第2讲 岩石的物理性质(2016版)

1、2.12.1 岩石的基本构成和地质分类岩石的基本构成和地质分类1 1、岩石的基本构成、岩石的基本构成岩石岩石：各种矿物的集合体各种矿物的集合体，组成岩体的基本单元。相对，组成岩体的基本单元。相对岩体而言，可看成：连续、均质、各向同性。岩体而言，可看成：连续、均质、各向同性。第二讲 岩石的物理性质第二讲 岩石的物理力学性质2.12.1 岩石的基本构成和地质分类岩石的基本构成和地质分类1 1、岩石的基本构成、岩石的基本构成 岩石中的主要造岩矿物岩石中的主要造岩矿物：长石（多种形态）、石英、黑云母：长石（多种形态）、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭、白云母、角闪石、辉

2、石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等石、赤铁矿等 矿物成分影响岩石的抗风化能力、物理性质、强度特性矿物成分影响岩石的抗风化能力、物理性质、强度特性1 1、岩石的基本构成、岩石的基本构成 常见的岩石结构类型常见的岩石结构类型岩石结构岩石结构是指矿物颗粒之间的相互关系，包括：颗粒大小、形状、是指矿物颗粒之间的相互关系，包括：颗粒大小、形状、排列，颗粒联结和微结构面，以结构连接和微结构面最影响岩排列，颗粒联结和微结构面，以结构连接和微结构面最影响岩石的工程性质。石的工程性质。结晶联结结晶联结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。岩浆岩、大部分变矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。岩浆岩、大部分变质岩

3、、部分沉积岩。颗粒接触紧密，强度高。质岩、部分沉积岩。颗粒接触紧密，强度高。 等粒结晶比非等粒结晶强度高，细粒结晶比粗粒结晶强度高等粒结晶比非等粒结晶强度高，细粒结晶比粗粒结晶强度高。胶结联结胶结联结：矿物颗粒通过胶结物联结在一起。沉积碎屑岩、部分粘矿物颗粒通过胶结物联结在一起。沉积碎屑岩、部分粘土岩。胶结物的类型决定了联结的强度和水稳定性：土岩。胶结物的类型决定了联结的强度和水稳定性：硅质、铁硅质、铁质胶结，强度高；钙质胶结次之；泥质胶结强度最低质胶结，强度高；钙质胶结次之；泥质胶结强度最低。岩石中的微结构面岩石中的微结构面：存在于矿物颗粒内部存在于矿物颗粒内部，或，或矿物颗粒之矿物颗粒之间

4、间，或，或矿物集合体之间矿物集合体之间的微小弱面及空隙。包括：解理的微小弱面及空隙。包括：解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙。、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙。2 2、岩石的地质成因分类、岩石的地质成因分类 岩浆岩岩浆岩：岩浆冲破地壳深部岩层，沿着裂缝上升，到一岩浆冲破地壳深部岩层，沿着裂缝上升，到一定高度后压力、温度降低，迫使岩浆停留，冷凝成岩浆定高度后压力、温度降低，迫使岩浆停留，冷凝成岩浆岩。岩。 深成岩深成岩（岩基、岩盘）（岩基、岩盘） 浅成岩浅成岩（岩床、岩墙、岩脉）（岩床、岩墙、岩脉） 喷出岩喷出岩（熔岩与碎屑相间，类似层状构造。玄武岩的柱（熔岩与碎屑相间，类似层状构

5、造。玄武岩的柱状节理、流纹岩的板状节理）状节理、流纹岩的板状节理）沉积岩沉积岩：风化剥蚀、火山作用的产物，在适当条件下风化剥蚀、火山作用的产物，在适当条件下（冲积、淤积、飘落）沉积下来，经胶结、成岩作用形成。（冲积、淤积、飘落）沉积下来，经胶结、成岩作用形成。 矿物成分：粘土矿物、碳酸盐、石英、长石矿物成分：粘土矿物、碳酸盐、石英、长石变质岩变质岩：已有岩石经变质混合作用（侵入体的重结晶作：已有岩石经变质混合作用（侵入体的重结晶作用、断裂带的动力作用、区域变质作用）形成。用、断裂带的动力作用、区域变质作用）形成。 高温高压、高温中压、中温高压、低温高压高温高压、高温中压、中温高压、低温高压A

