岩石力学讲义岩石的物理性质省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

石油工程石油工程岩石力学岩石力学Petroleum Engineering Rock Mechanics/10/10岩石力学第第1页页课程回顾课程回顾o一个意义：为何学习岩石力学？一个意义：为何学习岩石力学？o两个定义两个定义n岩石力学定义岩石力学定义n岩石定义岩石定义o一个特点：岩石力学研究对象特点一个特点：岩石力学研究对象特点o一个方法：研究岩石力学方法一个方法：研究岩石力学方法/10/10岩石力学第第2页页此次课课程提要此次课课程提要一、岩石组构特征一、岩石组构特征二、岩石中结构面（软弱面）二、岩石中结构面（软弱面）三、岩石四个性质三、岩石四个性质四、岩石物理四、岩石物理五、岩石水理性能五、岩石水理性能/10/10岩石力学第第3页页1 1 岩石物质组成岩石物质组成粘土矿物粘土矿物硅酸盐类矿物硅酸盐类矿物碳酸盐类矿物碳酸盐类矿物氧化物类矿物氧化物类矿物组成岩石矿物组成岩石矿物组成岩石矿物成份及其相对含量在一定程度上决组成岩石矿物成份及其相对含量在一定程度上决定着岩定着岩石石力学性质力学性质二、岩石组构特征二、岩石组构特征/10/10岩石力学第第4页页物质组成对力学性质影响物质组成对力学性质影响o普通硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉普通硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片状）等状）等o含硬度大粒状矿物愈多，岩石强度高花岗含硬度大粒状矿物愈多，岩石强度高花岗岩、闪长岩、玄武岩岩、闪长岩、玄武岩o含硬度小片状矿物愈多，岩石强度愈低粘含硬度小片状矿物愈多，岩石强度愈低粘土岩、泥岩土岩、泥岩/10/10岩石力学第第5页页o碳酸盐类矿物主要包含石灰岩和白云岩类，碳酸盐类矿物主要包含石灰岩和白云岩类，岩石物理力学性质取决于岩石中岩石物理力学性质取决于岩石中CaCOCaCO3 3及酸及酸不溶物含量不溶物含量oCaCOCaCO3 3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高o泥质含量高，如泥质灰岩、泥灰岩等力学性泥质含量高，如泥质灰岩、泥灰岩等力学性质差质差物质组成对力学性质影响物质组成对力学性质影响/10/10岩石力学第第6页页o碎屑岩力学性质与胶结物成份关系：碎屑岩力学性质与胶结物成份关系：o强度上：硅质强度上：硅质 铁质铁质 钙质钙质 泥质泥质物质组成对力学性质影响物质组成对力学性质影响/10/10岩石力学第第7页页/10/10岩石力学第第8页页泥页岩粘土矿物组成泥页岩粘土矿物组成o蒙脱石蒙脱石o伊利石伊利石o绿泥石绿泥石o高岭石高岭石o伊蒙混层伊蒙混层粘土矿物粘土矿物力学性质力学性质 蒙脱石含量高蒙脱石含量高软，易变形，易水化软，易变形，易水化 伊利石含量高伊利石含量高硬脆，不易变形，不易水化硬脆，不易变形，不易水化/10/10岩石力学第第9页页2 2 岩石结构岩石结构岩岩石石结结构构：岩岩石石内内矿矿物物颗颗粒粒大大小小、形形状状、排排列列方方式式及及微微结结构构面面发发育育情情况况与与粒粒间间连连结结方方式式等等反反应应在在岩岩块块组组成成上上特特征征。其其中中，粒粒间间连连结结分分结结晶晶连连结结与与胶胶结结连结连结二、岩石组构特征二、岩石组构特征颗粒形状颗粒形状 强度：强度：粒状、柱状粒状、柱状片状片状鳞状鳞状颗粒大小颗粒大小 强度：强度：粗粒粗粒 不等粒不等粒/10/10岩石力学第第10页页2 2 岩石结构岩石结构微微结结构构面面：指指存存在在于于矿矿物物颗颗粒粒内内部部或或矿矿物物颗颗粒粒间间软软弱弱面面或或缺缺点点，包包含含矿矿物物解解理理、晶晶格格缺缺点点、粒粒间间空空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等 降低岩石强度降低岩石强度 造成岩石力学性质各向异性造成岩石力学性质各向异性二、岩石组构特征二、岩石组构特征/10/10岩石力学第第11页页2 2 