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巖石的工程力學性質

日期:2014-07-09  作者:admin  點擊:次
薦讀:巖石的工程力學性質,雙金機械物料專題 巖石是礦物顆粒的集合體,顆粒之間或者靠直接接觸面上的作用力聯結,或者由外來的膠結物膠結。大多數巖石由兩種以上的礦物成分組成。,礦物是具有固定的化學成分和確定的物理性質的天然無機化合物。除了硫、碳的礦物及少數金屬外,絕大多數礦物是由兩種以上元素組成的化合物。

1.巖石的組成(礦物顆粒與膠結物)
2.巖石三大類(火成巖、變質巖、沉積巖)
3.沉積巖類型(碎屑沉積巖、化學沉積巖)
4.沉積巖的特點(結構特點、構造特點)
5.巖石各向異性的概念
6.巖石的力學性質(受力表現出來的變形特性和強度特性)。
7.巖石的強度(抗拉強度<抗彎強度≤抗剪強度<抗壓強度)
8.巖石在三軸應力條件下的強度與變形特性
*巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大,巖石強度增大。
*隨著圍壓的增大,巖石由脆性向塑性轉變,且圍壓越大,巖石破壞前呈現的也塑性越大
9.有效應力與各向壓縮效應的概念;
10.巖石硬度和塑性系數的概念、計算
11.巖石硬度和塑性分級(硬度:6類,12級,塑性3類,6級)
12.巖石的可鉆性和研磨性

巖石的工程力學性質
 
巖石的工程力學性質
一、巖塊的形式及結構的作用 1.巖塊的分解成, 巖塊是粘土礦產質科粒的子集體,科粒中間又或者是靠可以直接學習上的做使力結合,又或者是由其他的膠結物膠結。大部份數巖塊由幾種上述的粘土礦產質物質分解成。粘土礦產質是有著決定的化學反應物質和決定的物理學特征的當然三聚氰胺樹脂單質。代替硫、碳的粘土礦產質及少數幾個五金外,乃至部份數粘土礦產質是由幾種上述屬性分解成的單質。注意造巖粘土礦產質瀏覽表。
主要造巖礦物一覽表
 
2. 灰巖的內型,灰巖可分三個大類:火成巖(溶巖巖)—由溶巖(硅酸鹽)容體冷凝器而成。笑靨如花崗巖、青龍巖、橄欖巖、安山巖等。
巖石三大類1
 
巖石三大類2
 
巖石三大類3
 
變質巖—火成巖和磨合巖等伴隨高溫油田的功效或其他的物質的成為,改善了曾經的營養成分、框架,會變成新的巨石。如:山東白麻→片麻巖,
石灰巖→大理巖
 
石英砂巖→石英巖
 
石英砂巖
 
沉淀巖—母巖風化石后的終產物經歷過搬運工、沉淀揉成巖的功效而生成的片麻巖。如泥巖、砂巖、石粉巖、云霧巖、石膏粉、巖鹽。
沉積巖—母巖
 
積聚巖種類

(1)碎屑沉積巖,母巖風化后的物質經機械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒(巖石碎屑、礦物碎屑)由膠結物(泥質、鐵質、鈣質、硅質)膠結在一起。
礫巖:顆粒大于1mm。主要是火成巖、變質巖碎屑,碎屑間由膠結物充填。
砂巖:顆粒0.1~1mm。石英、長石、輝石、角閃石、云母等礦物顆粒+膠結物
粉砂(sha)巖:介于(yu)砂(sha)巖和(he)泥巖之(zhi)間的一類(lei)巖石,顆粒尺寸(cun)0.1~0.01mm。泥巖:顆粒小于(yu)0.01mm。主要成(cheng)分(fen)為粘土礦物(wu),并(bing)含(han)有部分(fen)碎屑物(wu)質(zhi)(石英(ying)、長石、云母等)。