6、A岩石中的空气部分岩石中的空气部分B B岩石骨架（基质固体）岩石骨架（基质固体）C C岩石中的孔隙水岩石中的孔隙水岩石组成示意图岩石组成示意图第二节第二节 岩石的物理性质岩石的物理性质岩石是由固体、液体和气体组成的多相体系。固相组分和岩石是由固体、液体和气体组成的多相体系。固相组分和三相之间的比例关系及其相互作用，决定了岩石的性质。三相之间的比例关系及其相互作用，决定了岩石的性质。在研究分析岩石受力后的行为表现时，必然要联系到岩石在研究分析岩石受力后的行为表现时，必然要联系到岩石的物理性质。的物理性质。 岩石的岩石的物理性质物理性质是指由物质组成和结构特征所决定的岩石是指由物质组成和结构特征所

7、决定的岩石基本属性，如：比重、容重、孔隙度、渗透率、硬度等。基本属性，如：比重、容重、孔隙度、渗透率、硬度等。为了测定这些指标，一般采用岩芯，或露头岩样，加工成为了测定这些指标，一般采用岩芯，或露头岩样，加工成岩石试件，进行室内或现场试验。岩石试件，进行室内或现场试验。选取岩样选取岩样应考虑其对所研究地质单元的代表性应考虑其对所研究地质单元的代表性，尽可能，尽可能保保持其天然结构持其天然结构。岩石的岩石的容重取决于其矿物成分、孔隙多少及含水量容重取决于其矿物成分、孔隙多少及含水量。根据含水状况，分为根据含水状况，分为天然容重天然容重（ ）、）、干容重干容重（ ）和）和饱饱水容重水容重（ ），孔

8、隙度低的岩石其干容重和湿容重的差别），孔隙度低的岩石其干容重和湿容重的差别不大。不大。dw一、一、 岩石的容重岩石的容重岩石单位体积（含孔隙体积）的重量称为岩石的容重（岩石单位体积（含孔隙体积）的重量称为岩石的容重（unit unit weightweight），表达式：），表达式：VW岩石试件的重量岩石试件的重量岩石试件的体积岩石试件的体积岩石的容重岩石的容重)1 (d已知岩石的天然含水率已知岩石的天然含水率 （%），则可根据干容重计算岩石），则可根据干容重计算岩石的天然容重：的天然容重：碳酸盐岩单轴抗压强度随岩石容重的变化碳酸盐岩单轴抗压强度随岩石容重的变化岩石的容重可在一定程度上反映岩石

9、的力学性质。通常容岩石的容重可在一定程度上反映岩石的力学性质。通常容重愈大的岩石其力学性质就愈好。重愈大的岩石其力学性质就愈好。岩石容重测定方法岩石容重测定方法（1）量积法量积法将岩石制备成平均断面为将岩石制备成平均断面为 、平均高度为、平均高度为 的规则试样的规则试样（即体积），并称重（即体积），并称重 ，代入公式，代入公式能计算岩石的天然容重。能计算岩石的天然容重。AhWAhW试样在试样在105-110105-110温度下烘干温度下烘干2424小时称重，可测定岩石的干小时称重，可测定岩石的干容重。容重。 量积法适用于能够制备成规则试样的岩石。量积法适用于能够制备成规则试样的岩石。（2）水中