岩石结构岩石结构结结晶晶连连结结：矿矿物物颗颗粒粒经经过过结结晶晶相相互互嵌嵌合合在在一一起起，它它是是经经过过共共用用原原子子或或离离子子使使不不一一样样晶晶粒粒紧紧密密接接触触岩浆岩、变质岩、沉积岩中碳酸岩岩浆岩、变质岩、沉积岩中碳酸岩胶胶结结连连结结：矿矿物物颗颗粒粒经经过过胶胶结结物物连连结结在在一一起起碎屑岩碎屑岩二、岩石组构特征二、岩石组构特征/10/10岩石力学第第12页页二、二、岩石组构特征岩石组构特征o基底型：彼此不发生接触矿物颗粒埋在玻璃体重，这种基底型：彼此不发生接触矿物颗粒埋在玻璃体重，这种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物相关情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物相关o接触型：仅仅在颗粒接触点存在胶结物，这种胶结程度接触型：仅仅在颗粒接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩石强度也不大低，岩石强度也不大o间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒孔隙被胶结物间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒孔隙被胶结物充填充填o溶蚀型：胶结物不但充填在矿物颗粒之间，而且进入到溶蚀型：胶结物不但充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒本身中，胶结强度很高。矿物颗粒本身中，胶结强度很高。岩石主要胶结类型：岩石主要胶结类型：/10/10岩石力学第第13页页A）基底型）基底型 B）间隙型）间隙型 C）接触型接触型 D）溶蚀型）溶蚀型/10/10岩石力学第第14页页3 3 岩石结构岩石结构岩石结构岩石结构：岩石结构是指岩石组成成份在空间上岩石结构是指岩石组成成份在空间上相互排列及所占位置。相互排列及所占位置。岩浆岩结构岩浆岩结构：块状结构、流纹状结构、气孔状结块状结构、流纹状结构、气孔状结构、杏仁状结构构、杏仁状结构沉积岩结构沉积岩结构：层理结构层理结构变质岩结构变质岩结构：片理结构片理结构二、岩石组构特征二、岩石组构特征/10/10岩石力学第第15页页/10/10岩石力学第第16页页/10/10岩石力学第第17页页三、岩石中结构面（软弱面）三、岩石中结构面（软弱面）o结构面就是岩石内含有一定方向性、延展性结构面就是岩石内含有一定方向性、延展性较大、厚度较小两维面状地质界面，包含物较大、厚度较小两维面状地质界面，包含物质异面和不连续面（如层理、断裂面等）质异面和不连续面（如层理、断裂面等）1.结构面成因类型结构面成因类型2.结构面规模与分级结构面规模与分级3.结构面特征及其对岩石性质影响结构面特征及其对岩石性质影响/10/10岩石力学第第18页页一）结构面成因类型一）结构面成因类型o地质成因类型地质成因类型n原生结构面原生结构面n结构结构面结构结构面n次生结构面次生结构面o力学成因类型力学成因类型n张性结构面张性结构面n剪性结构面剪性结构面/10/10岩石力学第第19页页结构面地质成因类型结构面地质成因类型1.原生结构面：原生结构面：在岩石形成过程中形成在岩石形成过程中形成软弱面软弱面n岩浆岩流动结构面、冷缩形成原生裂隙面、侵入体与岩浆岩流动结构面、冷缩形成原生裂隙面、侵入体与围岩接触面；围岩接触面；n沉积岩体内层理面、不整合面；沉积岩体内层理面、不整合面；n变质岩体内片理面，以及片麻结构面等。变质岩体内片理面，以及片麻结构面等。o在原生结构面中，除了原生裂隙，以及因为受结在原生结构面中，除了原生裂隙，以及因为受结构运动和风化作用影响，已经脱开软弱面外，多构运动和风化作用影响，已经脱开软弱面外，多含有一定连结力和较高强度含有一定连结力和较高强度。/10/10岩石力学第第20页页结构面地质成因类型结构面地质成因类型2.结构结构面：结构结构面：岩石形成后结构运动过程中产生各种破裂岩石形成后结构运动过程中产生各种破裂面面o断裂面、层间错动面结构作用形成软弱夹层，以及结构断裂面、层间错动面结构作用形成软弱夹层，以及结构裂隙面等裂隙面等o这类软弱面除了已经胶合者以外，绝大部分都是脱开这类软弱面除了已经胶合者以外，绝大部分都是脱开o规模较大，多充填有厚度不等、类型和连续程度不一样规模较大，多充填有厚度不等、类型和连续程度不一样充填物，其中大部分已泥化，或者已变成了软弱夹层充填物，其中大部分已泥化，或者已变成了软弱夹层o就普通情况而言，除了部分结构裂隙以外，就普通情况而言，除了部分结构裂隙以外，大部分结构大部分结构软弱面特征都很坏软弱面特征都很坏，强度多靠近于岩体剩下强度，强度多靠近于岩体剩下强度，往往往往造成复杂造成复杂。/10/10岩石力学第第21页页结构面地质成因类型结构面地质成因类型o次生结构面：次生结构面：岩体在外力作用下产生软弱面岩体在外力作用下产生软弱面o如风化裂隙面、卸荷裂隙面等。风化裂隙面发育深如风化裂隙面、卸荷裂隙面等。风化裂隙面发育深度不大，方向紊乱，连续性很低。但可降低岩体强度不大，方向紊乱，连续性很低。但可降低岩体强度和变形模量。卸荷裂隙是因为卸荷作用引发岩体度和变形模量。卸荷裂隙是因为卸荷作用引发岩体在垂直于卸荷自由面方向发生伸长而形成。卸荷裂在垂直于卸荷自由面方向发生伸长而形成。卸荷裂隙面基本上平行于岩体卸荷自由面。隙面基本上平行于岩体卸荷自由面。