岩石物理基础

1、本次课的课程提纲本次课的课程提纲 一、岩石的组构特征一、岩石的组构特征 二、岩石中的结构面（软弱面）二、岩石中的结构面（软弱面） 三、岩石的四个性质三、岩石的四个性质 四、岩石的物理四、岩石的物理 五、岩石的水理性能五、岩石的水理性能 1 1 岩石的物质组成岩石的物质组成 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 组成岩石的矿物组成岩石的矿物 组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上 决定着岩决定着岩石的石的力学性质力学性质 二、岩石的组构特征二、岩石的组构特征 物质组成对力学性质的影响物质组成对

2、力学性质的影响 o 一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉一般硅酸盐矿物有石英、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 含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高花含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高花 岗岩、闪长岩、玄武岩岗岩、闪长岩、玄武岩 o 含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低 粘土岩、泥岩粘土岩、泥岩 o 碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类，碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类， 岩石的物理力学性质取决于岩石中的岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCOCaCO3 3 及酸不溶物的含量

3、及酸不溶物的含量 o CaCOCaCO3 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 泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学 性质差性质差 物质组成对力学性质的影响物质组成对力学性质的影响 o 碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系： 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的影响物质组成对力学性质的影响 泥页岩的粘土矿物组成泥页岩的粘土矿物组成 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

4、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 2 2 岩石的结构岩石的结构 岩石的结构岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排岩石内矿物颗粒的大小、形状、排 列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映 在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结 与胶结连结与胶结连结 二、岩石的组构特征二、岩石的组构特征 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

5、度： 粗粒粗粒 不等粒不等粒 2 2 岩石的结构岩石的结构 微结构面微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间 的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间 空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等空隙、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 导致岩石力学性质各向异性导致岩石力学性质各向异性 二、岩石的组构特征二、岩石的组构特征 2 2 岩石的结构岩石的结构 结晶连结结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起， 它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触它是通过共用原子

6、或离子使不同晶粒紧密接触 岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩 胶结连结胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起矿物颗粒通过胶结物连结在一起 碎屑岩碎屑岩 二、岩石的组构特征二、岩石的组构特征 二、二、岩石的组构特征岩石的组构特征 o 基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体重，这基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体重，这 种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关种情况下胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关 o 接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程 度低，岩石强度也不大度低，岩石强度也不大 o 间隙型

7、：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结 物充填物充填 o 溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到溶蚀型：胶结物不仅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。 岩石的主要胶结类型：岩石的主要胶结类型： 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 3 3 岩石的构造岩石的构造 岩石的构造岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在空岩石的构造是指岩石组成成分在空 间上相互排列及所占的位置。间上相互排列及所占的位置。 岩浆岩的构造岩浆岩的构造：块状构造、流纹状

8、构造、气孔状块状构造、流纹状构造、气孔状 构造、杏仁状构造构造、杏仁状构造 沉积岩的构造沉积岩的构造：层理构造层理构造 变质岩的构造变质岩的构造：片理构造片理构造 二、岩石的组构特征二、岩石的组构特征 三、岩石中的结构面（软弱面）三、岩石中的结构面（软弱面） o 结构面就是岩石内具有一定方向性、延展性结构面就是岩石内具有一定方向性、延展性 较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括 物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等） 1. 结构面的成因类型结构面的成因类型 2. 结构面的规模与分级结构面的规模与分级 3. 结构面特

9、征及其对岩石性质的影响结构面特征及其对岩石性质的影响 一）结构面的成因类型一）结构面的成因类型 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 构造结构面构造结构面 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 结构面的地质成因类型结构面的地质成因类型 1. 原生结构面：原生结构面：在岩石形成过程中形成的在岩石形成过程中形成的软弱面软弱面 n岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入岩浆岩的流动构造面、冷缩形成的原生裂隙面、侵入 体与围岩的接触面；体与围岩的接触面； n沉积岩体内的层理面、不整合面；沉积岩体内的层理面、不

10、整合面； n变质岩体内的片理面，以及片麻构造面等。变质岩体内的片理面，以及片麻构造面等。 o 在原生结构面中，除了原生裂隙，以及由于受构在原生结构面中，除了原生裂隙，以及由于受构 造运动和风化作用的影响，已经脱开的软弱面外，造运动和风化作用的影响，已经脱开的软弱面外， 多多具有一定的连结力和较高的强度具有一定的连结力和较高的强度。 结构面的地质成因类型结构面的地质成因类型 2. 构造结构面：构造结构面：岩石形成后的构造运动过程中产生的各种岩石形成后的构造运动过程中产生的各种 破裂面破裂面 o 断裂面、层间错动面构造作用形成的软弱夹层，以及构断裂面、层间错动面构造作用形成的软弱夹层，以及构 造裂

