分为自然因素和工艺因素两大类，且与影响岩石强度的因素类似：素两大类，且与影响岩石强度的因素类似：（1）造岩矿物：石英、造岩矿物

26、：石英、其他坚硬矿物、碎屑含量其他坚硬矿物、碎屑含量颗粒颗粒。而而孔隙度孔隙度高，密度低，裂隙发育的岩石硬度将会降高，密度低，裂隙发育的岩石硬度将会降低。低。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 （2）岩石的硬度具有明显的）岩石的硬度具有明显的各向异性各向异性。但层理对岩。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间可相差者之间可相差1.051.8倍。岩石硬度的各向异性可以倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现很好

27、地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。象来实施定向钻进。（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。）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，随着在常压下硬度越低的岩石，随着围压围压增大，其硬度值增大，其硬度值增长越快。增长越快。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（4）一般而言，随着）一般而言，随着加载速度加载速度增加，将导致岩石的塑增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响

28、更显著。石硬度的影响更显著。（5）液体介质液体介质：岩石被水侵入后，硬度下降。：岩石被水侵入后，硬度下降。（6）工具形状和尺寸工具形状和尺寸：不同形状压头压入岩石时，所：不同形状压头压入岩石时，所得到的硬度值不同；工具形状相同时，其尺寸越小，测得到的硬度值不同；工具形状相同时，其尺寸越小，测定的硬度值越大。定的硬度值越大。在测量岩石硬度的过程中，应注意区分造岩矿物颗粒在测量岩石硬度的过程中，应注意区分造岩矿物颗粒的硬度和岩石的组合硬度。前者主要影响钻掘工具的寿的硬度和岩石的组合硬度。前者主要影响钻掘工具的寿命，而后者则对钻进中的机械钻速起重大影响。命，而后者则对钻进中的机械钻速起重大影响。岩土

29、钻凿工程学岩土钻凿工程学测试压入岩石硬度的装置测试压入岩石硬度的装置1-液压缸；液压缸；2-液压柱塞；液压柱塞；3-岩样；岩样；4-压头；压头；5-压力机上压板；压力机上压板；6-千分表；千分表；7-柱塞导向杆柱塞导向杆 岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学摆球硬度计摆球硬度计1-底盘；底盘；2-岩样；岩样；3-刻度盘；刻度盘；4-摆球；摆球；5-水平调节螺丝；水平调节螺丝；6-岩岩样固定器螺杆样固定器螺杆 岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学四、岩石的研磨性四、岩石的研磨性（一）概念（一）概念 用机械方法破碎岩石的过程中，工具本身也受到岩石的磨损用机械方法破碎岩石的过程中，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝

30、，直至损坏。而逐渐变钝，直至损坏。岩石磨损工具的能力岩石磨损工具的能力称为岩石的研磨性。称为岩石的研磨性。在钻进过程中存在着两种类型的磨损：在钻进过程中存在着两种类型的磨损：（1）破岩过程中的）破岩过程中的摩摩擦磨损擦磨损，它与所钻岩石的研磨性、破岩工具上切削具的耐磨性及，它与所钻岩石的研磨性、破岩工具上切削具的耐磨性及钻进规程参数钻进规程参数有关；（有关；（2）磨粒磨损磨粒磨损，它与从孔底分离出来的岩屑，它与从孔底分离出来的岩屑的硬度和研磨性、孔底区域内岩屑的数量有关，即取决于钻进速的硬度和研磨性、孔底区域内岩屑的数量有关，即取决于钻进速度、冲洗或吹洗孔底的程度。在金刚石钻进中这种磨损形式具

31、有度、冲洗或吹洗孔底的程度。在金刚石钻进中这种磨损形式具有重要作用，因为岩粉能磨蚀金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石重要作用，因为岩粉能磨蚀金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石出刃。出刃。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（二）影响因素（二）影响因素（1）岩石）岩石越大，其研磨性也越强，富含越大，其研磨性也越强，富含石英的岩石具有强研磨性（但石英含量过高时，坚硬、石英的岩石具有强研磨性（但石英含量过高时，坚硬、致密岩石呈现致密岩石呈现“弱研磨性弱研磨性”）。）。（2）岩石）岩石越低，岩石的研磨性越越低，岩石的研磨性越强。强。（3）岩石）岩石越尖锐，颗粒尺寸越大，则岩石越尖锐，颗粒尺寸越大，则岩石的研磨性越