普通来说，次普通来说，次生结构面主要影响地面附近岩体稳定性生结构面主要影响地面附近岩体稳定性。/10/10岩石力学第第22页页结构面力学成因类型结构面力学成因类型o这里所说这里所说结构面是指岩体中破裂面结构面是指岩体中破裂面而言而言o所谓软弱面力学成因类型，是所谓软弱面力学成因类型，是指按照形成破裂面破指按照形成破裂面破坏应力不一样，所划分破裂面类型坏应力不一样，所划分破裂面类型。依据野外观察。依据野外观察到事实、大量岩体力学试验结果以及莫尔库伦破坏到事实、大量岩体力学试验结果以及莫尔库伦破坏理论分析，认为岩体破坏只有剪切破坏和拉断破坏理论分析，认为岩体破坏只有剪切破坏和拉断破坏两种类型。破裂面力学成因，应划分为剪性和张性两种类型。破裂面力学成因，应划分为剪性和张性两大类别。两大类别。/10/10岩石力学第第23页页结构面力学成因类型结构面力学成因类型o张性破裂面张性破裂面：是由张力形成，在破坏过程中，破是由张力形成，在破坏过程中，破坏面两侧岩体仅沿破裂面法向发生分离位移。张坏面两侧岩体仅沿破裂面法向发生分离位移。张性破裂面，普通张开度大，连续性差，形态多不性破裂面，普通张开度大，连续性差，形态多不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗糙规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗糙度大，破碎带宽度改变大，且易被岩脉、矿脉充度大，破碎带宽度改变大，且易被岩脉、矿脉充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面经常含填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面经常含有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征/10/10岩石力学第第24页页/10/10岩石力学第第25页页结构面力学成因类型结构面力学成因类型o剪性破裂面剪性破裂面：是由剪应力而形成，破裂面两是由剪应力而形成，破裂面两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不一样程度滑侧岩体沿破裂面切线方向发生有不一样程度滑错位移。含有擦痕、共轭性、规律位移方向以错位移。含有擦痕、共轭性、规律位移方向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有特征，也及断面比较光滑，是剪性破裂面共有特征，也是判定剪性破裂面主要依据。是判定剪性破裂面主要依据。/10/10岩石力学第第26页页正断层正断层上盘相对下盘向下滑动断层上盘相对下盘向下滑动断层上盘下降上盘下降下盘上升下盘上升/10/10岩石力学第第27页页三）结构面特征及其对岩体性质影响三）结构面特征及其对岩体性质影响1.1.产状产状2.2.连续性连续性3.3.密度密度4.4.张开度张开度5.5.形态形态6.6.充填胶结情况充填胶结情况7.7.组合关系组合关系 /10/10岩石力学第第28页页软弱面影响软弱面影响o岩石软弱面对岩体物理力学特征如岩体强度、岩石软弱面对岩体物理力学特征如岩体强度、变形性、渗透性，力学上连续性及岩体应力变形性、渗透性，力学上连续性及岩体应力分布等都有显著影响。所以，在很多情况下，分布等都有显著影响。所以，在很多情况下，软弱面是岩体力学问题一个主要控制原因。软弱面是岩体力学问题一个主要控制原因。从本质上说，软弱面使岩体变得愈加软弱，从本质上说，软弱面使岩体变得愈加软弱，更易于变形而且表现为高度各向异性。更易于变形而且表现为高度各向异性。/10/10岩石力学第第29页页裂缝性地层套管损坏裂缝性地层套管损坏ooElfElf企业岩石力学教授企业岩石力学教授企业岩石力学教授企业岩石力学教授Maury Maury 和和和和SauzySauzy在研究裂缝性地层套管损坏时首先在研究裂缝性地层套管损坏时首先在研究裂缝性地层套管损坏时首先在研究裂缝性地层套管损坏时首先提出了井眼周围裂缝岩体剪切位移理论并应用于井壁稳定性分析提出了井眼周围裂缝岩体剪切位移理论并应用于井壁稳定性分析提出了井眼周围裂缝岩体剪切位移理论并应用于井壁稳定性分析提出了井眼周围裂缝岩体剪切位移理论并应用于井壁稳定性分析裂缝性裂缝性裂缝性裂缝性地层地层地层地层裂缝性地层扰动裂缝性地层扰动裂缝性地层扰动裂缝性地层扰动产生剪切位移造产生剪切位移造产生剪切位移造产生剪切位移造成套管变形成套管变形成套管变形成套管变形/10/10岩石力学第第30页页裂缝岩体剪切位移造成井眼缩径现象裂缝岩体剪切位移造成井眼缩径现象oo剪切位移引发井眼形状改变剪切位移引发井眼形状改变剪切位移引发井眼形状改变剪切位移引发井眼形状改变XYX