岩石的物理、水理与热学性质

1、岩石的物理、水理与热学性质第一节岩石的物理性质岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。所谓物理性质是指岩石三相组成部 分的相对比例关系不同所表现的物理状态。与工程密切相关的物理性质有密度和空隙性。一、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。它是建筑材料选择、 岩石风化研究及岩体稳定性和围岩压力预测等必需的参数。岩石密度又分为颗粒密度和块体密 度，各类常见岩石的密度值列于表3-1。表3-1常见岩石的物理性质指标值岩石类理颗粒密度块体密度空隙率 (%)吸水率(%)软化系数 (Ku)花岗岩2. 50-2. 842, 3。2. 800. 4F

2、5QUOa 72-0. 97_闪长岩丸102 522 96a 20.5a 3& oa. 600. 802* BD3- 102.53207。3& 0。8& 00. 33-0. 90辉长岩2,70女202.55-2.98止34.。0. 54. 0_安山岩2.802. 302.70L 10-4.5a 3& 50. 8IO. SI啬岩2. 60-2* 842. 40-2* 802.15-00.4L 70.网0.81玄武岩2. 60艮302. 503*100.5E 20.32.80.30.95振灰岩2. 562. 782. 29-2. 50L 57* 50.5& 50.520* 86砾岩2. 67 2

3、712* 402. 660*8 10.00. 32, 40* 500* 96砂岩2. 602. 752* 20-2* 71L62&00* 29. 00. 650.07页岩2. 572. 772. 30-2, 62OUltXO0.5以0.240 74石档Z姐2 852* 30*-2. 770* 527. 00*1-4. 50.70-0.94泥灰岩2.702. 80110-2.70L0 10. 00.5-8.0Ol 44QM4白云岩2* 602.902.10-2.700. 325.0。13.0片麻岩2* 63& 012.30& 000. 72.2a 10.7a 75-0. 07石英片岩2. 6。2

4、 802*10*2*70a 00.10*3h 440*84绿泥石片岩2. 80-2.902* 102* 85a 82* 1a i(k 6a 53-0* 69千枚岩2.812.962.71-2.860.4-X6a 5-l 80. 670. Q6泥质板岩2. 702 852* 30-2.80(M0. 50.1-0.30.39 。.522. 802 85% 6。2700.1 & 0。1L 0石英岩Z 532 842. 40-2.800*1& 70.lh50.940.96颗粒密度岩石的颗粒密度(p 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

5、含量。如基性、超基性岩浆岩，含密度大的矿物 较多，岩石颗粒密度也大，一般为2.73.2g/cm3；酸性岩浆岩含密度小的矿物较多，岩石 颗粒密度也小，多变化在2.52.85g/cm3之间；而中性岩浆岩则介于上二者之间。又如硅质 胶结的石英砂岩，其颗粒密度接近于石英密度；石灰岩和大理岩的颗粒密度多接近于方解石密 度，等等。岩石的颗粒密度属实测指标，常用比重瓶法进行测定。块体密度块体密度(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 (p d)、饱和密度(p sat)和天然密度(p )之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。 各自的定义如下：(3-1)msatsat

6、 V(3-2)(3-3)式中：ms、msat、m分别为岩石试件的干质量、饱和质量和天然质量；V为试件的体积。岩石的块体密度除与矿物组成有关外，还与岩石的空隙性及含水状态密切相关。致密而裂 隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度很接近，随着孔隙、裂隙的增加，块体密度相应减小。岩石的块体密度可采用规则试件的量积法及不规则试件的蜡封法测定。二、岩石的空隙性岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此具有相对较多的孔隙。同时，由于岩石经受过多种地 质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙 性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。另外，岩石中的空隙有些部分往往是互不连 通的

7、，而且与大气也不相通。因此，岩石中的空隙有开型空隙和闭空隙之分，开型空隙按其开 启程度又有大、小开型空隙之分。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率(n)、总开空 隙率(no)、大开空隙率(nb)、小开空隙率(na)和闭空隙率(nc)几种，各自的含义如下： TOC o 1-5 h z n 匕 x 100% (1 - &) x 100%(3-4)VPsn Vv0 x100%(3-5)0 Vn 匕 x100%(3-6)b VVnaX100% n0 - nb(3-7)Vn v x100% n - n(3-8)式中：Vv、Vvo、Vvb、Vva、Vvc分别为岩石中空隙的总体积、总开空隙体积、大开空隙

