第二节 岩石的力学性质

表2一6列出几种岩石的垂直于层理和平行于层理方向上
的抗压强度。
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3．岩石的容重和孔隙度
同一种岩石，其孔隙度增加，容重降低，从而岩石强
度也降低，反之亦然。例如石灰岩容重由1.5x104N／m3增加
到2.7x104N／m3时，其抗压强度就由5MPa增至180MPa。又如 砂岩的容重由1.87x104N／m3 增加到2.57x104N／m3 时，其 抗压强度也由15MPa增加到90MPa。 一般来说，岩石的孔隙度随其埋藏深度的增加而减小。
在复杂应力状态下，可以采用三轴试验装臵确定岩石的强度。
(二)影响岩石强度的因素
1．岩石的物质成分
矿物强度与含量影响岩石的强度。例如，石英是强度较大的造岩矿物， 岩石中石英含量高，并且石英颗粒在岩石中连结成骨架时，则岩石的强度 也高；方解石和白云石等强度较小，因此在碳酸盐类岩石中方解石含量增 加，则岩石强度降低。 对于沉积岩，胶结物的成分对岩石强度有较大的影响。例如，硅质胶 结的砂岩，其抗压强度高达200MPa以上，而钙质胶结的砂岩，强度则为 20～100MPa；泥质胶结的砂岩，强度往往在20MPa以下。岩石中胶结物所 占比例越大，胶结物对岩石强度影响越大，而被胶结的岩屑或矿物对岩石 强度的影响越小。
抗力。
表2—10列出一些岩石的动载和静载抗拉强度的比较数据。
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7．岩样的线性尺寸
这主要是由于岩石的组成和结构的不均一性，以及裂隙和孔洞存在机率增加 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，否则就不 能进行比较。通常作岩石的抗压强度试验时，要求采用5*5*5cm的立方体试 样，或者采用长度等于直径的圆柱体岩样。
从表中数据可知，岩石的抗剪强度约为其抗压强度的1／5～1／11；岩
石的抗弯强度约为抗压强度的1／5～1／12，而岩石的抗拉强度仅为岩石抗 压强度的1／10～1／50。利用岩石抗剪、抗弯和抗拉强度小的特点，寻求相
应的破碎方法，对提高碎岩效率非常有利。
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5．应力状态
岩石在两向应力和三向应力状态下，其抗压强度比单向应力状态
OA是弹性变形段，A点之后即转入塑性变形区。形变由弹性变形转为塑
性变形时的载荷称为屈服极限或流变极限。到达D点后，岩石即发生破碎。 图(c)——塑性岩石变形曲线
在较小的载荷作用下就开始塑性变形，其后形变随变形时间的延长而
增长，曲线倾角趋近于零。
(二)岩石的应变破坏形式
岩石从变形到破坏有三种形式： 破坏前不存在任何不可逆的变形，则这种破坏称为脆性 破坏；
别是在超深井和地热井中应注意这一因素。
随着温度的升高碳酸岩类和硅酸岩类岩石的弹性极限都要降低，弹性模数变 小，塑性系数增大,岩石表现从脆性向塑性转化。
7.湿度
湿度对岩石的变形性质也有明显的影响。岩石被水或石油浸湿后，其弹性模数 均显著下降。如果把泥岩的湿度从3％提高到14％，则弹性模数从7.3x104MPa下降 到3.2x104MPa
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二、岩石的强度特性
（一）岩石强度的概念
岩石在载荷不断作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能 承受的最大载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为岩石的强度。 岩石强度的单位是Pa(帕)或MPa(兆帕)。 根据受力条件不同，岩石强度可分为：抗压强度、抗拉强度、抗剪强 度和抗弯强度。 根据应力状态，岩石强度又可分为单向应力状态下的强度、两向应力 状态下的强度和三向应力状态下的强度； 根据载荷速度，岩石强度又有静载强度和动载强度的区别。 在简单应力状态下，通常采用单向拉伸、压缩、剪切等试验确定岩石 的强度。
破坏前发生大量的不可逆变形，且没有明显的弹性变形
阶段，则这种破坏形式称为塑性破坏； 破坏前经历明显的弹性变形和塑性变形阶段，则岩石的 这种破坏形式称为塑脆性破坏。 三种破坏形式的岩石分别称为脆性岩石，塑性岩石，塑
脆性岩石。
2.衡量岩石弹塑性的指标