X X X方向井径降低方向井径降低方向井径降低方向井径降低Y Y Y Y方向井径增加方向井径增加方向井径增加方向井径增加剪剪剪剪切切切切错错错错动动动动方方方方向向向向不一样剪切位不一样剪切位不一样剪切位不一样剪切位移方向井眼形移方向井眼形移方向井眼形移方向井眼形状状状状/10/10岩石力学第第31页页井下电视测井观察到：井下电视测井观察到：裂缝岩体剪切位移造成井眼缩径现象裂缝岩体剪切位移造成井眼缩径现象裂缝岩体剪切位移造成井眼缩径现象裂缝岩体剪切位移造成井眼缩径现象oo井下电视测井显示破碎性地层在井眼周围产生剪切位移情况井下电视测井显示破碎性地层在井眼周围产生剪切位移情况井下电视测井显示破碎性地层在井眼周围产生剪切位移情况井下电视测井显示破碎性地层在井眼周围产生剪切位移情况剪切位移造成井眼剪切位移造成井眼缩径实例（现场实缩径实例（现场实测结果测结果）/10/10岩石力学第第32页页o，BP 美国企业在墨西哥湾碰到钻井中井壁稳定问题。o井眼与地层层理面夹角不一样（井斜角不一样），井壁垮塌程度、垮塌岩石大小、形状不一样。/10/10岩石力学第第33页页Dusseault Dusseault 研究破碎性地研究破碎性地层井壁稳定性时发觉井壁层井壁稳定性时发觉井壁是否稳定与井眼尺寸相关，是否稳定与井眼尺寸相关，井眼尺寸越大井壁越不稳井眼尺寸越大井壁越不稳定。定。在研究层剪发育各向在研究层剪发育各向异性地层井壁稳定性时发异性地层井壁稳定性时发觉井壁稳定性与井眼轴线觉井壁稳定性与井眼轴线和地层层理面夹角相关，和地层层理面夹角相关，认为应尽可能以垂直与层认为应尽可能以垂直与层理面方式进入地层，才能理面方式进入地层，才能保持井壁稳定性。保持井壁稳定性。裂缝发育破碎性地层层剪发育层剪发育各向异性各向异性地层地层各向异性地层加拿大科学家研究结果加拿大科学家研究结果/10/10岩石力学第第34页页三、岩石不连续性、非均匀性、各向三、岩石不连续性、非均匀性、各向异性和渗透性异性和渗透性/10/10岩石力学第第35页页岩石不连续性岩石不连续性岩石中普遍存在结构面，不论是物质分异面还是物质岩石中普遍存在结构面，不论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近岩石物理力学性质不连续面，都会使结构面两侧附近岩石物理力学性质展现不连续改变展现不连续改变。对于裂隙性岩石，通常采取裂缝率作为定量评价岩石对于裂隙性岩石，通常采取裂缝率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度指标被裂隙切割后破碎程度指标。/10/10岩石力学第第36页页岩石不连续性岩石不连续性岩石中裂隙岩石中裂隙/10/10岩石力学第第37页页岩石不连续性岩石不连续性a a、单向裂隙、单向裂隙(或裂隙频率或裂隙频率)单向裂隙指一组结构面法线方向上每单位长度单向裂隙指一组结构面法线方向上每单位长度(m)(m)内，法内，法线与结构面交割数目，以线与结构面交割数目，以Kd(1/m)Kd(1/m)表示。即单向裂隙率倒数表示。即单向裂隙率倒数为成组结构面之间平均间距，以为成组结构面之间平均间距，以d d表示：表示：式中：Kd-单向裂隙（1/m）d-结构面间平均间距(m)/10/10岩石力学第第38页页岩石不连续性岩石不连续性式中：li-第i条裂隙面长度(m)；ti-第i条裂隙面宽度(m)；A-被测量岩石总面积（m）b b、平面裂隙率、平面裂隙率 平面裂隙率平面裂隙率KAKA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有面积总和，是指岩石单位面积上诸裂隙所占有面积总和，亦即亦即/10/10岩石力学第第39页页岩石不均匀性岩石不均匀性不均匀性不均匀性是指天然岩体物理、力学性质随空间位置不一样是指天然岩体物理、力学性质随空间位置不一样而异特征。分析现场岩体试验资料时可采取综合性统计特而异特征。分析现场岩体试验资料时可采取综合性统计特征征-偏差系数偏差系数V(%)V(%)来估算岩体不均匀性，即：来估算岩体不均匀性，即：式中：-各观察值xi算术平均值。-标准差预计值。式中：N-试验观察点(次)数。/10/10岩石力学第第40页页岩石各向异性岩石各向异性o岩石各向异性是指天然岩体物理力学性质随空间方岩石各向异性是指天然岩体物理力学性质随空间方位不一样而异特征，详细表现在它强度及变形特征位不一样而异特征，详细表现在它强度及变形特征等各方面。等各方面。在天然岩体条件下，使岩体含有各向异在天然岩体条件下，使岩体含有各向异性基本原因是因为岩石内普遍存在着层理、片理、性基本原因是因为岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。当前在实际工夹层和定向裂隙（断层）系统所致。