11、隙面等造裂隙面等 o 这类软弱面除了已经胶合者以外，绝大部分都是脱开的这类软弱面除了已经胶合者以外，绝大部分都是脱开的 o 规模较大的，多充填有厚度不等、类型和连续程度不同规模较大的，多充填有厚度不等、类型和连续程度不同 的充填物，其中大部分已泥化，或者已变成了软弱夹层的充填物，其中大部分已泥化，或者已变成了软弱夹层 o 就一般情况而言，除了部分构造裂隙以外，就一般情况而言，除了部分构造裂隙以外，大部分构造大部分构造 软弱面的特性都很坏软弱面的特性都很坏，强度多接近于岩体的剩余强度，强度多接近于岩体的剩余强度， 往往导致复杂往往导致复杂。 结构面的地质成因类型结构面的地质成因类型 o 次生结构

12、面：次生结构面：岩体在外力作用下产生的软弱面岩体在外力作用下产生的软弱面 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。但可降低岩体的度不大，方向紊乱，连续性很低。但可降低岩体的 强度和变形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起岩强度和变形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起岩 体在垂直于卸荷自由面方向发生伸长而形成。卸荷体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。裂隙面基本上平行于岩体卸荷自由面。一般来说，一般来说， 次生结构面主要影响地面附近岩体的稳定性次生结构面主要影响地面附近岩体的稳

13、定性。 结构面的力学成因类型结构面的力学成因类型 o 这里所说的这里所说的结构面是指岩体中的破裂面结构面是指岩体中的破裂面而言而言 o 所谓软弱面的力学成因类型，是所谓软弱面的力学成因类型，是指按照形成破裂面指按照形成破裂面 的破坏应力的不同，所划分的破裂面的类型的破坏应力的不同，所划分的破裂面的类型。根据。根据 野外观察到的事实、大量岩体力学试验的结果以及野外观察到的事实、大量岩体力学试验的结果以及 莫尔库伦破坏理论的分析，认为岩体的破坏只有剪莫尔库伦破坏理论的分析，认为岩体的破坏只有剪 切破坏和拉断破坏两种类型。破裂面的力学成因，切破坏和拉断破坏两种类型。破裂面的力学成因， 应划分为剪性和

14、张性两大类别。应划分为剪性和张性两大类别。 结构面的力学成因类型结构面的力学成因类型 o 张性破裂面张性破裂面：是由张力形成的，在破坏过程中，是由张力形成的，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。破坏面两侧岩体仅沿破裂面法向发生分离位移。 张性破裂面，一般张开度大，连续性差，形态多张性破裂面，一般张开度大，连续性差，形态多 不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗不规则，多呈折线或锯凿状。断面凹凸不平，粗 糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉糙度大，破碎带宽度变化大，且易被岩脉、矿脉 充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常常充填，有时并有岩浆沿之入侵。张性破裂面常

15、常 具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征具有含水丰富，导水性强以及剪切强度高等特征 结构面的力学成因类型结构面的力学成因类型 o 剪性破裂面剪性破裂面：是由剪应力而形成的，破裂面是由剪应力而形成的，破裂面 两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的两侧岩体沿破裂面切线方向发生有不同程度的 滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方滑错位移。具有擦痕、共轭性、规律的位移方 向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有的特向以及断面比较光滑，是剪性破裂面共有的特 征，也是鉴定剪性破裂面的主要依据。征，也是鉴定剪性破裂面的主要依据。 正断层正断层上盘相对下盘向下滑动的断层上盘相对下盘向下滑动的断层 上盘下

16、降上盘下降 下盘上升下盘上升 三）结构面特征及其对岩体性质的影响三）结构面特征及其对岩体性质的影响 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 软弱面的影响软弱面的影响 o 岩石软弱面对岩体物理力学特性如岩体强度、岩石软弱面对岩体物理力学特性如岩体强度、 变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应变形性、渗透性，力学上的连续性及岩体应 力分布等都有显著影响。因此，在很多情况力分布等都有显著影响。因此，在很多情况 下，软弱面是岩体力学问题的一个主要控制下，软弱面是岩体力学问

17、题的一个主要控制 因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加因素。从本质上说，软弱面使岩体变得更加 软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异软弱，更易于变形而且表现为高度的各向异 性。性。 三、岩石的不连续性、非均匀性、各三、岩石的不连续性、非均匀性、各 向异性和渗透性向异性和渗透性 岩石的不连续性岩石的不连续性 岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物岩石中普遍存在的结构面，无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的岩石物理力学质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学 性质呈现不连续变化性质呈现不连续变化。 对于裂隙性岩石，通常采用裂缝率作为定量评价岩石对于裂隙性岩石，

18、通常采用裂缝率作为定量评价岩石 被裂隙切割后破碎程度的指标被裂隙切割后破碎程度的指标。 岩石的不连续性岩石的不连续性 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的法线方向上每单位长度单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)(m)内，内， 法线与结构面的交割数目，以法线与结构面的交割数目，以Kd(1/m)Kd(1/m)表示。即单向裂隙率表示。即单向裂隙率 的倒数为成组结构面之间的平均间距，以的倒数为成组结构面之间的平均间距，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) 岩石的不连续性岩石的不连续性 式中：