为衡量岩石的弹塑性，引入塑性系数的概念. 岩石的塑性系数(Kn)：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形所 消耗能量之比。
2．岩石的结构、构造
矿物颗粒大小对岩石强度有一定的影响。一般说来，细
粒岩石的强度高于粗粒岩石的强度，并且颗粒越细，这种影 响越大。例如，粗粒花岗岩的抗压强度是80 ～ 120MPa，而 细粒花岗岩的抗压强度则高达200～250MPa。 层理使岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方 向的抗压强度最大，平行于层理方向的抗压强度最小，与层 理方向呈某种角度时的抗压强度介于二者之间。
岩E‖／ E⊥≈2，这是因为岩石颗粒定向排列，在垂直于层面方
向加载时，在岩石的弹性限度内形变较大，而沿平行于层理方 向加载，形变较小的缘故。
3．应力状态
在不同的应力状态下，岩石的变形性质存在着很大的差别。在单向压缩下岩石 表现为脆性的岩石，如果在各向压缩状态下，当三向压缩应力达到一定值时岩石会 表观出不同程度的塑性。也即在各向压缩状态下，随着三向压缩应力的增加岩石有 从脆性向塑性转变的趋势。 深部孔底的岩石受上覆岩层压力、孔内液柱压力和地层孔隙压力的综合作用， 处于三向应力状态。 模拟孔底状态的三轴试验试验表明，随着围岩压力增大，岩石表现出从脆性到 塑性的转变，并且围岩压力越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。对于深井钻井， 研究岩石从脆性到塑性的转变点(即从脆性变为塑性的围岩压力，又称临界围压)有 很大实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种本质不同的破坏，破碎这两种状态 的岩石应采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎参数。
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4．加载速度
岩石静载的弹性模数E往往小于动载的弹性模数万Ed。表列出几种岩石的Ed和E 的比值。 表2-5 ┌─────────┬────────┬─────────┬─────┐ │ 岩 石 名 称 │ Ed／E 岩 石 名 称 Ed／E │ ├─────────┼────────┼─────────┼─────┤ │ 石英质页岩 │ 1.33 │ 粉砂岩 │ 2.05 │ │ 石灰岩 │ 1.7—1.86 │ 黑云母片岩 │ 1.40 │ │ 绢云母片岩 │ 2.56 │ 阳起片岩 │ I.90 │ │ 微风化花岗岩 │ 2.75 │ 粗面岩 │ I.15 │ │ 亚砂岩 │ 2.90 │ 假像千闪玄武岩 │ 1.33 │ │ 钙质页岩 │ 2.56 │ 角闪片岩 │ 1.06 │ └─────────┴────────┴─────────┴─────┘
粒内部体积减小，结果颗粒之间、甚至颗粒内部质点间的相互作用力
增强，从而表现为对外载的抗力增大。
6．载荷速度
实验证明，岩石的强度与外载作用的速度、或者说与其内 部应力增长的速度有密切的关系。载荷速度越快，则岩石强度 越高。 在动载条件下岩石强度增大主要原因：岩石的变形和破坏 在一定程度上依赖于时间。如果加载速度太快，则在应力波的 作用时间内破碎变形难以得到充分的发展，因而表现出较大的
和湿度等。 1．岩石类型及其组成成分
①一般岩浆岩和变质岩的弹性模数大于沉积岩，而塑性系数则相反。
②对于岩浆岩和变质岩来说，如果组成岩石的矿物具有高的弹性模 数，则岩石也有高的弹性模数，但是岩石的弹性模数不会超过造岩矿物的 弹性模数。 ③对于沉积岩来说，弹性模数决定于岩石的碎屑和胶结物以及胶结 状况。在胶结物和胶结状况相同的情况下，碎屑颗粒的弹性模数大，则岩 石的弹性模数也大；在碎屑颗粒成分相同的情况下，胶结物为硅质者，岩 石的弹性模数最大，胶结物为钙质者次之，胶结物为泥质者最小。
2．岩石结构、构造
①造岩矿物颗粒的大小对弹性模数有较大的影响。细粒岩
石的弹性模数大于粗粒岩石，如细砂岩的E=3.0x104MPa，而粗 砂岩的E=2.77x104MPa。 ②岩石越均质致密，弹性模数越大，塑性系数越小;岩石结 构缺陷越多,裂隙越发育，弹性模数越小，塑性系数越大。 ③层理对岩石的弹性模数也有明显影响。平行于层理方向 的弹性模数E‖大于垂直于层理方向的弹性模数E⊥ 。如泥质页
A OBDE面积 kn Ae OBC面积