当前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向差异性。然而对于不含有层理岩体，则把层理方向差异性。然而对于不含有层理岩体，则把它视为各自同性体。它视为各自同性体。/10/10岩石力学第第41页页50100/10/10岩石力学第第42页页/10/10岩石力学第第43页页岩石渗透性岩石渗透性o有压水能够透过岩石孔隙、裂隙而流动，岩有压水能够透过岩石孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水能力称为岩石渗透性。不一样岩石能透过水能力称为岩石渗透性。不一样岩石或裂隙性不一样岩石渗透性不一样，渗透石或裂隙性不一样岩石渗透性不一样，渗透性大小用渗透系数性大小用渗透系数K K表示表示。o岩石渗透系数不但与水物理性质相关，也与岩石渗透系数不但与水物理性质相关，也与岩石应力状态相关。岩石应力状态相关。/10/10岩石力学第第44页页岩石岩石轴向渗透轴向渗透性性试验试验原理原理岩石渗透仪(轴向渗透)1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀/10/10岩石力学第第45页页岩石轴向渗透性试验原理岩石轴向渗透性试验原理假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算以下假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算以下式中式中 K岩石渗透系数岩石渗透系数(m/s)；Q单位时间里透过试样水量单位时间里透过试样水量(m3)；L试样长度试样长度(m)；A试样截面积试样截面积(m2)；P试样两端水压力差试样两端水压力差(KPa)；w水容重水容重(KN/m3）/10/10岩石力学第第46页页岩石径向渗透性试验原理岩石径向渗透性试验原理径向渗透试验时，其渗透系数计算径向渗透试验时，其渗透系数计算式中式中 P试样外壁上水压力试样外壁上水压力(KPa)；L试验段试验段(小孔小孔)长度长度(m)；R1试件内半径试件内半径(m)；R2试件外半径试件外半径(m)；圆周率。圆周率。/10/10岩石力学第第47页页岩石渗透系数数值岩石渗透系数数值 /10/10岩石力学第第48页页四、岩石物理性质四、岩石物理性质岩岩石石和和土土一一样样，也也是是由由固固体体、液液体体和和 气气体体三三相组成相组成。物物理理性性质质是是指指岩岩石石因因为为三三相相组组成成相相对对百百分分比比关关系不一样系不一样所表现所表现物理状态物理状态。1 1、岩石密度岩石密度2 2、岩石孔隙性、岩石孔隙性/10/10岩石力学第第49页页（一）、岩石密度（一）、岩石密度 1 1、颗粒密度颗粒密度(s s)：岩石固体部分质量与其：岩石固体部分质量与其体积比值。它不包含孔隙在内，所以其大体积比值。它不包含孔隙在内，所以其大小仅取决于组成岩石矿物密度及其含量：小仅取决于组成岩石矿物密度及其含量：s s=m=ms s/V/Vs ss s为岩石颗粒密度为岩石颗粒密度m ms s为岩石固体部分质量为岩石固体部分质量V Vs s为岩石固体部分体积为岩石固体部分体积/10/10岩石力学第第50页页（一）、岩石密度（一）、岩石密度2 2、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体、块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内质量，按岩石含水状态，又有干密度积内质量，按岩石含水状态，又有干密度（d d）、饱和密度（）、饱和密度（satsat）和天然密度）和天然密度（）之分，在未指明含水状态时普通指）之分，在未指明含水状态时普通指岩石天然密度。岩石天然密度。d d=m=ms s/V /V satsat=m=msatsat/V =m/V/V =m/V/10/10岩石力学第第51页页注意：注意：（1 1）s s与与区分区分 (s s)（2 2）s s与与单位单位 （g/cmg/cm3 3 kN/m kN/m3 3）（3 3）测测试试方方法法（s s-比比重重瓶瓶法法；-量量积积法）法）（一）、岩石密度（一）、岩石密度/10/10岩石力学第第52页页常见岩石密度常见岩石密度 岩岩 石石 名名 称称密度密度(gcm3)岩岩 石石 名名 称称密度密度(gcm3)花花 岗岗 岩岩2.522.81石石 灰灰 岩岩2.372.75闪闪 长长 岩岩2.672.96白白 云云 岩岩2.752.80辉辉 长长 岩岩2.853.12片片 麻麻 岩岩2.593.06辉辉 绿绿 岩岩2.803.11片片 岩岩2.702.90砂砂 岩岩2.172.70大大 理理 岩岩2.75左右左右页页 岩岩2.062.66板板 岩岩2.722.84/10/10岩石力学第第53页页/10/10岩石力学第第54页页岩石物理性质o孔隙度：孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用多用百分数表示百分数表示)。