第1章岩石的物理性质

1、 华北水利水电学院岩土工程系 岩石力学课程组 岩土与土一样也是由固相、液相和气相组成的 多相体系。岩石中固相的成分和三相之间的比 例关系及其相互作用，决定了岩石的性质。 对工程岩体进行分析和计算、模拟是以对岩体 的认识，因此必须了解岩体（岩石）的物理力学 性质。 l岩体和岩石的概念是不同的。 l 岩石是矿物的集合体，其特征可以用岩块 来表征，其变形和强度性质取决于岩块本身的 矿物成分、结构构造； l 岩体则是由一种岩石或多种岩石组成，是 由结构面和结构体构成的组合体，其变形和强 度性质取决于结构面和岩体结构的特性。 2.1 概述概述： l2.2 岩石的基本构成和地质分类 l 前面已经提到，岩石

2、是经过地质作用而天然 形成的（一种或多种）矿物集合体，地壳的大部 分都是由岩石构成的。岩体是指在一定地质条件 下，含有诸如裂隙、节理、层理、断层等不连续 的结构面组成的现场岩石，是一个复杂的地质体。 l 一般而言，大部分岩石质地均较坚硬，孔隙 小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。相 对岩体而言，岩石可以看作是连续、均质、各向 同性地，但也存在如矿物节理、微裂隙等微结构 面 l2.2.1 基本构成 l岩石的基本构成是由组成岩石的物质成分和结构 两大方面决定的。 l2.2.1.1 岩石的主要物质成分 l岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、 云母（黑、白）、角闪石、辉石、橄榄石、方解 石

3、、白云石、高岭石等，不同岩石，所含造岩矿 物不同。 l岩石中的矿物成分将影响岩石的抗风化能力、物 理力学性质和强度特性。 l1）抗风化能力影响： l岩石中矿物成分的相对稳定性 l矿物成分迁移 易 难 lCL ，SO4K，Na，Ca，MgSiO2FeO3， Al2O3及低价铁易氧化 l岩石稳定性 弱弱 强 l通常将造岩矿物分为非常稳定的、稳定的、较 稳定的及不稳定的四类。 2.2.1.1 岩石的主要物质成分 抗风化 稳定性 非常稳 定的 稳定的 较稳定的 不稳定的 矿物 名称 石 英 锆 长 石 白 云 母 正 长 石 钠 长 石 酸性 斜长 石 角 闪 石 辉 石 黑 云 母 基性 斜长 石

4、霞 石 橄 榄 石 黄 铁 石 表2-1 主要造岩矿物抗风化相对稳定性 故基性及超基性岩石主要是辉石、橄榄石、及基 性斜长石组成 非常易风化 酸性岩石主要由石英、钾长石、酸性斜长石及暗 色矿物（黑云母） 较难风化 中性岩 述二者之间 2）力学性质影响）力学性质影响 取决于岩石的矿物成分和颗粒间的连结 注意区别岩石的硬度和岩石的强度 二者既有联系又有区 别 矿物的硬度: 岩石的强度 岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受 的最大应力。 岩石中矿物的硬度大不等同于岩石强度高，但有一定 的联系 如：沉积岩 中砂岩的强度随石英相对含量增加而 增加； 石灰岩 其强度随硅质相对含量增加而增加， 而随粘土质

5、相对含量增加而降低； 变质岩其强度随 硅酸岩类矿物相对含量增加而强度降低 2.2.1.1 岩石的主要物质成分 l2.2.1.1 常见的岩石结构类型 l主要有两种：结晶连结和胶结连结。 l1）结晶连结 l2）胶结连结 l3）岩石中的微结构面 矿物的节理、 晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂 隙等 2.2.1 基本构成 lA 结构面的存在将大大降低岩石的强度 l许多学者如Hoek、Brace Walce已经验证：由于 岩石中存在微结构面，当其受力时，在微孔或微 裂隙（缺陷）末端，易造成应力集中，使裂隙可 能沿末端继续发展，导致岩石比在完全无缺陷时 所能承受的拉应力或压应力低得多的应力值下破 坏。

6、lB 由于为结构面的存在岩石中常具有方向性，如 裂隙等，常导致岩石的个性异性。 lC 缺陷能增大岩石的变形 微结构面的影响微结构面的影响 岩浆岩的性质岩浆岩的性质 以冷凝成岩浆岩地质环境不同，将岩浆岩分成三大 类：深成岩、浅成岩和喷出岩; 岩浆岩具有较高的 力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建 筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大 2.2.2岩石的地质成因分类 岩石是由矿物的组成的，按成因岩石可划分为岩石是由矿物的组成的，按成因岩石可划分为 岩浆岩、沉积岩和变质岩。成因类型不一样，差别岩浆岩、沉积岩和变质岩。成因类型不一样，差别 也很大，因此，工程性质极为多样。也很大，因此，工程性质极

