国家精品课程:岩土钻掘工程学第1章——岩土的物理力学性质及其破碎机理.ppt

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中国地质大学勘察与基础工程系 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 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 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。 一般而言:金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩和变质岩中,煤和石油等可燃性矿产通常与沉积岩共存。 一、岩石按粘结状态的分类 1. 坚固岩石: 通常具有高硬度,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,前者硬度高,难以钻掘。通常在生产中会遇到无裂纹和裂隙性两种坚固岩石。在完整的坚固岩石中施工时,孔(井)壁稳定不必加固,而在强裂隙性岩石中穿过的孔(井)壁 必须加固。 第一节岩石的物理力学性质概述 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。 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 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/Vc 2、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 第一节岩石的物理力学性质概述 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0.1~1m m)、 粉砂结构(碎屑直径0.01~0.1mm)。。 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‖

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