o裂隙率：裂隙率：岩石中各种节理、裂隙体积与岩石总体积岩石中各种节理、裂隙体积与岩石总体积之比称裂隙率。之比称裂隙率。o孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于涣散土、孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于涣散土、石，裂隙率多用于结晶连接坚硬岩石。石，裂隙率多用于结晶连接坚硬岩石。o普通岩石孔隙度在普通岩石孔隙度在0.10.1-0.350.35之间之间/10/10岩石力学第第55页页岩石物理性质岩石物理性质o孔孔隙隙比比：岩岩石石中中孔孔隙隙体体积积与与固固体体颗颗粒粒体体积积之之比比称称岩岩石孔隙比石孔隙比(多以小数表示多以小数表示)o孔隙比和孔隙度孔隙比和孔隙度能够相互换算：式中：式中：e e 孔隙比孔隙比;n;n孔隙度孔隙度 密度是试验指标，只有经过试验才能得到详细数值密度是试验指标，只有经过试验才能得到详细数值,而孔隙度和孔隙比是计算指标。而孔隙度和孔隙比是计算指标。/10/10岩石力学第第56页页例题：例题：o岩石饱和密度为岩石饱和密度为2.65g/cm2.65g/cm3 3，干密度为，干密度为2.49g/cm2.49g/cm3 3，请计算岩石孔隙比和颗粒密，请计算岩石孔隙比和颗粒密度度/10/10岩石力学第第57页页/10/10岩石力学第第58页页五、岩石水理性质五、岩石水理性质岩石在岩石在水溶液水溶液作用下表现出来性质，称为水作用下表现出来性质，称为水理性质。主要有：理性质。主要有：1.1.吸水性吸水性 2.2.软化性软化性 3.3.抗冻性抗冻性 4.4.透水性透水性/10/10岩石力学第第59页页（一）、岩石吸水性（一）、岩石吸水性岩石在一定试验条件下吸收水分能力，称为岩石吸水性。1.吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示/10/10岩石力学第第60页页岩岩石石饱饱和和吸吸水水率率(W Wp p)是是指指岩岩石石试试件件在在高高压压(普普通通压压力力为为15MPa)15MPa)或或真真空空条条件件下下吸吸入入水水质质量量(m(mw2w2)与与岩岩样样干干质质量量(m(ms s)之比，用百分数表示，即之比，用百分数表示，即3.3.饱水系数饱水系数岩石吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反应了岩石中大、小开空隙相对百分比关系。（2 2）饱和吸水率）饱和吸水率/10/10岩石力学第第61页页（二）、岩石软化性（二）、岩石软化性o岩石浸水饱和后强度降低性质，称为软化性o软软化化系系数数(KR)为岩石试件饱和抗压强度(cw)与干抗压强度(c)比值o岩石中含有较多亲水性和可溶性矿物，大开空隙较多，岩石软化性较强，软化系数较小。oK KR R0.750.75，岩石软化性弱，工程地质性质很好oK KR R0.750.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差/10/10岩石力学第第62页页岩岩 石石 名名 称称软化系数软化系数岩岩 石石 名名 称称软化系数软化系数花花 岗岗 岩岩0.720.97泥泥 岩岩0.400.60闪闪 长长 岩岩0.600.80泥泥 灰灰 岩岩0.440.54辉辉 绿绿 岩岩0.330.90石石 灰灰 岩岩0.700.94流流 纹纹 岩岩0.750.95片片 麻麻 岩岩0.750.97安安 山山 岩岩0.810.91石英片岩、角闪石英片岩、角闪片岩片岩0.440.84玄玄 武武 岩岩0.300.95云母片岩、云母片岩、绿泥石片岩绿泥石片岩0.530.69凝凝 灰灰 岩岩0.520.86千千 枚枚 岩岩0.670.96砾砾 岩岩0.500.96硅硅 质质 板板 岩岩0.750.79砂砂 岩岩0.210.75泥泥 质质 板板 岩岩0.390.52页页 岩岩0.240.74石石 英英 岩岩0.940.96常常见见岩岩石石软软化化系系数数/10/10岩石力学第第63页页/10/10岩石力学第第64页页/10/10岩石力学第第65页页常见岩石物理性质指标值/10/10岩石力学第第66页页（三）、岩石抗冻性（三）、岩石抗冻性o岩石抵抗冻融破坏能力，称为抗冻性。岩石抵抗冻融破坏能力，称为抗冻性。