7、为多样。 岩浆岩的性质岩浆岩的性质 如：深成岩常形成较大的侵入体，具结晶联结， 晶粒粗大均匀，孔隙率小、裂隙较不发育，岩 块大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩 石往往由多种矿物结晶组成，抗风化能力较差， 特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破 碎，故应注意对其风化程度和深度的调查研究。 2.2.2岩石的地质成因分类 浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、 抗风化性能较深成岩强，但斑状结构岩石的透 水性和力学强度变化较大，特别是脉岩类，岩 体小，且穿插于不同的岩石中，易蚀变风化， 使强度降低、透水性增大。 喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙， 透水性较大。此外，喷出岩多呈岩流状产

8、出， 岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和 整体稳定性影响较大。 2.2.2岩石的地质成因分类 岩浆岩的性质岩浆岩的性质 沉积岩的性质沉积岩的性质( (风化剥蚀或火山作用形成地物质-搬运-沉 积-胶结或成岩作用下形成） 碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结 物的成分和胶结类型影响显著； 粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪 强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥 化； 化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程 度的可溶性。常常导致地基和边坡的失稳。 2.2.2岩石的地质成因分类 变质岩的性质（已有岩石基础上经过变质混合作用形成如：变质岩的性质（已有岩石基础上经过变质混合作用形成如： 温

9、度、压力等）温度、压力等） 变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质 相似或相近。 变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构 造)会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究 其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。 岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组 分和结构的地质体。岩体在一般情况下是非均质的、各向 异性的不连续体。 2.2.2岩石的地质成因分类 1 1）岩石的密度）岩石的密度 岩石密度（rock density）是指单位体积内 岩石的质量，单位为g/cm3。 它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力 和选取建筑材料等必需的参数； 岩石密度又分为颗粒密

10、度和块体密度： 2.2 2.2 物理性质物理性质指标 颗粒密度 岩石的颗粒密度（s）是指岩石固体相部分的 质量与其体积的比值。它不包括空隙在内，因此 其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。 岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行 测定。 2.2 2.2 物理性质物理性质指标 1）岩石的密度）岩石的密度 块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量， 按岩石试件的含水状态，又有干密度（d）、饱和密度 （sat）、和天然密度（）之分，在未指明含水状态时一般 是指岩石的天然密度。 d= （1-1） sat= （1-2） （1-3） V m s V msat V m 2.2 2.2 物理性质

11、物理性质指标 1）岩石的密度）岩石的密度 2.2 2.2 物理性质物理性质指标 2）岩石的比重）岩石的比重 岩石的干的重力除以岩石的实体体积 （不包括孔隙） 3 3） 岩石的孔隙性岩石的孔隙性 岩石的空隙率分为总空隙率（n）、总开空隙率 （n0）、大开空隙率（nb）、小开空隙率（na）和闭空 隙率(nc)几种，各自的定义如下： n= 100%=(1- )1 ） （1-4） n0= 100% （1-5） nb= 100% （1-6） na= 100%=n0-nb （1-7） nc= 100%=n-n0 （1-8） V VV ws d G -1 V VV0 V VVb V VVa V VVc 岩石

12、在水溶液作用下表现出来的性质，称为 水理性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性、渗 透性、膨胀性及崩解性等。 a a 岩石的吸水性岩石的吸水性 岩石在一定的试验条件下吸 收水分的能力，称为岩石的吸水性。常用吸水率， 饱和吸水率与饱水系数等指标表示。 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： (1）吸水率：岩石的吸水率（a）是指岩石 试件在大气压力条件下自由吸入水的质量（mw1） 与岩样干质量（ms）之比，用百分数表示 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： %100 1 s w a m m a 岩石的吸水性岩石的吸水性 （2）饱和吸水率 岩石的饱和吸水率（sa）是指岩石在高压 （一般压力为15M

13、pa,15个大气压）或真空条件 下吸入水的质量（mw2）与岩样干质量（ms）之 比,用百分数表示， 100% s w sa m m w 2 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： a 岩石的吸水性岩石的吸水性 （3）饱水系数 判别岩石的抗冻性判别岩石的抗冻性 K 0.91 K 0.91 易冻破坏易冻破坏 岩石的吸水率（a）与饱和吸水率（p）之比，称为 饱水系数。它反映了岩石中大、小开空隙的相对比例关 系。 一般说来，饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈 多，而小开空隙相对愈少。饱水系数大，说明常压下吸 水后余留的空隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而 其抗冻性差。 a 岩石的吸水岩石的吸水