10、称重法水中称重法首先给首先给不规则岩样不规则岩样称重，根据阿基米德原理测出不规则岩称重，根据阿基米德原理测出不规则岩样的体积，计算出岩石的天然容重。样的体积，计算出岩石的天然容重。此法不适于遇水膨胀、崩解、溶解的岩石类型。此法不适于遇水膨胀、崩解、溶解的岩石类型。 （3）蜡封法蜡封法岩样在岩样在105-110105-110温度下烘干温度下烘干2424小时后，称重小时后，称重 ；将系上；将系上细线的岩样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，完全浸没后立即细线的岩样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，完全浸没后立即提出，检查蜡膜在岩石表面的粘附情况，如果蜡膜包裹了提出，检查蜡膜在岩石表面的粘附情况，如果蜡膜包裹了气泡应

11、将气泡刺破后用蜡补平，冷却后给蜡封岩样称重气泡应将气泡刺破后用蜡补平，冷却后给蜡封岩样称重 ；然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量 ，则岩石的干容，则岩石的干容重为重为 dW1W2WnddWWWWW2121蜡的容重蜡的容重 蜡封法适用于不能用量积法或水中法测定容重的岩石。蜡封法适用于不能用量积法或水中法测定容重的岩石。二、岩石的比重二、岩石的比重岩石的比重（岩石的比重（specific weightspecific weight）是指岩石固体部分（不包）是指岩石固体部分（不包括孔隙体积在内）的重量与同体积括孔隙体积在内）的重量与同体积44时纯水的重量之时纯水的重

12、量之比，其表达式为比，其表达式为 GssswWV岩石固体部分的重量岩石固体部分的重量 岩石固体部分岩石固体部分所占体积所占体积 44时单位体时单位体积纯水的重量积纯水的重量 岩石的比重岩石的比重取决于取决于岩石岩石矿物的比重矿物的比重，在数值上等于岩在数值上等于岩石密度石密度。 dsGg三、岩石的孔隙性三、岩石的孔隙性岩石的孔隙体积（包含各种大小、连通或不连通的孔隙、岩石的孔隙体积（包含各种大小、连通或不连通的孔隙、裂隙等）与岩石全部体积之比称为岩石的裂隙等）与岩石全部体积之比称为岩石的孔隙率或孔隙度孔隙率或孔隙度（porosityporosity），以百分率表示，如下式），以百分率表示，如下

13、式 %100VVn一般岩石的孔隙率一般岩石的孔隙率都比较小，都比较小，很少达到百分之几很少达到百分之几，但也，但也有沉积岩和火山喷出岩如某些砂岩、凝灰岩和浮石等孔有沉积岩和火山喷出岩如某些砂岩、凝灰岩和浮石等孔隙率可达百分之十几隙率可达百分之十几 几十。几十。岩石孔隙度与埋藏深度的关系岩石孔隙度与埋藏深度的关系 岩石孔隙度与单轴抗压强度的关系岩石孔隙度与单轴抗压强度的关系 孔隙率反映岩石的致密程度和岩石质量孔隙率反映岩石的致密程度和岩石质量。通常孔隙率越大，。通常孔隙率越大，岩石的整体性降低，岩石的力学性能就越差。岩石的整体性降低，岩石的力学性能就越差。随着埋藏深度增大，岩石孔隙率有减小的趋势

14、随着埋藏深度增大，岩石孔隙率有减小的趋势 岩石的孔隙性还可以用岩石的孔隙性还可以用孔隙比孔隙比表示。表示。孔隙比是指岩石试件孔隙比是指岩石试件内各种孔隙、裂隙的体积与试件固体部分的体积之比内各种孔隙、裂隙的体积与试件固体部分的体积之比。它。它与孔隙率之关系为：与孔隙率之关系为： nne1四、岩石的天然含水率四、岩石的天然含水率天然状态下岩石中水的质量天然状态下岩石中水的质量 与岩石的烘干质量与岩石的烘干质量 之比之比称为岩石的天然含水率称为岩石的天然含水率(natural moisture content)(natural moisture content)，以百分，以百分率率 表示表示 ：%

