第二章岩石物理性质与岩体结构

1、第二章 岩石物理性质与岩体结构岩石是组成地壳的自然物体，是经过地质作用而形成的矿物集合体，在陆地和海洋广泛分布。岩石按成因有三大类型：岩浆岩、沉积岩、变质岩。岩石的种类不同，其物理力学性质差异较大，加之不同时期、不同强度的构造作用，也就决定岩石力学问题复杂多变。本章主要介绍：岩石的基本物理性质、岩体结构特点及工程分类。一、岩石物理性质指标用来描述岩石地某种物理性质地某种数值就是岩石物理性质指标。1、 容重岩石单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力，称为岩石的容重。表达式：容重（KN/m3）W 岩石的重力（KN）V岩石的体积（m3）根据岩石的含水程度不同，岩石容重可分为干容重、湿容重、饱和容重。 干

2、容重 湿容重 饱和容重0 天然含水量n（孔隙度） 多数岩石 在2.62.8KN/m3之间。书中P5 表1 列出部分岩石的容重。2、 密度岩石单位体积（包括孔隙体积）的质量，表达式：密度（Kg/m3）M 岩石质量（Kg）V 岩石体积（m3） 容重与密度关系：3、 比 重岩石干的重力除以岩石实体体积（不包括孔隙）,再与4时水的容重的比值。 表达式： Gs岩石比重（无量纲），Ws绝对干燥时的岩石重力（KN）Vs岩石实体体积（m3）V孔隙体积水容重，4时等于10KN/m3岩石的比重取决于组成岩石的矿物比重，大部分岩石的比重介于2.52.8之间。4、 孔隙率岩石中孔隙体积与岩石总体积的百分比称为孔隙率。

3、表达式：n孔隙率， V孔隙体积（m3），V岩石总体积（m3）VVVs（岩石实体体积），5、 岩石含水性l 岩石天然吸水率岩石的天然吸水率是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下岩石吸入水的重力Ww1，对岩石干重力Ws之比的百分率。表达式：， Ww1W（岩石湿重力）Ws则岩石湿容重， 干容重l 岩石饱水率指岩石试样在高压（一般为150个大气压）或真空条件下，强制吸入水的重力Ww2对于岩石干重Ws之比的百分率。表达式： ， 岩石饱和重力则饱和容重l 饱水系数天然吸水率与饱水率比值：一般介于0.50.8之间6、 抗冻性岩石抗冻性就是岩石抵抗冻融破坏的性能。表征岩石抗冻性的指标为抗冻系数：Rc1冻融前

4、岩石干抗压强度（Mpa）Rc2冻融后岩石干抗压强度（Mpa）饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。maxKw1， minKw0当Kw<0.91时，岩石中尚有孔隙未被水充填，在冻结过程中，水尚有余地发生膨胀和挤入剩余的敞开孔隙和裂隙中。当Kw>0.91时，孔隙基本上为水饱和，冻结中会产生冰劈作用，造成岩石胀裂破坏。7、 岩石的热学性质（1）容热性指岩石进行热交换时岩石吸收热量的能力，用比热和容积热容表示。比热C：在不存在相转变条件下，为使单位质量岩石温度变化1时所需输入的热量。单位为J/g。容积热容：单位体积的岩石在温度变化1时所需要的热量，用Cv表示，单位为J/m3。两者关系：

5、， 岩石密度。（2）导热性指岩石传导热的能力，常用导热系数（导热率）来度量。其定义是当温度梯度为1时单位时间那通过单位面积岩石所传导的热量。用表示，单位为cal/cm2s。大多数造岩矿物的导热系数介于0.407.00之间，一般为0.84.00。上述两种性质有利于地热的储存和传递。（3）热膨胀性指岩石温度变化引起岩石的形状和尺寸的改变。用膨胀系数表示：即岩石的温度升高1所引起的线性伸长量（或体积增长量）与其在温度为0时的长度（或体积）之比值。线膨胀系数： 或 L00时的岩石试件长度（m）Ltt时的岩石试件长度（m）t温度体积膨胀系数： 或 V00时的岩石试件体积（m3）Vtt时的岩石试件体积（m