8、体积、 小开空隙体积及闭空隙体积；其它符号意义同前。一般提到的岩石空隙率系指总空隙率，其大小受岩石的成因、时代、后期改造及其埋深的 影响变化范围很大。常见岩石的空隙率见表3-1，由表可知，新鲜结晶岩类的n 一般小于3%， 沉积岩的n较高，为1%10%，而一些胶结不良的砂砾岩，其n可达10%20%，甚至更大。岩石的空隙性对岩块及岩体的水理、热学性质及力学性质影响很大。一般来说，空隙率愈 大，岩块的强度愈大、塑性变形和渗透性愈大，反之愈小。同时岩石由于空隙的存在，使之更 易遭受各种风化营力作用，导致岩石的工程地质性质进一步恶化。对可溶性岩石来说，空隙率 大，可以增强岩体中地下水的循环与联系，使岩溶

9、更加发育，从而降低了岩石的力学强度并增 强其透水性。当岩体中的空隙被粘土等物质充填时，则又会给工程建设带来诸如泥化夹层或夹 泥层等岩体力学问题。因此，对岩石空隙性的全面研究，是岩体力学研究的基本内容之一。岩石的空隙性指标一般不能实测，只能通过密度与吸水性等指标换算求得，其计算方法将 在水理性质一节中讨论。第二节岩石的水理性质岩石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、抗冻性及 渗透性等。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。常用吸水率、饱和吸水率 与饱水系数等指标表示。(一)吸水率岩石的吸水率(Wa)是指岩石试件在大气压力和室温条件下

10、自由吸入水的质量(mwi)与岩样 干质量(ms)之比，用百分数表示，即W = wi x100%(3-9)w2测时先将岩样烘干并称干质量，然后浸水饱和。由于试验是在常温常压下进行的，岩石浸水时， 水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入。因此可用吸水率来计算岩石的大开空 隙率(nb)，即VP Wn =4 x 100% = (1 d ) x 100%(310)P w式中：p w为水的密度，取p w=1g/cm3。岩石的吸水率大小主要取决于岩石中孔隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，同时还受到 岩石成因、时代及岩性的影响。大部分岩浆岩和变质岩的吸水率多为0.1%2.0%之间，沉 积岩的吸水性较

11、强，其吸水率多变化在0.2%7.0%之间。常见岩石的吸水率列于表3-1及 表32中。(二)饱和吸水率岩石的饱和吸水率(Wp)是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)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，即mWp = w2 x100%(311)s在高压(或真空)条件下，一般认为水能进入所有开空隙中，因此岩石的总开空隙率可表示为:n =岸 x 100% = PdWp x 100%(312)0 Vps岩石的饱和吸水率也是表示岩石物理性质的一个重要指标。由于它反映了岩石总开空隙的 发育程度，因此亦可间接地用它来判定岩石的抗风化能力和抗冻性。常见岩石的饱和吸水率见

12、 表 3-2。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。一般来说，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。另外，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈易被冻胀破坏，因而其 抗冻性差。几种常见岩石的饱水系数列于表3-2表3-2几种岩石的吸水性指标值岩石名称吸水率()花岗岩0.46石英闪长岩0.32玄武岩0.27基性斑岩0. 35云母片岩0.13岩7,01石灰岩0.09白云质灰岩0.74饱和吸水率()揪水系数0.840.550.540.590. 390.690.420.83L 310.1011

13、.990.600.250.360.920.80二、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(KR)表示。K定义为岩石试件 R 的饱和抗压强度(。)与干抗压强度(。)的比值，即 cwcKr =cw(3-13)c显然，KR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。如粘土岩、泥质胶结的砂岩、砾岩和泥灰岩等岩石，软化性较强，软化系数一 般为0.40.6,甚至更低。常见岩石的软化系数列于表3-1中，由表可知，岩石的软化系数 都小于1.0，说明岩石均具有不同

14、程度的软化性。一般认为，软化系数KR0.75时，岩石的 软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强。而KRV0.75的岩石则是软化性较强和 工程地质性质较差的岩石。软化系数是评价岩石力学性质的重要指标，特别是在水工建设中，对评价坝基岩体稳定性 时具有重要意义。三、岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用抗冻系数和质量损失率来表示。抗冻系数(R) d 是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(。c2)与冻融前干抗压强度(。cl)之比，用百分数表 示，即Rd =J x 100%(3-14)cl质量损失率(Km)是指冻融试验前后干质量之差(msi-ms2)与试验前干质量(m)之比，以百

