岩石的物理性质

岩石的物理性质第一页，共二十五页，2022年，8月28日第一节岩石的物理性质指标一.重量指标1.密度（g/cm3）（实测指标）

块体密度（ρ）：指岩石单位体积内的质量，ρ=m/v,

kg/m3。包括：干密度ρd：ρd=ms/v

饱和ρsat：ρsat=msat/v

量积法和蜡封法测定块体密度ρ。重度（γ）:γ

=w/v=ρ.gKN/m3

岩石的重度3，土18-20，砼24，钢砼25

岩石的重度在一定程度上反映出岩石的力学性质情况，通常岩石的重度越大，则它的性质就越好，反之越差。2.比重GSGS

=WS/VS.γW

岩石的干重力与同体积4℃水的重力之比一般采用比重瓶法测定Gs，大部分岩石的比重介于之间。砂土2.65，粘土2.75第二页，共二十五页，2022年，8月28日二．空隙性指标（计算指标）

各种孔隙及裂隙统称为空隙（性）。用空隙率表示。

空隙率（n）：岩石中空隙体积与岩石总体积之比，百分率形式表示。

n=vv/v×100%=（1-ρd/Gs）×100%

空隙率是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数。孔隙率越大，岩石的强度越低。第三页，共二十五页，2022年，8月28日岩石在水溶液作用下表现出来的性质。主要有吸水性、软化性、抗冻性及渗透性等。

1．吸水性（bibulous/suctionproperty）

（1）吸水率（Wa）：指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的重量（Ww1）与岩样干重量（Ws）之比。

（2）饱和吸水率（Wsa）：指岩石试件在高压（15MPa）或真空条件下吸入水的重量（Ww2）与岩样干质量（Ws）之比。

（3）饱水系数Kω

吸水率（Wa）/饱和吸水率（Wsa）， 一般为间。

饱水系数↑，岩石中的大开空隙相对↑，而小开空隙相对↓，其抗冻性差↓。

第二节岩石的水理性质和指标第四页，共二十五页，2022年，8月28日2．软化性（softeningproperty）岩石与水相互作用时强度降低的性质。岩石浸水饱和后强度要降低，其程度大小用软化系数（K）表示:K=Rb/Rd

式中：Rb—岩石试件饱和抗压强度；Rd—干抗压强度。

K↓，岩石的软化性↑，岩石的软化系数小于1。岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性。

一般地，k＞0.75，岩石软化性弱，抗冻性和抗风化能力强；k＜0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差。第五页，共二十五页，2022年，8月28日3．抗冻性（frost-resistance）

岩石抵抗冻融破坏的能力。

用强度损失率即抗冻系数（Rd

）和重量损失率（Km）表示。

（1）Rd=Rc2/Rc1×100%

式中：Rc2—反复冻融后的干抗压强度

Rc1—冻融前干抗压强度；

（2）Km=(W1-W2)/W1

W1,W2分别为冻融试验前后岩石试样的重量

岩石的冻融试验在实验室进行。冻融各4小时为1个循环，一般要进行25次后计算Rd

和Km。Rd≤25%。

Km

≤5%，岩石抗冻性较好。第六页，共二十五页，2022年，8月28日4．透水性（permeability）

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。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：

-----水头变化率

qx---沿x方向水的流量；h—水头高度；A—垂直x方向的截面面积；k—渗透系数。K现场或室内试验确定。野外用钻孔压水试验，测定单位吸水量。岩石室内渗透（仪）试验，与土类似，但试验时的压力差要大得多。灰岩K=1-10-4cm/s，砂岩10-4-10-6

，泥岩10-7-10-11cm/s第七页，共二十五页，2022年，8月28日

第三节岩石的热学性质

在深埋隧洞、高寒地区及地温异常地区的工程建设，地热开发以及核废料处理和石质文物保护中均具有重要的实际意义。

1．比热

2．导热系数

3．热膨胀系数

4．温度对岩石特性的影响（1）对岩体力学性质的影响

低温条件，岩石力学性质有不同程度的改善；

高温条件，岩石的抗压强度Rc和变形模量E降低。

（2）由于温度变化引起的热应力的影响（研究较少）。第八页，共二十五页，2022年，8月28日第四节岩体结构一.结构面的定义，分类及分级结构面（structuralplane）：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的宏观地质界面或带。

“不连续面（discontinuities）或节理（joint）”1.结构面的成因类型

（1）地质成因类型

原生结构面：岩体在成岩过程中形成的。

（包括沉积结构面如层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面；岩浆结构面；变质结构面）

构造结构面：断层、节理、劈理和层间错动面等。

次生结构面：如卸荷、风化裂隙和次生夹泥和泥化夹层等。

第九页，共二十五页，2022年，8月28日（2）力学成因类型

剪性结构面：剪应力引起，如逆断层、平移断层以及多数正断层。

连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。

张性结构面：拉应力引起。如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等。

张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填。含水丰富，导水性强。软弱和硬性结构面：结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面，无充填或充填物较上下岩层强度大者则属于坚硬结构面。第十页，共二十五页，2022年，8月28日2.结构面的规模及分级

（1）绝对分级:按结构面延伸长度，并考虑其宽度，可将结构面分为I-V级。级序分级依据力学属性地质构造特征对岩体稳定性的作用I结构面延展长，贯通岩体，延伸数至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米以上。1．软弱结构面2．构造独立的力学模型-软弱夹层大断层区域性断层影响区域稳定性，山体稳定性Ⅱ