32、强。的研磨性越强。（4）岩石表面粗糙，在与工具接触的局部易岩石表面粗糙，在与工具接触的局部易产生应力集中，从而增强岩石的研磨性。产生应力集中，从而增强岩石的研磨性。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 （5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，的岩石（如花岗岩）研磨性较强。因为这的岩石（如花岗岩）研磨性较强。因为这类岩石中较软的矿物（云母、长石）首先被破碎下来，类岩石中较软的矿物（云母、长石）首先被破碎下来，使岩石表面变得粗糙，同时石英颗粒出露，从而增强使岩石表面变得粗糙，同时石英颗粒出露，从而增强了研磨能力。了研磨能力。（6）试验证明，当工具与所钻岩石表面摩擦时

33、，在）试验证明，当工具与所钻岩石表面摩擦时，在未达到岩石的压入硬度值之前，动摩擦系数未达到岩石的压入硬度值之前，动摩擦系数是轴向力和滑动速度的增函数，而达到和超过后，动是轴向力和滑动速度的增函数，而达到和超过后，动摩擦系数便保持恒定或有所下降。摩擦系数便保持恒定或有所下降。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学 （7）会改变岩石的研磨性，润湿和含水的岩会改变岩石的研磨性，润湿和含水的岩石硬度和研磨性会下降。石硬度和研磨性会下降。（三）研磨性的测定方法（三）研磨性的测定方法1、实钻测定法、实钻测定法2、微钻测定法、微钻测定法3、标准件测定法：钻磨法、铣磨法、球磨法、标准件测定法：钻磨法、铣磨法、球磨法岩土

34、钻凿工程学岩土钻凿工程学五、岩石的可钻性五、岩石的可钻性（一）概念（一）概念 岩石的可钻性是岩石的可钻性是。它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩。它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的是岩石在钻进过程中显示出来的。它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础。同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础。岩石可钻性是

35、个多变量的函数，它不仅受控于岩石的性质，岩石可钻性是个多变量的函数，它不仅受控于岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系。而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（二）影响因素（二）影响因素1、岩石、岩石：造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗：造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗粒细小、结构致密、未经风化和蚀变时，岩石可钻性差；粒细小、结构致密、未经风化和蚀变时，岩石可钻性差；而岩石的强度和硬度高、研磨性强，岩石破碎就比较困而岩石的强度和硬度高、研磨性强，岩石破碎就比较困难，岩石可钻性也差些。难，岩石可钻性也差些。2、：设备类型、孔径、孔深、钻进方法、碎：设备类型

36、、孔径、孔深、钻进方法、碎岩工具的结构和质量等。岩工具的结构和质量等。3、：钻压、转速、冲洗液类型、孔底排粉情：钻压、转速、冲洗液类型、孔底排粉情况等。况等。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学（三）划分岩石可钻性级别的方法（三）划分岩石可钻性级别的方法 由于可钻性与许多因素有关，要找出它与诸影响因素之间的由于可钻性与许多因素有关，要找出它与诸影响因素之间的定量关系十分困难，目前国内外仍采用试验的方法来确定岩石定量关系十分困难，目前国内外仍采用试验的方法来确定岩石的可钻性。不同部门使用的钻进方法不同，其测定可钻性的试的可钻性。不同部门使用的钻进方法不同，其测定可钻性的试验手段，甚至可钻性指标的量纲也不

37、尽相同。例如，钻探界在验手段，甚至可钻性指标的量纲也不尽相同。例如，钻探界在回转钻进中以单位时间的钻头进尺（机械钻速）作为衡量岩石回转钻进中以单位时间的钻头进尺（机械钻速）作为衡量岩石可钻性的指标，分成可钻性的指标，分成12个级别，级别越大的岩石越难钻进；在个级别，级别越大的岩石越难钻进；在冲击钻进中常采用单位体积破碎功（碎岩比功）来进行可钻性冲击钻进中常采用单位体积破碎功（碎岩比功）来进行可钻性分级。而在石油钻井部门则以机械钻速与钻头进尺的乘积或微分级。而在石油钻井部门则以机械钻速与钻头进尺的乘积或微型钻头的钻时作为衡量指标，分成型钻头的钻时作为衡量指标，分成10个级别。个级别。几种有代表性

38、的划分岩石可钻性级别的方法是：几种有代表性的划分岩石可钻性级别的方法是：岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学1、力学性质指标法、力学性质指标法 采用单一的岩石力学性质来划分岩石的可钻性级采用单一的岩石力学性质来划分岩石的可钻性级别。据压入硬度值把岩石分成别。据压入硬度值把岩石分成6类类12级（表级（表1-4），据），据摆球的回弹次数把岩石分成摆球的回弹次数把岩石分成12级（表级（表1-5）。如果用上）。如果用上述两种方法确定的可钻性级别不一致，可按包括压入述两种方法确定的可钻性级别不一致，可按包括压入硬度值硬度值Hy和摆球硬度值和摆球硬度值Hn的回归方程式（的回归方程式（1-17）来确）来确定可钻性定