15、100rdwmmwmrdm五、岩石的吸水率、饱水率和饱水系数五、岩石的吸水率、饱水率和饱水系数岩石的岩石的吸水率吸水率（rate of rock absorptionrate of rock absorption） ，为岩石试件，为岩石试件在在常温常压下吸入水的质量常温常压下吸入水的质量 与岩石干质量与岩石干质量 之比之比。awmrdm%1000rdrdammm 为烘干岩样浸水为烘干岩样浸水4848小时后的总质量。小时后的总质量。 0m岩石吸水率取决于岩石所含孔隙、裂隙的多少、开闭和连岩石吸水率取决于岩石所含孔隙、裂隙的多少、开闭和连通程度。岩石中包含的孔隙和细微裂隙愈多，连通的情况通程度。岩

16、石中包含的孔隙和细微裂隙愈多，连通的情况愈好，则岩石吸入的水量就愈多。愈好，则岩石吸入的水量就愈多。一般岩石的吸水率很少达到百分之几一般岩石的吸水率很少达到百分之几。岩石的岩石的饱水率饱水率（percent of saturationpercent of saturation） 为岩石达到饱和为岩石达到饱和状态时的吸水率，即岩石在状态时的吸水率，即岩石在高压或真空条件下水完全进高压或真空条件下水完全进入岩石张开的孔隙、裂隙时水的质量入岩石张开的孔隙、裂隙时水的质量（饱水岩石总质量（饱水岩石总质量 减去岩石固体部分质量）减去岩石固体部分质量）与岩石固体部分质量与岩石固体部分质量 之之比比，以百分

17、率表示：，以百分率表示： %100rdrdsasammm饱水率反映岩石中总的张开型孔隙、裂隙的发育程度饱水率反映岩石中总的张开型孔隙、裂隙的发育程度，对评价岩石的抗冻性和抗风化能力是一个重要的参数。对评价岩石的抗冻性和抗风化能力是一个重要的参数。 sasamrdm岩石岩石饱水系数（饱水系数（saturation coefficientsaturation coefficient） 为岩石吸水率为岩石吸水率与饱水率之比与饱水率之比，以百分率表示：，以百分率表示： wk%100saawk饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。当岩石饱饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。当岩石饱水系数水系数

18、 0.910.910.91时，在冻结时，在冻结过程中形成的冰会对岩石中的孔隙和裂隙产生过程中形成的冰会对岩石中的孔隙和裂隙产生“冰劈冰劈”、“冻胀冻胀”作用，从而造成岩石的胀裂破坏。作用，从而造成岩石的胀裂破坏。 wkwk六、岩石的渗透性六、岩石的渗透性在单位压力梯度作用下岩石能被水透过的能力称为岩石在单位压力梯度作用下岩石能被水透过的能力称为岩石的渗透性的渗透性，其大小与岩石的孔隙度、孔，其大小与岩石的孔隙度、孔/ /裂隙大小、方裂隙大小、方向及其连通性有关。向及其连通性有关。衡量渗透性的指标为渗透系数衡量渗透性的指标为渗透系数（permeabilitypermeability） ，它在数值

19、上，它在数值上等于水力坡度为等于水力坡度为1 1时岩石时岩石渗流的速度渗流的速度。 K岩石的渗透系数在实验室或现场通过试验确定。室内试验岩石的渗透系数在实验室或现场通过试验确定。室内试验的仪器和方法与土的渗透仪相类似，但采用的压力差比做的仪器和方法与土的渗透仪相类似，但采用的压力差比做土的试验大得多。试验采用下式计算渗透系数：土的试验大得多。试验采用下式计算渗透系数： wQLKpA33(/ ), ( ),(/),(), (. )wQ ms L mN mp PaPa s单位：单位：1注水管路；注水管路；2围压室；围压室；3岩样；岩样；4放水阀放水阀在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示。在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示。岩石的岩石的渗透系数渗透系数不仅不仅与岩石及水的物理性质有关与岩石及水的物理性质有关，而且，而且与岩石的应力状态有关与岩石的