按塑性系数的大小将岩石分为6级（见表）。
Kn＝1 称为脆性岩石； 1﹤Kn﹤6 称为塑脆性岩石 Kn≧6 称为塑性岩石。
(三)岩石的变形特性
弹性理论认为理想材料的弹性应变都是暂时的，并随
着应力的解除而完全可以恢复。在弹性范围内应力和应变的 关系服从虎克定律。 实验得知，在任何应力状态下，矿物都服从虎克定律， 而岩石大都不遵守虎克定律。这是因为矿物可以认为是均质
花岗岩 玄武岩 石英岩 正长石 闪绿岩 辉绿石
致密泥岩 页 砂 岩 岩
石英岩 大理岩

白云岩
2.1~16.5
-
岩
盐
-
0.44
岩石弹性模量的变化特点:
（a）载荷小时，弹性模量变化不大，只有当载荷
应力σ
2
大时，这种差别才显著； （b）拉伸时其弹性模量要随载荷的增加而减少。 相反，压缩时弹性模量会随载荷的增加而增加。这是 由于在受压缩的情况下，二相邻晶粒的表面原子或表 面离子间的距离逐渐缩小，使引力增加，相应地也增 应变ε 1-拉伸 2-压缩 1
因此，岩石的强度随其埋藏深度的增加而增大。例如，埋藏
在深部的粘土的强度比靠近地表处的粘土的强度大。
4．加载方式
岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度有很大的差别。在单向应力状态 下，岩石的抗压强度最大，而抗拉强度最小，抗剪和抗弯强度介于抗压和抗 拉强度之间。根据岩石岩石的强度特性，选择有效的破碎方法，是提高碎岩 效率的重要途径。 原因：因为岩石受压缩的颗粒之间的距离缩小，颗粒间相互作用力增加， 所以强度增加；而受拉伸时颗粒之间的距离增大，颗粒间相互作用力减弱， 所以强度下降。
5.加载方式
同一种岩石受压缩时，颗粒之间距离缩小，颗粒间相互作用力有所增大，故 弹性模数表现提高，而受拉伸时，颗粒之间距离增大，颗粒间相互作用力减小，故 弹性模数降低。压缩时的弹性模数是拉伸时弹性模数的1.5～4倍。弯曲时的弹性模 数是拉伸时弹性模数的1.1～1.3倍。
6．温度
随着孔深增加，孔底温度也增加，温度对岩石的变形性质有一定的影响。特
下要高出许多倍。从图中可以看出，岩石的强度极限随着围压的增加
而明显增大。例如当围压从零增加到165MPa时，大理岩的抗压强度从 136增加到490MPa，，当围压从零增加到155MPa时，砂岩的强度从69
增至330MPa。
岩石强度随围压增加而增大的原因是：岩石的围压增大，各向压 缩增强，岩石的体积产生压缩，使颗粒间的距离缩短，甚至使矿物颗
加了弹性模量；而在拉伸的情况下却与此相反。
（c）岩石的弹性模量不会超过组成它的矿物的弹 性模量。这是因为弹性模量在很大程度上决定于相互
作用的分子力，而岩石中颗粒接触处的相互作用的力
通常小于矿物颗粒间的相互作用力。
(四)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素
影响岩石变形特性的因素主要有岩石的组成成分、受力条件、温度
连续的，而岩石则不是，受力后常伴有空隙的压实过程。
由表可以看出：岩石的弹性模量是变化的。实验证明它 与应变种类和所加载荷的大小都有很大关系
岩石的弹性模量和波桑比
岩 石 粘 土 E 105公斤/厘米2 0.03 1.2~2.5 3.3~7.8 1.3~8.5 3.9~9.2 μ 0.38~0.45 0.25~0.35 0.10~0.20 0.30~0.35 0.28~0.33 岩 石 E 105公斤/厘米2 2.6~6.0 6~10 7.5~10 6.8 7~10 7~11 μ 0.26~0.2 9 0.25 0.25 0.25 0.25
的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留变形，这种情况称为塑性变形或不可
逆变形。 衡量岩石弹性的指标： 弹性模量 ：
E
波松比：

ε` 为横向应变，ε为纵向应变。
图(a)——脆性岩石的变形曲线
脆性岩石破坏前没有明显的不可逆变形，当外载一旦达到弹性极限，
岩石立即破坏。 图(b)——塑脆性岩石的变形曲线
第二节
岩石的力学性质
岩石力学性质是岩石在受外力作用下所表现的性
质。包括岩石的变形特性、强度特性、表面特性等。
变形特性—包括弹性、塑性和脆性；
强度特性—包括抗压、抗剪、抗拉和抗弯强度；
表面特性—包括硬度和研磨性
这些力学性质对钻进速度、碎岩功耗和钻头寿命
等有直接的影响。
一、岩石的变形特性
(一)岩石弹性、塑性概念 岩石的变形有两种情况：一种是外力撤除后岩石的外形和尺寸完 全恢复原状，这种变形称为弹性变形或可逆变形；另一种是外力撤除后岩石