岩石的物理力学性质你都了解吗（二）

　　三、岩石的力学性质
　　岩石的力学性质是物理性质的延伸，它在外载作用下才表现出来，通常表现为岩石抵抗变形和破坏的能力，如强度、硬度、弹性、脆性、塑性和研磨性等。
　　（一） 岩石的强度
　　1、岩石强度的基本概念
　　岩石在不同机械外力作用下抵抗破坏的能力，以＂σ＂表示。
　　破坏前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极限强度。
　　2、岩石的强度的类型
　　（1）根据受力条件，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等；
　　（2）根据应力状态，岩石强度可分为单向、两向、、三向应力状态下的强度；
　　（3）根据加载速度，有静载强度和动载强度。
　　3、影响岩石强度的因素
　　（1）一般情况下，造岩矿物强度越高，岩石的强度也越高。沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。
　　（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度则降低。因此，一般岩石的强度随埋深的增大而增大。
　　（3）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，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间。
　　（4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。岩石的抗压强度最大，抗剪强度约为抗压强度的10%。因此，钻进过程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。
　　（5）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍。
　　（6）加载速度的影响：
　　① 加载速度增加，岩石的强度提高；
　　② 加载速度对塑性岩石强度的影响大，对脆性岩石强度的影响小。
　　（二）岩石的硬度
　　1、岩石硬度的基本概念：岩石抵抗局部破坏的能力。
　　岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。
　　2、硬度与抗压强度的区别与联系
　　（1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；
　　（2）抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是
　　固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。
　　（3）硬度指标更接近于钻进过程的实际情况。
　　3、影响岩石硬度的因素
　　（1）岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒越细、结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、裂隙发育的岩石硬度将会降低。
　　（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。层理对岩石硬度的影响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值最小；平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.1～1.8倍。
　　（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬 度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。
　　⑷一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。
　　⑸ 外水的侵入对岩石硬度影响很大。
　　4、岩石硬度的测定
　　（1）静压入法：以1~5mm2的压头压入岩样表面，岩石破碎时的载荷P 除以接触面积S，则为岩石的硬度值Pk （通常称为压入硬度）。
　　Pk = P/S ( Pa )
　　（2）冲击回弹法：利用重物落在岩石表面后回弹高度或回弹角度或回弹次数来确定岩石的硬度。
　　（三）、岩石的变形特征及其分类
　　按岩石在压头压入时的变形曲线和破碎特性可分成三类：
　　1、弹-脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）
　　在压头压入时仅产生弹性变形，至A点最大载荷为P max处便突然脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即 h/δ>5。
　　2、 弹-塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）
　　在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑性变形。至B点载荷达P max 时突然发生脆性破碎。这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而h/δ> 2.5～5，即小于第一类岩石。
　　3、高塑性和高孔隙性岩石 （粘土、孔隙石灰岩、盐岩）
　　区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，不会在压入作用下产生脆性破碎 h/δ=1。计算这类岩石的
　　硬度时只能用P0代替公式中的P max。
　　4、影响岩石弹性和塑性的主要因素：
　　（1）岩浆岩和变质岩：造岩矿物的弹性模量↑，岩石的弹性模量↑。
　　沉积岩：弹性取决于岩石的碎屑和胶结物及胶结状况。弹性模量次序：硅质胶结最大，钙质胶结次之，泥质胶结最小。
　　（2）造岩矿物的颗粒越细，岩石越致密，岩石的弹性模量越大。岩石的弹性模量也具有各向异性。
　　（3）单向压缩时表现为弹-脆性，各向压缩时表现出不同程度的塑性，意味着在各向压缩下需要更大的载荷才能破坏岩石的连续性。
　　（4）温度升高岩石的弹性模量变小，塑性系数增大，岩石表现为从脆性向塑性转化。在超深钻和地热孔施工中应注意这一影响。