(2) 化學沉積巖(結晶沉積)母巖風化后的溶解物質經化學沉積作用后形成晶質巖石。 碳酸鹽巖—石灰巖,主要成分為石灰石(CaCO3)
白云巖,主要成分為白云石(MgCa(CO3)2)
硫酸鹽巖—石膏(CaSO4) 
巖(yan)(yan)鹽—石鹽(NaCl)在沉積巖(yan)(yan)中(zhong):泥巖(yan)(yan)—60%,砂(sha)巖(yan)(yan)—30%,碳(tan)酸鹽巖(yan)(yan)居第三位。

3. 的堆積巖的結構特征

(1)結構特點,結構指巖石的微觀組織特征,包括礦物成分、顆粒大小、形狀及排列方式、顆粒間的聯結情況等。
特點:礦物成分不(bu)確定(ding)、顆(ke)粒(li)大(da)小不(bu)等(deng)、顆(ke)粒(li)形狀多樣(yang)、顆(ke)粒(li)分布不(bu)均勻、膠結強度有強有弱(ruo)。

(2)構造特點,構造指巖石的宏觀組織特征,是指巖石組分的空間分布及其相互間的位置關系。如層理、頁理、節理(裂隙)、孔隙度等。
層理—巖石一層層迭起來的現象。
傾斜的層狀結構是沉積巖的主要構造特征。形成層理的原因:
①粒大小在縱向上的變化
②巖石成分在縱向剖面上的變化
③某些礦物顆粒的定向(xiang)排列

沉積巖構造特點
 
(3)各向女性朋友和非均質性

各向異性:如果物體的某一性質隨方向的不同而不同,則稱物體具有各向異性。
1,巖石一般具有各向異性的性質。如在垂直于和平行于層理面的方向上,巖石的力學性質(彈性、強度等)有較大的差異。
2,巖石的各向異性性質是由巖石的構造特點所決定的。
3,結晶礦物顆粒的定向排列、層理、片理、節理等使得巖石具有各向異性的特點。
不均質性如果物體中不同部分的物理、化學性質不同,稱該物體是不均質的。
1,巖石一般為非均質體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯結強度、孔隙度(密度)的不均勻性所造成的。
2,測定(ding)巖(yan)石的力學性質時(shi),不同(tong)部(bu)位的實(shi)驗結果常存在很大的差異。因(yin)此,應采用統(tong)計學理(li)論(lun),取合適的均值(zhi)作為代表。

二、巖石的機械性質(力學性質)
1.多少定義

巖石的力學性質—石受力后表現出來的變形特性和強度特性。
彈性——巖石在外力作用下產生變形,外力撤除后變形隨之消失,恢復到原來的形狀和體積的性質稱為彈性。相應的變形稱為彈性變形。
塑性——巖石在外力作用下產生變形,外力撤除后變形不能完全恢復的性質。相應的殘余變形稱為塑性變形。
脆性——巖石在外力作用下變形量很小(小于3%)時就發生破壞的性質。相應的破壞稱為脆性破壞。
強度——巖石在外力作用下發生破壞時的最大應力。
抗拉強度—巖石單純受拉伸應力作用時的強度。
抗壓強度—巖石單純受壓縮應力力作用時的強度。
抗剪強度—巖石單純受剪切應力作用時的強度
抗彎強度—巖石(shi)單(dan)純(chun)受彎曲應力作用時的強度。

2. 簡約載荷能力下巖塊的測力本質

簡單應力條件:巖石受單一外載(壓、拉、剪、彎)作用。
(1)試驗方法

抗壓抗拉實驗
 
抗剪抗彎
 
破壞實驗
 
(2)般有規律:

①在簡單應力條件下,大部分巖石都接近彈性脆性體,巖石的破壞表現為脆性破壞。
②巖石的彈性模量與所加載荷大小及應變種類有關。當載荷較小時,彈性模量接近常數,且各種應變情況下的彈性模量相差不大。當載荷較大時,在受壓縮的情況下,彈性模量將隨載荷的增大而增大;在受拉伸的情況,彈性模量則隨載荷的增大而減小。
③在動外力(如聲波)作用下,大多數巖石服從直線虎克定律。
④一般情況下抗拉強度<抗彎強度≤抗剪強度<抗壓強度。
⑤垂直于地層(ceng)層(ceng)面(mian)方向(xiang)的巖石強(qiang)度(du)>平行于地層(ceng)層(ceng)面(mian)方向(xiang)的巖石強(qiang)度(du)。