39、可钻性K值。值。（117）岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学表表14 按压入硬度值对岩石的可钻性分级表按压入硬度值对岩石的可钻性分级表 岩石岩石类别类别软中 软中 硬硬坚 硬极 硬岩石岩石级别级别123456789101112硬度硬度(MPa)1001002502505005001000100015001500200020003000300040004000500050006000600070007000表表15 按摆球硬度计的回弹次数对岩石的可钻性分级表按摆球硬度计的回弹次数对岩石的可钻性分级表 岩石级别岩石级别23456789101112回弹次数回弹次数141529304445545564657

40、47584859495104105125125岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学2、实际钻进速度法、实际钻进速度法 在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，以所得的纯钻进速度作为岩石的可钻性级别。这种方法以所得的纯钻进速度作为岩石的可钻性级别。这种方法随着技术的进步，必须实时修正。原地质矿产部曾制定随着技术的进步，必须实时修正。原地质矿产部曾制定了适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表，如表了适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表，如表1-6所所列。列。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学岩石岩石级别级别钻进时效钻进时效(m/h)代表性岩石举例代表性岩石举例金刚石

41、硬合金14 3.90粉砂质泥岩，碳质页岩，粉砂岩，中粒砂岩，透闪岩，煌斑岩52.903.602.50硅化粉砂岩，滑石透闪岩，橄榄大理岩，白色大理岩，石英闪长玢岩，黑色片岩62.303.102.00黑色角闪斜长片麻岩，白云斜长片麻岩，黑云母大理岩，白云岩，角闪岩，角岩71.902.601.40白云斜长片麻岩，石英白云石大理岩，透辉石化闪长玢岩，混合岩化浅粒岩，黑云角闪斜长岩，透辉石岩，白云母大理岩，蚀变石英闪长玢岩，黑云角石英片岩81.502.100.80花岗岩，矽卡岩化闪长玢岩，石榴石矽卡岩，石英闪长玢岩，石英角闪岩，黑云母斜长角闪岩，混合伟晶岩，黑云母花岗岩，斜长闪长岩，混合片麻岩91.10

42、1.70 混合岩化浅粒岩,花岗岩,斜长角闪岩,混合闪长岩,钾长伟晶岩，橄榄岩，斜长混合岩，闪长玢岩，石英闪长玢岩，似斑状花岗岩，斑状花岗闪长岩100.801.20 硅化大理岩，矽卡岩，钠长斑岩，斜长岩，花岗岩，石英岩，硅质凝灰砂砾岩110.500.90 凝灰岩，熔凝灰岩，石英角岩，英安岩120.60 石英角岩，玉髓，熔凝灰岩，纯石英岩表表1-6 适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表 岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学3、微钻法、微钻法 采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩心进行钻进试验。我国原地质矿产部的规范是以

43、微对岩心进行钻进试验。我国原地质矿产部的规范是以微钻的平均钻速作为岩石可钻性指标，其分级情况如表钻的平均钻速作为岩石可钻性指标，其分级情况如表1-7所列。而原石油部所列。而原石油部1987年颁布的岩石可钻性分级办法年颁布的岩石可钻性分级办法是用微钻在岩样上钻三个孔深是用微钻在岩样上钻三个孔深2.4mm的孔，取三个孔钻的孔，取三个孔钻进时间的平均值为钻时进时间的平均值为钻时t，对式（，对式（1-18）的结果取整后）的结果取整后作为该岩样的可钻性级别作为该岩样的可钻性级别Kd，据此值可把各油田地层，据此值可把各油田地层的可钻性分成的可钻性分成10个等级，等级越高的岩石越难钻。个等级，等级越高的岩石

44、越难钻。（118）岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学表表1-7 按微钻的平均钻速对岩石可钻性分级表按微钻的平均钻速对岩石可钻性分级表 岩石级别岩石级别3456789101112微钻钻速微钻钻速(mm/min)2162591352158513453843452213314209136854.破碎比功法破碎比功法 用圆柱形压头作压入试验时，可通过压力与侵深曲线图求出用圆柱形压头作压入试验时，可通过压力与侵深曲线图求出破碎功，然后计算出单位接触面积破碎比功破碎功，然后计算出单位接触面积破碎比功AS，根据破碎比功法，根据破碎比功法对岩石进行可钻性分级，如表对岩石进行可钻性分级，如表1-8所列。所列。表表1-