6、3）岩石的体积膨胀系数大致为线膨胀系数的3倍。值随岩石中矿物成分而变化，粗粒花岗岩的值在(0.66)×105(1/),而矿物成分单调的石英岩的值在（12）×105(1/)。岩石结构致密的值小，如灰岩小于花岗岩。在选择砼骨料中应特别注意值，因为温度不仅引起尺寸变化，还会引起岩石内部应力的变化，即温度应力：, E岩石弹模（Mpa） 则由虎克定律：。二、水对岩石的作用水普遍存在于岩石之中，水通过力学的、物理的及化学的作用形式促使岩石性状发生变化，同时岩石对水的作用又有一定程度的阻抗作用，从而表现出不同水理和水化性质：渗透性、膨胀性、崩解性、溶解性、软化性等。这些性质就造成了水对岩

7、石的各种作用，如：渗漏、渗透压力、膨胀、崩解、溶解、软化等，这些作用对工程将产生各种不利影响。1、 岩石的渗透性 有利水资源、石油、地热开发渗透作用 产生渗透压力，破坏岩体和建筑物 不利 渗漏、涌水、污染、核素迁移岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。l 岩块渗透性岩块中的渗流是水通过岩块中的孔隙进行渗透的，这种渗透可由达西公式表示：, 其中 为水力梯度达西流vKH1 H2LJ0J从岩石浸水开始直到岩石饱水，并在压力梯度达到J0后才会发生流动。考虑不同岩石的渗流时，岩石会表现为各向异性，即各方向的身体系数各异。这时的达西公式表示为：渗透系数表明了岩石的透水能力和阻力，阻

8、力大，则K小，即l 裂隙渗透性岩体是由裂隙切割的岩块的集合体。岩块渗流主要是通过岩块中的孔隙渗透，岩块的渗透性一般很小，远小于裂隙的渗透性。因此，岩体渗流实质上是以裂隙渗流为主导。对任一条裂隙，可将其简化为平行板之间的窄缝，水在裂隙中的流动可用流体力学中的单裂隙渗流公式（NavierStokes）在xy平面内稳定流方程导出：bxy连续方程：粘性阻力张量：， ， 。对窄缝来说， ，0， 则有：，。在渗流方向上，压力梯度与流体运动反向的粘性摩擦阻力相等，则有：，因此， 积分，当时，有断面流量：平均速度：其中：I水力梯度，b裂隙开度（m），水的粘滞系数（Pa·s），水容重（KN/m3）。与

9、达西公式 对比， 则裂隙的渗透系数可写成： 与达西公式形式相同，即裂隙渗流仍服从达西定律。渗透系数是介质对某种流体的渗透能力，裂隙开度大，K值越大。当e足够大时，渗透就偏离达西定律，用雷诺数为标准， d裂隙间距（m）v速度（m/s）水的运动粘性系数（m2/s）2、 岩石的遇水膨胀性岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。某些含粘土矿物（如蒙脱石、水云母、高岭石等）成分的软质岩石，经水化作用后使粘土矿物膨胀，对工程不利，岩土膨胀对建筑物产生较大压力，破坏建筑物。3、 岩石的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。这是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构连接引起的，

10、常见于可溶盐和粘土胶结的沉积岩中。4、 岩石的溶解性指岩石与水相互作用时某些矿物成分为水溶解的性质。石灰岩分布区的溶洞等。水库位于这些地区易产生库区渗漏。5、 岩石的软化性岩石的软化是指岩石与水相互作用时降低强度的性能。软化作用也是由于水分子进入粒间间隙而削弱了粒间连结所造成的。岩石的软化性与其矿物成分、粒间连结方式、孔隙率以及裂隙发育程度有关。大部分未经风化的结晶岩在水中不易软化，许多沉积岩如粘土岩、泥质胶结的碎屑岩类等，在水中极易软化。岩石的软化性能用软化系数表示，即岩石受水饱和状态的抗压强度（湿抗压强度）和干燥状态的抗压强度之比值：Rw湿抗压强度（Mpa）Rd干抗压强度（Mpa） 岩石软

11、化对工程极为不利。三、岩体结构任何岩体都发育有各种裂隙和断层，并被分割成大小、形状各异的岩块体，这就决定了岩体是岩块的集合体。不同的裂隙断层组合，就会有不同的岩块集合体形式，这也就决定了岩体的物理和力学性质。因此，需了解岩体的结构。结构面 即为岩体中的各种裂隙、断层、层面等地质界面。结构体 即为各种形状的大小的岩块块体。岩体结构 是指结构面和结构体的排列组合方式。1、 结构面 (1) 结构面类型按成因有：原生结构面、构造结构面、次生结构面。l 原生结构面：在成岩过程中形成，如层面、各种成岩裂隙节理等。其特点是仅在岩体内部或影响带分布，无方向性。l 次生结构面：岩体受卸荷作用、风化作用、水作用、