14、性性 B B 岩石的冻融性岩石的冻融性 岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用岩石冻融系 数和岩石冻融质量损失率来表示。 岩石冻融系数（Rd）是指岩石试件经反复冻融后（25或 50或100）的单轴抗压强度（Rc2）与冻融前饱和单轴抗 压强度（Rc1）之比，用百分数表示， 岩石冻融质量损失率（Km）是指冻融试验前后饱和试件的质 量之差（mp-mfm）与试验前烘干试件质量（ms）之比，以百分 数表示.5% Rd 25% %100 1 2 c c d R R R %100 s mfp m m mm K C C 岩石的软化性岩石的软化性 岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化 系数（K h

15、）表示。K h定义为岩石试件的饱和抗压强度 （R cw）与干燥下抗压强度的比值， K R 愈小则岩石软化性愈强。研究表明：岩石的软化性取 决于岩石的矿物组成与空隙性。 当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空 隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。 c cw h R R K D D 岩石的渗透性岩石的渗透性 岩石的渗透性岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石 的孔隙和裂隙透水的性能 v=kigradU=kgrad(p / ) 服从达西定律 w 下 游 上 游 浸 润 线 流 线 等 势 线 H h l (a) (b) 由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、由水的渗透引起岩

16、土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、 岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙 介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定 的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映土在孔隙的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映土在孔隙 介质中的渗流运动规律。介质中的渗流运动规律。 D D 岩石的渗透性岩石的渗透性 对孔隙介质岩体，一般认为，水在岩石中的流动，如同对孔隙介质岩体，一般认为，水在岩石中的流动，如同 水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西

17、定律达西定律 ；渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于；渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于 岩石中孔隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室岩石中孔隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室 内根据达西定律测定。内根据达西定律测定。 岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性， 新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于1010-7 -7cm/s cm/s量级。量级。 同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般 比新鲜岩石大比新鲜岩石大4 4

18、6 6个数量级，甚至更大，说明孔隙性对岩个数量级，甚至更大，说明孔隙性对岩 石透水性的影响是很大的石透水性的影响是很大的 岩石的透水性岩石的透水性： 岩体的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究，岩岩体的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究，岩 体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗 流和岩溶性介质渗流三种。流和岩溶性介质渗流三种。 (1)(1)准均匀介质渗流：准均匀介质渗流： 属于这一类型的有全、强风化带属于这一类型的有全、强风化带 及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达 西

19、定律基本上适用；西定律基本上适用； (2)(2) 裂隙性介质渗流：裂隙性介质渗流是岩体渗流的裂隙性介质渗流：裂隙性介质渗流是岩体渗流的 基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、 裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。 岩体的渗透性岩体的渗透性： （3)岩溶介质渗流：是岩体渗流最复杂的一种形式，由岩溶介质渗流：是岩体渗流最复杂的一种形式，由 于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐 伏性、封闭性和地下水系等特点。其复杂性主要表现在：伏性、封闭性和地下水系等

20、特点。其复杂性主要表现在： 多循环系统共存多循环系统共存 这是岩溶介质渗流最突出的特点之这是岩溶介质渗流最突出的特点之 一。如一个泉眼可能是一个循环系统的排泄点，也可能是一。如一个泉眼可能是一个循环系统的排泄点，也可能是 几个循环系统的排泄点。同时，单个系统在空间上可以相几个循环系统的排泄点。同时，单个系统在空间上可以相 互交叉。互交叉。 裂隙性渗流与管道型渗流共存。裂隙性渗流与管道型渗流共存。 多种渗流特征参数共存多种渗流特征参数共存。 水利水电工程地质勘察规范水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008GB50487-2008）规定）规定 ，岩土渗透性可按表，岩土渗透性可按表2 23

21、 3分级。分级。 渗透性等渗透性等 级级 标准标准 岩体特征岩体特征 土类土类 渗透系数渗透系数k k （cm/scm/s） 透水率透水率q q （LuLu） 极微透水极微透水K K 1010-6 -6 Q Q 0.10.1完整岩石，含等价开度完整岩石，含等价开度0.025mm0.025mm 裂隙的岩体裂隙的岩体 粘土粘土 微透水微透水1010-6 -6 K K 1010-5 -5 0.1 0.1 q q 11含等价开度含等价开度0.0250.0250.05mm0.05mm裂隙裂隙 的岩体的岩体 粘土粉土粘土粉土 弱透水弱透水 1010-5 -5 K K 1010-4 -41 1 q q 10