15、分数表示，即Km = %1 m2 x 100%(3-15)sl试验时，要求先将岩石试件浸水饱和，然后在一2020C温度下反复冻融25次以上。冻 融次数和温度可根据工程地区的气候条件选定。岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因有二：一是岩石中各组成矿物的体膨胀系数不 同，以及在岩石变冷时不同层中温度的强烈不均匀性，因而产生内部应力；二是由于岩石空隙 中冻结水的冻胀作用所致。水冻结成冰时，体积增大达9%并产生膨胀压力，使岩石的结构和 连结遭受破坏。据研究冻结时岩石中产生的破坏应力取决于冰的形成速度及其与局部压力消散 的难易程度间的关系，自由生长的冰晶体向四周的伸展压力是其下限(约0.05MPa)，而

16、完全封 闭体系中的冻结压力，在一22C温度下可达200MPa，使岩石遭受破坏。岩石的抗冻性取决于造岩矿物的热物理性质和强度、粒间连结、开空隙的发育情况以及含 水率等因素。由坚硬矿物组成，且具强的结晶连结的致密状岩石，其抗冻性较高。反之，则抗 冻性低。一般认为Rd75%，KmV2%时，为抗冻性高的岩石；另外，WaV5%、KR0.75和 饱水系数小于0.8的岩石，其抗冻性也相当高。四、岩石的透水性在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。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达西定律，即U = KJ(3-16)式中：U为渗透流速；J为水力梯

17、度；K为渗透系数(permeability coefficient)，数值上等 于水力梯度为1时的渗透流速，单位为cm / s或m / d。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空隙的数量、规模及连通情 况等，并可在室内根据达西定律测定。某些岩石的渗透系数如表3-3，由表可知：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10-7cm/s量 级。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46个数量级，甚 至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的。应当指出，对裂隙岩体来说，不仅其透水性远比岩块大，而且水在岩体中的渗流规律也

18、比 达西定律所表达的线性渗流规律要复杂得多。因此，达西定律在多数情况下不适用于裂隙岩体，必须用裂隙岩体渗流理论来解决其水力学问题，这将在第六章中讨论。表3-3几种岩石的渗透系数值岩石名称空隙情此诊透系数花岗岩L1X1D-U9. 5X10-U含微裂隙l.lX10-n-2, 5X10-11At裂隙及部分霍袭隙XU 了石庆岩敦密3X1Z 6xiZ微裂隙、孔隙2X1L 3X1L空隙较发育9X10-(3X10-4片麻岩致密-s几种岩石的热学粕性*岩石比热春导熟泰数W/(m *K)制制眠系数算性虹热应力系数(MPa/K)炸长岩720. 12. 010.51960. 40.5脚岩6993a. as124-3

19、0.40.5花岗岩782. 92. 680.6-60. 4Q 6片麻岩879.22. 550.83360. 4-0,6石英岩m?5. 532240.4页岩774.61. 7254D. 46石灰岩90& 52.090.3340.2L 0白云岩719. 43.55420.4三、岩石的热膨胀系数岩石在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的性质，称为岩石的热膨胀性，用线膨 胀(收缩)系数或体膨胀(收缩)系数表示。当岩石试件的温度从T1升高至T2时，由于膨胀使试件伸长 1,伸长量 l用下式表示：l = Al(T -T)(3-21)式中：a为线膨胀系数(1/K)； 1为岩石试件的初始长度，由(3-21)

20、式可得：a =一一(3-22)1 (T2- T)岩石的体膨胀系数大致为线膨胀系数的3倍。某些岩石的线膨胀系数见表3-5,可知多数 岩石的线膨胀系数为(0.33)X10-31/K左右。另外，层状岩石具有热膨胀各向异性，同时 岩石的线膨胀系数和体膨胀系数都随压力的增大而降低。四、温度对岩石特性的影响人类在开发地下资源及工程建设的过程中，都要遇到高温或低温(0C以下)条件下的岩体 力学问题。这时有必要研究岩石的热学性质及温度对岩石特性的影响。温度对岩石特性的影响主要包括两方面：一是温度对岩体力学性质的影响；二是由于温度 变化引起的热应力的影响。目前，这方面的研究刚起步。在国内，由于液化天然气的贮存、复 杂地质条件下的冻结施工及核废料处