19、li - 第i条裂隙面长度(m)； ti - 第i条裂隙面的宽度(m)； A - 被测量的岩石总面积（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的面积总是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总 和，亦即和，亦即 岩石的不均匀性岩石的不均匀性 不均匀性不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同 而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统 计特征计特征-偏差系数偏差系数V(%)V(%)来估算岩体的不均匀性，即：来估算岩体的不均匀性，即： 式

20、中： -各观测值xi的算术平均值。 -标准差估计值。 式中：N - 试验观测点(次)数。 x 岩石的各向异性岩石的各向异性 o 岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间 方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形 特性等各方面。特性等各方面。在天然岩体条件下，使岩体具有各在天然岩体条件下，使岩体具有各 向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、向异性的基本原因是由于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。目前在片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在 实际工程中对于成层岩体

21、往往考虑其平行于层理和实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和 垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的 岩体，则把它视为各自同性体。岩体，则把它视为各自同性体。 岩石的渗透性岩石的渗透性 o 有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动， 岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不 同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同，同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同， 渗透性的大小用渗透系数渗透性的大小用渗透系数K K表示表示。 o 岩石的渗透系数不仅与水的物理性质有关，岩石的渗透系数不

22、仅与水的物理性质有关， 也与岩石的应力状态有关。也与岩石的应力状态有关。 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 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，则渗透系数可计算如下假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算如下 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的水量单位时间里透过试样的水量(m3)； L试样长度试样长度(m)；A试样截面积试样截面积(m2)； P试样两端的水压力差试样两端的水压力差(KPa)；w水的容重水的容重(KN/m3） 岩石径向渗透

23、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试样外壁上的水压力试样外壁上的水压力(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。 四、岩石的物理性质四、岩石的物理性质 岩石和土一样，也是由固体、液体和岩石和土一样，也是由固体、液体和 气体气体三三 相组成相组成的。的。 物理性质是指岩石由于物理性质是指岩石由于三相三相组成的组成的相对比例关相对比例关 系不同系不同所表现的所表现的物理状态物理状态。 1 1、岩石的密度岩石的密度 2 2、岩石

24、的孔隙性、岩石的孔隙性 （一）、岩石的密度（一）、岩石的密度 1 1、颗粒密度颗粒密度(s s) )：岩石固体部分的质量与：岩石固体部分的质量与 其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此其体积的比值。它不包含孔隙在内，因此 其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其 含量：含量： s s= m= ms s/V/Vs s s s为岩石的颗粒密度为岩石的颗粒密度 m ms s为岩石固体部分的质量为岩石固体部分的质量 V Vs s为岩石固体部分的体积为岩石固体部分的体积 （一）、岩石的密度（一）、岩石的密度 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

25、）是指岩石单位体 积内的质量，按岩石的含水状态，又有干积内的质量，按岩石的含水状态，又有干 密度（密度（d d）、饱和密度（）、饱和密度（sat sat）和天然密 ）和天然密 度（度（）之分，在未指明含水状态时一般）之分，在未指明含水状态时一般 指岩石的天然密度。指岩石的天然密度。 d d=m=ms s/V /V sat sat=m =msat sat/V =m/V /V =m/V 常见岩石的密度常见岩石的密度 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2.67

26、2.96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 岩石的物理性质 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、裂隙的体积与岩石总体岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体 积之比称裂隙率。积之比称裂隙率。 o 孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土

27、、孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于松散土、 石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。石，裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。 o 一般岩石的孔隙度在一般岩石的孔隙度在0.10.1- -0.350.35之间之间 岩石的物理性质岩石的物理性质 o 孔隙比：孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称 岩石的孔隙比岩石的孔隙比( (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可以互相换算： 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，只有通过试验才能得到具体数值密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值, , 而孔

28、隙度和孔隙比是计算指标。而孔隙度和孔隙比是计算指标。 e e n 1 n n e 1 五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质 岩石在岩石在水溶液水溶液作用下表现出来的性质，称为作用下表现出来的性质，称为 水理性质。主要有：水理性质。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 （一）、岩石的吸水性（一）、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。 1.吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下 自由吸入水的质量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，用 百分数表示 %100 2 1 w w a m m W %100

29、 d d a w aVb b W W V V n 岩石的饱和吸水率岩石的饱和吸水率( (W Wp p) )是指岩石试件在高压是指岩石试件在高压( (一般压力为一般压力为 15MPa)15MPa)或真空条件下吸入水的质量或真空条件下吸入水的质量(m(mw2 w2) )与岩样干质量 与岩样干质量(m(ms s) ) 之比，用百分数表示，即之比，用百分数表示，即 %100 2 s w p m m W 3.3.饱水系数饱水系数 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)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。 %100 d d 0 0 Wp W V V n w p V （2 2）饱和吸水率）饱和吸水率 （二）、岩石的软化性（二）、岩石的软化性 o 岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性 o 软化系数软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(cw)与 干抗压强度(c)的比值 c cw R K o 岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙 较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。 o K KR R0.750.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好 o K KR R0.750.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差 （三）、岩石的抗冻性（三）、岩