o抗冻系数抗冻系数(R(Rd d)：岩石试件经重复冻融后干抗：岩石试件经重复冻融后干抗压强度压强度(c2c2)与冻融前干抗压强度与冻融前干抗压强度(c1c1)之之比，用百分数表示比，用百分数表示/10/10岩石力学第第67页页（三）、岩石抗冻性（三）、岩石抗冻性o质质量量损损失失率率(K(Km m)：冻冻融融试试验验前前后后干干质质量量之之差差(m(ms1s1m ms2s2)与试验前干质量与试验前干质量(m(ms1s1)之比，以百分数表示之比，以百分数表示oR Rd d7575，K Km m2 2，抗冻性高抗冻性高o吸吸水水率率W Wa a5 5、软软化化系系数数K KR R0.750.75，饱饱水水系系数数小小于于0.80.8岩石，抗冻性高。岩石，抗冻性高。/10/10岩石力学第第68页页岩石水理性质岩石水理性质o可可溶溶性性：是是指指岩岩石石被被水水溶溶解解性性能能。它它与与岩岩石石矿矿物物成成份、水中份、水中COCO2 2含量及水温度等原因相关。含量及水温度等原因相关。o膨膨胀胀性性：岩岩石石吸吸水水后后体体积积增增大大引引发发岩岩石石结结构构破破坏坏性性能称膨胀性。能称膨胀性。普普通通含含有有粘粘土土矿矿物物岩岩石石含含有有定定膨膨胀胀性性，尤尤其其是是含含有有蒙蒙脱石类矿物岩石膨胀性最大。脱石类矿物岩石膨胀性最大。南南昆昆铁铁路路建建设设中中，膨膨胀胀岩岩地地段段路路堑堑边边坡坡坍坍滑滑造造成成严严重重危危害。害。/10/10岩石力学第第69页页岩石水理性质岩石水理性质o崩解性：崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈碎块状崩开散落性能。含有强烈崩解岩石和土，短碎块状崩开散落性能。含有强烈崩解岩石和土，短时间内即发生崩解。时间内即发生崩解。o我国西北地域黄土，在水中浸泡一天左右即崩解，我国西北地域黄土，在水中浸泡一天左右即崩解，西南某地风化钙泥质粉砂岩置于水中仅十多分钟就西南某地风化钙泥质粉砂岩置于水中仅十多分钟就全部崩解了。全部崩解了。/10/10岩石力学第第70页页泡水前岩石：完整坚硬泡水前岩石：完整坚硬泡水后岩石：水化分散泡水后岩石：水化分散/10/10岩石力学第第71页页课课 程程 回回 顾顾/10/10岩石力学第第72页页下一节课基本内容下一节课基本内容o弹性力学基础弹性力学基础n应力分析应力分析n应变分析应变分析/10/10岩石力学第第73页页1 1 产状产状o定定 义义：岩层在空间位置，称为岩层产状岩层在空间位置，称为岩层产状o三要素三要素：岩层层面走向、倾向和倾角岩层层面走向、倾向和倾角/10/10岩石力学第第74页页o结构面与最大主应力间关系控制着岩体破坏机理与强度。1 1 产状产状n据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体极限强度与结构面倾角间关系为：/10/10岩石力学第第75页页50100/10/10岩石力学第第76页页2 2 连续性连续性o结构面连续性反应结构面贯通程度。惯用线连续结构面连续性反应结构面贯通程度。惯用线连续性系数、迹长、面连续性表示性系数、迹长、面连续性表示o线连续性系数：线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和段长度之和(a)(a)与测线长度比值。与测线长度比值。/10/10岩石力学第第77页页2 2 连续性连续性oK K1 1改变在改变在0 01 1之间，之间，K K1 1值愈大说明结构面连值愈大说明结构面连续性愈好，当续性愈好，当K K1 11 1时，结构面完全贯通时，结构面完全贯通o面连续性系数：面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积比值面面积之和与总面积比值o结构面连续性对岩体结构面连续性对岩体变形、变形破坏机理、变形、变形破坏机理、强度及渗透性强度及渗透性有很大影响有很大影响/10/10岩石力学第第78页页结构面连续性分级表结构面连续性分级表 描述迹长（m）很低连续性202 2 连续性连续性/10/10岩石力学第第79页页3 3 密度密度o结构面密度反应结构面发育密集程度。结构面密度反应结构面发育密集程度。n线密度线密度(Kd)(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面条数交切结构面条数(条条m)m)。n间距间距(d)(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面平均距离。构面平均距离。