延伸数百米至数千米，破碎带宽约数十厘米至数米软弱结构面较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性Ⅲ延伸数十米至数百米，宽度数厘米至1m左右多数属坚硬结构面，少数属软弱结构面各种类型的断层、区域性节理、层面及层间错动带等影响或控制工程岩体如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性Ⅳ延伸数十厘米至20～30m，宽度为零至数厘米不等，统计结构面

坚硬结构面节理、层面、次生裂隙、小断层、片理、劈理、卸荷裂隙、风化裂隙等

影响或控制工程岩体如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性Ⅴ连续性差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面

硬性结构面隐节理、微层面、微裂隙和线理等分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础第十一页，共二十五页，2022年，8月28日2.相对分级:根据结构面延展长度同工程结构类型和大小之间关系，把结构面分成细小的，中等的和大型的三级。第十二页，共二十五页，2022年，8月28日二．结构面特征的定量描述多在岩体的天然露头或人工露头上进行,也可在钻孔岩心上进行。国际岩石力学学会现场试验标准化委员会推荐的结构面特征定量描述包括10个参数。即产状，间距，持续性，粗糙度，结构面壁强度，裂缝开度，充填物，渗透，节理组数和岩块尺寸。结构面的统计分析，裂隙极坐标图，节理玫瑰花图等。第十三页，共二十五页，2022年，8月28日三．结构体结构体（structuralelement）：指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。

“岩块”与“结构体”的区别：只有Ⅳ级结构面切割的Ⅳ级结构体才称为“岩块”。

规模（取决于结构面的密度）、形态（柱状、板状、楔状和菱形等）和产状（长轴方向）来描述结构体特征。第十四页，共二十五页，2022年，8月28日四．岩体结构的划分结构类型结构面间距（cm）结构体形态力学介质类型岩体质量整体块状＞100整体或巨型块体连续介质极好层状结构100-30连续-似连续好碎裂结构似连续-不连续差散体结构密集碎屑，岩粉似连续极差岩体结构类型第十五页，共二十五页，2022年，8月28日第五节岩石（体）的工程分类一、分类的目的（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2）便于施工方法的总结,交流，推广。（3）为便于行业内技术改革和管理。二、分类原则（1）有明确的类级和适用对象。（2）有定量的指标。（3）类级一般分五级为宜。（4）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。（5）根据适用对象，选择考虑因素。趋势：“综合特征值”分类法

第十六页，共二十五页，2022年，8月28日三、分类的独立因素

在分类中起主导和控制作用的有如下几方面因素：（1）岩石材料的质量（强度指标）。（2）岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。（3）水文状态（软化、冲蚀、弱化）（4）地应力（5）其它因素（自稳时间、位移率）其中：岩性是最重要因素第十七页，共二十五页，2022年，8月28日四.岩块（石）的工程分类

1．迪尔（Deere）和米勒（Miller）的双指标分类（1966年）

单轴抗压强度（R）和单轴抗压强度（R）与切线模量Et之比值作为分类指标。

2．岩石坚硬程度分类

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）分为五类：坚硬程度坚硬岩

软坚硬岩

较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度（MPa）＞6030-605-30

5-15≤5

第十八页，共二十五页，2022年，8月28日五、岩体的工程分类1．岩体质量分级（《工程岩体分级标准》GB50218-94）

采用二级分级法：先按BQ初步分级；然后针对工程岩体特点，考虑天然应力、地下水和结构面的影响，再按修正后的［BQ］分级。

※岩体基本质量（rockmassbasicguality）（BQ）：

岩体所固有的影响工程岩体稳定性的最基本属性。它是由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。

两种方法：定性划分和定量指标。第十九页，共二十五页，2022年，8月28日●定量指标法：

①岩石坚硬程度→岩石单轴饱和抗压强度（Rc），为实测值。当无条件实测时，也可用实测的岩石点荷载强度指数换算：

点荷载强度指数（PointLoadStrengthIndex）：直径50mm圆柱形试件径向加压时的点荷载强度。

②岩体完整程度→岩体完整性系数（Kv），为实测值。当无条件取实测时值，可用指岩体体积节理数（Jv），按表查出。

岩体基本质量指标（BQ）：

BQ=90+3Rc+250Kv

式中，当Rc＞90Kv+30时，取Rc=90Kv+30；

当Kv＞0.04Rc+0.4时，取Kv=0.04Rc+0.4；

其中Kv=（Vpm/Vpr）2

Vpm—岩体弹性纵波速度（km/s）；

Vpr—岩石弹性纵波速度（km/s）。

工程岩体（也叫围岩）的稳定性，除与岩体基本质量的好坏有关外，还受地下水、主要软弱结构面、天然应力的影响。第二十页，共二十五页，2022年，8月28日岩体级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量BQI坚硬岩,岩体完整＞550II坚硬岩,岩体较完整550-451III坚硬岩，岩体较破碎450-351IV坚硬岩，岩体破碎350-251V较软岩,岩体破碎≤250结合工程特点，考虑各影响因素来修正岩体基本质量指标：

［BQ］=BQ-100（k1+k2+k3）

式中：k1为地下水影响修正系数；

k2为主要软弱面产状影响修正系数；

k3为天然应力影响修正系数。

岩体基本质量分级第二十一页，共二十五页，2022年，8月28日2．岩体地质力学分类（RMR分类）（RockMassRating）

由南非科学和工业研究委员会提出的CSIR分类指标值。RMR包括岩石强度、RQD值，节理间距、节理条件及地下水5种指标。第二十二页，共二十五页，2022年，8