12、人工爆破开挖等影响所产生的各种裂隙。其特点是：卸荷裂隙和人工裂隙分布极为局限，且无方向性。风化裂隙发育密集，延伸短，无方向性，分布在地表浅部。l 构造结构面：在构造应力作用下产生的破裂面或破碎带，如断层和裂隙。其特点是：规模大、分布广、延伸长、具有方向性，是岩体中结构面的主体。(2)结构面的自然特性为了确定结构面的工程性质，必须研究结构面的自然特性。 结构面等级 按结构面的规模划分四级，各级对岩体稳定性的影响程度不同：级直接关系到区域稳定性，级对具体工程有直接影响。 结构面的形态与物质组成l 形态上：光滑 或 粗糙l 组合形式：闭合 或 张开l 物质组成：无填充物质；有充填物质：结晶体和胶结物

13、(钙质、硅质)、泥质(粘土质、石膏、高岭土等)上述特性的不同组合将对工程性质产生不同的影响：如光滑、张开、夹泥，最不利。 结构面的分布特征l 延伸性：延伸连续；间断延伸，中间为岩桥。l 分布密度：a) 体积密度：单位体积内裂隙数量b) 线密度：单位长度上的裂隙个数，用k表示；c) 间距：两相邻裂隙距离，用d表示。 d1/kl 裂隙组：方向相同的一组裂隙。l 裂隙产状：倾向、倾角。裂隙统计分析：裂隙组产状、间距或密度。微裂隙切割的最小单元体的体积(近似看作立方体)： （m3）二向裂隙度：三向裂隙度： （）2、结构体l 结构体的形状：受裂隙的产状、组数所控制的，如三组正交裂隙形成立方结构体。l 结

14、构体的大小：取决于裂隙的密度，密度大，结构体小。l 结构体的力学性质：取决于岩石的矿物组成，致密的结晶岩强度一般较大，如花岗岩抗压强度为100250，具有弹性变形、脆性破坏的特征。泥质胶结的碎屑岩类（如砂岩等）、泥岩、页岩、粘土岩等强度较低，具有塑性变形、柔性破坏的特征。3、岩体结构类型根据结构面等级及组合方式，将岩体结构划分为四大类型与九个亚类（P20页表25），进而可确定出岩体的力学介质类型，如连续介质和非连续介质。关于岩体的介质特性 非连续性：物理量在空间上为一个非连续函数。 非均质性：力学参数、物理量性质随空间位置不同而有差异，岩体的这一特性使其试验结果常具有较大的离散性。 各向异性：

15、力学性质随岩体结构的取向而有差异。表2-5岩 体 结 构 类 型结构类型亚 类地 质 背 景结构面间距（cm）结构体形态力学介质类型整体块状结构（I）整体结构（I1）岩体单一，构造变形轻微的岩浆岩、变质岩及巨厚层沉积岩>100岩体呈整体状态或巨型块体连续介质整体结构（I2）岩体单一，构造变形轻-中等的厚层沉积岩、变质岩和火成岩体10050长方体、立方体、菱形块体及多角行块体连续或不连续介质层状结构（II）层状结构（II1）构造变形轻-中等的、单层厚度大于30cm的层状岩体5030长方体、柱状体、厚板状体及块体不连续介质层状结构（II2）同II1，但单层厚度小于30cm，有强烈褶皱（曲）及

16、层向错动<30组合板状体或薄板状体碎裂结构（II）镶嵌结构（III1）一般发育在脆性岩层中的压碎岩带，节理、劈理组数多，密度大<50形态不一，大小不同，棱角互相咬合似连续介质层状碎裂结构（III2）软硬相间的岩石组合，通常为一系列近于平行的软弱破碎带与完整性较好的岩体组成<100软弱破碎带以碎屑、碎块、岩粉和泥为主，骨架部分岩体为大小不等、形态各异的岩块不连续介质碎裂结构（III3）岩性复杂，构造变动剧烈，断裂发育，也包括弱风化带<50碎屑和大小不等形态不同的岩块不连续或似连续介质散体结构（IV）一般为断层破碎带、侵入接触破碎带及剧烈-强剧烈风化带泥、岩粉、碎屑、碎块、

