3 岩石的物理、水理性质(1).pdf

第三章第三章第三章第三章岩石的物理性质和水理性质岩石的物理性质和水理性质岩石的物理性质和水理性质岩石的物理性质和水理性质 一、岩石的物理性质一、岩石的物理性质 岩石的密度（容重、比重）、空隙性 二、岩石的二、岩石的水理性质水理性质 岩石的吸水性、软化性、透水性、抗冻性 Physical properties of rockPhysical properties of rock 定义：物理性质物理性质物理性质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。 从物质成分上来说，岩石和土 一样，也是由固体、液体和气 体三相组成的。 ms mw o 水 气V0 VW VS VV 固 一、岩石的基本物理性质一、岩石的基本物理性质 测试方法：测试方法：比重瓶法 s s sw W G V = 岩石固体部 分的体积 3 m 岩石固体部分的重量kN 4C时单位体 积水的重量 3 kN m 岩石的比重岩石的比重( ) 岩石固体部分的重量和4C时 同体积纯水重量的比值。无单位 s G （1）岩石的颗粒密度）岩石的颗粒密度( ) 岩石固体相部分的质量 与其体积的比值。 s 3 /g cm 1. 岩石的密度、比重、容重岩石的密度、比重、容重 岩块密度岩块密度(岩石密度岩石密度)岩块单 位体积的质量。与矿物组成、岩 石的孔隙性及含水状态有关。 （2）岩块密度）岩块密度(岩石密度岩石密度) 、岩石的容重、岩石的容重 干密度 饱和密度 天然密度 按试 件含 水状 态分 干密度 饱和密度 天然密度 按试 件含 水状 态分 s d m V = sat sat m V = m V = 3 /g cm单位： 105110C,烘24h 测试方法：测试方法：量积法（规则试样） 水中法或蜡封法（不规则试样） 容重容重容重容重是工 程岩体稳 定性分析 计算及岩 体压力计 算的基本 参数 是工 程岩体稳 定性分析 计算及岩 体压力计 算的基本 参数 3 kN m单位： 干容重 饱和容重 天然容重 干容重 饱和容重 天然容重 d sat 容重容重 g= 3 9.80kN m 常见岩石的物理性质指标值(部分) 颗粒密度与块体密度不一样颗粒密度与块体密度不一样颗粒密度与块体密度不一样颗粒密度与块体密度不一样： 颗粒密度颗粒密度颗粒密度颗粒密度不包括孔隙，其大小 只与矿物密度及其含量有关。 块体密度块体密度块体密度块体密度，不仅与矿物组成有 关，还与岩石的空隙性及含水 状态密切相关。 空隙性空隙性空隙性空隙性是岩石孔隙性与裂隙性的统称,用是岩石孔隙性与裂隙性的统称,用空空空空 隙率隙率隙率隙率表示,符号为。表示,符号为。n 2. 岩石的空隙性岩石的空隙性 空隙率的工程意义：空隙率的工程意义：空隙率的工程意义：空隙率的工程意义：是岩石物理性质的一个重是岩石物理性质的一个重是岩石物理性质的一个重是岩石物理性质的一个重 要指标要指标要指标。对岩块和岩体的水理、热学性质及力 学性质影响很大。空隙率愈大岩石中的孔隙 和裂隙愈多岩石的力学性质越差(岩石的强度 愈小、塑性变形越大），渗透性愈大，抗风化 能力愈差等。 要指标。对岩块和岩体的水理、热学性质及力 学性质影响很大。空隙率愈大岩石中的孔隙 和裂隙愈多岩石的力学性质越差(岩石的强度 愈小、塑性变形越大），渗透性愈大，抗风化 能力愈差等。 空隙率空隙率空隙率空隙率指岩石总空 隙的体积与岩石总体积的 比值，以百分数表示。 指岩石总空 隙的体积与岩石总体积的 比值，以百分数表示。 100% v V n V =1100% d s = 封闭空隙 开空隙 大开空隙 小开空隙 空隙 类型 空隙 类型 定义定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性 质，称为水理性质水理性质水理性质水理性质。主要有：吸水性、软化 性、抗冻性和透水性。 