第二章 岩石基本物理力学性质

第二章

岩石基本物理力学性质

第一节 岩石基本物理性质

第二节 岩石的强度特性 第三节 岩石的变形特征 第四节 岩石强度理论

2014-5-26

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教学要求：岩石物理性质的内容；岩石强度及其破坏特点和影响因素；强度测试方法；岩石变形特征；岩石变形机理；岩石流变及分类；岩石介 质模型(本构关系);岩石强度理论。

学时分配：14学时，其中实验室参观2学时。

岩石基本物理力学性质是最基本、最重要的性质，最早完善研究。含基本物理、水理性质，获得方 法，强度、变形、方法、性质。

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第一节

岩石基本物理性质

一、质量指标( 密度、比重)1.密度—质量与体积之比；单位体积内质量 (指标),绝对值用得多。岩石含固相、液相、 汽相物质。(1)天然密度 在自然状态下单位体积的质量。(2)干密度 (液体全部蒸发)

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(3)饱和密度 (孔隙被水充填时) (4)重力密度 计算自重应力转化 (5)测试方法 (P9) 密度×g

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2.岩石比重(1)相对比值(指标) 用得少

G1 /(Vc w )G1—岩石固体的质量；Vc w

—同体积(Vc)的水在4℃时质量。

(2)测试方法：比重瓶法

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二、岩石孔隙性 反映裂隙发育程度的指标 。1.孔隙比(e)(孔隙体积/固体体积)

2.孔隙率(N)(孔隙体积/试件体积)n Vv / V

n 3.关系 e 1- n2014-5-26 山东科技大学 6

三、岩石水理性质 (一)含水性质 1.含水率( w )相对比值的百分数；岩石孔隙中水质量/固体质 量：

w mw / msms-试件固体质量

(%)

该指标对软岩重要，对中硬以上岩并不重要。2014-5-26 山东科技大学 7

2.岩石吸水率(

WS

)

吸入水的质量与试件固体的质量之比：WS

(m0 ms ) / ms 100 (%)

mo-试件浸水48h的质量 饱和密度—天然密度/干密度。 间接反映孔隙多少的指标。 软岩——大。

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(二)岩石渗透性1.定义 — 在一定水压力下，穿透岩石的能力。 反映裂隙连通的程度，用岩石的渗透系数K表述。

由达西定律描述：

qx式中,

dh K A dx

qx —x方向的流量； h —水头高度；A —垂直x方向横截面积； K—岩石渗透系数 。

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2.测试方法：

3.渗透性有很重要的工程意义：采油。另外，岩体的渗透性远远大于岩石，危害性大 。

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石油开采是一个系统工程，需要多学科、多专业、多领域的结合方能实现。一般的步骤是：1

、由地质学家根据当地的沉积状况分析，进行三维地震普查，其目的是发现可能生油的圈闭构造。

2、根据对三维地震分析结果，以及沉积理论分析，认为地下可能有油气圈闭构造，就上钻机打探井。 3、如果打井时发现有油气显示，就扩大打井的范围，以找 到工业油气流。 4、发现工业油气流后，就大量打生产井。2014-5-26 山东科技大学 11

5、生产井打出后，由油建公司建设地面管线、油气处理站(一般叫联合站)。 6、采油厂安装抽油机，建设计量站，井下作业公司对油井 实施作业，然后进行采油生产。 生产出来的油要经过“三 脱”处理，即脱水、脱气、脱硫。经过处理后的纯油输送到

炼油厂进行冶炼，生产出各种成品油。天然气则直接作为燃料销售。

一般的油井深度1500米左右，有深的也有浅的。深的井可达3000米以上，浅的井只有200多米。如河南油田的 油井深度在250米至1500米左右。 以上是石油开采的

大致步骤，当然，实际情况也比这复杂得多了。2014-5-26 山东科技大学 12

通俗地说，石油开采是利用油层的压力(能量),借助机械设备来实现开采的，没有压力(能量)石油就开不出来，为了补充油层的能量，一般采 用注水(或注气)来实现。油层的压力高，油就 容易开采到地面来，如果们压力低，开采就困难， 或者无法实现。

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四、岩石的抗风化指标岩体(石)开挖后冒落，经水……作用，岩石性 能会下降。 (一)软化系数( )定义：干燥状态的单轴抗压强度/饱和状态下单轴 抗压强度：

Rcc / Rcd 1 2014-5-26

受水影响小 。山东科技大学 14

(二)耐崩解性指数(Id)—对岩石试件烘干，浸水循环试验所得指数，反映岩石在浸水和温

度变化作用下抵抗风化能力。1.定义：是一个质量比 。

Id 2 m / ms (%)式中， ms — 试验前试块烘干的质量；m — 2次循环试验后残留烘干质量。

2.测试方法(p12)2014-5-26 山东科技大学

I d 2 30~ 98%15

(三)岩石的膨胀性含有粘土矿物的岩石，遇水会膨胀，因为粘土矿物遇 水促使其颗粒间的水膜增多。 1.自由膨胀率—试件在无任何约束条件下浸水试 验后所产生的膨胀变形与试件原尺寸的比值。

VH H / H VD D / D

(%) (%)

轴向 径向

H 、 D —浸水质岩石试件轴向，径向膨胀变形量；H、D—试验前的量 。2014-5-26 山东科技大学 16

2.侧向约束膨胀率(VHP)—具有侧向约束的岩石 试件浸水后所产生轴向膨胀变形。

VHP H1 / H

(%)

H 1 —侧向约束条件下的轴向膨胀量。3.膨胀压力 — 岩石

浸水试验后，使试件保持原有 体积所施加的最大压力。

五、岩石的其他性质硬度，可钻性，热传导，……2014-5-26 山东科技大学 17

第二节 岩石的强度特性b) 受力方式不同，有不同的强度指标。

a) 强度—材料受力时抵抗破坏的能力，用应力表示。

一、岩石的单轴抗压强度(Rc)

1.定义—在无侧压条件下，岩石试件受轴向力至破 坏时，单位面积承受的荷载。 R P / A c式中，Rc —强度，Pa,Mpa;

P —破坏载荷，N; A —试件横截面积，m2。2014-5-26 山东科技大学 18

2.试验方法 (p14)

试验方法 钻机

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