45、8 按单位面积碎岩比功对岩石可钻性分级表按单位面积碎岩比功对岩石可钻性分级表 岩石级别岩石级别12345678910破碎比功破碎比功AS(Nm/cm2)2.52.55.05.0101015152020303050508080120120岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学第四节第四节 土的物理力学性质土的物理力学性质 通常土被当作三相体系来研究，它由相互作用着的固体、通常土被当作三相体系来研究，它由相互作用着的固体、液体、气体三部分组成。固体矿物颗粒（土粒）是土的骨架。液体、气体三部分组成。固体矿物颗粒（土粒）是土的骨架。在骨架间的孔隙中存在着液体（一般为水）和气体，在低温下在骨架间的孔隙中存在着液体

46、（一般为水）和气体，在低温下还可能有冰。孔隙完全被水充满的土称为饱和土，孔隙完全被还可能有冰。孔隙完全被水充满的土称为饱和土，孔隙完全被气体充满时称为干土，它们均属二相体系。气体充满时称为干土，它们均属二相体系。一、土的物理性质特征一、土的物理性质特征1、土的含水量、土的含水量 含水量是表示土的湿度的重要指标。天然土层的含水量变含水量是表示土的湿度的重要指标。天然土层的含水量变化范围很大，一般干的粗砂土含水量接近于零，而饱和砂土可化范围很大，一般干的粗砂土含水量接近于零，而饱和砂土可达达40%。同类土，含水量增大，则强度降低。同类土，含水量增大，则强度降低。土的天然含水量土的天然含水量：式中：

47、式中：Ww、WS土中水的质量、土粒的质量，土中水的质量、土粒的质量，kg。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学2、土的密实度、土的密实度 天然状态下的无粘性土呈疏散状态时，其压缩性与透水性较天然状态下的无粘性土呈疏散状态时，其压缩性与透水性较高，强度较低；密实后其压缩性小，强度较高，可作为良好的地高，强度较低；密实后其压缩性小，强度较高，可作为良好的地基。工程上常用密实度来评定无粘性土的地基承载力。碎石土和基。工程上常用密实度来评定无粘性土的地基承载力。碎石土和砂土的密实度可根据野外鉴定结果分成密实、中密、稍密和松散砂土的密实度可根据野外鉴定结果分成密实、中密、稍密和松散几个等级。几个等级。3、土的塑

48、性指数和液性指数、土的塑性指数和液性指数 粘性土在一定的含水量范围内，可用外力塑成任何形状，而粘性土在一定的含水量范围内，可用外力塑成任何形状，而当外力移去后仍保持原有形状，这种性能称为可塑性。土由可塑当外力移去后仍保持原有形状，这种性能称为可塑性。土由可塑状态转为半固态的界限含水量叫做塑限状态转为半固态的界限含水量叫做塑限(WP)；土由流动状态转为；土由流动状态转为可塑状态的界限含水量叫做液限可塑状态的界限含水量叫做液限(WL)。土处在可塑状态的含水量。土处在可塑状态的含水量变化范围用塑性指数变化范围用塑性指数(IP)来表示，而判断粘性土的软硬程度则用液来表示，而判断粘性土的软硬程度则用液性

49、指数（又称稠度）性指数（又称稠度）(IL)表示。表示。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学二、土的力学性质特征与工程分类二、土的力学性质特征与工程分类1、土的压缩性、土的压缩性 土的压缩性通常用天然原状土在室内做有侧限压缩试验来确土的压缩性通常用天然原状土在室内做有侧限压缩试验来确定。这种只受垂向压缩，侧向不变形的受力条件与自然土层承受定。这种只受垂向压缩，侧向不变形的受力条件与自然土层承受大面积均匀载荷很接近。土的压缩系数：大面积均匀载荷很接近。土的压缩系数：式中：式中：P1、P2地基某深处土的竖向自重应力和该处自重地基某深处土的竖向自重应力和该处自重应力与附加应力之和，应力与附加应力之和，MPa；

50、e1、e2相应于相应于P1、P2作用下压缩作用下压缩稳定后的孔隙比。稳定后的孔隙比。在在建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范中以中以P1=0.1MPa，P2=0.2MPa时对应的压缩系数作为土的压缩性分类标志。时对应的压缩系数作为土的压缩性分类标志。岩土钻凿工程学岩土钻凿工程学2、土的抗剪性、土的抗剪性 对于无粘性土，颗粒间的连接力很微弱，其抗剪力主要来对于无粘性土，颗粒间的连接力很微弱，其抗剪力主要来自土粒间的内摩擦力和嵌合力，与土粒表面的粗糙度、密度、自土粒间的内摩擦力和嵌合力，与土粒表面的粗糙度、密度、颗粒大小及粒度级配有关。对于粘性土，由于颗粒间存在着一颗粒大小及粒度级配有关。对于