二、岩石的水理性质二、岩石的水理性质 吸水性吸水性吸水性吸水性指岩石在一定条件下吸收水分的能力。 常用吸水率吸水率吸水率、吸水率、饱和吸水率饱和吸水率饱和吸水率与饱和吸水率与饱水系数饱水系数饱水系数表示。饱水系数表示。 1.1.1.1.岩石的吸水性岩石的吸水性岩石的吸水性岩石的吸水性 吸水率吸水率吸水率吸水率( ( ) ) a W 1 100% w a s m W m = 岩样在常温常压常温常压条 件下吸入水的质量 岩样烘干质量 烘干温度： 105110C, 时间：24小时 烘干温度： 105110C, 时间：24小时 水只能进入大开空隙，不能小开空隙和闭空隙 吸水率、饱和吸水率与饱水系数吸水率、饱和吸水率与饱水系数 岩石吸水率岩石吸水率岩石吸水率岩石吸水率大小，主要取决于岩石中空隙的 数量、大小及其连通情况。空隙率愈大空 隙大、数量多、连通性好岩石吸水率越大 力学性质差。 饱和吸水率饱和吸水率饱和吸水率饱和吸水率( ( ) ) p W 2 100% w p s m W m = 岩样在高压（15MPa高压（15MPa）或 真空条件下吸入水的质量 岩样烘干质量 在高压或真空条件下，水能进入所有开空隙中。 饱和吸水率饱和吸水率饱和吸水率饱和吸水率反映岩石总开空隙的发育程度，可 用来判断岩石的抗风化能力和抗冻性，是岩石是岩石是岩石是岩石 物理性质的一个重要指标物理性质的一个重要指标物理性质的一个重要指标物理性质的一个重要指标。 吸水率、饱和吸水率与饱水系数吸水率、饱和吸水率与饱水系数 饱水系数饱水系数饱水系数饱水系数( ( ) ) w k 100% a w p W k W = 吸水率 饱和吸水率 反映岩石中大、小开空隙的相对数量。一般情况 下，饱水系数愈大，余留的空隙愈少，岩石愈易被 冻胀破坏。 几种岩石的吸水性指标值几种岩石的吸水性指标值 软化性软化性软化性软化性指岩石浸水饱和后强度降低的性质， 用软化系数软化系数软化系数软化系数表示。 2.2.2.2.岩石的软化性岩石的软化性岩石的软化性岩石的软化性 软化系数软化系数软化系数软化系数 ( ( ) ) R K cw R c K = 岩样饱和单轴抗压强度 岩样干抗压强度 工程意义：工程意义：工程意义：工程意义：1. 岩石的软化系数愈小，说明岩石吸水 饱和后其抗压强度降低的越多,岩石软化性愈强。 1. 岩石的软化系数愈小，说明岩石吸水 饱和后其抗压强度降低的越多,岩石软化性愈强。 岩石软化性取决于岩石矿物组成和空隙性。亲水性 矿物和可溶性矿物愈多，且岩石大开空隙较多时， 岩石的软化性较强，软化系数愈小。 软化性软化系数软化性软化系数 软化性软化系数软化性软化系数 2.软化系数2.软化系数K KR0.75 R0.75时，岩石的软化性弱，也说明岩 石的抗冻性和抗风化能力强。而 时，岩石的软化性弱，也说明岩 石的抗冻性和抗风化能力强。而K KR0.75 R 0.75的岩石则 是软化性较强和工程地质性质较差的岩石，如 的岩石则 是软化性较强和工程地质性质较差的岩石，如粘土岩 和泥质胶结的岩石，其软化系数一般为0.40.6 粘土岩 和泥质胶结的岩石，其软化系数一般为0.40.6。 3.软化系数是评价岩石力学性质的一个重要物 理性质指标 3.软化系数是评价岩石力学性质的一个重要物 理性质指标。 常见岩石的物理性质指标值常见岩石的物理性质指标值 抗冻性抗冻性抗冻性抗冻性指岩石抵抗冻融破坏的能力，用抗冻系抗冻系抗冻系抗冻系 数和质量损失率数和质量损失率数和质量损失率数和质量损失率表示。 3.3.3.3.岩石的抗冻性岩石的抗冻性岩石的抗冻性岩石的抗冻性 抗冻性抗冻性 质量损失率质量损失率质量损失率质量损失率 ( ( ) )： m K 12 1 100% ss m s mm K m = 岩样冻融后干质量 岩样冻融前干质量 抗冻系数抗冻系数抗冻系数抗冻系数 ( ( ) )： d R 2 1 100% c d c R = 岩样经反复冻融后 的干抗压强度 岩样冻融前的干抗压强度 2020,25C o ?