17、碎片等似连续介质四、岩体的工程分类岩体工程分类：以工程实用为目的的岩体类型的划分称为岩体工程分类。它是岩石力学研究的一个重要方面。岩体工程分类应充分考虑工程的需要，用明确的概念和严谨的判据去区分岩石的级别，以便工程技术人员合理的选择工程布局及采用相应的技术处理方法。目前，岩体工程分类方法较多，每一种分类都有其特点，这是由于岩体十分复杂。下面仅介绍两种：1. 完整岩块的工程分类完整岩块指不包含裂隙的岩石材料，用其单轴轴抗压强度的大小进行分类，这是一种单因素岩石分类，也是最基本的分类，它将岩块分为硬质岩、中等坚硬岩、软质岩三个类别。编号类别单轴饱和抗压强度（Mpa）岩石I硬质岩>80中细花岗

18、岩、花岗片麻岩、闪长岩、辉绿岩、安山岩、石英岩等II中等坚硬岩3080石灰岩、大理岩、白云岩、砂岩、钙质砾岩、粗粒花岗岩等III软质岩<30泥质岩、砂页岩、泥质灰岩、片岩、千枚岩等单因素的强度分类并不能完全反映岩块的工程特性。在工程上设计中最主要的两个力学性质指标是：抗压强度和弹性模量，因此，米勒Miller和迪尔Deere提出按抗压强度和弹性模量的分类方法：等级Rc（Mpa）特征A>225强度极高的B112-225强度高的C56-112中等强度D28-56强度低E<28强度极低首先按岩石单轴抗压强度将完整岩块划分为五个等级，由于大多数岩石的Rc低于225 Mpa，而超过此值

19、的岩石仅有石英岩、辉绿岩和致密玄武岩等，低于28的为软岩。HML ELDL E D C A B等级模量比（E/Rc）H>500高M200-500中L<200低其次，按岩石弹性模量与岩石单轴抗压强度比值，即模量比E/Rc，将完整岩块分为三个等级。最后，根据强度等级与模量比的等级就可对完整岩块加以分类，其方法是取两者组合。HMLRcE2. 岩体工程分类岩体是岩块的集合体，由于结构面的存在，以及有地下水渗透、风化等作用，使岩体强度与完整岩块有较大差别。因此，对岩体的工程分类就应综合考虑各种因素对岩体强度的影响。目前岩体工程分类主要依据于岩体质量的评价。 岩石单轴抗压强度 岩石质量指标RQ

20、D岩体质量评价 裂隙特征（间距、性质、状态及产状） 地下水渗流 地应力(1)岩石单轴抗压强度Rc：完整岩块的强度是岩体强度基础。Rc大小代表岩石软硬程度。(2)RQD：12818201010157614是用来表示岩体良好度的一种方法，是根据修正的岩芯采取率来决定的。所谓修正的岩芯采取率，就是将钻孔中直接获取的岩芯总长度，扣除碎岩芯和软弱夹泥的长度，再与钻孔总进尺之比，以百分比表示。在计算岩芯长度时，只计算大于10cm坚硬的和完整的岩芯。如图：RQD = 90 / 120 = 75%(3)裂隙发育特征 间距：描述了裂隙发育密度，间距愈小裂隙愈密集，岩体愈破碎。 状态：指裂隙开度及粗糙度。裂隙开度

21、小，粗糙，则强度高；反之，小。当充填物为泥质时强度低。 裂隙产状：裂隙面的走向和倾角。裂隙产状对岩体稳定较大，对不同工程及部位，裂隙产状将有不同作用。如，顺河向对岸坡不利。(4)地下水渗流：地下水的存在一方面软化岩石，冲蚀裂缝，另一方面对裂隙面施加水压力，无水干燥岩石其强度大于有水岩石。(5)地应力：地应力大小及方向对围岩稳定有很大影响，如大主应力与裂隙面交角越小越不利。裂隙面的抗压强度远大于其抗剪强度。除上述几个方面外，还可考虑岩体的稳定时间、施工条件及加固措施等。根据上述岩体质量评价来划分岩体工程类别。下面介绍地质力学岩体分类，即比尼奥斯基岩体工程分类法，根据岩块强度、节理产状、状态、间距、RQD、地下水等因素对岩体