nKdKd与与d d互为倒数关系互为倒数关系n假如测线水平布置，且与结构面法线夹角为假如测线水平布置，且与结构面法线夹角为，结构面倾角为结构面倾角为时时:/10/10岩石力学第第80页页岩石中裂隙岩石中裂隙/10/10岩石力学第第81页页3 3 密度密度o用线密度来估算岩体质量指标用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation)o岩体质量指标岩体质量指标RQD：长度大于长度大于10cm岩心长度岩心长度之和与钻孔总进尺百分比之和与钻孔总进尺百分比/10/10岩石力学第第82页页/10/10岩石力学第第83页页3 3 密度密度描述间距（mm）极密集间距6000结构面间距分级表结构面间距分级表/10/10岩石力学第第84页页4 4 张开度张开度o结构面张开度是指结构面两壁面间垂直距离结构面张开度是指结构面两壁面间垂直距离o结构面两壁面普通不是紧密接触，使结构面实际接结构面两壁面普通不是紧密接触，使结构面实际接触面积降低，造成结构面粘聚力降低和渗透性增大触面积降低，造成结构面粘聚力降低和渗透性增大o如在层流条件下，平直而两壁平行单个结构面渗透如在层流条件下，平直而两壁平行单个结构面渗透系数系数(K(Kf f)可表示为：可表示为：/10/10岩石力学第第85页页结构面张开度分级表结构面张开度分级表描述结构面张开度（mm）分类很紧密紧密部分张开10裂开结构面很宽极宽似洞穴1010010010001000张开结构面4 4 张开度张开度/10/10岩石力学第第86页页 级及部分级结构面产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数，服从一定随机分布规律。/10/10岩石力学第第87页页5 形态形态o结构面形态对岩体力学性质及水力学性质有显著影结构面形态对岩体力学性质及水力学性质有显著影响，结构面形态能够用侧壁起伏形态及粗糙度来反响，结构面形态能够用侧壁起伏形态及粗糙度来反应应o结构面侧壁起伏形态分为：平直、波状、锯齿状、结构面侧壁起伏形态分为：平直、波状、锯齿状、台阶状和不规则状台阶状和不规则状/10/10岩石力学第第88页页5 形态形态o侧壁起伏程度可用侧壁起伏程度可用起伏角起伏角(i i)表示。表示。/10/10岩石力学第第89页页o结构面结构面粗糙度粗糙度用用粗糙度系粗糙度系JRCJRC(joint roughness(joint roughness coefficient)coefficient)表示。表示。o随粗糙度增大，结构面摩随粗糙度增大，结构面摩擦角也增大。擦角也增大。o依据标准粗糙度剖面将结依据标准粗糙度剖面将结构面粗糙度系数划分为构面粗糙度系数划分为1010级级。5 形态形态/10/10岩石力学第第90页页6 充填胶结特征充填胶结特征o结构面胶结后力学性质有所增强，结构面胶结后力学性质有所增强，FeFe质胶结质胶结强度最高，泥质与易溶盐类胶结结构面强度强度最高，泥质与易溶盐类胶结结构面强度最低，且抗水性差最低，且抗水性差o未胶结结构面，力学性质取决于其充填情况，未胶结结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填厚层充填4 4类类/10/10岩石力学第第91页页6 充填胶结特征充填胶结特征1.薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄矿物膜，厚度多小于1mm，多显著降低结构面强度2.断续充填结构面力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面形态相关3.连续充填结构面力学性质主要取决于充填物性质4.厚层充填结构面力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳充填情况类充填情况类/10/10岩石力学第第92页页7 7 软弱结构面软弱结构面o软弱结构面是岩体中含有一定厚度软弱带（层）与软弱结构面是岩体中含有一定厚度软弱带（层）与两盘岩体相比含有高压缩和低强度等特征，在产状两盘岩体相比含有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面上多属缓倾角结构面o主要包含原生软弱夹层、结构及挤压破碎带、泥化主要包含原生软弱夹层、结构及挤压破碎带、泥化夹层及其它夹泥层等夹层及其它夹泥层等o特征：由原岩超固结胶结式结构变成了泥质散由原岩超固结胶结式结构变成了泥质散状结构状结构 或泥质定向结构；或泥质定向结构；粘粒含量很高；粘粒含量很高；含水量靠近或超出塑限；含水量靠近或超出塑限；密度比原岩小；密度比原岩小；常常含有一定胀缩性；含有一定胀缩性；力学性质比原岩差；力学性质比原岩差；强度强度低；低；压缩性高；压缩性高；易产生渗透变形易产生渗透变形。/10/10岩石力学第第93页页8 结构面组合关系结构面组合关系o结构面组合关系控制着结构面组合关系控制着可能滑移岩体可能滑移岩体几何边界条件、几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，