次以上 岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因 岩石矿物组分的膨胀系数不同，及温度不均匀， 导致产生内应力； 岩石空隙水的冻胀作用。使岩 石产生更多的裂隙，结构破坏，强度降低。 岩石矿物组分的膨胀系数不同，及温度不均匀， 导致产生内应力； 岩石空隙水的冻胀作用。使岩 石产生更多的裂隙，结构破坏，强度降低。 抗冻性抗冻系数、质量损失率抗冻性抗冻系数、质量损失率 透水性透水性透水性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。岩石的透水性大小用渗透渗透渗透渗透 系数系数系数系数衡量。 4.4.4.4.岩石的透水性岩石的透水性岩石的透水性岩石的透水性 透水性渗透系数透水性渗透系数 线性渗透规律达西定律：线性渗透规律达西定律：线性渗透规律达西定律：线性渗透规律达西定律： UKJ= 渗透系数渗透系数数值上等于水力梯度为 1时的渗透流速，cm/s或m/d 水力梯度 渗透流速 渗透系数渗透系数渗透系数渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小主要 取决于岩石空隙的数量、大小、方向及其连通性等， 水只能通过连同的空隙渗透。 对于工程岩体，裂隙岩体的渗透系数（透水性）远 大于岩块的渗透系数，岩体的渗透规律非常复杂。 对于工程岩体，裂隙岩体的渗透系数（透水性）远 大于岩块的渗透系数，岩体的渗透规律非常复杂。 透水性渗透系数透水性渗透系数 几种岩石的渗透系数值 1.210-10 1.810-10微裂隙石英岩 10-9 510-5微裂隙发育片岩 210-10 810-9微裂隙发育页岩 5.510-6空隙发育 10-13 2.510-10较致密砂岩 10-13致密辉绿岩、玄武岩 210-6 310-5微裂隙发育 910-8 410-7微裂隙 10-13致密片麻岩 910-5 310-4空隙较发育 210-9 310-6微裂隙、孔隙 310-12 610-10致密石灰岩 2.810-9 710-8微裂隙及部分粗裂隙 1.110-11 2.510-11含微裂隙 1.110-12 9.510-11较致密、微裂隙花岗岩 （cm/s）空隙情况岩石名称 膨胀性膨胀性膨胀性膨胀性指岩石浸水后体积增大的性质。 5.5.5.5.岩石的膨胀性岩石的膨胀性岩石的膨胀性岩石的膨胀性 抗冻性抗冻性 含粘土矿物(如蒙脱石、水云母及高岭石等)成分的一 些岩石（如泥岩），经水化作用后在粘土矿物的晶格内部 或细分散颗粒的周围生成结合水溶剂腔(水化膜)，并且在 相邻近的颗粒间产生楔劈效应，当楔劈作用力大于结构联 结力，岩石显示膨胀性。 岩石的膨胀特性通常以岩石的自由膨胀率自由膨胀率、侧向约束 膨胀率 侧向约束 膨胀率、膨胀压力膨胀压力等来表示。 崩解性崩解性崩解性崩解性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。岩石崩解性一般用岩石的耐 崩解性指数表示 。 6.6.6.6.岩石的崩解性岩石的崩解性岩石的崩解性岩石的崩解性 抗冻性抗冻性 崩解现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联结 引起的，常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。 