3. 多樣化剪切力狀態下石英砂巖的測力屬性 (1) 三軸片麻巖測試
三軸巖石試驗1
 
三軸巖石試驗2
 
(2)似的規律性

巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大,巖石強度增大。
隨著圍壓的增大,巖石由脆性向塑性轉變,且圍壓越大,巖石破壞前呈現的也塑性越大。
巖石從脆性向塑性轉變的壓力(圍壓)稱為臨界壓力。不同的巖石,臨界壓力不同。
在各向均勻壓縮狀態(tai)下,巖石永遠不會破壞。

三軸巖石試驗3
 
4.巖漿巖的硬度標準和延展性數值

a 硬度的概念:巖石抵抗其它物體表面壓入的能力。石油工業中的巖石硬度是壓入硬度,也稱為史氏硬度,是由前蘇聯史立涅爾提出的。
b 硬度與抗壓強度區別:硬度是巖石表面的局部抵抗外力壓入的能力,抗壓強度則是巖石整體抗壓的能力。
c 塑(su)性(xing)(xing)系(xi)數(shu):表征(zheng)巖石塑(su)性(xing)(xing)和(he)脆(cui)性(xing)(xing)大小的參數(shu)。

巖石的硬度和塑性系數
 
三、影響巖石力學性質的因素分析
1.灰巖機構

(1)對晶質巖石,由硬度較高的礦物組成的巖石,其硬度也較高。如玄武巖(斜長石、輝石,6)>白云巖(4)>石灰巖(3)。
(2)砂巖的強度隨著石英(7)含量的增加而增大;硅質膠結>鈣質>鐵質>泥質。
(3)同(tong)種巖(yan)石(shi)孔隙度增大(da),密(mi)度降低,強度降低。因此(ci),巖(yan)石(shi)的(de)強度一般隨埋藏深(shen)度的(de)增加而(er)增大(da)

巖石結構分類
 
巖石的硬度分類
 
2. 井底各式有壓力

(1)有效應力(外壓與內壓之差)越大,巖石強度越大,塑性越大。(各向壓縮效應)。
(2)井內液柱壓力與(yu)孔隙壓力之(zhi)差越(yue)大,巖石強度越(yue)大,塑性越(yue)大。

3. 負荷本質的的影響

巖石對動載的抗力要比靜載大得多。隨著沖擊速度增大,硬度增大,塑性系數減小。但在沖擊速度小于10米/秒時,巖石硬度和塑性系數變化不大,接近于靜載時的數值。
在10000米深度范圍內:
強度:巖鹽<泥頁巖<石灰巖<石膏<白云巖;砂巖強度取決于膠結物及膠結程度。
塑性:巖(yan)(yan)(yan)鹽>石(shi)灰巖(yan)(yan)(yan)>泥頁巖(yan)(yan)(yan)>石(shi)膏>白云巖(yan)(yan)(yan)>石(shi)英巖(yan)(yan)(yan)

四、巖石的可鉆性和研磨性
1. 灰巖可鉆性(RockDrillability)

(1)概念:巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性,它反映了是巖石抵抗鉆頭破碎的能力。
(2)評價方法在鉆壓889.7N(200磅)、轉速55r/min的固定條件下,用直徑31.75mm(1-1/4in)的微型鉆頭在巖心上鉆孔,以鉆進2.4mm孔深所需要的時間td,作為巖石可鉆性指標,由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。為應用方便,常用Kd=Log2td作為可鉆性指標,稱為可鉆性級值。
2. 巖石研磨(mo)性(RockAbrasiveness)巖石磨(mo)損鉆頭切削刃材料的能(neng)力稱為(wei)巖石的研磨(mo)性。至今尚沒有統一(yi)的測定巖石研磨(mo)性的方法和分級標準。

可鉆性分級
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