22、10 含等价开度含等价开度0.050.050.01mm0.01mm裂隙的裂隙的 岩体岩体 粉土细粒土粉土细粒土 质砂质砂 中等透水中等透水 1010-4 -4 K K 1010-2 -210 10 q q 100100含等价开度含等价开度0.010.010.5mm0.5mm裂隙的裂隙的 岩体岩体 砂砂砂砾砂砾 强透水强透水 1010-2 -2 K K 102.5mm2.5mm裂裂 隙的岩体隙的岩体 粒径均匀的巨粒径均匀的巨 砾砾 E E 岩石的膨胀性岩石的膨胀性 岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。 大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的，这是因为岩 石中的矿物亲水性小和结构联结力强的缘故

23、。如果岩石中 含有绢云母、石墨和绿泥石一类矿物，由于这些矿物结晶 具有片状结构的特点，水可能渗进片状层之间，同样产生 楔劈效应，有时也会引起岩石体积增大。 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： E E 岩石的膨胀性岩石的膨胀性 岩石膨胀大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这 些指标可通过室内试验确定。目前国内大多采用土的固结 仪和膨胀仪的方法测定岩石的膨胀性。 测试方法 1.1.平衡加压法平衡加压法 2.压力恢复法 3.加压膨胀法 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： 3 3） 岩石的水理性质岩石的水

24、理性质： F F 岩石的崩解性岩石的崩解性 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变 成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化 过程中削弱了岩石内部的结构联络引起的。常见于由可溶 盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。 岩石崩解性一般用岩石的耐崩解性指数表示。这项指标 可以在实验室内做干湿循环试验确定。 %100 01 02 2 WW WW I d 3 3） 岩石的水理性质岩石的水理性质： 目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识 的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性 为主。有定性的，也有定量

25、或半定量的，有单一为主。有定性的，也有定量或半定量的，有单一 因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种 方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的 完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况 和地下水等因素都不同程度地考虑到了。下面主和地下水等因素都不同程度地考虑到了。下面主 要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、 影响较大的分类方法。影响较大的分类方法。 岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也岩体工程分类既是工程岩

26、体稳定性分析的基础，也 是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。 岩体工程分类岩体工程分类 是通过岩体的一些简单和容易实测是通过岩体的一些简单和容易实测 的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来，的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来， 并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的 经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。 其目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质其目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质 量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程

27、设计、量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、 加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。 1 1）岩石按坚硬程度分类：）岩石按坚硬程度分类： 岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范（GB50021GB5002120012001）规定岩石的坚）规定岩石的坚 硬程度可按表硬程度可按表1-91-9分类。分类。 岩石的工程分类岩石的工程分类 坚硬程度坚硬程度坚硬坚硬 岩岩 较硬较硬 岩岩 较软较软 岩岩 软岩软岩极软极软 岩岩 饱 和 单 轴 抗饱 和 单 轴 抗 压强度（压强度（MPaMPa） f f r r6 6 0 0 6060f fr

28、r 3030 3030f fr r 1515 1515f fr r 55 f fr r55 美国伊利诺斯大学用岩体质量指标美国伊利诺斯大学用岩体质量指标RQDRQD来表示岩石的完整来表示岩石的完整 性。性。 修正的岩心采取率修正的岩心采取率 采用直径为采用直径为75mm75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为 54mm54mm的岩心，将长度小于的岩心，将长度小于10cm10cm的破碎岩心及软弱物质剔除，的破碎岩心及软弱物质剔除， 然后测量大于或等于然后测量大于或等于10cm10cm长柱状岩心的总长度长柱状岩心的总长度( (L Lp p) )。用这。用这 一有

29、效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺( (L L) )之比，之比， 取其百分数就是取其百分数就是RQDRQD。举例及优缺点举例及优缺点 按照按照RQDRQD值大小可把岩石分成五个质量等级值大小可把岩石分成五个质量等级 按岩体质量指标分级按岩体质量指标分级： %100 L L RQD p 由比尼卫斯基（由比尼卫斯基（BienawskiBienawski，19731973）提出，后经多次修改，）提出，后经多次修改， 于于19891989年发表在年发表在工程岩体分类工程岩体分类一书中。一书中。 该分类系统由该分类系统由岩块强度、岩块强度、RQDRQD值、节理间距、节理值、节理间距、节理 条件及地下水条件及地下水5 5类指标组成。分类时，根据各类指标的类指标组成。分类时，根据各类指标的 数值，按表数值，按表2-102-10的标准评分，求和得初始的标准评分，求和得初始RMRRMR值。值。 然后按表然后按表2-112-11和表和表2-122-12的规定对总分作适当的修正。最的规定对总分作适当的修正。最 后用修正后的总分对照表后用修正后的总分对照表2-122-12求得修正的