湖北沪蓉西高速公路扁担垭隧道岩石物理力学试验参数湖北沪蓉西高速公路扁担垭隧道岩石物理力学试验参数 0.8615.51.3018.01.51 顺层 面 51.14.3 垂直 层面 2.310.85/0.692.742.73 ZK44+193 187 YK43+793 740 寒武 系水 井沱 组粉 砂质 页岩 0.7150.571.6 0.7253.474.5 0.8652.861.4 0.7316.01.3422.01.85 顺层 面 0.8352.262.7 0.8848.855.32.620.97/0.752.742.73 0.8660.670.72.530.93/0.742.742.73 0.6749.773.82.320.85/0.702.742.74 0.6139.63.3364.95.45 垂直 层面 0.6128.947.52.751.01/0.892.742.74 ZK45+240 110 YK44+980 800 寒武 系石 牌组 粉砂 质页 岩 饱和天然饱和 天 然 饱和/天然饱和天然 软化 系数 软化 系数 (Kp) 换算 单轴 抗压 强度 点荷 载强 度指 标 换算 单轴 抗压 强度 点荷 载强 度指 标 试件 加载 方向 软化 系数 软化 系数 (Kp) 垂直层面 方向加载 点荷载强度(MPa)抗压强度(MPa) 孔隙 率 孔隙 率(%) 吸水率吸水率 （） 岩块密度岩块密度 （g/cm3） 桩号地层 岩性 宜万铁路全长376.99km,共有隧道124座,总长224.88km, 约占线路总长 59.65,其中310km的长隧道22座,大 于10km的特长隧道3座,隧道最大埋深约800m。 宜万铁路全长376.99km,共有隧道124座,总长224.88km, 约占线路总长 59.65,其中310km的长隧道22座,大 于10km的特长隧道3座,隧道最大埋深约800m。 一、宜万铁路的工程概况与工程地质条件一、宜万铁路的工程概况与工程地质条件 宜万铁路深部岩溶问题宜万铁路深部岩溶问题宜万铁路深部岩溶问题宜万铁路深部岩溶问题 1. 宜万铁路的工程概况宜万铁路的工程概况 2. 宜万铁路沿线区域地貌特征宜万铁路沿线区域地貌特征 宜万铁路主要穿行在溶蚀侵蚀中低山区，自然宜万铁路主要穿行在溶蚀侵蚀中低山区，自然宜万铁路主要穿行在溶蚀侵蚀中低山区，自然宜万铁路主要穿行在溶蚀侵蚀中低山区，自然 坡度一般大于坡度一般大于坡度一般大于坡度一般大于30303030，河谷深切，断崖纵横，最，河谷深切，断崖纵横，最，河谷深切，断崖纵横，最，河谷深切，断崖纵横，最 大高程大高程大高程大高程1800180018001800余米，相对高差余米，相对高差余米，相对高差余米，相对高差200200200200800m800m800m800m。 3. 宜万铁路沿线地层分布概况宜万铁路沿线地层分布概况 碳酸盐岩地层约占全线的碳酸盐岩地层约占全线的碳酸盐岩地层约占全线的碳酸盐岩地层约占全线的70707070。 共有岩溶隧道共有岩溶隧道共有岩溶隧道共有岩溶隧道75757575 座，长约座，长约座，长约座，长约157.7km157.7km157.7km157.7km。 4.4.4.4.岩溶地貌特征岩溶地貌特征岩溶地貌特征岩溶地貌特征 二迭、三迭及寒武的碳酸盐岩地层中，岩溶地貌特别二迭、三迭及寒武的碳酸盐岩地层中，岩溶地貌特别二迭、三迭及寒武的碳酸盐岩地层中，岩溶地貌特别二迭、三迭及寒武的碳酸盐岩地层中，岩溶地貌特别 发育，岩溶类型齐全形态各异，地下岩溶洞穴、暗河发育，岩溶类型齐全形态各异，地下岩溶洞穴、暗河发育，岩溶类型齐全形态各异，地下岩溶洞穴、暗河发育，岩溶类型齐全形态各异，地下岩溶洞穴、暗河 特别发育。特别发育。特别发育。特别发育。 5.隧道工程特征5.隧道工程特征 碳酸盐岩隧道达75座，长157.7km，岩溶 特别发育。 隧道的埋深大，一般在500600m，最大 埋深达800余米。 在22座长、特长隧道中灰岩隧道达19座。 多座长大岩溶隧道穿越暗河，在地下水的水平 循环带中通过。 多座隧道穿越区域大断裂。 受地形影响，多座隧道设计为单面坡， 不利于隧道排水，增加施工难度。 碳酸盐岩隧道达75座，长157.7km，岩溶 特别发育。 隧道的埋深大，一般在500600m，最大 埋深达800余米。 在22座长、特长隧道中灰岩隧道达19座。 多座长大岩溶隧道